RESUMO Dados topográficos de levantamentos LiDAR (Light Detection and Ranging) estão disponíveis de forma crescente. Esta pesquisa avalia limitações e potencialidades de um Modelo Digital do Terreno (MDT) LiDAR para representação topográfica de bacias hidrográficas e extração de rede de drenagem, considerando alta resolução espacial (1 m) e versões reamostradas (2, 5, 10 e 30 m) e a bacia do rio das Garças (4.100 km2; Pernambuco) como estudo de caso. A representação do terreno com o MDT de 1m e a rede de drenagem apresentam excelente qualidade, e a reamostragem para até 30 m supera o obtido com dados SRTM. O MDT LiDAR reamostrado para 2, 5, 10 e 30 m levou a encurtamentos do rio principal de 0,1%, 0,3%, 1,2% e 4%, respectivamente, enquanto a diferença entre LiDAR 1m e SRTM foi de 12%. O custo computacional para processar MDT de 1m foi proibitivo ao usar computador comum de baixo custo, enquanto alguns algoritmos mostraram-se muito eficientes (até 100x mais rápido) quando rodados em máquina mais robusta. A reamostragem do MDT é um meio de equilibrar qualidade da informação e exigências computacionais.

ABSTRACT Topographic data is increasingly available from LiDAR (Light Detection and Ranging) surveys. This research evaluates the limitations and capabilities of a LiDAR Digital Terrain Model (DTM) regarding catchment topography representation and river drainage network derivation, considering high-resolution (1 m) and resampled versions (2, 5, 10, and 30 m), and the Garças river basin (4,100 km2; Pernambuco state) as a study case. The terrain representation of the 1m-DTM and the derived network present outstanding quality, and its coarsening up to 30m resolution still outperforms the results obtained with SRTM data. LiDAR DTM coarsened to 2, 5, 10 and 30 m led to river length shortening of 0.1%, 0.3%, 1.2%, and 4%, respectively, while the difference between LiDAR 1m and SRTM was about 12%. The computational cost for 1m-DTM processing was prohibitive when using a typical low-cost computer, while some algorithms proved to be largely efficient (100 times faster) when running on a more powerful machine. DTM coarsening is an alternative to achieving a better balance between data quality and computer requirements.

RESUMO Modelos hidrológicos (MHs) podem ser aplicados para diferentes propósitos, uma etapa fundamental é a calibração do modelo usando funções objetivo (FO) para quantificar a concordância entre as vazões observadas e calculadas. O entendimento completo das FO é importante para aproveitar adequadamente a calibração do modelo e interpretar os resultados. Este estudo avalia 36 FO propostas na literatura, considerando duas bacias hidrográficas de diferentes regimes hidrológicos. Séries temporais diárias de vazão simulada, usando um modelo hidrológico distribuído (MGB-IPH), e dez séries temporais sintéticas diárias, geradas a partir das vazões observadas e calculadas, foram usadas na análise de cada bacia hidrográfica. Esses dados sintéticos foram usados para avaliar como cada métrica avalia os casos hipotéticos que apresentam comportamentos de erro isolados muito conhecidos. Apesar de todas as métricas derivadas de NSE (eficiência de Nash-Sutcliffe) que usam o quadrado dos resíduos em sua formulação terem demonstrado maior sensibilidade a erros nas vazões altas, os que usam médias diárias e mensais das vazões em termos absolutos foram mais rigorosos que os outros para avaliar o desempenho dos MHs. Erros nas vazões baixas foram melhor avaliados por métricas que usam o logaritmo das vazões. A presença constante de vazões zero os deteriora significativamente, com exceção das métricas TRMSE (erro quadrático médio da raiz transformada) não demonstraram esse problema. Uma limitação observada das formulações de algumas métricas foi que os erros de superestimação ou subestimação são compensados. Nossos resultados reafirmam que cada métrica deve ser interpretada pensando especificamente nos aspectos para os quais foi proposta e, considerando simultaneamente um conjunto de métricas, levaria a uma avaliação mais ampla da capacidade do MH (ex: avaliação de modelo multiobjetivo). Recomendamos que o uso de séries temporais sintéticas, como as propostas neste trabalho, possa ser útil como um passo auxiliar no melhor entendimento da avaliação de um modelo hidrológico calibrado para cada estudo de caso, levando em consideração as capacidades do modelo e as características observadas do regime hidrológico.

ABSTRACT Hydrological models (HMs) can be applied for different purposes, and a key step is model calibration using objective functions (OF) to quantify the agreement between observed and calculated discharges. Fully understanding the OF is important to properly take advantage of model calibration and interpret the results. This study evaluates 36 OF proposed in the literature, considering two watersheds of different hydrological regimes. Daily simulated streamflow time-series, using a distributed hydrological model (MGB-IPH), and ten daily streamflow synthetic time-series, generated from the observed and calculated streamflows, were used in the analysis of each watershed. These synthetic data were used to evaluate how does each metric evaluate hypothetical cases that present isolated very well known error behaviors. Despite of all NSE-derived (Nash-Sutcliffe efficiency) metrics that use the square of the residuals in their formulation have shown higher sensitivity to errors in high flows, the ones that use daily and monthly averages of flow rates in absolute terms were more stringent than the others to assess HMs performance. Low flow errors were better evaluated by metrics that use the flow logarithm. The constant presence of zero flow rates deteriorate them significantly, with the exception of the metrics TRMSE (Transformed root mean square error) did not demonstrate this problem. An observed limitation of the formulations of some metrics was that the errors of overestimation or underestimation are compensated. Our results reassert that each metric should be interpreted specifically thinking about the aspects it has been proposed for, and simultaneously taking into account a set of metrics would lead to a broader evaluation of HM ability (e.g. multiobjective model evaluation). We recommend that the use of synthetic time series as those proposed in this work could be useful as an auxiliary step towards better understanding the evaluation of a calibrated hydrological model for each study case, taking into account model capabilities and observed hydrologic regime characteristics.

RESUMO Pela facilidade de aplicação, os métodos CN e Hidrograma Unitário Triangular (HUT) são muito usados em projetos de obras hidráulicas. Este trabalho adapta tais métodos para incorporar a variabilidade espacial das características físicas da bacia hidrográfica. O tempo de viagem (tv) do escoamento é computado do MDE e os métodos CN e HUT são adaptados para obter respostas por pixel. Apresenta-se aplicação na bacia hidrográfica Cascata I (Porto Alegre – RS), com duas variantes: i) HUTexu - tv calculados desde cada pixel até o exutório; ii) HUTjus - tv computados de um pixel para o imediato a jusante. A metodologia mostrou potencial para a modelagem hidrológica de eventos chuvosos em pequenas bacias hidrográficas, visando obter subsídios para a gestão da drenagem, tendo em vista a caracterização dos comportamentos diferenciados na bacia quanto às velocidades e capacidades para gerar escoamento. Por outro lado, observou-se subestimativa das vazões de pico e tempos de pico. Taxas de abstração inicial do método CN menores do que a originalmente prescrita foram mais realistas, concordando com estudos recentes. Há necessidade do aprimoramento da metodologia para as características das bacias brasileiras, indo além da simples adaptação das equações clássicas do método CN para forma distribuída.

ABSTRACT Due to the relative ease of application, the CN and the Triangular Unit Hydrograph (TUH) methods are commonly used in hydraulic facilities design. This work adapts these methods to incorporate the spatial variability of the physical characteristics of the catchment. The flow travel time (tv) is computed from the DEM and the CN and TUH methods are adapted to produce results on a pixel basis. This methodology is applied to the Cascata I catchment (Porto Alegre - RS), considering two variants: i) TUHout - tv calculated from each pixel up to the catchment outlet; ii) TUHdown - tv computed from one pixel to the immediate downstream. The proposed methodology showed potential to be used for hydrologic modeling of rainfall events in small catchments, as an alternative for providing information useful for urban drainage management, as the characterization of catchment areas with distinct behavior regarding velocities and potential for runoff generation. On the other side, the results showed an underestimation of peak discharges and time to peak. Initial abstraction losses of the CN method lower than the one originally prescribed provided more realistic results, in agreement to recent studies. There is the need for an improvement of the methodology for the characteristics of the Brazilian catchments besides the simple adaptation of the classical equations of the CN method to its distributed form.

RESUMO No Brasil, prevalece a urbanização dominada pela impermeabilização com aumento da incidência e magnitude de inundações. Uma alternativa para controle desse impacto é o reservatório de amortecimento de vazões ao nível do lote. A escolha do reservatório a adotar idealmente deve combinar os critérios hidráulicos/hidrológicos e estruturais/econômicos, embora haja uma lacuna na literatura quanto a esse tipo de análise integrada. Neste artigo é feita a análise custo-eficiência para seleção de um reservatório para controlar o escoamento captado por uma cobertura (4657 m 2), usando o método de Puls para o dimensionamento hidráulico e com base em normas técnicas de projeto de estruturas de concreto. Os resultados obtidos indicam que a redução em torno de 3% na eficiência teoricamente ideal (100%) do reservatório proporcionou uma queda de cerca de 36% no custo. Tal alternativa tem mais chance de se tornar atrativa e viável economicamente, mantendo praticamente o mesmo benefício para o sistema de drenagem pluvial a jusante. A análise de diferentes alternativas induziu a uma decisão entre nível de controle de saída do reservatório e custo que ressaltasse diferentes aspectos, e não apenas a minimização do custo ou a imposição de um nível de controle pré-definido de forma arbitrária.

ABSTRACT In Brazil, urbanization-dominated imperviousness is prevalent, increasing the incidence and magnitude of floods. An alternative to control this impact is an on-site runoff detention reservoir. The choice of reservoir adopted should ideally combine hydraulic/hydrological and structural/economic criteria, although there is a gap in the literature regarding this type of integrated analysis. In this article, a cost-efficiency analysis is conducted to select a reservoir to control the runoff captured by a roof (4,657 m2) using the Puls method for hydraulic dimensioning and based on technical standards for the design of concrete structures. The results indicate that a decrease of approximately 3% in the theoretically ideal efficiency (100%) of the reservoir provided a 36% drop in cost. Such an alternative is more likely to become attractive and economically viable, with virtually the same benefits to the downstream stormwater drainage system. The analysis of different alternatives induced a decision between the level of control of the reservoir output and the cost that emphasized different aspects, focusing on more than the minimization of the cost or the imposition of a pre-defined control level in an arbitrary way.

RESUMO O modelo hidrológico distribuído de grandes bacias MGB–IPH vem sendo aplicado em diversas bacias hidrográficas brasileiras com resultados satisfatórios. Entretanto, a aplicabilidade desse modelo a bacias de rios intermitentes, como é típico da região semiárida brasileira, ainda é questionada e foram realizadas apenas limitadas avaliações. Esta pesquisa analisa o desempenho e a aplicabilidade do modelo MGB-IPH em representar os padrões espaço-temporais dos processos hidrológicos na bacia do Rio Piancó (PB), a montante do posto fluviométrico Piancó (área de drenagem de 4603 km2). O MGB-IPH foi executado para um período de 42 anos (1970 a 2011) a nível diário e com células regulares de 5 × 5 km. O modelo conseguiu reproduzir o comportamento geral do hidrograma observado diário e mensal, com métricas equivalentes às obtidas em estudos de bacias de rios perenes realizados com o mesmo modelo. Essas métricas também foram comparáveis ao desempenho de estudo anterior na mesma bacia, porém realizado apenas com passo de tempo mensal e outros modelos hidrológicos. Duas dificuldades principais foram a simulação dos maiores eventos de cheia e da intermitência do rio. Os processos hidrológicos intermediários à transformação chuva-vazão (evapotranspiração, armazenamento de água no solo e geração de escoamento) se mostraram coerentes em termos de sazonalidade, magnitude e distribuição espacial na bacia.

ABSTRACT The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH has been applied to several Brazilian watersheds with acceptable results. However, the applicability of this model to watersheds with intermittent rivers, typically occurring in the Brazilian semiarid region, is questioned and limited evaluation has been carried out. This research analyzes the performance and applicability of the MGB-IPH model in representing the spatio-temporal patterns of hydrological processes in the Piancó catchment (PB), upstream from the Piancó streamgauge station (drainage area of 4,603 km2). The MGB-IPH was run for a 42-year period (1970 to 2011) with a daily time step and regular grid cells (5 × 5 km. The model was able to satisfactorily reproduce daily and monthly observed hydrographs, obtaining skill scores equivalent to other model applications for perennial rivers, as well as comparable to the performance of an earlier study developed in this same catchment area (but carried out with a monthly time step and applying different hydrologic models). No systematic error of the model for over- or underestimating the discharges was observed. The hydrological processes intermediate to the rainfall-runoff transformation (evapotranspiration, soil water storage and runoff generation) were coherent in terms of seasonality, magnitude and spatial distribution over the catchment area.

RESUMO A variabilidade espaço-temporal da precipitação, a baixa densidade de postos pluviométricos e os problemas operacionais são fatores de complexidade para estudos hidrológicos em países em desenvolvimento como o Brasil, o que pode ser amenizado pelo uso de estimativas de precipitação obtidas por sensoriamento remoto orbital. Esta pesquisa avalia as estimativas de chuva derivadas do produto 3B42 versão 7 do satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) sobre o Estado da Paraíba, no Nordeste do Brasil. Este estudo analisou séries temporais de 212 postos pluviométricos e dados provenientes do TRMM com uma malha espacial de 198 pixels, para um período de 14 anos (1998-2011). As análises foram realizadas tanto ao nível local de cada pluviômetro quanto agregada espacialmente segundo as mesorregiões Mata, Agreste, Borborema e Sertão, considerando chuvas diárias, três dias, sete dias e mensais. Maior concordância entre estimativas do TRMM e medições pluviométricas foi obtida para a região do Sertão (coeficiente de correlação r diário = 0,89 e erro médio absoluto EMA mensal = 16 mm) e menor concordância foi identificada para a região litorânea (r diário = 0,75 e EMA mensal = 31 mm), ou seja, maior concordância para regiões com menores totais precipitados. Chuvas do TRMM subestimaram valores observados nos locais de maior índice pluviométrico (bias mensal de -24 mm na região da Mata) e superestimam nos locais de menor índice pluviométrico (bias mensal de +13 mm no Sertão e +11 mm na Borborema). A caracterização detalhada espacialmente sobre a Paraíba da qualidade das estimativas do TRMM gerada neste trabalho mostra o potencial de aplicação de tais estimativas de chuva no estado, uma vez que conhecer a existência de erros, qual tipo de erro e uma quantificação deles tende a aumentar a confiabilidade do uso das estimativas e permite inclusive o uso de métodos de correção das estimativas.

ABSTRACT The spatio-temporal rainfall variability, the low-density of rain gauges and operational problems are complexity factors for hydrologic studies in developing countries such as Brazil. This research evaluates rainfall estimates derived from Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) 3B42 product, version 7, over Paraiba state, in Northeast of Brazil. This study analyzed time series of 212 rain gauges) and TRMM data within a spatial grid of 198 pixels, for a 14-years period (1998-2011). Analyses were carried out punctually for each pluviometer as well as spatially aggregated for the mesoregions Mata, Agreste, Borborema and Sertão, considering daily, 3-days, 7-days and monthly rainfall. Largest agreement between TRMM estimates and observed rainfall was obtained for Sertão region (correlation coefficient r daily = 0,89 and absolute average error EMA monthly = 16mm) and smallest agreement for seaside region (r daily = 0,75 and EMA monthly = 31 mm), i.e., the best agreement was obtained for regions with low rainfall rates. TRMM data underestimated observed rainfall in sites with large rainfall amount (monthly bias of -24 mm in Mata region) and overestimated in sites with low rainfall (monthly bias of +13 in Sertão and of +11 mm in Borborema). The spatially detailed characterization over Paraiba of the quality of the TRMM estimates showed in this work illustrates the potential of using such rainfall estimates for this state, because knowing its errors, their types and quantification tends to raise the trust in using them and also allows applying correction methods.

Este artigo teve como objetivo geral analisar a variação espaço-temporal da massa coletada dos resíduos sólidos domiciliares (RSD) dos bairros de João Pessoa entre 2003 e 2010. Foram realizadas a análise preliminar de consistência dos dados de RSD, a determinação de massa de RSD per capita, de taxas de variação anual dos valores absolutos e per capita, a análise de correlações para o ano de 2010 entre massa de RSD per capita e variáveis relativas a renda, educação, consumo de energia e água per capita, e traçados três cenários futuros de massa coletada de RSD até 2030. Foi encontrado um aumento de 32,4% na massa coletada de RSD no período de 2003 a 2010, alcançando, em 2010, um equivalente a 0,806 kg.hab-1.dia-1, valor coerente com estudo anterior que monitorou três residências unifamiliares no município. Tal crescimento é consequência não apenas do aumento populacional (15,1%), mas também de intensificação de padrões de consumo de bens. A relação entre geração de RSD e padrão de consumo ficou evidente também nas correlações fortes obtidas entre massa de RSD per capita coletada e consumo de energia per capita, índice de alfabetização e índice de renda domiciliar. Isso corrobora a necessidade de mudança cultural em termos de consumo, desperdício e descarte de resíduos visando a sustentabilidade ambiental. Se o ritmo de geração de resíduos continuar aumentando de acordo com o cenário futuro adotado, projeta-se de 0,85 a 1,78 kg.hab-1.dia-1por volta de 2030, aumentando o desafio em termos de coleta, gestão do aterro e necessidade de medidas mitigadoras de potenciais impactos ambientais.

This paper has the general purpose of analyzing the spatiotemporal variation of the amount of collected domestic solid waste (DSW) in João Pessoa districts between 2003 and 2010. The methodology accomplished a preliminary consistency analysis of DSW data, followed by determining per capita of DSW, annual variation rates of absolute values and per capita of DSW, correlation analysis for the year 2010 between DSW per capita and variables representing income, education, energy and water per capita consumption, and three future scenarios of DSW collection were traced until 2030. It was estimated an increase of 32.4% for the total DSW collected in the period 2003-2010, reaching in 2010 an equivalent to 0.806 kg.person-1.day -1, which is coherent with an earlier study that has monitored three single-family residences in the city. Such an increase is consequence not only of the population growth (15.1%), but also due to intensification in goods consumption. The relationship between DSW production and consumption patterns was highlighted by the strong correlation found between per capita of collected DSW and per capita of energy consumption, education and income variables. This corroborates the need of a cultural change regarding consumption, misuse and discard of solid waste towards environmental sustainability. If the rate of solid waste generation keeps growing, it is projected between 0.85 and 1.88 kg.person-1.day -1 about 2030, which will increase the challenge of collecting the DSW, landfill disposing and management, and the need of actions to mitigate potential environmental impacts.

O objetivo deste trabalho foi avaliar um método simples, semiautomatizado, para o mapeamento de áreas agrícolas no Estado do Mato Grosso. A transformada de Fourier foi aplicada sobre séries temporais de produtos dos índices de vegetação do sensor "moderate resolution imaging spectroradiometer" (Modis). Este procedimento permite avaliar a amplitude das alterações periódicas da resposta da vegetação no tempo e identificar áreas com forte variação sazonal relacionadas à produção agrícola. Foram geradas máscaras anuais das áreas agrícolas de 2006 a 2009 e feitas estimativas de área cultivada em cada município, por sensoriamento remoto. Houve boa concordância com dados oficiais de área plantada, principalmente para municípios com mais de 10% de área agrícola (R² = 0,89), mas baixa concordância para municípios com menos de 5% de área agrícola (R² = 0,41). A metodologia avaliada pode ser utilizada para o mapeamento anual de áreas agrícolas extensas nos grandes centros produtores do Brasil.

The objective of this work was to evaluate a simple, semi‑automated methodology for mapping cropland areas in the state of Mato Grosso, Brazil. A Fourier transform was applied over a time series of vegetation index products from the moderate resolution imaging spectroradiometer (Modis) sensor. This procedure allows for the evaluation of the amplitude of the periodic changes in vegetation response through time and the identification of areas with strong seasonal variation related to crop production. Annual cropland masks from 2006 to 2009 were generated and municipal cropland areas were estimated through remote sensing. We observed good agreement with official statistics on planted area, especially for municipalities with more than 10% of cropland cover (R² = 0.89), but poor agreement in municipalities with less than 5% crop cover (R² = 0.41). The assessed methodology can be used for annual cropland mapping over large production areas in Brazil.

O objetivo deste trabalho foi avaliar parâmetros biofísicos de superfície do Bioma Pantanal com a aplicação de geotecnologias. Foram utilizados o algoritmo Sebal ("surface energy balance algorithm for land"), imagens do sensor Modis ("moderate‑resolution imaging spectroradiometer") e o mapa de classes de uso e cobertura da terra. Os resultados obtidos para NDVI, temperatura da superfície, albedo, fluxo de calor sensível diário, saldo de radiação diário e evapotranspiração real diária foram consistentes com dados de literatura para os diferentes usos e cobertura da terra, e corroboram a eficiência da capacidade analítica e sinóptica das estimativas do Sebal. Tais resultados mostram o potencial de geotecnologias na implementação de modelos ou algoritmos voltados para a compreensão da dinâmica de processos biofísicos de interação solo‑planta‑atmosfera do Pantanal.

The objective of this work was to evaluate surface biophysical parameters of the Pantanal biome, Brazil, by the application of geotechnologies. The Sebal algorithm, Modis imagery, and land use and land cover map were used. The obtained results for NDVI, surface temperature, albedo, daily sensible heat flux, daily net radiation and daily actual evapotranspiration were consistent with literature data for the different land use and land cover classes, and corroborate the analytical and synoptic capacity of Sebal estimates. These results show the potential of geotechnologies in the implementation of models or algorithms developed for the understanding of biophysical process dynamics related to the soil‑plant‑atmosphere interactions in Pantanal.

É crescente a disponibilidade e utilização de campos de chuva estimados por sensoriamento remoto ou calculados por modelos de circulação da atmosfera, os quais são freqüentemente utilizados como entrada para modelos hidrológicos distribuídos. A distribuição espacial dos campos de chuva estimados é altamente relevante e deve ser avaliada frente aos campos de chuva observados. Este artigo propõe um método de comparação espaço-temporal entre campos de chuva observados e estimados baseado na comparação pixel a pixel e na construção de tabelas de contingência. Duas abordagens são utilizadas: (i) a análise integrada no espaço gera índices de performance que retratam a qualidade do campo de chuva estimada em reproduzir a ocorrência de chuva observada ao longo do tempo; (ii) a análise integrada no tempo produz mapas dos índices de performance que resumem a destreza das estimativas de ocorrência de chuva em cada pixel. Como exemplo de aplicação, é analisada a chuva estimada na climatologia do modelo global de circulação da atmosfera CPTEC/COLA sobre a bacia do Rio Grande. Utilizando-se cinco índices de performance, o método proposto permitiu identificar variações sazonais e padrões espaciais na performance das estimativas de chuva em relação a campos de chuva derivados de observações em pluviômetros.

There is an increasing availability and application of precipitation fields estimated by remote sensing or calculated by atmospheric circulation models, which are frequently used as input for distributed hydrological models. The spatial distribution of the estimated precipitation fields is extremely important and must be verified against observed precipitation fields. This paper proposes a method for spatiotemporal comparison between observed and estimated precipitation fields based on a pixel by pixel comparison and on contingency tables. Two distinct approaches are carried out: (i) the spatial integrated analysis produces skill scores denoting the ability of the estimated precipitation field in reproducing the occurrence of observed precipitation along the time; (ii) the time integrated analysis generates maps of skill scores showing the reliability of the precipitation estimates in each pixel. As an example of application, the estimated precipitation climatology of the CPTEC/COLA global circulation model over the Rio Grande basin is assessed. Using five different skill scores, the proposed method identified seasonal variations and spatial patterns in the performance of the estimated precipitation fields in relation to precipitation fields derived from pluviometers measurement.