RESUMO As alterações da qualidade da água são reflexo das dinâmicas de usos da água e do solo de uma bacia e é um desafio medi-las apropriadamente, especialmente quando se olha para variáveis bastante distintas, como os constituintes tradicionais da matéria orgânica e os compostos emergentes. Apesar de o monitoramento ser essencial para um planejamento adequado dos recursos hídricos e estratégias de gestão, uma abordagem metodológica abrangente é, em geral, demorada e cara, o que desencoraja o tomador de decisão a fazê-lo. O objetivo deste estudo foi identificar os parâmetros de qualidade da água mais representativos de uma bacia urbana crítica, incluindo concentrações de compostos emergentes. Os resultados destacaram a DBO e as séries de nitrogênio e fósforo como parâmetros químicos; e, condutividade, turbidez e sólidos dissolvidos totais como físicos. Concluiu-se que esses parâmetros representam os usos do solo e da água da bacia e podem contribuir para a definição de um monitoramento mais efetivo, subsidiando a tomada de decisão, o planejamento e a gestão. medilas medi las apropriadamente distintas emergentes gestão geral cara fazêlo. fazêlo fazê lo. lo fazê-lo crítica químicos condutividade físicos Concluiuse Concluiu efetivo

ABSTRACT Changes in water quality are a consequence of water and land use dynamics. Measuring these relationships is challenging, especially when looking at distinct variables such as traditional organic matter constituents and emerging compounds. Although monitoring is necessary for proper water resource planning and management strategies, a comprehensive methodological approach is in general time-consuming and costly, which discourages decision-makers. The goal of the study was to establish consistent water quality elements based on a statistical analysis to identify the most representative parameters of a critical urban basin. The results highlighted BOD, nitrogen, and phosphorus series as chemical representative parameters; and conductivity, turbidity, and total dissolved solids as the physical parameters. In this context, these parameters represent the most significant uses of the studied area and define a more effective monitoring system that will subsidize decision-making and water resources planning and management. dynamics challenging compounds strategies timeconsuming time consuming costly decisionmakers. decisionmakers decision makers. makers decision-makers basin BOD nitrogen conductivity turbidity context decisionmaking making

RESUMO Modelos de qualidade da água são frequentemente aplicados para apoiar as definições de planejamento e gestão de recursos hídricos. Este processo requer dados apropriados para calibrar e fazer o processo de verificação necessário para análise de validação. No entanto, em alguns estudos de caso, não há dados suficientes para executar um modelo complexo de qualidade da água, seja qual for o sistema de água, rio ou reservatório. No contexto de dados escassos, a busca por modelos simples de qualidade da água é uma alternativa para compreender o comportamento da qualidade da água. Nesta pesquisa, um modelo zero-dimensional não-permanente de qualidade de água foi desenvolvido e aplicado utilizando séries sintéticas de concentrações de fósforo para um reservatório brasileiro. Os resultados dos modelos zero-dimensionais desenvolvidos nesta pesquisa foram comparados aos resultados de um modelo tridimensional, a fim de verificar se esta metodologia pode ser uma alternativa mais simples ao modelo tridimensional complexo. Os resultados compatíveis dos modelos zero-dimensional (0D) e tridimensional (3D) mostram que os esquemas numéricos simplificados são importantes ferramentas potenciais a serem consideradas para a análise inicial da dinâmica da qualidade da água em reservatórios e para fins de gestão. hídricos validação entanto caso escassos zerodimensional zero dimensional nãopermanente permanente brasileiro zerodimensionais dimensionais 0D D (0D 3D (3D

ABSTRACT Water quality models are often applied to support the definitions for water resources planning and management. This process requires appropriate data to calibrate and make the required verification process for validation analysis. However, in some case studies, there is not enough data to run a complex water quality model whatever is the water system, being river or reservoir. In the context of scarce data, the search for a simple water quality model is an alternative to comprehend the water quality behavior of the water system. In this research, an unsteady zero-dimensional (0D) water quality model was developed and applied using synthetic series of phosphorus concentrations for a Brazilian reservoir. The results of the zero-dimensional models developed in this research were compared to the results of a three-dimensional water quality model, in order to verify if this methodology can be a simpler alternative to a complex three-dimensional model. The compatible results of the zero-dimensional (0D) and three-dimensional (3D) models show the simplified numerical schemes are important potential tools to be considered for initial analysis of water quality dynamics in reservoirs and for management purposes. However studies system reservoir zerodimensional zero dimensional 0D D (0D threedimensional three 3D (3D purposes

ABSTRACT For the efficient management of water and soil conservation, quality and quantity aspects must be integrated. However, there is still a lack of studies with this synergy including governance processes. The present research evaluated for ten years (2010-2019) quality and quantity aspects of a water supply source and the Payment for Environmental Services (PES) implementation to investigate public policy efficiency and its effect on water resources. We used statistical analyses for comparing means, graphical analyses (trends, time series, duration curve, standard deviation), and correlation and multivariate analysis to evaluate parameters’ behavior after the PES implementation. Results showed that there was a significant reduction in turbidity, COD, and total suspended solids. Furthermore, water flow rate, total nitrogen, total phosphorus, and dissolved oxygen remained stable after the implementation of conservation practices, as confirmed by the multivariate analysis. Water quality index (WQI) between “Good” and “Great” and chemical and hydrobiological parameters below the maximum allowed values reflected on the water quality maintenance. Participative decision-making based on dialogue between stakeholders and trust in PES were key elements for success.

RESUMO Para uma gestão eficiente da conservação da água e do solo, os aspectos de qualidade e quantidade devem ser integrados. No entanto, ainda faltam estudos com essa sinergia incluindo o processo de governança. Avaliamos aspectos de quali-quantidade (2010-2019) por 10 anos em um manancial de abastecimento de água e a implementação de Pagamentos por Serviços Ambientais (PSA), para entender a eficiência da política pública na área ambiental e seus efeitos sobre os recursos hídricos. O processo de governança foi investigado e análises estatísticas usadas para comparação de médias, análises gráficas (tendências, série temporal, curva de permanência, desvio padrão), correlação e multivariada para avaliar o comportamento dos parâmetros, após implementação do PSA. Nossos resultados mostraram que houve uma redução significativa na turbidez, DQO e sólidos suspensos totais. Além disso, a vazão, nitrogênio total, fósforo total e oxigênio dissolvido permaneceram estáveis, após a implementação de práticas de conservação, corroborada pela análise multivariada. O índice de qualidade da água (IQA) entre “Bom” e “Ótimo” e os parâmetros químicos e hidrobiológicos abaixo dos valores máximos permitidos, refletiram na manutenção da qualidade da água. A tomada de decisão participativa com base no diálogo entre as partes interessadas e a confiança no PSA foram os elementos-chave de sucesso.

RESUMO O monitoramento quali-quantitativo de recursos hídricos é uma atividade complexa. Sua continuidade dá origem a extensos bancos de dados contendo séries históricas de diversas variáveis e pontos, que exigem a aplicação de métodos estatísticos para extração de informações. A aplicação de métodos estatísticos para a análise de frequências de séries históricas está vinculada ao atendimento aos pressupostos básicos de aleatoriedade, homogeneidade, independência e estacionariedade. Apesar da importância destes critérios, sua verificação é incomum em literatura de qualidade de água. Neste artigo, estas hipóteses foram testadas em séries históricas da Bacia do Alto Iguaçu. Observou-se rejeição em 15%, 26%, 51% e 31% das séries testadas para aleatoriedade, homogeneidade, independência e estacionariedade, respectivamente. Os resultados evidenciaram a forte relação entre as estratégias de monitoramento, a forma de abordagem dos dados e o atendimento aos pressupostos básicos para análise de séries de qualidade da água. Apesar da existência de possibilidades para solução do problema de não atendimento, as estratégias típicas de monitoramento com frequências irregulares e pouca representatividade em relação a outros períodos, além do horário comercial, representam um obstáculo para sua implementação.

ABSTRACT The water resources quality continuous monitoring is a complex activity. It generates extensive databases with time series of many variables and monitoring points that require the application of statistical methods for the information extraction. The application of statistical methods for frequency analysis of time series is linked to attending of the basic assumptions of randomness, homogeneity, independence, and stationarity. However, despite its importance, the verification of these assumptions in water quality literature is unusual. Therefore, the present study tests the Upper Iguaçu basin water quality time series against the mentioned hypotheses. Rejection was observed in 15%, 26%, 51% e 31% for randomness, homogeneity, independence, and stationarity, respectively. The results evidenced the strong relation between monitoring strategy, data assessment and meeting of basic statistical assumptions for the analysis of water quality time series. Even with the existence of possible solutions for addressing those issues, the standard monitoring strategies, with irregular frequencies and lack of representativeness in relation to other periods, beyond commercial, act as an obstacle to their implementation.

ABSTRACT Hydrodynamic models, based on the Saint-Venant equations, represent the transient flow in water systems, and simulate flow routing over time and space. Several numerical solutions have been applied to these expressions, but often differences are found in results among distinct procedures, considering that all numerical approaches have limitations. Natural channels are characterized by a dynamic flow behavior, with multiple uses of water and changes in morphology, which occur naturally and by human influence. In this context, this study seeks to complement the understanding of different assumptions and approximations for solution of the Saint-Venant equations, verifying results of the Lax diffusive scheme and comparing with HEC-RAS model. The case study consists of a river that covers an urban area (River Iguaçu, located in Curitiba, Paraná). Comparing the observed and simulated hydrographs, it was possible to assess that how the equations are solved, which determines the type of boundary conditions to be used, that may contribute to differences in simulated flows. Additionally, the calibration strategy and the hypothesis of trapezoidal cross-sections produced positive results. The development of this research should also encourage the progress in solving the hydrodynamic model trough the Lax diffusive scheme, particularly concerning computational efficiency. Explicit schemes, although more sensitive to the time step, have the advantage of simplicity to implement, which could be beneficial in the study of complex systems such as urban rivers.

RESUMO Modelos hidrodinâmicos, formados pelas equações de Saint-Venant, representam o escoamento transitório em sistemas hídricos, e simulam a propagação de vazões ao longo do tempo e do espaço. Diversas soluções numéricas têm sido aplicadas a essas expressões, porém frequentemente são encontradas diferenças de resultados entre procedimentos, uma vez que toda aproximação numérica possui limitações. Canais naturais são caracterizados por um comportamento dinâmico das vazões, considerando os usos múltiplos da água e as alterações de morfologia, que ocorrem naturalmente ou por influência antrópica. Nesse contexto, esse trabalho procura complementar o entendimento acerca de diferentes hipóteses e aproximações para solução das equações de Saint-Venant, verificando resultados do esquema difusivo de Lax e comparando com o software HEC-RAS. O estudo de caso consiste em um rio que drena uma área densamente povoada (rio Iguaçu, localizado em Curitiba-PR). Ao comparar os hidrogramas observados e simulados, foi possível avaliar que a forma como as equações são resolvidas, que por sua vez determina o tipo de condição de contorno a ser utilizada, pode contribuir para diferenças na vazão simulada. Adicionalmente, foi observado que a calibração alcançada é adequada, assim como a hipótese de seção transversal trapezoidal. O desenvolvimento da pesquisa deve auxiliar ainda o avanço na solução do modelo hidrodinâmico pelo esquema difusivo de Lax, principalmente no que concerne à eficiência computacional. Esquemas explícitos, apesar de serem mais sensíveis ao intervalo temporal de simulação, apresentam a vantagem de simplificação para implementação, o que pode trazer benefícios no estudo de sistemas complexos, como rios urbanos.

RESUMO O objetivo do presente estudo é o de analisar a aplicabilidade de um modelo de transporte e decaimento de carbono orgânico para a simulação da qualidade da água em rios urbanos como subsídio para atividades de planejamento e gestão de recursos hídricos. A abordagem conceitual baseia-se na hipótese de que as frações particulada, dissolvida, lábil e refratária de carbono orgânico, que diferem na sua composição em função de sua origem no sistema, apresentando distintos mecanismos de degradação e, consequentemente, no impacto em termos da depleção da concentração de oxigênio dissolvido na coluna d’água. O desenvolvimento do trabalho consistiu na determinação quantitativa e qualitativa das frações de carbono orgânico no rio Iguaçu, localizado na Bacia do Alto Iguaçu, e no desenvolvimento dos algoritmos de simulação e calibração automática do modelo proposto, denominado ROCS - Model (River Organic Carbon Simulation Model). O modelo foi estruturado em planilhas Excel, com programação estruturada em VBA (Visual Basic for Applications), considerando escoamento unidimensional em condições de regime permanente em rios. O modelo considera múltiplas entradas de cargas difusas e pontuais. A calibração é feita através de um algoritmo de otimização por colônias de partículas (PSO), utilizando como estudo de caso dados de monitoramento de qualidade da água em 6 estações de controle ao longo de 107 km do rio principal, no Rio Iguaçu, localizado em uma área de intensa urbanização da região de Curitiba- PR, com aproximadamente 3 milhões de habitantes em uma área de 3.000 km2. Os resultados indicam que a presente abordagem, considerando a simulação das frações de carbono orgânico, tem potencial para ser aplicado em modelos de gestão de recursos hídricos, como alternativas aos parâmetros de qualidade da água tradicionais previstos na legislação Brasileira.

ABSTRACT The main goal of this paper was to develop and evaluate the applicability of an organic carbon simulation model to simulate the water quality in polluted rivers. The methodological approach is based on the hypothesis that different fractions of organic carbon, such as particulate, dissolved, labile and refractory, can differently impact in the oxygen depletion due its origin and composition, and. The study was conducted at Iguassu River, located in Upper Iguassu Watershed, with a quantitative and qualitative monitoring of organic carbon fractions, the model and the automatic calibration routine development. The model was implemented in Excel spreadsheet and VBA language, considering a one-dimensional and permanent flow. Multiple diffuse and point sources can be considered during the simulation. The calibration is based on Particle Swarm Optimization algorithm, with 6 control stations in 107 km river length. The case study was developed at Iguassu River, located in a high urbanized basin in Curitiba-PR, an area about 3.000 km2 with approximately 3 million people. The results indicated that the current approach considering distinct organic carbon fractions simulations have potential to be applied in water resources planning and management models.

RESUMO Modelos matemáticos de qualidade de água têm sido utilizados como ferramentas para o planejamento e a gestão de recursos hídricos em diversos países. Em geral, em rios, as análises são baseadas em simulações considerando condições de escoamento de regime permanente. Entretanto, bacias urbanas apresentam uma intensa dinâmica, consequente de mecanismos de uso e ocupação do solo, capaz de induzir processos de poluição que requerem uma análise que contemple aspectos físicos, químicos e biológicos. A abordagem em estado não-permanente permite descrever de forma mais realista estas características, e associar de maneira consistente as interações de qualidade e quantidade de água, em função da representação hidrodinâmica de um sistema. Esta pesquisa contribui para esse entendimento usando como estudo de caso o rio Iguaçu, localizado na região metropolitana de Curitiba, ao analisar potenciais impactos de avaliações de qualidade baseadas em uma comparação de condições de estado permanente e não-permanente como forma de subsidiar elementos para a gestão do uso da água. O modelo aqui proposto (SIHQUAL), desenvolvido em módulos tradicionais, utiliza métodos de diferenças finitas explícitas para solução das equações de Saint-Venant integradas com a equação de transporte de massa, para demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e oxigênio dissolvido (OD). Para a análise de qualidade da água utilizou-se do conceito de curva de permanência de qualidade da água. Observou-se principalmente que modelos em estado transiente oferecem maior flexibilidade e uma distinta perspectiva para o gerenciamento, em especial quanto à aplicação dos instrumentos de gestão de recursos hídricos, como o enquadramento.

ABSTRACT Water quality models have been used as tools for planning and water resources management in many countries. Generally, in rivers the simulations are based on flow conditions under steady regime. However, urbanized basins have an intense dynamics, the consequence of land use and soil occupation mechanisms, able to induce pollution processes that require representation of physical, chemical and biological processes. The unsteady regime approach provides a better description of these characteristics, and a more consistent association of water quality and quantity interactions, based on a hydrodynamic representation of the system. This paper aims to contribute to this understanding using as case study the Iguaçu river, located in the metropolitan region of Curitiba, analyzing possible impacts of quality evaluations based on an analogy between steady and unsteady regime conditions as a manner of supporting water management elements. The proposed model (SIHQUAL), developed in traditional modules, uses explicit finite difference methods to solve the Saint-Venant equations integrated with the mass transport equation, for biochemical oxygen demand (BOD) and dissolved oxygen (DO) concentrations. The frequency curve concept was used to analyze the water quality. It was observed mainly that water quality models under unsteady state offer more flexibility and a different perspective for management, especially regarding the implementation of water resources management instruments, like the framework.