Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniero Civil / Los glaciares ubicados en los Andes de Chile central constituyen parte fundamental del medioambiente y la economía, ya que contribuyen en gran medida al escurrimiento de verano. En la actualidad se han realizado numerosos estudios para comprender tanto la magnitud actual de estos aportes como la respuesta que tendrán los glaciares ante perturbaciones climáticas como es el cambio climático. En el presente trabajo se analiza el comportamiento histórico y futuro del caudal de la cuenca del río Olivares antes de su junta con el río Colorado, con énfasis en las variaciones que presentará el aporte glaciar. Para esto se utilizan dos modelos hidrológicos con distinta esquematización, lo que permite tener una mayor consistencia en los resultados y, a la vez, analizar las diferencias dada la conceptualización de los distintos procesos y su escala espacial. El primero de ellos corresponde a un modelo distribuido de base física, DHSVM, mientras que el segundo posee una topología de carácter semi-distribuido con características conceptuales y de base física, WEAP. Ambos modelos se calibran a escala diaria en el período 2001/02-2011/12 comparando tanto el comportamiento del caudal como la cobertura nival. Las proyecciones de cambio climático utilizadas en el estudio se realizan considerando cinco modelos de circulación global (GCM por sus siglas en inglés) del escenario RCP 8.5, escogidos en base al comportamiento de la precipitación y temperatura simuladas contrastadas con las observaciones en la estación base Pirque. Analizando las variaciones en las forzantes meteorológicas entre la línea base (1985/86-2004/05) y el futuro cercano (2015/16-2044/45) y lejano (2045/46-2074/75) se obtiene que en promedio los modelos proyectan un incremento de la temperatura media anual de la estación de 1.3°C para el futuro cercano y 2.9 °C para el futuro lejano, lo que representa un 9 y 20% respectivamente, mientras que para la precipitación anual se proyecta una disminución de 33.6 mm para el futuro cercano y 93.2 mm para el futuro lejano., representando un 7 y 19% respectivamente. Se estima que la mayoría de los glaciares en la cuenca del río Olivares habrán desaparecido para fines del período analizado, quedando en promedio 1.2 km^2 según la modelación realizada por DHSVM y 6.8 km^2 según WEAP. Además, el caudal total presenta disminuciones de entre un 15 y un 46% para el futuro lejano, mientras que el caudal glaciar presenta disminuciones de entre un 53 y un 85% para el futuro lejano, dependiendo del GCM y modelo hidrológico utilizado.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. / Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.

Existe en la comunidad científica un amplio consenso que el cambio climático modificará, entre otros efectos, la disponibilidad de los recursos hídricos alrededor del planeta. Esto se basa en los resultados de modelos meteorológicos de gran escala que sirven de entrada a modelos hidrológicos aplicados a situaciones locales. El objetivo principal de este trabajo es cuantificar la variación que sufren las series de caudales medios mensuales, producto de los datos meteorológicos y configuraciones adoptadas en la modelación del río Pangal, el cual se encuentra ubicado en la Región del Libertador General Bernardo O’Higgins, Chile, utilizando el modelo de gestión WEAP desarrollado por el Stockholm Environment Institute. Para el análisis de la variabilidad e incertidumbre de los resultados, se consideraron un conjunto de parámetros, siendo éstos: i) división espacial de la cuenca, ii) gradientes meteorológicos, iii) series alternativas futuras y iv) parámetros modelo WEAP. Generados los gradientes en base a registros de estaciones existentes en el área de interés, y utilizando el modelo de humedad del suelo, se implementó la cuenca en WEAP considerando tres escenarios consistentes en una, dos y seis bandas de altura, los cuales fueron calibrados y validados en el escenario actual utilizando el coeficiente de Nash – Sutcliffe. Se observó que a medida que la cuenca se modela de manera más concentrada, el valor del coeficiente disminuye desde 0,82 a 0,62, lo que se ve reflejado en una subestimación importante de los caudales de deshielo. Para la generación de los caudales futuros en el periodo 2005 a 2035, se utilizaron series mensuales de temperatura y precipitación para los escenarios A2 como B2 definidos por el IPCC. Las series meteorológicas futuras fueron derivadas del modelo de circulación global HadCM3, escaladas con el software SDSM, generando un modelo con coeficiente R2 de 0,53 y 0,42 para la temperatura y precipitación, respectivamente. Los resultados de la modelación indican que al seleccionar de las 20 series generadas con cada gradiente, aquella con mayor disminución de precipitación y mayor aumento de la temperatura, se produce en el escenario A2 un descenso promedio de los caudales medios anuales de un 16%, aunque los caudales medios mensuales pueden tener importantes variaciones (37% en Noviembre). Por otra parte, si se selecciona aquella serie con menor disminución de precipitación y menor aumento de temperaturas, se tiene un aumento promedio de los caudales medios anuales de un 12%. Finalmente, en el escenario B2 se observa la misma tendencia, sin embargo las variaciones son de una menor magnitud (disminución de un 4% en el caso más desfavorable, y aumento de 5% en el más favorable). Lo anterior refleja la necesidad de mayor investigación para disminuir la incertidumbre inherente a estas modelaciones. / Existe en la comunidad científica un amplio consenso que el cambio climático modificará, entre otros efectos, la disponibilidad de los recursos hídricos alrededor del planeta. Esto se basa en los resultados de modelos meteorológicos de gran escala que sirven de entrada a modelos hidrológicos aplicados a situaciones locales. El objetivo principal de este trabajo es cuantificar la variación que sufren las series de caudales medios mensuales, producto de los datos meteorológicos y configuraciones adoptadas en la modelación del río Pangal, el cual se encuentra ubicado en la Región del Libertador General Bernardo O’Higgins, Chile, utilizando el modelo de gestión WEAP desarrollado por el Stockholm Environment Institute. Para el análisis de la variabilidad e incertidumbre de los resultados, se consideraron un conjunto de parámetros, siendo éstos: i) división espacial de la cuenca, ii) gradientes meteorológicos, iii) series alternativas futuras y iv) parámetros modelo WEAP. Generados los gradientes en base a registros de estaciones existentes en el área de interés, y utilizando el modelo de humedad del suelo, se implementó la cuenca en WEAP considerando tres escenarios consistentes en una, dos y seis bandas de altura, los cuales fueron calibrados y validados en el escenario actual utilizando el coeficiente de Nash – Sutcliffe. Se observó que a medida que la cuenca se modela de manera más concentrada, el valor del coeficiente disminuye desde 0,82 a 0,62, lo que se ve reflejado en una subestimación importante de los caudales de deshielo. Para la generación de los caudales futuros en el periodo 2005 a 2035, se utilizaron series mensuales de temperatura y precipitación para los escenarios A2 como B2 definidos por el IPCC. Las series meteorológicas futuras fueron derivadas del modelo de circulación global HadCM3, escaladas con el software SDSM, generando un modelo con coeficiente R2 de 0,53 y 0,42 para la temperatura y precipitación, respectivamente. Los resultados de la modelación indican que al seleccionar de las 20 series generadas con cada gradiente, aquella con mayor disminución de precipitación y mayor aumento de la temperatura, se produce en el escenario A2 un descenso promedio de los caudales medios anuales de un 16%, aunque los caudales medios mensuales pueden tener importantes variaciones (37% en Noviembre). Por otra parte, si se selecciona aquella serie con menor disminución de precipitación y menor aumento de temperaturas, se tiene un aumento promedio de los caudales medios anuales de un 12%. Finalmente, en el escenario B2 se observa la misma tendencia, sin embargo las variaciones son de una menor magnitud (disminución de un 4% en el caso más desfavorable, y aumento de 5% en el más favorable). Lo anterior refleja la necesidad de mayor investigación para disminuir la incertidumbre inherente a estas modelaciones.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. / Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.

Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.

O presente trabalho tem como objetivo explorar as dificuldades bem como os benefícios da utilização de arquiteturas Streams para a simulação de eventos hidrológicos baseados nas equações de águas rasas. Pra tal, é criado embasamento sobre modelagem hidrológica e os algumas classes de modelos existentes, arquiteturas heterogêneas e mais especificamente do modelo bidimensional usado baseado nas equações de Saint-Venan. Com isso é construida a linha de tempo referente às otimizações aplicadas ao modelo inicialmente serial até sua versão otimizada para GPUs, exibindo cada passo tomado em forma de algoritmo para chegar ao objetivo. Com estas otimizações foi obtido um speedup de quatro vezes para pequenas áreas e de 10 vezes com uma resolução média para uma grande área com um alto nível de detalhamento, quando comparado com uma versão de 24 threads. / This study aims to explore the difficulties and the benefits of using Streams architectures for the simulation of hydrological events based on shallow water equations. For this purpose, is created foundation on hydrological modeling and some classes of existing models, heterogeneous architectures, and more specifically the two-dimensional model based on the equations used Saint-Venan. A timeline is constructed relating the applied optimizations beginning from the first serial model optimized for a GPU version showing each step taken in the form of an algorithm to reach the best performance. With these optimizations a speedup about 4 times was obtained for small areas and 10 times with a middle level of detailing for a large area with a high level of detailing. These results were produced comparing the GPU performance with a CPU and 24 threads version.

Foi desenvolvida uma ferramenta para simular a geração, o transporte e a redistribuição de sedimentos em bacias de grande escala, através da integração de uma metodologia simplificada para estimativa da distribuição espacial e temporal da perda de solo na bacia com uma metodologia de transporte de sedimentos em rios com planícies de inundação, e com o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído de grandes escalas, baseado em processos, que adota uma discretização da bacia em minibacias e o conceito de Unidades de Respostas Hidrológicas (URH). O modelo usa equações de base física para simular os processos hidrológicos, como o modelo de evapotranspiração de Pennan Monteith, e utiliza a abordagem de Muskingum-Cunge e um modelo hidrodinâmico 1D para propagar as vazões nos rios, incluindo efeitos de remanso e inundações sazonais. A integração considera a possibilidade de aplicação em bacias com escassez de dados e o uso de utilização de Sistemas de Informações Geográficas e dados espacializados. Buscou-se representar a dinâmica dos sedimentos em grandes bacias, tendo como estudo de caso a bacia do rio Madeira, caracterizada pela sua grande extensão territorial (~1,4.106 km2) e elevada produção de sedimentos. A MUSLE é utilizada para estimar a perda de solo em cada minibacia considerando um fator topográfico LS bidimensional extraído do SRTM/MDE e os demais parâmetros obtidos da literatura ou por formulações específicas. O transporte de sedimentos nos rios é realizado utilizando uma equação de advecção para partículas de silte e argila (materiais em suspensão) e uma equação da continuidade para partículas de areia (carga de fundo). Uma troca lateral de sedimentos em suspensão também é permitida entre os rios e suas planícies de inundação. As metodologias acopladas ao MGB forneceram resultados satisfatórios na bacia do rio Madeira, possibilitando uma visão distribuída da localização das principais fontes de geração de sedimentos na bacia e dos trechos de rios com maiores cargas de sedimentos transportadas. A dinâmica geral dos sedimentos, desde os principais locais de geração de sedimentos na bacia até a sazonalidade do transporte de sedimentos em suspensão nos principais rios, foi representada de forma distribuída. As concentrações e as cargas de sedimentos em suspensão simuladas foram comparadas com dados observados, nas escalas anual, mensal e diária, com ajustes satisfatórios entre elas ao longo dos principais rios da bacia. A transferência lateral de sedimentos entre rio e planície indicaram que 35% de toda a carga de sedimentos provenientes dos Andes é depositada nas planícies. Essa representação também permitiu o amortecimento dos picos e o retardo da propagação das concentrações. As concentrações e as cargas médias mensais de sedimentos em suspensão apresentaram comportamento semelhante aqueles descritos por outros estudos realizados neste bacia, os quais a avaliaram a partir de dados de campo. Apesar dos resultados satisfatórios, foi feita uma avaliação das potencialidades e limitações do modelo e fornecidas recomendações para trabalhos futuros. / It was developed a tool for modelling the production, transport and redistribution of sediments for large scales river basins, by integrating a simplified methodology to predict the spatial and temporal distribution of the soil loss over the basin with a methodology to transport sediments along river with floodplains, and couple them to the MGB-IPH hydrological distributed model. The MGB-IPH is a large-scale, distributed and process based hydrological model that uses a catchment based discretization and the Hydrological Response Units (HRU) approach. It uses physical based equations to simulate the hydrological processes, such as the Penman Monteith model for evapotranspiration, and uses the Muskingum Cunge approach and a full 1D hydrodynamic model for river routing; including backwater effects and seasonal flooding. The integration considers possible applications of the model in basins with data scarcity and the use of geographic information systems and spatially distributed information. It aimed to represent the sediments dynamics of large basin using the Madeira river basin as a case study, which is a large basin (~1,4.106 km2) with high amount of sediment transportation. The MUSLE model is used to predicts basin sediment production et each catchment considering a bi-dimensional topographic LS factor extract from SRTM/DEM and values of the other parameters derived from literature or specific equations. Sediment transport along the river are performed using an advection equation for silt and clay (suspended materials) and a sediment continuity equation for sand (bed load). A lateral exchange of suspended sediments is also allowed between rivers and its floodplains. The methodologies coupled with the MGB-IPH model provided satisfactory results in the Madeira river basin, allowing a distributed view of sediment production sites over the basin and of the rivers reaches transporting large amount of sediments. General sediment dynamic was represented in a spatialized way, including the main sources of sediment productions and the suspended sediment transport seasonality. Concentrations and loads of simulated suspended sediment were compared with observed data at annual, monthly and daily scales, shown satisfactory adjustments between them along the main rivers of the basin. Lateral exchanges of suspended sediment between rivers and floodplains indicated that near 35% of all Andeans loads are deposited into floodplains. This representation also allowed the damping of the peaks and the routing delay of the concentrations and of the loads of suspended sediments. Mean monthly concentrations and loads of suspended sediments showed similar behaviors of those described by other researches at this basin using observed data. Despite the satisfactory results, an assessment was made of the potential and limitations of the model and provided recommendations for future work.

Neste trabalho foi avaliado o efeito do controle de montante em sub-bacias embutidas na previsão hidrológica de curto prazo, com a investigação conjunta de dois aspectos: variação da área controlada e a variação do detalhamento temporal dos dados de vazões de entrada do modelo. O local escolhido para essa pesquisa foi a bacia do rio Ijuí com exutório no posto fluviométrico da Ponte Mística e as suas sub-bacias embutidas de Santo Ângelo, Ponte Nova do Potiribu, Colônia Mousquer, Passo do Faxinal e Turcato. Os dados de vazão utilizados foram obtidos da Agência Nacional de Águas (ANA) e do projeto de monitoramento da bacia do Potiribu (Castro et al., 2010), enquanto que os dados de precipitação foram obtidos em Silva (2011), que calculou uma série histórica de precipitações médias de uma grade de chuvas interpoladas a partir dos dados de 65 postos pluviométricos da região. Para este estudo foram utilizados dados de 22/08/1989 à 01/06/1994 (1.743 dias). Esse período foi selecionado por ser o maior período com dados concomitantes em todos os postos fluviométricos. Os modelos escolhidos para esse estudo foram as redes neurais artificiais de múltiplas camadas, com utilização do algoritmo retropropagativo. As entradas nos modelos foram os dados de precipitação e as vazões diárias da bacia de Ponte Mística e de suas sub-bacias, e as saídas foram as vazões de Ponte Mística um dia à frente. Foram apresentadas oito alternativas de controle físico de montante. Também foram aplicadas, para cada uma das alternativas, componentes antecedentes, com a utilização dos dados de vazão com antecedência de 24h e 48h. A utilização de vazões horárias do Turcato foi comparada com uma alternativa que contempla o mesmo posto, mas com dados diários, para investigar se a utilização de dados com um maior detalhamento temporal pode produzir melhores resultados. Para a análise do desempenho da rede foi aplicado como estatística de qualidade o coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS). A avaliação estatística apresentou bons resultados na previsão de vazão para todas as alternativas de controle, sendo o menor NS de 0,91 e o maior de 0,97. A utilização de um maior detalhamento temporal, com aplicação de vazões horárias, provocou uma redução no desempenho do modelo, com o NS caindo de 0,91 para 0,89. Observou-se também que, quanto maior a área controlada das bacias, melhores são os resultados para a previsão de vazão. A análise da influência de cada variável explicativa foi feita por um método apresentado por Maier e Dandy (1997), revelando-se um recurso valioso para a compreensão das relações de importância das variáveis e do funcionamento do sistema. As contribuições das vazões das bacias de montante foram sempre mais influentes do que as precipitações diárias sobre toda a bacia, sendo demonstrado que, neste sentido, mesmo uma bacia muito pequena pode ser importante para a previsão. Além disso, esta técnica revelou-se importante para auxiliar na identificação das defasagens que são mais importantes, e também revela que, mesmo componentes que apresentam menor influência, podem atuar como potencializadoras de outras variáveis ou componentes, cuja ação atua no sentido de incrementar o desempenho das previsões do modelo. / This study evaluated the effects of the amount of controlled area with sub-basins embedded for real time hydrologic forecasting. Two aspects were studied together: The variation in the amount of controlled area and the temporal variation of detail data flow model input. The site chosen for this research was the Ijuí river basin with outlet in the gaging station of Ponte Mística and its sub-basins, namely the gaging stations at Sant'Angelo, Ponte Nova do Potiribu, Colônia Mousquer, Passo do Faxinal and Turcato. The streamflow data used were obtained from the National Water Agency (ANA) and the monitoring project of the Potiribu basin (Castro et al., 2010), while precipitation data were obtained in Silva (2011), who calculated the series of average precipitations from a grid of rainfalls resulting from the data interpolation of 65 raingauge stations in the region. For this study we used data from 22/08/1989 to 01/06/1994 (1.743 days). This period was selected because it is the longest period with complete data in all fluviometric stations. The models chosen for this study were the artificial neural networks of multiple layers, with training by the backpropagation algorithm. The entries of the models were the daily rainfall data and the streamflow of Ponte Mística basin and its sub-basins, and the outputs were the streamflows of the gaging station of Ponte Mística one day after. Eight alternatives of upstream control were presented. There were also applied, to each of these alternatives, the antecedent components, namely, the previous streamflow data of 24h and 48h. The model which uses hourly streamflows of Turcato was compared with an alternative that makes the same job, but with daily data, to investigate if the former, with the use of data with greater temporal detail, can produce better results. For the analysis of network performances it was applied the Nash-Sutcliffe coefficient (NS). Statistical evaluation showed good results in predicting streamflow for all control alternatives, being 0.91 and 0.97 the lowest and the highest NS, respectively. Using a more detailed temporal, applying hourly streamflows, caused a reduction in the performance of the model, with the NS falling from 0.91 to 0.89. It was also observed that the larger the controlled basins area, the better the results for predicting flow. The analysis of the influence of each explanatory variable was made by a method developed by Maier and Dandy (1997), proved to be a valuable resource for understanding the importance of relationships of variables and operating system. The contributions of flow from upstream basins have revealed always more influential to the forecasting than the daily precipitation over the whole basin, and demonstrated that, in this sense, even a very small basin may be important for forecasting. Furthermore, this technique proved important to help identify the more important lags, and also reveals that, even components that have less influence, can act for potentiating the other variables or components whose actions acts to increase the performance of the model predictions.

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:37:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_7941_DISSERTACAO_KENNY_Final.pdf: 4725583 bytes, checksum: 678e49b195f9ff0eb0b33f5dedd056ab (MD5) Previous issue date: 2014-07-21 / O objetivo do presente estudo foi realizar a modelagem hidrológica da bacia hidrográfica do rio Jucu com uso do modelo dinâmico, físico e distribuído DHSVM (Distributed Hydrology Soil Vegetation Model), que representa explicitamente os processos integrados dos fenômenos hidrológicos. A primeira etapa do trabalho consistiu na criteriosa obtenção dos dados de entrada do modelo, tanto por meio de revisão bibliográfica como pelo uso de geotecnologias. A segunda etapa consistiu na modelagem hidrológica. Foram utilizadas variáveis climáticas, vegetacionais e edáficas pelas quais o modelo foi calibrado e validado para simular a vazão, em um passo de tempo diário, da estação Fazenda Jucuruaba, principal posto fluviométrico do rio Jucu, seguindo-se com o mesmo procedimento para a validação da vazão da estação mais a montante dessa, ou seja, a estação Córrego do Galo, no intuito de compreender o efeito da calibração em uma seção da bacia sobre os demais cursos dágua a montante de tal seção. Essa análise permitiu obter simulações que satisfizeram um elevado rigor de previsão, com moderado dispêndio na demanda de tempo e esforços técnicos para calibração, obtendo-se um coeficiente de Nash e Sutcliffe de 0,86, coeficiente de Nash e Sutcliffe ajustado de 0,60, percentual de tendência de -1,55, e erro padrão médio normalizado de 0,39. O DHSVM apresentou desempenho satisfatório, demostrando potencial para ser usado em regiões diferentes daquelas para as quais foi desenvolvido e testado.

Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.