Simulating the processes of rainfall and runoff are at the core of hydrologic modeling. Geomorphologic features, rainfall variability, soil types, and water table depths strongly influence hydrological process in Florida ecosystems. Topographic characteristics of the terrain define the stream paths and landscape. Alteration of these characteristics as a result of urban and/or agricultural developments, for example, can highly influence wetlands and river basin response. There are two predominant landforms in Florida: wetlands, where Variable Saturated Areas form near streams causing saturation excess runoff, and uplands where runoff is mainly generated by infiltration excess. The objective of this work is to analyze the impacts of geomorphologic and hydrologic characteristics on runoff mechanisms in humid environments such as Florida. In general, most research at the hillslope scale use hypothetical values of rainfall, sometimes non-realistic values, and single slope forms to explain the geomorphic and hydrologic process on Variable Saturated Areas. In this thesis, the complexity of hillslope processes on actual Florida topography is assessed by coupling a Digital Elevation Model with a two-dimensional variable saturated-unsaturated flow model called HYDRUS-2D. Actual rainfall records and soil parameters from the Characterization Data for Selected Florida Soils, Soil Survey were used to evaluate hydrologic impacts. A commercial software package, River Tools was used to display and extract topographic information from the Digital Elevation Models. Results show that when inflitration excess runoff is dominant, infiltration and runoff are very sensitive to time resolution, especially for convective storms. When saturation excess occurs, runoff is not affected by rainfall intensity. However, saturated hydraulic conductivity, depth to the water table, slope and curvature highly influence the extent of Variable Saturated Areas. Results indicate runoff in shallow water table environments is produced mainly by subsurface storm runoff, running below the surface, except in hillslopes with concave curvature and mild slopes. Additionally, concave hillslopes generate more saturation excess runoff than straight and convex hillslopes.

Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 123 pages. / Thesis (M.S.)--University of South Florida, 2001. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: Simulating the processes of rainfall and runoff are at the core of hydrologic modeling. Geomorphologic features, rainfall variability, soil types, and water table depths strongly influence hydrological process in Florida ecosystems. Topographic characteristics of the terrain define the stream paths and landscape. Alteration of these characteristics as a result of urban and/or agricultural developments, for example, can highly influence wetlands and river basin response. There are two predominant landforms in Florida: wetlands, where Variable Saturated Areas form near streams causing saturation excess runoff, and uplands where runoff is mainly generated by infiltration excess. The objective of this work is to analyze the impacts of geomorphologic and hydrologic characteristics on runoff mechanisms in humid environments such as Florida. In general, most research at the hillslope scale use hypothetical values of rainfall, sometimes non-realistic values, and single slope forms to explain the geomorphic and hydrologic process on Variable Saturated Areas. In this thesis, the complexity of hillslope processes on actual Florida topography is assessed by coupling a Digital Elevation Model with a two-dimensional variable saturated-unsaturated flow model called HYDRUS-2D. Actual rainfall records and soil parameters from the Characterization Data for Selected Florida Soils, Soil Survey were used to evaluate hydrologic impacts. A commerical software package, River Tools was used to display and extract topographic information from the Digital Elevation Models.Results show that when inflitration excess runoff is dominant, infiltration and runoff are very sensitive to time resolution, especially for convective storms. When saturation excess occurs, runoff is not affected by rainfall intensity. However, saturated hydraulic conductivity, depth to the water table, slope and curvature highly influence the extent of Variable Saturated Areas. Results indicate runoff in shallow water table environments is produced mainly by subsurface storm runoff, running below the surface, except in hillslopes with concave curvature and mild slopes. Additionally, concave hillslopes generate more saturation excess runoff than straight and convex hillslopes. / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.

As florestas nativas desempenham papel importante nos processos hidrológicoas, como regulação e provisão de água ao longo do ano. As mudanças do uso do solo, e o manejo intensivo das florestas plantadas podem causar efeitos sobre essas funções hidrológicas. As atividades de manejo do solo podem afetar os tipos de mecanismos de geração de escoamento superficial, o escoamento hortoniano, o escoamento superficial de áreas saturadas e o escoamento sub-superficial, o que por consequência afeta a disponibilidade de água em quantidade e qualidade. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi avaliar a geração de escoamento direto em microbacias hidrográficas com coberturas florestais. Sendo que, o segundo capítulo teve como objetivo avaliar o regime hidrológico e os tipos de mecanismos de geração de escoamento superficial em microbacia hidrográfica coberta por floresta nativa e em microbacia hidrográfica coberta por floresta plantada de Pinus spp. Na microbacia com floresta plantada de Pinus spp. a demanda hídrica foi alta, com rendimento hídrico menor que 10%. E mesmo com as atividades de manejo do solo, as propriedades do solo foram mantidas e o escoamento base foi maior e apresentou baixo coeficiente de escoamento. A microbacia coberta por floresta nativa apresentou rendimento hídrico acima de 10%, com índice de escoamento base maior que o escoamento direto, porém apresentou um maior coeficiente de escoamento. O que pode ter ocorrido devido às características físicas e pedológicas da área, relevo íngreme e solo com textura franca. Os resultados de condutividade hidráulica do solo saturado foram maiores que a intensidade da precipitação nas duas microbacias hidrográficas, mostrando que não é para ocorrer escoamento superficial hortoniano. Assim ocorreu predomínio de escoamento direto por meio do mecanismo de escoamento superficial de áreas saturadas. No terceiro capítulo foram avaliadas metodologias de caracterização das áreas variáveis de afluência nas duas microbacias hidrográficas. A metodologia da frequência de saturação se mostrou um método eficaz, em que as áreas variáveis de afluência ocorreram em 18,5% e 13,2%, na microbacia com floresta plantada de Pinus e na microbacia com floresta nativa, respectivamente. Já o método da relação escoamento direto-precipitação subestimou a área variável de afluência na microbacia com floresta plantada de Pinus, mas na microbacia com floresta nativa a quantidade de área foi semelhante. Os resultados demostraram que, mesmo com manejo florestal os processos hidrológicos estão ocorrendo na microbacia com floresta plantada de Pinus. E o planejamento florestal deve considerar ocorrência das áreas saturadas nas áreas de plantio e evitar atividades na época chuvosa e a construção de estradas nessas áreas. / Native forest plays an important role in hydrological process, such as regulation and provision of water, however land-use change, and intensive management of planted forest can modify the hydrological functions. Soil management can affect types of overland flow generation mechanism, the infiltration excess overland flow or Hortonian flow and the saturation excess overland flow, which consequently affects the availability of water in quantity and quality. The objective of this work was to understand the generation of overland flow in catchments with forest cover. In the second chapter, the aim was to characterize hydrologically and to understand the types of overland flow mechanism in a catchment covered by forest plantation of Pinus and in a catchment covered by native forest. In the catchment covered by forest plantation of Pinus, the water demand was high, with water yield lower than 10%. And even with the soil management, the soil properties were maintained, and the base flow was higher, and the flow coefficient was lower. The catchment covered by native forest presented high water yield, with base flow higher than the overland flow, but presented a high flow coefficient. This may have occurred due to the physical and pedological characteristics of the area, such as steep terrain and the frank soil. The soil saturated hydraulic conductivity was higher than the precipitation intensity in the two catchments, showing that the Hortonian overland flow does not occur, thus, to occur the saturation excess overland flow mechanism. In the third chapter, the aim of the work was to evaluate methodologies for characterizing the variable source areas in the two catchments. The saturation frequency methodology showed an effective method, the variable source area occurred in 18,5% of the forest plantation of Pinus catchments area, and 13,2% of the total area of the native forest catchment. The overland flow-precipitation ratio underestimated the saturated areas in the forest plantation of Pinus catchment, however in the native forest catchment the amount of saturated areas was similar. The results showed that the forest management does not affected the hydrological process in the catchment with forest plantation of Pinus. And the forest management planning should consider the occurrence of saturated areas in the planting areas and to avoid activities in the rainy season and the construction of roads in these areas.

As áreas variáveis de afluência (AVAs) são dinâmicas, apresentando expansão das áreas saturadas durante os eventos de chuva, geralmente próximas aos cursos d\'água e, no momento que a chuva cessa, estas áreas saturadas se contraem. O escoamento superficial ocorre nessas áreas devido ao excesso de saturação, provocado pelo aumento do volume d\'água armazenado no perfil de solo e, extravasamento nas áreas com solos rasos, próxima aos rios. Dessa forma, faz-se necessário quantificar o processo de escoamento superficial para a correta delimitação das AVAs. A utilização dos modelos hidrológicos para essa finalidade teve início após legislação estadunidense que define níveis máximos permitidos para poluição difusa. Diversos modelos foram desenvolvidos para quantificar a entrada de poluentes nos corpos hídricos, entretanto não havia maneira precisa de localizar as áreas variáveis de afluência, sendo estas as mais propensas a carrear os contaminantes. Somente através da utilização de modelos hidrológicos distribuídos foi possível considerar o componente espacial, ou seja, a localização exata da ocorrência dos processos hidrológicos, e sua inter-relação com uso de solo e tipo de solo, permitindo testar diferentes cenários avaliando quais áreas convertidas em florestas contribuiriam para maior ganho de serviços ecossistêmicos relacionados à manutenção de recursos hídricos. Portanto, foram modelados 3 cenários: o cenário atual, o cenário AVA e o cenário Código Florestal. O primeiro representa a situação atual do uso do solo, e fornece base para comparação com outros cenários. A probabilidade de saturação para este cenário foi definida com uso do modelo hidrológico GSSHA, permitindo delimitar as áreas variáveis de afluência e criar o cenário AVA, o qual simula a restauração florestal em todas as áreas variáveis de afluência. Por último, foi modelado o cenário Código Florestal, que simula a restauração florestal das áreas de preservação permanentes (APPs), com a função de avaliar quais os impactos para a manutenção dos recursos hídricos caso seja cumprido o Código Florestal (Lei nº. 4.711/65) e sejam restauradas todas as áreas de preservação permanente. Os resultados mostram que a restauração das AVA, com alteração de apenas 4,04% da área total da bacia, aumentaria em 48% a infiltração da água no solo, eliminando a geração de escoamento superficial em áreas agrosilvopastoris e conseqüente carreamento de poluentes provenientes dessas áreas. A restauração das APPs representa uma alteração de 9,36% da área da bacia e promove a recuperação da dinâmica de expansão e contração das nascentes da bacia hidrográfica, que garante redução da vazão e atraso do pico de vazão, evitando respostas hidrológicas hortonianas na bacia hidrográfica. Ambos cenários apresentam benefícios para manutenção dos recursos hídricos. As áreas de preservação permanente apresentam papel significativo na proteção dos recursos hídricos, protegendo mais de 60% das AVAs e sendo de fácil delimitação. A utilização do índice topográfico como variável substituta à modelagem hidrológica apresentou correlação de ~0,33, que permite utilizar o índice para uma análise exploratória, porém insuficiente para delimitar as áreas variáveis de afluência. / The variables source areas (VSA) are dynamic, showing expansion of saturated areas during rain events, usually near to streams and, at the time the rain stops, these saturated areas contract. Runoff occurs in these areas due to saturation excess overland flow, caused by increased of stored volume water in the soil profile, and extravasation in areas with shallow soils, next to streams. Thus, it is necessary to quantify the process of runoff for the correct delineation of VSA. The use of hydrological models for this purpose began after U.S. law which sets maximum permitted levels for diffuse pollution. Several models have been developed to quantify the entry of pollutants in water bodies, however there was no accurate way to pinpoint variables source areas, which are the most likely to carrying contaminants. Only through the use of distributed hydrological models was possible to consider the spatial component, in other words, the exact location of the occurrence of hydrological processes and their interrelationship with land use and soil type, allowing you to test different scenarios by assessing which areas converted to forests contribute to greater gains in ecosystem services related to maintenance of water resources. Therefore, were evaluated three scenarios: the actual scenario, the VSA scenario and the Forest Code scenario. The first one represents the current state of land use and provides a basis for comparison with other scenarios. The probability of saturation for this scenario was defined using the hydrological model GSSHA, allowing to delimit variables source areas and to create the VSA scenario, which simulates forest restoration in all variables source areas. Finally, was modeled the Forestry Code scenario, which simulates forest restoration of permanent preservation areas (PPA), whose function is to assess the impacts for the maintenance of water resources if it complied the Forest Code (Law nº. 4.711/65) and restored all permanent preservation areas. The results show that the restoration of the VSA, with only a 4,04% change of the total area of the watershed, it would increase in 48% water infiltration into the soil, eliminating the generation of surface runoff and consequent carry pollutants from these areas. The restoration of the PPA represents a change of 9,36% of the watershed area and promotes the recovery of dynamic expansion and contraction of the headwaters of the watershed, which ensures reduction in flow rate and delay peak flow, avoiding answers hortonian in the hydrological basin. Both scenarios provide benefits for maintenance of water resources. The permanent preservation areas have significant role in protecting water resources, protecting more than 60% of VSA and being easy delimitation. The use of topographic index as surrogate parameter correlated to the hydrological modeling of ~ 0,33, which allows use the index to an exploratory analysis, but insufficient to delineate the variables source areas.

As áreas variáveis de afluência (AVAs) são dinâmicas, apresentando expansão das áreas saturadas durante os eventos de chuva, geralmente próximas aos cursos d\'água e, no momento que a chuva cessa, estas áreas saturadas se contraem. O escoamento superficial ocorre nessas áreas devido ao excesso de saturação, provocado pelo aumento do volume d\'água armazenado no perfil de solo e, extravasamento nas áreas com solos rasos, próxima aos rios. Dessa forma, faz-se necessário quantificar o processo de escoamento superficial para a correta delimitação das AVAs. A utilização dos modelos hidrológicos para essa finalidade teve início após legislação estadunidense que define níveis máximos permitidos para poluição difusa. Diversos modelos foram desenvolvidos para quantificar a entrada de poluentes nos corpos hídricos, entretanto não havia maneira precisa de localizar as áreas variáveis de afluência, sendo estas as mais propensas a carrear os contaminantes. Somente através da utilização de modelos hidrológicos distribuídos foi possível considerar o componente espacial, ou seja, a localização exata da ocorrência dos processos hidrológicos, e sua inter-relação com uso de solo e tipo de solo, permitindo testar diferentes cenários avaliando quais áreas convertidas em florestas contribuiriam para maior ganho de serviços ecossistêmicos relacionados à manutenção de recursos hídricos. Portanto, foram modelados 3 cenários: o cenário atual, o cenário AVA e o cenário Código Florestal. O primeiro representa a situação atual do uso do solo, e fornece base para comparação com outros cenários. A probabilidade de saturação para este cenário foi definida com uso do modelo hidrológico GSSHA, permitindo delimitar as áreas variáveis de afluência e criar o cenário AVA, o qual simula a restauração florestal em todas as áreas variáveis de afluência. Por último, foi modelado o cenário Código Florestal, que simula a restauração florestal das áreas de preservação permanentes (APPs), com a função de avaliar quais os impactos para a manutenção dos recursos hídricos caso seja cumprido o Código Florestal (Lei nº. 4.711/65) e sejam restauradas todas as áreas de preservação permanente. Os resultados mostram que a restauração das AVA, com alteração de apenas 4,04% da área total da bacia, aumentaria em 48% a infiltração da água no solo, eliminando a geração de escoamento superficial em áreas agrosilvopastoris e conseqüente carreamento de poluentes provenientes dessas áreas. A restauração das APPs representa uma alteração de 9,36% da área da bacia e promove a recuperação da dinâmica de expansão e contração das nascentes da bacia hidrográfica, que garante redução da vazão e atraso do pico de vazão, evitando respostas hidrológicas hortonianas na bacia hidrográfica. Ambos cenários apresentam benefícios para manutenção dos recursos hídricos. As áreas de preservação permanente apresentam papel significativo na proteção dos recursos hídricos, protegendo mais de 60% das AVAs e sendo de fácil delimitação. A utilização do índice topográfico como variável substituta à modelagem hidrológica apresentou correlação de ~0,33, que permite utilizar o índice para uma análise exploratória, porém insuficiente para delimitar as áreas variáveis de afluência. / The variables source areas (VSA) are dynamic, showing expansion of saturated areas during rain events, usually near to streams and, at the time the rain stops, these saturated areas contract. Runoff occurs in these areas due to saturation excess overland flow, caused by increased of stored volume water in the soil profile, and extravasation in areas with shallow soils, next to streams. Thus, it is necessary to quantify the process of runoff for the correct delineation of VSA. The use of hydrological models for this purpose began after U.S. law which sets maximum permitted levels for diffuse pollution. Several models have been developed to quantify the entry of pollutants in water bodies, however there was no accurate way to pinpoint variables source areas, which are the most likely to carrying contaminants. Only through the use of distributed hydrological models was possible to consider the spatial component, in other words, the exact location of the occurrence of hydrological processes and their interrelationship with land use and soil type, allowing you to test different scenarios by assessing which areas converted to forests contribute to greater gains in ecosystem services related to maintenance of water resources. Therefore, were evaluated three scenarios: the actual scenario, the VSA scenario and the Forest Code scenario. The first one represents the current state of land use and provides a basis for comparison with other scenarios. The probability of saturation for this scenario was defined using the hydrological model GSSHA, allowing to delimit variables source areas and to create the VSA scenario, which simulates forest restoration in all variables source areas. Finally, was modeled the Forestry Code scenario, which simulates forest restoration of permanent preservation areas (PPA), whose function is to assess the impacts for the maintenance of water resources if it complied the Forest Code (Law nº. 4.711/65) and restored all permanent preservation areas. The results show that the restoration of the VSA, with only a 4,04% change of the total area of the watershed, it would increase in 48% water infiltration into the soil, eliminating the generation of surface runoff and consequent carry pollutants from these areas. The restoration of the PPA represents a change of 9,36% of the watershed area and promotes the recovery of dynamic expansion and contraction of the headwaters of the watershed, which ensures reduction in flow rate and delay peak flow, avoiding answers hortonian in the hydrological basin. Both scenarios provide benefits for maintenance of water resources. The permanent preservation areas have significant role in protecting water resources, protecting more than 60% of VSA and being easy delimitation. The use of topographic index as surrogate parameter correlated to the hydrological modeling of ~ 0,33, which allows use the index to an exploratory analysis, but insufficient to delineate the variables source areas.