A modelagem matemática está presente na pratica hidrológica como uma das principais ferramentas utilizadas em projetos de engenharia e avaliações ambientais. Particularmente, os modelos hidrológicos de larga escala têm sido aplicados em avaliações de impactos de mudança da cobertura vegetal e variabilidade climática, e em sistemas de previsão. Entre as limitações destes modelos está a incapacidade de representar o escoamento em áreas muito planas, com extensas áreas inundáveis e efeitos de remanso como nos rios amazônicos. Assim, apresenta-se neste trabalho uma proposta metodológica para simulação hidrológica e hidrodinâmica integrada em grandes bacias. O modelo é baseado no modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001), no modelo hidrodinâmico 1D IPH-IV (Tucci, 1978) e em procedimentos para extração de parâmetros para o modelo hidrodinâmico principalmente de Modelos Digitais de Elevação (MDEs) a fim de suprir a falta de dados detalhada das calhas fluviais e planícies de inundação. Propõem-se também uma metodologia simplificada para simulação das áreas inundadas. A técnica proposta é na realidade um aperfeiçoamento do modelo MGB-IPH. A metodologia desenvolvida é avaliada através de um estudo de caso na bacia do rio Solimões, que possui cerca de 2.221.990 km2 e é o principal afluente do rio Amazonas. Análises comparativas entre vazões observadas e simuladas em 18 postos fluviométricos mostram a superioridade da metodologia proposta em relação a métodos de propagação de vazões simplificados - representado pelo modelo Muskingum Cunge (MC). Os hidrogramas simulados com o modelo MC são adiantados e com picos erroneamente acentuados. Além disso, conforme a análise dos resultados em 35 postos fluviométricos, o modelo é capaz de fornecer resultados satisfatórios de variação dos níveis d’água. As áreas inundadas simuladas são comparadas com estimativas via sensoriamento remoto de Hess et al (2003) em duas datas distintas, representativas dos períodos de cheia e estiagem e o desempenho do modelo MGB-IPH é satisfatório. Verifica-se que a influência da variação sazonal das áreas alagadas sobre o balanço hídrico não é significativa na bacia do Solimões. Adicionalmente, de acordo com as simulações, o armazenamento na planície de inundação e o termo de pressão são ambos importantes na representação do escoamento nos rios amazônicos visto que parte do armazenamento é devido ao represamento de afluentes de grandes rios. Por fim, o modelo fornece melhores simulações de vazão e resultados adicionais de níveis d’água e áreas inundadas. Assim, espera-se que este possa ser utilizado na representação mais coerente de impactos de mudanças do uso do solo, variabilidade climática e reservatórios, simulação de outros processos como fluxos de sedimentos e qualidade d’água, e em sistemas de previsão hidrológica. / The mathematical modeling is present in the hydrological practice as one of the main tools used in engineering projects and environmental assessments. Particularly, the large scale hydrological models have been applied in land use and climate variability impact assessments and in forecast systems. Among the restrictions of these models is partial representation of the hydrodynamics in rivers with large floodplains, low slope and significant backwater effects, as the Amazon rivers. Considering this, an integrated hydrological e hydrodynamic modeling approach for large watersheds is presented. The model is based on the MGB-IPH hydrological model (Collischonn, 2001), the IPH IV 1D hydrodynamic model (Tucci, 1978) and DEM processing procedures for hydrodynamic model parameters extraction due limited river and floodplain detailed data. It is also proposed a simplified methodology for simulation of the flooded areas. The proposed technique is actually an improvement of the MGB-IPH model. The model is evaluated on a case study in the Solimões river basin (2,221,990 km2), the main tributary of the Amazon River. Analysis of simulated and observed discharge of 18 gauge stations show the superiority of the proposed methodology if compared to simplified flow routing methods - represented by the Muskingum Cunge model (MC). The flood waves simulated with the MC model are advanced and have wrongly pronounced peaks. Through the analysis of simulated and observed water levels in 35 gauge stations, it is shown that the model is able to represent water levels variations. The simulated flooded areas are compared with remote sensing estimates of Hess et al (2003) on two time intervals, representing high and low water periods, and the performance of the MGB-IPH model was satisfactory. It is found that the influence of seasonal variation of the flooded areas on the water balance is not significant on the Solimões river basin. Additionally, according to simulations, both floodplain storage and pressure term are important on the hydrodynamics of the Amazon rivers because part of the storage is due backwater effects and storage on floodplain of the major rivers tributaries. Finally, the model provides improved flow simulations and additional outputs - water levels and flooded areas. Thus, it is expected that it can be used in more consistent representation of land use, climate variability and dam impacts, in simulation of other processes such sediment and water quality, and in hydrological forecasting systems.

A previsão com antecedência de curto e médio prazo da vazão em diferentes locais de bacias hidrográficas geralmente é benéfica ao permitir uma resposta antecipada a eventos hidrológicos como cheias, e a operação mais eficiente de obras hidráulicas como barragens. Atualmente, cada vez mais se tem reconhecida a importância da inclusão das incertezas na geração de previsões hidrológicas, feita através de previsões por conjunto (ou ensemble). Neste tipo de previsão são feitas inferências sobre cenários possíveis futuros através da consideração de, por exemplo, múltiplas trajetórias possíveis dos estados da atmosfera, que ao serem aplicadas em um modelo hidrológico resultam em distribuições de trajetórias de vazões. Várias aplicações recentes tem sugerido a possibilidade da tomada de melhores decisões para o futuro quando fundamentadas neste conhecimento das incertezas. No Brasil, um uso predominante de previsões hidrológicas é na operação de reservatórios de usinas hidroelétricas, que constituem a maior fonte de energia do País. As previsões nestes casos são utilizadas tanto para a operação normal do sistema nacional, feita de forma centralizada, como para a operação local das usinas em casos de cheia, onde é necessário velar pela segurança da barragem e pela atenuação de impactos a jusante e/ou a montante dos barramentos. Contudo, a forma como as previsões de vazão são geradas e usadas no cenário nacional não são baseadas em técnicas de previsão por conjunto, onde a própria pesquisa local sobre os potenciais benefícios destas formas de geração de previsões pode ser classificada como incipiente. Assim, o objetivo principal deste estudo é investigar benefícios em termos de qualidade e persistência do uso de previsões de afluência por conjunto para reservatórios em grandes bacias hidrográficas brasileiras em curto e médio prazo. Para cumprir com estes objetivos foram propostos ensaios de previsão de vazão por conjunto para três bacias hidrográficas brasileiras: Alto São Francisco, Doce, e Tocantins. O modelo hidrológico MGBIPH foi aplicado para a execução de previsões retroativas (hindcastings) alimentado por dados de chuva provindos de três diferentes sistemas de previsão meteorológica por conjunto (ECMWF-pf, GEFS, e CPTEC-pf) e mais uma previsão determinística de referência (ECMWF-fc), todos disponíveis na base de dados denominada TIGGE. De uma forma geral, as previsões por conjunto, principalmente dos modelos ECMWF-pf e GEFS, se mostraram superiores em termos de qualidade e persistência na comparação com a previsão determinística. E o uso do Super Ensemble, formado pela combinação dos três modelos mostrou-se uma alternativa entre as melhores testadas, principalmente por ser também uma estratégia robusta. Para uma estratégia de defesa contra cheias, as análises indicam benefícios para a consideração dos membros superiores dos conjuntos, e já para uma estratégia de operação de reservatórios essa visão pode ser mais focada em vazões médias, as quais podem conter algum viés. Já a comparação entre as bacias mostrou que resultados não podem ser transportados de um local para outro, apesar de estarem no mesmo clima. Em relação às incertezas, notou-se que a modelagem hidrológica amplifica as incertezas na previsão na medida em que os estados do modelo da grande bacia evoluem. De qualquer forma, acreditase que os resultados mostram que mais investimentos em técnicas de previsão por conjunto e suas aplicações são um caminho a ser seguido para ampliar os benefícios do uso de previsões hidrológicas. / Short to medium-term streamflow forecasts at different locations in a watershed are generally beneficial to allow an early response to hydrological events such as floods, and more efficient operation of hydraulic structures such as dams. Currently, an increasingly recognition has been given to the including of uncertainties in the generation of hydrological forecasts, what is usually made producting the so called Ensemble Forecast. In this kind of forecast inferences about possible future scenarios are made by considering, for example, multiple possible trajectories of the atmospheric states, which when applied to a hydrological model results in streamflow trajectories distributions. Several recent applications suggested the possibility of better decisions making based on this uncertainties knowledge. In Brazil, a predominant use of hydrological forecasts is for hydropower reservoirs operation, which are the largest source of energy for the country. Future inflows estimates in these cases are used either for normal operation of the national system, done centrally, as for local operation of the dams in cases of floods, where it is necessary to ensure the dam safety and the mitigation of impacts downstream and/or upstream. However, the currently technique used to generate the operational forecasts is not based on ensembles, and the Brazilian local research on the potential benefits of these forms of forecasts production can be classified as incipient. Thus, the aim of this Thesis was to investigate benefits in terms of quality and persistence of using short to medium-term ensemble inflow forecast for reservoirs located on large Brazilian river basins. To fulfill these objectives streamflow forecast tests have been proposed for three Brazilian river basins: Alto San Francisco, Doce, and Tocantins. The hydrological model MGB-IPH was applied to perform retroactive forecasts (hindcastings) within a period of tests forced by rainfall data from three different ensemble weather forecasting systems (ECMWFpf, GEFs, and CPTEC-pf) and a deterministic prediction reference (ECMWF-fc), all available in the TIGGE archive. In general, the ensemble predictions, especially from ECMWF-pf and GEFs models, were superior in quality and persistence in comparison to the deterministic reference. And the use of the Super ensemble composed by the combination of the three ensemble models was shown to be among the results, and also a robust strategy. For a flood protection strategy, the analyzes indicate benefits in the consideration of the upper bounds of the ensembles, and for a reservoir operation strategy that vision could be more focused on average flow rates, which may contain some verified bias. The comparison between the basins results showed that one can not transport results and considerations from one location to another, despite being in the same climate region. Regarding uncertainties, it was noted that hydrological modeling amplifies the uncertainty in the forecasts, in some extent due to the large basin evolution of state variables. Anyway, it is believed that more investments in ensemble forecasting techniques and its applications shown to be a good way to make better use of forecasts.

A aplicação dos modelos conceituais e semi-conceituais de transformação chuva-vazão depende de uma calibração prévia de seus parâmetros em locais com dados de vazões disponíveis e que guarde certa semelhança hidrológica com o local da aplicação. Para essa transferência de informações assumem-se algumas hipóteses que, em geral, não podem ser aferidas com dados reais, próprios de cada local, resultando em grandes incertezas sobre os resultados obtidos. Além do mais, a pouca quantidade de informações hidrológicas disponível impõe severas restrições à aplicabilidade dos modelos chuva-vazão, especialmente quando se necessita obter séries em escalas diárias ou mensais. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e validação de uma técnica de regionalização de parâmetros de modelos chuva-vazão baseado no uso de algoritmos genéticos e redes neurais, tendo o modelo SMAP – Soil Moisture Accounting Procedure (Lopes et al, 1981) mensal como objeto de avaliação. São empregados dados de 41 bacias hidrográficas localizadas no estado da Paraíba, no semi-árido do Nordeste brasileiro, entre as quais, 14 são áreas controladas por estações fluviométricas e 27 por reservatórios fluviais. Para todas as bacias foram determinados 32 parâmetros físicos e climatológicos, sendo seis características das medidas lineares das bacias, três da forma, nove da rede de drenagem, sete do relevo, duas da capacidade de escoamento, três das classes de solos e duas da climatologia. Uma análise dos dados disponíveis é feita em duas etapas: a primeira, consiste na avaliação da importância de cada bacia no conjunto dos dados, por meio da aplicação da técnica de aprendizado hierárquico não supervisionado; a segunda, consiste na seleção de atributos (características das bacias) usando técnicas de aprendizado supervisionado, a qual elimina dados redundantes e irrelevantes responsáveis pela diminuição da precisão e do entendimento sobre as hipóteses usadas quando as relações entre os parâmetros do modelo SMAP e as características são formuladas. O modelo SMAP é calibrado de forma automática através do algoritmo SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizona), conforme Diniz (1994). Os parâmetros obtidos são relacionados às características físicas e climáticas das bacias hidrográficas através de redes neurais artificiais do tipo Perceptrom Múltiplas Camadas – MLP. / To use a conceptual or semi-conceptual hydrological rainfall–runoff model on a drainage basin without flow records, it must first have been calibrated at one or more sites where flow data are available and in a drainage basin having characteristics similar to those of the basin of interest. The transformation of rainfall into runoff needs some assumptions in both calibration and application sites that cannot be verified, leading to uncertainties. Moreover, the limited availability of hydrological data imposes some restriction on the application of rainfall-runoff models, particularly when the goal is to generate daily or monthly flow series. This paper describes the development and validation of a parameter regionalization technique based on the use of genetic algorithms and artificial neural networks. The rainfall– runoff model used is the monthly version of the SMAP model. Data from 41 drainage basins in the Paraíba State of the semi-arid north-east of Brazil are used, 14 of which have a streamflow gauge station whilst 27 contain a dam at which reservoir levels are recorded. In each drainage basin, 32 physical and climatic attributes are calculated. Six of these describe linear dimensions of the basin, three are shape parameters, nine characterize the drainage network, seven describes the relief, two the run-off capacity, three the soil class and two the climatic conditions. The analysis of the available data is made in two phases. The first consists of evaluating the importance of each basin in the whole ensemble, by means of a non-supervised hierarchical learning procedure, and the second consists of selecting attributes using a supervised learning procedure which eliminates redundancies and less important data that diminish the precision and understanding of the assumptions used when relationships between parameters and basin characteristics are formulated. The SMAP model is calibrated in an automatic mode through SCE-UA algorithm, according to Diniz (1994). The acquired parameters are related do the physical and climate characteristics of the drainage basins through MLP – Multiple Layers Perceptrons artificial neural network.

A modelagem matemática é uma valiosa ferramenta para avaliação de alterações da qualidade da água causadas por descargas diversas. Para a simulação de bacias hidrográficas a integração com sistemas de informações geográficas (SIG) é muito útil para a descrição detalhada e automatizada da região de interesse, e para a interpretação dos resultados. Neste contexto de desenvolvimento de soluções integradas que o presente trabalho tem como objetivo contribuir para a melhoria no gerenciamento da qualidade da água em bacias hidrográficas, onde é apresentado o desenvolvimento de um modelo acoplado com SIG, aplicável para condições de baixa disponibilidade de dados, denominado SIAQUA-IPH. Adotou-se para o modelo a utilização de soluções analíticas da equação de advecção-dispersão para simular o impacto de lançamentos com duração variável em cursos de água, incluindo lançamentos instantâneos, ou de duração curta. No modelo é adotado um esquema de convolução dos polutogramas para a representação de lançamentos múltiplos e de confluências existentes na bacia. Ainda, para a simulação de constituintes comumente encontrados em esgotos (DBO, OD, N, P e Coliformes) foi adotada a utilização de soluções conhecidas, como a equação de Streeter-Phelps. Soluções analíticas foram priorizadas visando diminuir restrições relacionadas à capacidade computacional, tempo de simulação e outros erros numéricos. A topologia adotada na concepção do modelo consiste na subdivisão da bacia hidrográfica em pequenos trechos de rio, que pode ser obtida automaticamente através de ferramentas de geoprocessamento, o que caracteriza o primeiro fator de integração com SIG desenvolvida. Esta é a mesma topologia utilizada pelo modelo MGB-IPH, por isto os resultados do modelo hidrológico podem ser utilizados diretamente pelo modelo de qualidade. Como segundo fator de integração com SIG, o SIAQUA-IPH foi desenvolvido plenamente acoplado à plataforma MapWindow GIS®, de uso livre, onde o SIG é a forma como o usuário interage com o modelo, inserido os dados de entrada e visualizando os resultados. Para a calibração do SIAQUA-IPH adotou-se a possibilidade do uso do algoritmo de calibração automática SIMPLEX de Nelder-Mead. Para o cálculo do coeficiente de dispersão longitudinal foi adotado o uso de formulações práticas, selecionadas a partir de uma matriz de seleção desenvolvida. Testes hipotéticos de funcionamento do modelo nas bacias do rio Ijuí (RS) e do rio São Francisco (MG) evidenciaram um desempenho pleno de todas as soluções adotadas. Em um terceiro ensaio de representação de dados de traçadores, obtidos de Rigo (1992), foram obtidos resultados satisfatórios em que as diferenças computadas servem de referência para usuários sobre as incertezas dos métodos utilizados. Espera-se que as soluções adotadas no desenvolvimento do SIAQUA-IPH sirvam para várias aplicações, incluindo estudos prévios de impacto, avaliações posteriores de despejos ocorridos, e até suporte à decisão em tempo real, como no caso de derramamentos acidentais. / Mathematical modeling is a valuable tool to assess water quality changes produced by different kinds of discharges. For watershed simulations, the coupling with Geographic Information Systems (GIS) is very useful for automated and detailed description of the studied region and for helping results interpretation. On this context of integrated solutions development that this research aims to contribute for river basins water quality management improving, where is exposed the development of a model coupled with GIS and applicable to low data availability conditions, called SIAQUA-IPH. In the model was adopted the use of advection-dispersion equation analytical solutions to simulate the impacts of various duration discharges into rivers. A polutograph convolution scheme is adopted for representing multiple spills and confluences in the basin. For constituents commonly found in sewage simulation (BOD, OD, N, P and Coliforms) the model also allows the use of classical solutions, such as the Streeter-Phelps equation. The model is designed to use primarily analytical solutions aiming to reduce constraints related to computational capacity, simulation time and others numerical issues. The topology adopted in the model consists in the hydrography discretization into small river reaches, which can be obtained automatically through geoprocessing tools, which is the primary factor of developed GIS coupling. Also, as this is the same topology used by the MGB-IPH model, the hydrological model results can be used directly by the water quality model. As a second GIS integration factor, SIAQUA-IPH was developed fully coupled to MapWindow GIS ® platform, free distributed, where the GIS is the way the user interacts with the model, enters the input information and access results. Calibration of SIAQUA-IPH can be performed through Nelder-Mead SIMPLEX automatic calibration algorithm. For the longitudinal dispersion coefficients estimation was adopted the use of empirical formulations, selected through a selection matrix developed. Tests of hypothetical releases in the Ijuí (RS) and in the São Francisco (MG) river basins were carried out, which showed a full performance of all the adopted solutions. Also, a tracer data representation test was conducted using data showed by Rigo (1992) in the Paraíba do Sul River (RJ), where obtained results were considered satisfactory and computed differences can be used as a guide for uncertainty of the adopted methods. It is expected that the SIAQUA-IPH serves for various applications, including prior studies of pollutants releases, later evaluations of discharges and to support real-time decision in case of accidental spills.

Ingeniera Civil / En la zona central de Chile, una fracción importante de la precipitación cae en forma sólida en la parte alta de la Cordillera de los Andes. La cuenca en estudio, posee un régimen hidrológico nivo-pluvial, por lo que es importante modelar los procesos hidrológicos involucrados en la acumulación y derretimiento de nieve para estimar la disponibilidad de agua en épocas del año donde la precipitación es escasa. En este trabajo se utiliza un modelo numérico para realizar simulaciones del manto de nieve a escala de sitio y distribuidas para la cuenca del Río Mapocho en Los Almendros. En escala de sitio, se realizaron simulaciones con datos medidos en la estación meteorológica y nivométrica Valle Nevado del Departamento de Ingeniería Civil. Se analiza la evolución del albedo y su variación estacional entre 2013-2015, obteniéndose una tasa de decaimiento diaria entre 0.01 y 0.035 para manto frío y entre 0.04 y 0.1 para manto derritiéndose. El modelo de balance de energía de nieve muestra que los flujos radiativos predominan en el área de estudio. Además, el equivalente en agua de la nieve (SWE en inglés) modelado y medido en terreno, tiene un error entre 5 y 27%, mientras que duración del manto coincide con la estimada a partir del fSCA de imágenes MODIS. Por otro lado, las simulaciones con cambios de precipitación y temperatura según proyecciones para la región, muestran que estas variaciones pueden influir significativamente en la magnitud del SWE y la duración de la cobertura nival. Esto afecta directamente los caudales que se generan a partir del derretimiento de nieve, y por ende la disponibilidad del recurso hídrico para la época de deshielo. En el modelo semi-distribuido, la cuenca se subdivide en unidades de respuesta hidrológica (URH) que se conectan entre sí. Los resultados de cobertura nival del modelo se comparan con el fSCA obtenido de imágenes satelitales, obteniéndose un coeficiente de determinación R²>0.6 para 3 de 4 de las subcuencas analizadas, además la duración del manto modelada es similar a la observada. Luego se modelan los derretimientos semanales en la cuenca, analizando su distribución espacial y temporal. Para los caudales medios diarios modelados, se obtiene un índice de eficiencia Nash-Sutcliffe mayor a 0.74 para dos de las subcuencas en estudio. Sin embargo, se identificó un error en el módulo de infiltración de CRHM, que afecta la generación de escorrentía superficial. Finalmente, los tiempos de residencia del agua a nivel superficial, fueron calibrados y son menores a un día, según la rápida respuesta observada en los caudales de salida frente a los derretimientos. Trabajos futuros deberían enfocarse en una mejor comprensión de los flujos subsuperficiales en la cuenca, así como del rol de los glaciares en la hidrología de la misma, sobre todo respecto de la mantención de flujos base.

Atualmente existe grande demanda na elaboração de mais estudos que venham aprimorar os conhecimentos relacionados a secas, visto que os prejuízos causados por este tipo de desastre natural podem alcançar cifras bilionárias, além de gerar um grande impacto social. Metodologias de monitoramento de secas geram informações estratégicas para o planejamento de medidas mitigadoras, redução dos impactos gerados e ajudam a aprimorar a forma como se gere os recursos hídricos. Algumas regiões no mundo são atingidas frequentemente por este tipo de desastre e mesmo assim não dispõe de um sistema de monitoramento completo para as secas a exemplo do continente sul-americano. Apresenta-se neste trabalho avaliação de metodologias para análise de alguns dos principais índices de seca citados na literatura científica. O objetivo é avaliar o desempenho destes visando encontrar relações que possam vir a aprimorar o entendimento sobre esse tipo de evento e para geração de mapas de seca para região citada. Foram utilizados neste estudo apenas produtos de sensoriamento remoto, de reanálises de precipitação e modelos de superfície, abrangendo diversas variáveis do ciclo hidrológico terrestre, tais como: Precipitação (TRMM e MSWEP); Umidade do solo gerada pelo GLDAS; Condições da vegetação (NDVI GMMIS e MOD13C2); Variação do armazenamento de água (TWS GRACE). Calculou-se o Índice de Precipitação Padronizado (SPI), Anomalia da Umidade do Solo (SMA), Índice de Vegetação Padronizado (SVI) e Anomalia do Armazenamento Terrestre de Água (ATWS). Os resultados mostraram que estes índices conseguiram identificar a maioria dos eventos de seca registrados e que apresentam uma forte relação entre si e que esta é governada por variações no déficit de precipitação representado na forma do SPI. Concluiu-se que no geral as secas evoluem primeiramente apresentando uma redução da precipitação e que após 1 ou 2 meses passa a atingir a umidade do solo e a vegetação e por fim atinge o armazenamento de água 2 ou 3 meses após o início da seca. A metodologia aplicada para geração dos mapas de seca se mostrou bastante eficiente para o monitoramento deste tipo de evento, de forma que foi possível representar a maioria dos principais eventos de seca que ocorreram na América do Sul nos últimos anos. / There is a need tor increase the scientific studies related to drought since this type of natural disaster causes billionaires damages, besides generating social impacts. Drought monitoring methodologies generate strategic information for the planning of mitigation measures, reduction of the impacts generated, and can be used to improve water resource management. Some regions in the world like South America are often hit by this type of disaster and yet do not has a complete monitoring system for droughts. This study presents a methodological proposal for the analysis of some of the main drought indexes cited in the scientific literature. The goal is to evaluate the performance of these indexes in order to find relationships between them that may have improve the understanding about this type o disaster and generate drought maps for the cited region. It was used only remote sensing products and products of precipitation reanalysis and land surface model, such as: Precipitation (TRMM and MSWEP); Soil moisture generated by GLDAS; Vegetation conditions index (NDVI GMMIS and MOD13C2); Variations of water storage (TWS GRACE). Standardized Precipitation Index (SPI), Soil Moisture Anomaly (SMA), Standardized Vegetation Index (SVI) and Terrestrial Water Storage Anomaly (ATWS) were calculated for this study. The results showed that theses indices were able to identify most of the droughts events recorded and there is a strong relationship between them. In general this relationship is ruled by variations in the precipitation deficit represented by the SPI. It was concluded that for the most regions in South America the droughts first evolve presenting a reduction of the precipitation and after 1 or 2 moths it is noticed a change in soil moisture and vegetation condition and in the end after 2 or 3 moths it is noticed a reduction in the water storage. The methodology used to generate the drought maps proved to be very efficient for the monitoring of this type of disaster that it was possible to represent most of the main drought events that occurred in South America in recent years.

A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de bacias, rios e grandes corpos d’água, como lagos e lagunas, é usualmente realizada por meio do acoplamento externo entre modelos hidrológicos-hidráulicos e modelos hidrodinâmicos de duas ou três dimensões. Dessa forma, simulam-se com o modelo hidrológico-hidráulico as vazões nos rios afluentes e utiliza-se essa informação como entrada no modelo hidrodinâmico dos grandes corpos d’água. Essa abordagem permite considerações sobre a hidrodinâmica desses sistemas de forma detalhada. No entanto, quando o interesse é a simulação de níveis e áreas alagadas, por exemplo, para previsões de vazões ou realizações de estudos de mudanças climáticas, a mesma pode ser custosa e de difícil operacionalização. Dessa forma, o presente estudo foi desenvolvido para investigar uma abordagem alternativa, a simulação de bacias, rios e lagos e/ou lagunas com um só modelo hidrológico-hidráulico, o modelo MGB-IPH Inercial, avaliando a inclusão da influência do vento no algoritmo inercial de propagação de vazões na simulação, já que esse fator pode exercer influência importante em grandes corpos d’água. A área de estudo selecionada para testar essa abordagem consistiu na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos, localizada no Brasil e no Uruguai. Os resultados mostraram que foi possível utilizar a abordagem integrada proposta no presente estudo na simulação dos níveis d’água na Laguna dos Patos, RS. Resultados das métricas de desempenho dos níveis foram comparados com a literatura, verificando similaridade com resultados obtidos por meio da abordagem tradicional. Analisou-se a influência da inclusão do efeito do vento no método inercial e propôs-se um ábaco para estimar o efeito máximo que o vento exerce sobre escoamentos de características específicas. Verificou-se que a inclusão da influência do vento melhorou a representação do sistema modelado, portanto, encorajando a utilização da versão modificada proposta nesse estudo na simulação de outros locais influenciados por esse fator. Testes realizados permitiram a obtenção de novos conhecimentos da técnica de modelagem utilizada, sinalizando melhorias com a utilização de conjuntos de dados de vento com maior disponibilidade temporal e espacial e com a utilização de dados de níveis d’água como condição de contorno de jusante. Estudos futuros viabilizados a partir deste trabalho englobam a utilização do modelo proposto em análises de mudanças climáticas e de uso do solo, reanálise de cheias históricas, como a cheia de 1941, e estabelecimento de sistemas de previsão dos níveis no Guaíba e na Laguna dos Patos. / Hydrological-hydrodynamic modelling of basins, rivers and large water bodies such as lakes and lagoons is usually performed by the external coupling of hydrological-hydraulic models and 2D or 3D hydrodynamic models. Therefore, the river discharges into the lake are calculated by the hydrologic-hydraulic model and then used as an input in the hydrodynamic model. This approach allows for detailed simulation of lake or lagoon hydrodynamics and circulation. However, when the objective is to simulate water levels and flooded areas, this approach may become too costly, making it difficult to stablish operational systems such as flood forecasting. Therefore, in the present study, an integrated approach is proposed by the use of one integrated hydrologic-hydraulic model, the MGB-IPH Inertial model, to simulate such complex systems including wind shear influence in the inertial flood routing algorithm. The study area was the Patos Lagoon basin, located in both Brazil and Uruguay. Results showed that it was possible to use the proposed approach to simulate flooded areas and water levels in the Patos Lagoon and Lake Guaíba. Results of performance indicators were compared to results available in the literature obtained by the use of 2D hydrodynamic models and similarity among them was verified. The influence of the wind shear inclusion on the inertial routing method was analyzed; an abacus and an equation were proposed to estimate the maximum influence wind shear can exert in a system under specific conditions. Improvement of model results were verified with the inclusion of wind effect in the flow routing algorithm, encouraging the use of the modified model in the simulation of other locations susceptible to wind influence. Tests performed allowed for the acknowledgment of factors that influence the modelling approach proposed. More spatially and temporally detailed wind data helped to improve results, such as the use of water level data as downstream boundary condition to include tide effects in the system. Future studies of the proposed model of the Patos Lagoon basin include climate change and land change effects on water levels, historical flood simulations, such as the famous flood of 1941, and the establishment of flood forecasting systems to predict lagoon water levels.

A aplicação de modelos hidrológicos vem sendo bastante utilizada como apoio à tomada de decisão no planejamento dos recursos hídricos. Tendo em vista que os dados que servem de entrada para esses modelos estão sujeitos a erros diversos, o presente estudo teve o intuito de contribuir com o conhecimento do impacto desses erros no desempenho do modelo e na estimativa de seus parâmetros. O modelo analisado foi o IPH II fazendo uso do programa computacional WIN_IPH2. Entendendo que a avaliação da sensibilidade ainda é uma área que requer mais estudos, o presente trabalho é focado na utilização das análises de sensibilidade estática e dinâmica. Para isso foram geradas diversas séries temporais de dados de entradas do modelo hidrológico obtidas pela perturbação da série de dados observados. A perturbação foi representada por erros aleatórios (seguindo uma distribuição normal ou uniforme) ou sistemáticos incorporados ás séries temporais das variáveis: precipitação e evapotranspiração. Posteriormente, as análises de sensibilidade estática e dinâmica foram executadas. Para efetuar o acompanhamento da interferência dos erros, na eficiência do modelo, foi feita a avaliação dos resultados obtidos com a aplicação do modelo WIN_IPH2 para diferentes medidas de desempenho, e verificado o impacto dos erros nos dados de entrada no desempenho do modelo (sensibilidade estática) e no desempenho do modelo e na estimativa dos parâmetros (sensibilidade dinâmica). Na análise de sensibilidade estática verificou-se o decaimento mais acentuado da eficiência do modelo, em comparação com a análise de sensibilidade dinâmica, onde o modelo consegue contornar os erros nos dados de entrada com a alteração dos valores dos parâmetros. Por fim, o presente estudo confirmou as conclusões obtidas em estudos anteriores: Oudin et al. (2006), Andréassian et al. (2004), Kavetski et al. (2003). Além disso, o presente estudo apontou para outros fatores, na medida em que, observa-se junto à tendência do desempenho do modelo cair quando a intensidade do erro gerado é elevada, a importância de avaliar o possível comprometimento de dados em eventos extremos, uma vez que, nessa situação o desempenho do modelo passa a ser afetado de forma mais acentuada. / The hydrologic models had been used to support the decision making in water resources management. Since the input data of those models are subject to several kinds of errors, this study aimed to assess how this errors affect the model performance and the estimate of its parameters. The hydrologic model IPH II was used. Perceiving that the sensitivity analysis is still a field that requires further knowledge, this study was focused in the use of the dynamic and the static sensitivity procedures. In this sense, several time series of input data were obtained through the perturbations of an observed time serie. The perturbation was represented by the addition of random errors (with a normal or uniform distribution) or systematic errors to the observed time series of evapotranspiration and precipitation. Then, the static and dynamic sensibility analysis were performed. The effect of input data errors was assessed for several calibration processes of the IPH II using several performance measures. Thus, modification of the model performance (static sensitivity analysis) and model performance and parameter estimation (dynamic sensitivity analysis) were estimated. In the static sensitivity analysis it was found a most pronounced decay of the model efficiency in comparison with the dynamic sensitivity analysis, where the model can circumvent the errors in the input data with modification of the optimum parameter values. Finally, this study confirmed the conclusions of other previous studies as Oudin et al. (2006), Andréassian et al. (2004), Kavetski et al. (2003). In addition this study found other factors, as was observed that if the intensity of the error is high in an extreme event of precipitation, it reduced the model performance more than when it is low, in spite of the time series of errors have the same statistics.

Submitted by RITA DE CASSIA FERREIRA DA SILVA null (rita.cfs2@gmail.com) on 2016-02-14T16:55:59Z No. of bitstreams: 1 Dissertação de mestrado_Rita de Cássia Agronomia.pdf: 2314077 bytes, checksum: e4b86acfe4bca41a9fe1260dc9396e39 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-02-15T11:44:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_rcf_me_bot.pdf: 2314077 bytes, checksum: e4b86acfe4bca41a9fe1260dc9396e39 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-15T11:44:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_rcf_me_bot.pdf: 2314077 bytes, checksum: e4b86acfe4bca41a9fe1260dc9396e39 (MD5) Previous issue date: 2015-12-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A crescente utilização dos recursos hídricos tem aumentado a demanda por novas fontes de abastecimento. A exploração dos aquíferos se tornou uma alternativa para captação de água potável em regiões onde a captação das águas superficiais é limitada. Assim, torna-se necessário o monitoramento entre a oferta e a demanda por água, principalmente, em regiões de relevante interesse econômico e de vulnerabilidade ecológica. O objetivo desse trabalho foi analisar as oscilações dos níveis freáticos do Sistema Aquífero Bauru (SAB), na Estação Ecológica de Santa Bárbara (EEcSB) localizada em Águas de Santa Bárbara – estado de São Paulo. As análises foram realizadas a partir de um modelo autorregressivo de series temporais com o software HARTT (Hydrograph Analysis: Rainfall and Time Trend), e sua relação com a vegetação de Cerrado e as espécies exóticas. A partir dos níveis de dezesseis poços instalados na EEcSB coletados entre março de 2010 e março de 2015 e das médias mensais de precipitação coletados a partir de 1987. O comportamento dos níveis freáticos foi analisado em função da sazonalidade e da vegetação. O modelo HARTT demonstrou-se eficiente ao ser capaz prever tendências futuras nas oscilações dos níveis freáticos. As análises demonstraram que a cobertura vegetal não interferiu de forma significativa no ciclo hidrológico para que causasse grandes déficits no lençol freático, uma vez que a mesma contribui na manutenção do ciclo hidrológico na região da EEcSB. / The overuse of water resource has been increasing the demand for new water sources. Groundwater reserves and aquifers have been exploited as an alternative to surface water in water scarcity areas. Therefore, monitoring the water supply and demand is necessary, particularly in regions of economic interest and ecological vulnerability. The aim of this study is to analyze groundwater variations in the Bauru Aquifer System (BAS), located in the Ecological Station of Santa Barbara (EEcSB), São Paulo state. The analyses were performed using an autoregressive time series model using HARTT software (Hydrograph Analysis: Rainfall and Time Trend). We analyzed the relationship among the surface and groundwater levels, the seasonality and vegetation parameters, such as native species from Cerrado biome, and exotic species. The groundwater levels data were collected for five years – 2010 to 2015 – in sixteen wells in EEcSB. We also accessed precipitation information since 1987. Our results showed the HARTT model was accurate to predict future oscillation trends of groundwater levels. The vegetation cover did not affect negatively the hydrological cycle, causing no significant groundwater deficit; on the other hand, the vegetation cover likely explain the maintenance of natural hydrological cycle in the EEcSB region.

Los recursos hídricos y su disponibilidad son materia de variados estudios en todo el mundo, dada su importancia dentro de la economía de un país. En el marco de estos estudios, la posibilidad de modelar de la mejor manera posible los procesos hidrológicos que ocurren en las áreas de interés es de suma importancia. Para tal efecto, uno de los modelos utilizados en Chile actualmente corresponde al modelo conceptual WEAP. El principal objetivo del presente trabajo es simular mediante el modelo WEAP los procesos hidrológicos que ocurren en las cuencas cordilleranas en estudio, y más específicamente, la evolución en la superficie cubierta de nieve en el período de tiempo que va desde la situación observada, en los años 1977-2008, hasta la situación futura, en el período 2071-2100. Se analizaron además los cambios en la disponibilidad de caudal para cada uno de los cinco puntos de control utilizados, correspondientes a subcuencas pertenecientes a la zona cordillerana del Río Maipo, delimitadas por las estaciones fluviométricas Arrayán en La Montosa, Mapocho en Los Almendros, Maipo en San Alfonso, Maipo en Las Melosas, y Volcán en Queltehues. El modelo se calibró a escala mensual en un período que va desde el año 1976 hasta el año 1992, utilizando los antecedentes de caudales registrados en las mencionadas estaciones. El período de 1993 hasta el 2008 fue utilizado para realizar la validación del modelo implementado en cada caso. Los resultados muestran un buen ajuste de los datos observados y simulados en lo referente a caudales medios mensuales, utilizando como criterio de calibración el coeficiente de Nash-Sutcliffe, obteniendo valores iguales o superiores a 0,7 en cada punto de control. En lo referente a la simulación de la cobertura nival, la modelación subestima las alturas de nieve simuladas, mas no así la superficie efectivamente cubierta con nieve, la que muestra un buen ajuste con datos reales observados. Para simular las condiciones climáticas futuras se utilizó los resultados del modelo PRECIS para el escenario A2, generados por el Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile. Este escenario presenta temperaturas entre 2ºC y 4ºC más altas que en la situación actual, además de diferencias en las precipitaciones. Para la simulación del escenario futuro, se observa que las cuencas en estudio sufren cambios de regímenes, pasando de nivales a mixtos en algunos casos, incluso con dominio pluvial. Además los resultados muestran un retroceso prematuro de las capas nivales, así como una disminución en la cobertura máxima en los meses de invierno, con diferencias de hasta un 30% en las situaciones base y futura.