ABSTRACT Due to the frequent occurrence of extreme hydrological events in the South American rivers, this work aims to develop a hydrological monitoring platform open to the public, with a wide and intuitive access, using resources of an online geographic information system, in order to contribute to a better understanding of the behavior of these natural disasters. SARDIM (South America River DIscharge Monitor) has been developed using programming resources in languages such as Python and JavaScript. The data of the platform are derived from results of a continental scale hydrological simulation model (MGB - South America) that uses, among other information, precipitation data from the GPM (Global Precipitation Measurement) mission and from the MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation) product. After a statistical analysis of the model results, the platform is updated daily and operationally, with new data on the flow duration and the return period of river flows, allowing the identification, monitoring and evaluation of the intensity of extreme hydrological events in South America.

RESUMO Devido à frequente ocorrência de eventos hidrológicos extremos nos regimes de escoamento dos rios da América do Sul, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento hidrológico aberta ao público, com um acesso amplo e intuitivo, utilizando recursos de um sistema de informação geográfica online, com o intuito de contribuir para um melhor entendimento acerca do comportamento desses desastres naturais. A plataforma de acompanhamento hidrológico dos rios da América do Sul (SARDIM - South America River Discharge Monitor) foi construída com auxílio de recursos de programação em linguagens como Python e Javascript. Os dados da plataforma são provenientes de resultados de um modelo de simulação hidrológica de escala continental (MGB - South America) que utiliza, entre outras informações, dados de precipitação da missão GPM (Global Precipitation Measurement) e do produto MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation). Após uma análise estatística das informações resultantes do modelo, a plataforma é atualizada diariamente de forma operacional com novos dados de permanência e tempo de retorno das vazões dos rios, permitindo a identificação, o acompanhamento e a avaliação da intensidade de eventos hidrológicos extremos na América do Sul.

RESUMO Mapear áreas com risco de cheias é importante para o gerenciamento de desastres em nível local, regional e nacional. O objetivo deste estudo foi avaliar a capacidade de modelos de grande escala na obtenção de áreas inundadas com tempos de retorno específicos, em comparação com a mancha de inundação desenvolvida pelo Serviço Geológico do Brasil (CPRM). Foram avaliadas as manchas para os municípios de Uruguaiana, Montenegro e São Sebastião do Caí, no Rio Grande do Sul. Observou-se que os resultados gerados pelo MGB são mais abrangentes espacialmente (áreas maiores que 50km2), com um custo de obtenção menor para grandes escalas. A taxa de acerto das versões do modelo MGB regional e continental com os mapas da CPRM variaram desde cerca de 40% até 90% nas diferentes cidades, sendo que a taxa de acerto, entre o modelo regional e o mapa da CPRM aumentou com o aumento do TR. Já a compatibilidade do modelo continental foi similar para todos os TRs analisados. Os resultados sugerem a capacidade, em termos de taxa de acerto, dos modelos hidrológico-hidrodinâmicos de larga escala para avaliar o risco de inundação.

ABSTRACT Mapping flood risk areas is important for disaster management at the local, regional, and national scales. The aim of this study was to evaluate the ability of large-scale models to obtain flood hazard maps. The models were compared to the estimates developed by the Brazilian Geological Survey (CPRM) for different return periods (RP). The floods were evaluated for the municipalities of Uruguaiana, Montenegro and São Sebastião do Caí in the Rio Grande do Sul state. It was shown that the flood mapping generated by MGB covers larger areas (greater than 1000 km2; Siqueira et al. 2018), with a lower cost of obtaining for large scales. The - Hit Rate of the regional and continental MGB model versions with the CPRM maps ranged from about 40% to 90% in different cities, and the Hit Rate between the regional model and the CPRM map increased with the increased return period floods. The continental model compatibility was similar for all analyzed RPs. Our results suggest the agreement in terms of Hit Rate of current large-scale hydrological-hydrodynamic models to assess flood hazard.

RESUMO O Brasil abriga uma grande quantidade de água doce. Saber como essa água armazenada é repartida no espaço e no tempo entre os componentes superficiais e subsuperficiais é crucial para uma representação mais correta do ciclo hídrico do país, o que tem grandes implicações para a tomada de decisões relacionadas à gestão dos recursos hídricos. Neste estudo, extraímos a variabilidade mensal do armazenamento de água, de 2003 a 2020, com base em diferentes fontes que representam o estado da arte da informação sobre diferentes componentes de armazenamento - águas subterrâneas, umidade do solo, águas superficiais, e reservatórios artificiais – em todas as regiões hidrográficas brasileiras, e computamos a contribuição de cada componente em relação a variabilidade total. A maior parte da variabilidade pode ser atribuída a umidade do solo (40-68%), seguida por águas subterrâneas (18-40%). Águas superficiais tem grande influência nas regiões hidrográficas do noroeste (influência de sistemas de monção) com 18-40% e nas BHRs do sul (influência de sistemas subtropicais) com 5-10%. O estoque em reservatórios artificiais tem contribuições importantes nas regiões do Paraná com 12,1%, do São Francisco com 3,5% e do Tocantins-Araguaia com 2,1%. Em termos de variabilidade de longo prazo, os estoques de água têm geralmente diminuído nas regiões leste e aumentado no noroeste e no sul, sendo os estoques de águas subterrâneas e reservatórios os mais afetados, embora essa tendência também possa ser observada nos picos de água superficial. Comparações feitas com estudos anteriores mostram que a abordagem e os conjuntos de dados utilizados podem ter um impacto considerável nos resultados. Tal análise pode ter amplas implicações na identificação da natureza da variabilidade de amplitude e fase entre as regiões, a fim de melhor caracterizá-las e obter melhores avaliações das tendências hidrológicas.

ABSTRACT Brazil hosts a large amount of freshwater. Knowing how this stored water is partitioned in space and time between surface and subsurface components is a crucial step towards a more correct depiction of the country’s water cycle, which has major implications for decision making related to water resources management. Here, we extracted monthly water storage (WS) variability, from 2003 to 2020, based on multiple state-of-the-art datasets representing different WS components – groundwater (GW), soil moisture (SM), surface waters (SW), and artificial reservoirs (RS) – in all Brazilian Hydrographic Regions (BHRs), and computed each component’s contribution to the total variability. Most of the variability can be attributed to SM (40-68%), followed by GW (18-40%). SW has great influence in the north-western BHRs (humid monsoon influenced) with 18-40% and the southern BHRs (subtropical system influenced) with 5-10%. RS has important contributions in the Paraná with 12.1%, São Francisco with 3.5%, and Tocantins-Araguaia with 2.1%. In terms of long-term variability, water storages have been generally decreasing in the eastern and increasing in north-western and southern BHRs, with GW and RS being the most affected, although it can also be observed in SW peaks. Comparisons made with previous studies show that the approach and datasets used can have a considerable impact in the results. Such analysis can have broad implications in identifying the nature of amplitude and phase variability across regions in order to better characterize them and to obtain better evaluations of hydrological trends under a changing environment.

RESUMO A discretização da rede fluvial é uma etapa crítica para o cálculo da propagação de vazões em modelos hidrológicos. No entanto, quando se trata de modelagem hidrológico-hidrodinâmica mais complexa, adaptações na representação espacial das unidades de cálculo do modelo são necessárias para permitir simulações eficientes, especialmente para aplicações em grande escala. O objetivo deste artigo foi avaliar os impactos da discretização dos rios nas vazões simuladas, níveis de água e estabilidade numérica de um modelo hidrológico-hidrodinâmico baseado em divisões por sub-bacias, usando um método de segmentação de comprimento do rio (Δx) fixo. O estudo de caso foi a bacia do rio Purus, um afluente do rio Amazonas, que abrange uma área que conta desde regiões de respostas rápidas a montante até rios de várzea a jusante. Os resultados indicam que as descargas máximas e mínimas são menos afetadas pelo Δx adotado, enquanto os níveis de água são mais influenciados por essa seleção. Mostra-se que, para a propagação unidimensional inercial local usando um modelo explícito, o Δx e o alfa da condição CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) devem ser cuidadosamente escolhidos para evitar erros de balanço de massa. Além disso, um limitador de fluxo baseado em número Froude simples é proposto e testado.

ABSTRACT The discretization of river networks is a critical step for computing flow routing in hydrological models. However, when it comes to more complex hydrologic-hydrodynamic models, adaptations in the spatial representation of model calculation units are further required to allow cost-effective simulations, especially for large scale applications. The objective of this paper is to assess the impacts of river discretization on simulated discharge, water levels and numerical stability of a catchment-based hydrologic-hydrodynamic model, using a fixed river length (Δx) segmentation method. The case study was the Purus river basin, a sub-basin of the Amazon, which covers an area that accounts for rapid response upstream reaches to downstream floodplain rivers. Results indicate that the maximum and minimum discharges are less affected by the adopted Δx (reach-length), whereas water levels are more influenced by this selection. It is showed that for the explicit local inertial one-dimensional routing, Δx and the α parameter of CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) condition must be carefully chosen to avoid mass balance errors. Additionally, a simple Froude number-based flow limiter to avoid numerical issues is proposed and tested.

RESUMO Milhares de barragens foram construídas no mundo para diminuir os riscos de inundação, gerar energia, e maximizar os benefícios dos recursos limitados de água doce. No Brasil, os principais e maiores reservatórios são do setor elétrico. Melhorar a compreensão da dinâmica dos reservatórios é importante não só para avaliar o seu impacto no regime de vazões dos rios brasileiros, mas também para simular o efeito combinado da construção de novas barragens e potenciais alterações sob condições climáticas futuras. Neste estudo, analisa-se como uma representação ideal de reservatórios em termos de vazões substituídas melhoraria um modelo hidrológico previamente calibrado sobre o domínio brasileiro. Forçou-se a versão em escala continental do modelo MGB com defluências observadas de 109 usinas hidrelétricas, que fazem parte do Sistema Interligado Nacional (SIN) - controlados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). A simulação com vazões substituídas apresentou um Índice de Melhoria no Desempenho médio (IMD) para a Eficiência de Kling-Gupta (KGE) de 21%, em relação ao modelo original (i.e., vazões naturalizadas). Esta análise é um passo preliminar para uma representação explícita dos reservatórios no modelo, que será conduzida em um estudo futuro.

ABSTRACT Tens of thousands of dams were built around the world to reduce flood risks, produce energy, and maximize benefits of limited freshwater resources. In Brazil, the main and largest reservoirs are related to hydropower plants. Improving the understanding of reservoir dynamics is important not only to evaluate their impact in the flow regime of Brazilian rivers, but also to simulate the combined effect of constructing new dams and potential alterations under future climatic conditions. Here, we analyze how an ideal representation of reservoirs in terms of forced discharge would improve a previously calibrated hydrological model under the Brazilian domain. We forced the continental-scale version of the MGB model on observed reservoir outflows from 109 hydropower dams, which are part of the Brazilian National Interconnected System controlled by the National Electrical System Operator. Model simulated flows were replaced by the reservoir outflows in all dam locations and were compared to the original discharge in downstream gauges. The forced discharge simulation presented a mean improvement for Kling-Gupta Efficiency of 21%, when compared to the original model (naturalized flow). This analysis is a preliminary step towards an explicit representation of the reservoirs in the model, what will be conducted in a future study.

RESUMO A atualização em tempo real de modelos de propagação do escoamento em rios é essencial para a redução de erros na previsão hidrológica. As técnicas de atualização recentes encontradas na literatura, apesar de promissoras, são complexas e geralmente aplicadas em modelos cujo desenvolvimento demanda tempo e conhecimento muito especializado, representando desafios para sua utilização em ambientes operacionais. Dado que atualmente existem ferramentas computacionais amplamente difundidas, que reduzem tempo e simplificam a preparação de modelos hidrodinâmicos, torna-se interessante desenvolver técnicas que sejam facilmente acopladas a estas ferramentas de modo a aproveitar um modelo já calibrado e a experiência dos usuários. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de atualização em tempo real do modelo HEC-RAS para previsão de vazões, utilizando o algoritmo de otimização Shuffled Complex Evolution - University of Arizona (SCE-UA). O procedimento consiste na atualização simultânea de condições de contorno e parâmetros no modelo hidrodinâmico, através de: (i) geração de um aporte lateral concentrado, definido por uma adaptação do hidrograma unitário adimensional do Soil Conservation Service - SCS e; (ii) estimativa do coeficiente de Manning no trecho simulado. O algoritmo opera em uma janela de otimização com a minimização de uma função-objetivo, que considera a soma ponderada dos erros quadráticos das vazões dando maior peso aos erros nos últimos intervalos com dados observados (início da previsão). Como estudo de caso, a metodologia foi aplicada em um trecho localizado na bacia do rio Iguaçu, entre a UHE Salto Caxias e o posto fluviométrico de Hotel Cataratas. Os resultados mostraram que, com um conjunto relativamente pequeno de soluções candidatas no algoritmo de otimização, é possível melhorar, de forma eficiente, o desempenho do modelo na previsão de vazões e reduzir efeitos negativos causados por erros de fase nos hidrogramas calculados. Uma vantagem da metodologia desenvolvida é que ela permite reduzir tanto a necessidade de manipulações excessivas de arquivos como de ajustes manuais do modelo HEC-RAS, o que é importante quando decisões operacionais devem ser tomadas em tempo relativamente curto.

ABSTRACT Real-time updating of channel flow routing models is essential for error reduction in hydrological forecasting. Recent updating techniques found in scientific literature, although very promising, are complex and often applied in models that demand much time and expert knowledge for their development, posing challenges for using in an operational context. Since powerful and well-known computational tools are currently available, which provide easy-to-use and less time-consuming platforms for preparation of hydrodynamic models, it becomes interesting to develop updating techniques adaptable to such tools, taking full advantage of previously calibrated models as well as the experience of the users. In this work, we present a real-time updating procedure for streamflow forecasting in HEC-RAS model, using the Shuffled Complex Evolution - University of Arizona (SCE-UA) optimization algorithm. The procedure consists in a simultaneous correction of boundary conditions and model parameters through: (i) generation of a lateral inflow, based on Soil Conservation Service (SCS) dimensionless unit hydrograph and; (ii) estimation of Manning roughness in the river channel. The algorithm works in an optimization window in order to minimize an objective function, given by the weighted sum of squared errors between simulated and observed flows where differences in later intervals (start of forecast) are more penalized. As a case study, the procedure was applied in a river reach between Salto Caxias dam and Hotel Cataratas stream gauge, located in the Lower Iguazu Basin. Results showed that, with a small population of candidate solutions in the optimization algorithm, it is possible to efficiently improve the model performance for streamflow forecasting and reduce negative effects caused by lag errors in simulation. An advantage of the developed procedure is the reduction of both excessive handling of external files and manual adjustments of HEC-RAS model, which is important when operational decisions must be taken in relatively short times.

RESUMO A previsão hidrológica por conjunto tem sido reconhecida como uma ferramenta essencial em diversos sistemas operacionais de previsão de cheias. Diferentemente da abordagem determinística, que disponibiliza apenas uma previsão pontual, a previsão por conjunto permite a representação das incertezas associadas e consequentemente a melhoria na detecção de eventos extremos de cheia. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo verificar a qualidade de previsões hidrológicas por conjunto, em curto prazo, na bacia do rio Taquari-Antas/RS, e o seu potencial para fornecer informação adicional a um sistema de alerta. Para tanto, foi utilizado o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado ao EPS Regional Eta de alta resolução, com 5 membros de diferentes parametrizações e condições de contorno, além da previsão determinística do Modelo Regional Eta. Durante a avaliação de eventos singulares recentemente ocorridos na bacia, a vazão máxima foi relativamente bem prevista por pelo menos 1 membro em quase todas as previsões realizadas, inclusive com instante de pico próximo ao observado para as antecedências consideradas. Em uma comparação com previsões determinísticas, as previsões por conjunto demonstraram maior acurácia e maior probabilidade de detecção (POD) para os limiares de referência utilizados, mantendo a razão de falso alarme a níveis razoavelmente baixos. Foi identificada também uma tendência geral de subestimativa nas previsões, com a maioria das observações situando-se entre os maiores ranks do conjunto. Além disso, a combinação de previsões defasadas (t-12h) com as mais recentes amplia o espalhamento do conjunto e aumenta a POD dos limiares de alerta, apesar da redução no desempenho em termos de acurácia e viés. Os resultados obtidos sugerem que existe um benefício no uso das previsões hidrológicas por conjunto obtidas com o EPS Eta de alta resolução, podendo dar suporte à emissão de pré-alertas e nortear ações de planejamento internas no escopo da Defesa Civil.

ABSTRACT Hydrological Ensemble Prediction Systems (HEPS) play an important role on operational flood forecasting. Unlike in deterministic approach, which relies on a single prediction of future river flows, these systems can represent the forecast uncertainty and provide a better detection of extreme hydro-meteorological events. In this context, the present study aimed to assess both the quality of ensemble flood forecasts on Taquari-Antas basin and its potential to provide additional information to a local Flood Alert System. The hydrological model MGB-IPH was coupled to the high-resolution meteorological EPS Eta model with five members of different parameterization schemes and boundary conditions, as well as to the deterministic version of Eta regional model. On a single event evaluation, the peak discharge was reasonable well predicted by at least one ensemble member, in nearly all forecasts, with a good prediction of the flood timing for the considered lead times. In a comparison with deterministic forecasts, the ensemble ones showed higher accuracy and higher probability of detection (POD) for the reference thresholds, preserving false alarm rates at reasonably low levels. An overall tendency of underestimation was also identified, with most observations falling between the higher ranks of the ensemble. Furthermore, the combination of previous forecasts (t-12h) with the recent ones leads to a slight increase of ensemble spread and POD, despite the performance reduction in terms of accuracy and bias for the ensemble mean. Results suggest that there is a benefit in having hydrological ensemble forecasts obtained from the high resolution EPS Eta model, which can be used as a complementary information to a local Flood Alert System supporting pre-alert issues and Civil Defense internal planning actions.

RESUMO A delimitação de bacias hidrográficas, geração da rede de drenagem e determinação de características hidráulicas de um rio de interesse são partes importantes de estudos na área de hidrologia. Atualmente muitas dessas informações são obtidas com o processamento de modelos digitais de elevação (MDEs) em softwares comerciais de SIG, como o ArcGIS e o IDRISI. Por outro lado, pacotes de SIG para uso livre, ou seja, gratuitos e de código aberto, têm aumentado significativamente nos últimos anos, e as vantagens desses pacotes incluem ampla distribuição e customização, desenvolvimento continuado pela comunidade de usuários e atendimento a necessidades específicas. Este trabalho apresenta o pacote livre (open-source) denominado IPH-Hydro Tools, um conjunto de ferramentas acoplado ao software livre MapWindow GIS criado para facilitar a aquisição de informações topológicas em bacias hidrográficas, bem como realização de etapas de pré-processamento em modelos hidrológicos a exemplo do MGB-IPH. Para avaliar a aplicabilidade e o desempenho da ferramenta desenvolvida foram realizados testes específicos, através da comparação dos resultados do IPH-Hydro Tools em relação a outros pacotes de SIG (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) disponíveis para esta finalidade. O IPH-Hydro Tools apresentou qualidade de rede de drenagem geralmente superior aos demais pacotes e menor tempo de processamento necessário para delimitação de bacias, apesar de algumas limitações como incompatibilidade em relação a matrizes muito grandes e dificuldade na representação da rede de drenagem em áreas extensas de mesma cota, a exemplo de reservatórios e rios muito largos.

ABSTRACT Watershed delineation, drainage network generation and determination of river hydraulic characteristics are important issues in hydrological sciences. In general, this information can be obtained from Digital Elevation Models (DEM) processing within GIS commercial softwares, such as ArcGIS and IDRISI. On the other hand, the use of open source GIS tools has increased significantly, and their advantages include free distribution, continuous development by user communities and full customization for specific requirements. Herein, we present the IPH-Hydro Tools, an open source tool coupled to MapWindow GIS software designed for watershed topology acquisition, including preprocessing steps in hydrological models such as MGB-IPH. In addition, several tests were carried out assessing the performance and applicability of the developed tool, given by a comparison with available GIS packages (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) for similar purposes. The IPH-Hydro Tools provided satisfactory results on tested applications, allowing for better drainage network and less processing time for catchment delineation. Regarding its limitations, the developed tool was incompatible with huge terrain data and showed some difficulties to represent drainage networks in extensive flat areas, which can occur in reservoirs and large rivers.