This technical note presents a comparative analysis between the heavy rainfall that occurred in Rio Grande do Sul, between April and May 2024, with the heaviest rainfall events ever observed in Brazil, between 1961 and 2022. The comparative analysis was performed using the Depth Area Duration technique, suitable for the analysis of heavy rainfall on a large spatial and temporal scale. We concluded that following our analysis, the rainfall that occurred in Rio Grande do Sul largely exceeded the most intense large-scale precipitation events historically observed in Brazil, from 1961 to 2022, at least for areas from 2,000 to 100,000 km2 and rainfall durations of 3 to 14 days. In some cases (3-day rainfall in 10,000 km2) the 2024 rainfall was 47% higher than the previous record rainfall. Considering that we cannot rule out that similar events occur in any other basin, at least in South Brazil, it may be necessary to review the original design and operation rules of high-risk hydraulic structures and flood defense systems throughout the Southern region of the country.

Esta nota técnica apresenta uma análise comparativa entre as chuvas intensas ocorridas no Rio Grande do Sul, entre abril e maio de 2024, com os maiores eventos de chuva já observados no Brasil, entre 1961 e 2022. A análise comparativa foi realizada utilizando a técnica Depth Area Duration, que é adequada para a análise de chuvas intensas em grande escala espacial e temporal. Concluímos que as chuvas ocorridas no Rio Grande do Sul superaram amplamente os eventos de precipitação de larga escala mais intensos historicamente observados no Brasil, de 1961 a 2022, pelo menos para áreas de 2.000 a 100.000 km2 e durações de chuva de 3 a 14 dias. Em alguns casos (chuva de 3 dias em 10.000 km2), a precipitação de 2024 foi 47% maior que o recorde anterior de precipitação. Considerando que não podemos descartar que eventos semelhantes ocorram em nenhuma outra bacia, pelo menos no Sul do Brasil, pode ser necessário rever as regras originais de projeto e operação de estruturas hidráulicas de alto risco e sistemas de defesa contra inundações em toda a região Sul do país.

RESUMO Estudos internacionais têm focado nos impactos hidrológicos em escala horária ou sub-diária que hidrelétricas podem ocasionar por operações de hydropeaking. Contudo, essa temática ainda é pouco estudada no Brasil, apesar do seu grande número de hidrelétricas. Assim, para trazer ao contexto brasileiro, o presente estudo apresenta inicialmente uma revisão da literatura para caracterizar o hydropeaking, seus impactos e medidas mitigadoras propostas, e trabalhos a respeito no Brasil. A seguir, demonstrou-se que operações de hydropeaking ocorrem em todo território nacional por hidrelétricas de diferentes tamanhos, com alterações podendo aumentar 450% a vazão de base. São também trazidos conflitos relacionados ao hydropeaking no Brasil e que, apesar de suas ocorrências e registro de limiares pontuais sua mitigação, esse não vem sendo abordado em estudos de impacto ambiental para licenciamento de PCHs. Assim, o presente estudo busca trazer à luz a importância de maiores pesquisas sobre hydropeaking no Brasil. subdiária sub diária Contudo Assim brasileiro propostas seguir demonstrouse demonstrou se tamanhos 450 base mitigação PCHs 45 4

ABSTRACT International studies have focused on the hydrological impacts on an hourly or sub-daily scale that hydroelectric plants can cause through hydropeaking operations. However, this topic is still underexplored in Brazil, despite its large number of hydroelectric plants. Thus, to bring it to the Brazilian context, this study initially presents a literature review to characterize hydropeaking, its impacts and proposed mitigating measures, and research conducted in Brazil. Next, it was demonstrated that hydropeaking operations occur throughout the entire national territory, in hydroelectric plants of different sizes, that can cause changes increasing up to 450% of the base flow. Conflicts related to hydropeaking in Brazil are also brought up and, despite their occurrences and records of specific thresholds for their mitigation, this has not been addressed in environmental impact studies for licensing Small Hydropower Plants (SHPs) or legislation. Thus, the present study seeks to bring to light the importance of further research on hydropeaking in Brazil. subdaily sub daily However Thus context measures Next territory sizes 450 flow mitigation SHPs (SHPs legislation 45 4

RESUMO As previsões de afluências em horizonte sub sazonal apresenta potencial para contribuições importantes na gestão de recursos hídricos em operações de barragens hidroelétricas. Estas previsões desafiam as limitações do horizonte de médio-prazo e o estende, preenchendo uma lacuna técnico-cientifica de longa data no ramo das previsões. No Brasil, o uso de previsões hidrológicas em horizonte sub sazonal apresenta potencial para alavancar a produção hidroelétrica do Sistema Interligado Nacional (SIN), uma vez que rotineiramente são empregadas previsões de afluências em reservatórios de até 2 semanas por meio de modelo chuva-vazão. Este estudo objetivou a avaliação estatística de previsões hidrológicas de até 6 semanas utilizando um modelo hidrológico-hidrodinâmico em escala continental associados a previsão de precipitação por conjunto geradas por modelo atmosférico para produzir vazões futuras nas bacias do continente, e consequentemente para as bacias das usinas hidroelétricas do SIN. A avaliação estatística se baseou em métricas determinísticas tipicamente utilizadas pelo agente operador do SIN, e adicionalmente a habilidade das previsões baseadas em modelo atmosférico em relação a previsões baseada na climatológica das vazões observadas nas usinas. A performance das previsões varia de acordo com a estação do ano e localização geográfica, isto é, dependente de regimes hidrológicos distintos. As melhores performances foram obtidas em usinas localizadas nas regiões sudoeste e centro-oeste que possuem sazonalidade bem definida, ao passo que usinas do sul apresentaram maior sensibilidade nas métricas de acordo com a estação do ano. O estudo apresentado servem como contribuição técnico-cientifica para agentes e tomadores de decisão que buscam aprimorar a gestão do recurso hídrico incorporando as previsões estendidas na cadeia operacional. médioprazo médio prazo estende técnicocientifica técnico cientifica Brasil SIN , (SIN) chuvavazão. chuvavazão chuva vazão. vazão chuva-vazão hidrológicohidrodinâmico hidrológico hidrodinâmico continente geográfica é distintos centrooeste centro oeste definida operacional (SIN

ABSTRACT Inflow prediction on sub-seasonal timescale have the potential for important contributions to the management of water resources in hydroelectric dam operations. These forecasts challenge the limitations of the medium-term and extend it, bridging a long-standing technical-scientific gap in the forecasting field. In Brazil, the use of sub-seasonal hydrological predictions can boost the hydroelectric production of the National Interconnected System (SIN), since inflow forecast in reservoirs of up to 2 weeks are routinely used using a rain-flow model. This study aimed at the statistical evaluation of hydrological forecasts of up to 6 weeks using a hydrological-hydrodynamic model on a continental scale associated with ensemble precipitation forecasts generated by an atmospheric model, producing future streamflow in the continent basins, and consequently at the SIN’s hydroelectric dams. The statistical evaluation was based on deterministic scores typically used by the SIN operating agent, and additionally we assessed the skill of forecasts based on atmospheric models in relation to simpler forecasts based on the climatology of observed inflows. The performance of the forecasts varies according to the season and geographic location, that is, depending on different hydrological regimes. The best performances were obtained in dams located in the southwest and central-west regions, which have well-defined seasonality, while dams in the south showed greater sensitivity in metrics according to the season. The study presented serves as a technical-scientific contribution for agents and decision makers who seek to improve water resource management by incorporating extended forecasts into the operational chain. subseasonal sub seasonal operations mediumterm medium term it longstanding long standing technicalscientific technical scientific field Brazil SIN, , (SIN) rainflow rain flow hydrologicalhydrodynamic hydrodynamic basins SINs s agent inflows location is regimes centralwest central west regions welldefined well defined seasonality chain (SIN

RESUMO O Sistema Aquífero Urucuia (SAU) é uma importante fonte de água subterrânea no Brasil, no qual foram observadas reduções nas vazões dos rios e nos níveis subterrâneos nos últimos anos. A mudança na evapotranspiração real devido a um aumento na demanda atmosférica de água foi uma das muitas causas apontadas para explicar a redução observada nas vazões. Para avaliar a demanda evaporativa na região do Sistema Aquífero Urucuia, neste estudo avaliamos possíveis tendências na evapotranspiração de referência com o método FAO Penman-Monteith utilizando os dados de reanálise atmosférica ERA5 para o período de 1960-2020 após uma comparação com dados medidos em estações. Os resultados apontaram uma boa concordância entre os dados ERA5 e as observações em estações meteorológicas, e também indicaram tendências crescentes na evapotranspiração de referência. Este aumento parece ser causado pelo aumento da temperatura do ar, da radiação superficial e da velocidade do vento. No período analisado de 1960 a 2020, as últimas duas décadas, a partir dos anos 2000, apresentaram a maior demanda evaporativa em todo o SAU. SAU (SAU Brasil PenmanMonteith Penman Monteith ERA 19602020 2020 1960-202 meteorológicas ar vento 196 décadas 2000 1960202 202 1960-20 19 200 196020 20 1960-2 1 19602 2 1960-

ABSTRACT The Urucuia Aquifer System (UAS) is an important groundwater source in Brazil, where declining river flows and groundwater table levels were observed in the past years. Changes in actual evapotranspiration due to an increase in atmospheric water demand was among many driving causes that were pointed out to explain lowering observed flows. To assess evaporative demand across the Urucuia Aquifer System, in this study we evaluated possible trends in reference evapotranspiration with the FAO Penman-Monteith method, using the ERA5 atmospheric reanalysis data for the period of 1960-2020 after a comparison with ground-based observed data. Our findings revealed a generally good agreement between ERA5 data and ground-based measurements and significant increasing trends of reference evapotranspiration. This increase seems to be caused by increases in air temperature, surface radiation and wind speed. Within the 1960 to 2020 analyzed period, the last two decades from 2000 onward had the highest evaporative demand across the UAS. UAS (UAS Brazil years PenmanMonteith Penman Monteith method ERA 19602020 1960-202 groundbased ground based temperature speed 196 202 200 1960202 1960-20 19 20 196020 1960-2 1 2 19602 1960-

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 grande cheia de 1941 continua a ser o evento de inundação mais impactante e traumático da história de Porto Alegre. Esse evento foi causado por uma combinação da grande precipitação na bacia nos dias anteriores ao pico da cheia, e do vento ocorrido durante a cheia. Entretanto, a influência do vento sobre o nível máximo da cheia, embora frequentemente mencionado, não é bem conhecida. Isto ocorre em grande parte porque não existem dados sistemáticos de medição de velocidade e direção do vento em 1941. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo estimar a vazão e a cota máxima da cheia na cidade de Porto Alegre e em outros pontos relevantes da bacia utilizando a modelagem hidrológica-hidrodinâmica e, a partir daí, analisar o possível papel do vento durante a cheia, através da simulação de cenários hipotéticos de vento. Os resultados mostraram que as vazões e níveis foram representados razoavelmente bem com o modelo MGB em diversos locais da bacia. Em relação ao evento de 1941 e os cenários montados, a contribuição do vento para o pico da cheia foi da ordem de poucos a dezenas de centímetros, evidenciando o potencial papel do mesmo apesar das limitações do modelo.

ABSTRACT The great flood of 1941 remains the most impactful and traumatic flood event in the history of Porto Alegre. This event was caused by a combination of heavy rainfall in the basin in the days prior to the peak of the flood, and the wind that occurred during the flood. However, the influence of wind on the maximum flood level, although frequently mentioned, is not well known. This is largely because there are no systematic data for wind speed measuring and direction in 1941. Therefore, the present work aims to estimate the discharge and the maximum flood level in the city of Porto Alegre and in other relevant points of the basin. using hydrological-hydrodynamic modeling and, from there, analyze the possible role of the wind during the flood, through the simulation of hypothetical wind scenarios. The results showed that the discharges and levels were represented reasonably well with the MGB model at several locations in the basin. In relation to the 1941 event and the scenarios created, the contribution of the wind to the peak of the flood was of the order of a few to tens of centimeters, showing its potential role despite the limitations of the model.

RESUMO Reservatórios afetam consideravelmente a vazão dos rios e por isso precisam ser adequadamente representados em estudos de impactos ambientais. Simular defluência de reservatórios representa um desafio para estudos hidrológicos já que sua operação depende do risco de inundações e aspectos econômicos e de demanda. O Sistema Interligado Nacional (SIN) é um exemplo de um sistema único e complexo de operação coordenada composto por mais de 160 grandes reservatórios. Então foi proposto e avaliado uma abordagem integrada para simular defluências diárias da maioria dos reservatórios do SIN (138) usando um modelo de Redes Neurais Artificiais (RNA), distinguindo reservatórios de armazenamento e a fio d’água e testando casos em que defluência e nível estavam disponíveis ou não como dados de entrada. Além disso, foi investigada a relação entre as variáveis de entrada propostas (14) e a defluência simulada, sendo as variáveis relativas ao balanço hídrico do reservatório, sazonalidade e demanda indireta. Como resultado, foi verificado que as saídas do modelo de RNA foram principalmente influenciadas pelas variáveis locais de balanço hídrico, como a afluência do mesmo dia e a defluência do dia anterior. No entanto, outras variáveis como o nível de 4 grandes reservatórios representativos de diferentes regiões do país (que infere sobre à demanda pela disponibilidade de água para geração de energia) aparentemente teve uma influência considerável nas saídas do modelo. Esse resultado aponta para vantagens em se usar uma abordagem integrada ao invés de olhar cada reservatório isoladamente. Em termos de disponibilidade de dados, foram testados cenários com (WITH_Qout) e sem (NO_Qout and SIM_Qout) defluência e níveis observados como variáveis de entrada do modelo de RNA. Esses 3 modelos de RNA foram comparados com dois benchmarks simples: a defluência é igual a defluência do dia anterior (STEADY) e a defluência é igual a afluência do mesmo dia (INFLOW). Em reservatórios de armazenamento, as estimativas dos modelos atingiram uma mediana do coeficiente de Nash-Suthcliffe (NSE) de 0.91, 0.77 e 0.68 para os modelos WITH_, NO_ e SIM_Qout respectivamente, comparado com uma mediana do NSE de 0.81 e 0.29 para o STEADY e INFLOW respectivamente. Concluindo, os modelos RNA apresentaram performances satisfatórias: quando dados de defluências dos dias anteriores estão disponíveis, WITH_Qout é superior ao STEADY; caso contrário, NO_Qout e SIM_Qout são superiores ao INFLOW.

ABSTRACT Reservoirs considerably affect river streamflow and need to be accurately represented in environmental impact studies. Modeling reservoir outflow represents a challenge to hydrological studies since reservoir operations vary with flood risk, economic and demand aspects. The Brazilian Interconnected Energy System (SIN) is an example of a unique and complex system of coordinated operation composed by more than 160 large reservoirs. We proposed and evaluated an integrated approach to simulate daily outflows from most of the SIN reservoirs (138) using an Artificial Neural Network (ANN) model, distinguishing run-of-the-river and storage reservoirs and testing cases whether outflow and level data were available as input. Also, we investigated the influence of the proposed input features (14) on the simulated outflow, related to reservoir water balance, seasonality, and demand. As a result, we verified that the outputs of the ANN model were mainly influenced by local water balance variables, such as the reservoir inflow of the present day and outflow of the day before. However, other features such as the water level of 4 large reservoirs that represent different regions of the country, which infers about hydropower demand through water availability, seemed to influence to some extent reservoirs outflow estimates. This result indicates advantages in using an integrated approach rather than looking at each reservoir individually. In terms of data availability, it was tested scenarios with (WITH_Qout) and without (NO_Qout and SIM_Qout) observed outflow and water level as input features to the ANN model. The NO_Qout model is trained without outflow and water level while the SIM_Qout model is trained with all input features, but it is fed with simulated outflows and water levels rather than observations. These 3 ANN models were compared with two simple benchmarks: outflow is equal to the outflow of the day before (STEADY) and the outflow is equal to the inflow of the same day (INFLOW). For run-of-the-river reservoirs, an ANN model is not necessary as outflow is virtually equal to inflow. For storage reservoirs, the ANN estimates reached median Nash-Sutcliffe efficiencies (NSE) of 0.91, 0.77 and 0.68 for WITH_, NO_ and SIM_Qout respectively, compared to a median NSE of 0.81 and 0.29 for the STEADY and INFLOW benchmarks respectively. In conclusion, the ANN models presented satisfactory performances: when outflow observations are available, WITH_Qout model outperforms STEADY; otherwise, NO_Qout and SIM_Qout models outperform INFLOW.

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 Os processos de tomada de decisão que envolvem recursos hídricos no Brasil e países vizinhos vêm se baseando unicamente em análises do comportamento histórico de variáveis hidrológicas e climatológicas. Entretanto, isto pode levar a estratégias equivocadas relacionadas ao uso dos recursos naturais, pois o impacto das mudanças climáticas no comportamento das vazões futuras pode alterar consideravelmente a disponibilidade de recursos hídricos. Na presente pesquisa foi realizada uma análise da variação das disponibilidades hídricas de bacias hidrográficas contidas na área de contribuição à Laguna dos Patos, Rio Grande do Sul - Brasil, e Uruguai, que pode ser consequência das mudanças climáticas previstas por modelos globais do CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), publicados no mais recente relatório do IPCC (International Panel on Climate Change). Dois períodos futuros de 30 anos foram simulados, de 2006 a 2035 e de 2051 a 2080, utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH, considerando dois cenários extremos de emissões de gases de efeito estufa e vinte modelos climáticos. Foi possível verificar uma tendência de aumento das vazões na bacia hidrográfica simulada, pois mais de 60% das simulações realizadas indicou algum percentual de aumento de vazões médias em todas as unidades de discretização modeladas. A análise dos resultados das simulações indicou que os dados dos modelos climáticos HadGEM2-ES e GFDL-CM3 utilizados como dados de entrada no modelo hidrológico são os que fornecem, respectivamente, limiares superiores e inferiores de vazão do conjunto de resultado simulados. A avaliação conjunta dos resultados gerados por estes dois modelos, associados ao cenário de altas emissões de gases de efeito estufa, é capaz de gerar cenários extremos de vazões que são projetados para o futuro considerando as mudanças climáticas na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos. Já os resultados fornecidos pelos modelos bcc-csm1-1, BNU-ESM e CNRM-CM5 são similares à mediana do conjunto das simulações geradas por todos os modelos avaliados nesta pesquisa. Além disso, a região mais ao norte da área de estudo foi identificada como as que apresenta maior sensibilidade às mudanças climáticas projetadas pelos modelos globais do CMIP5.

ABSTRACT The decision-making processes involving water resources in Brazil and in neighboring countries have been based solely on analyses of the historical behavior of hydroclimatological variables. However, this may lead to inappropriate strategies in regards to the use of natural resources, since the impact of future climate change may significantly affect the availability of water resources. This study proposes an analysis of the variation in water availability of basins within the Patos Lagoon contribution area, which may be a consequence of climatic changes predicted by CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models, published in the most recent International Panel on Climate Change (IPCC) report. Two 30-year periods were simulated, from 2006 to 2035 and from 2051 to 2080, through the MGB-IPH hydrological model, considering two extreme greenhouse gas scenarios and twenty climate change models. A tendency of increase of the flows was verified in the simulated basin, since over 60% of the simulations indicated some percentage of average flow increase across all discretized modeling units. The analysis of the simulation results indicated that the data from climatic models HadGEM2-ES and GFDL-CM3 used as input in the hydrological model are the ones that respectively provide upper and lower flow thresholds for the ensembled simulations. A joint evaluation of the results generated by these two models, associated with the scenario of high greenhouse gas emissions, is capable of covering extreme flow scenarios making predictions considering climate change in the Patos Lagoon’s basin. Whereas the results provided by bcc-csm1, BNU-ESM and CNRM-CM5 are similar to the median of the ensemble of simulations generated by all models evaluated in this research. In addition, the northernmost region of the study area was identified as having the highest sensitivity to climate change, as projected by global models of CMIP5 published in AR5.

RESUMO Este artigo apresenta uma síntese das sessões especiais do XXIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2019, com o objetivo de compreender os principais avanços e desafios em recursos hídricos no Brasil. Foram analisados mais de 250 trabalhos e apresentações em 16 sessões especiais abrangendo temas como Variabilidade e Mudanças Climáticas, Desastres, Modelagem, Hidrologia de Grande Escala, Sensoriamento Remoto, Educação e Gestão de Recursos Hídricos. Esta avaliação destacou a diversidade única de atributos naturais e antrópicos dos recursos hídricos brasileiros, que oferece uma grande oportunidade para aprendizado sobre sistemas hidrológico e humano acoplados. A maioria das contribuições é relacionada a métodos e quantificação de fenômenos hídricos, existindo uma necessidade clara de incentivo a mais pesquisas em compreensão de fenômenos. Existe uma vasta rede de coautores, mas principalmente da academia e com certo grau de fragmentação regional. A comunidade da ABRhidro tem o desafio de aumentar a sua rede de colaboração, a cultura de análises de síntese, e construir uma agenda comum para a pesquisa em recursos hídricos. Também é o momento de alinhar esforços com a comunidade de recursos hídricos internacional, usando nossas experiências para contribuir ativamente na solução de questões relacionadas à água em nível global.

ABSTRACT In this paper we synthesize the special sessions of the XXIII Brazilian Water Resources Symposium 2019 in order to understand the major advances and challenges in the water sciences in Brazil. We analyzed more than 250 papers and presentations of 16 special sessions covering topics of Climate Variability and Change, Disasters, Modeling, Large Scale Hydrology, Remote Sensing, Education, and Water Resources Management. This exercise highlighted the unique diversity of natural and human water features in Brazil, that offers a great opportunity for understanding coupled hydrological and societal systems. Most contributions were related to methods and the quantification of water phenomena, therefore, there is a clear necessity for fostering more research on phenomena comprehension. There is a vast network of co-authorship among institutions but mostly from academia and with some degree of regional fragmentation. The ABRhidro community now has the challenge to enhance its collaboration network, the culture of synthesis analysis, and to build a common agenda for water resources research. It is also time for us to be aligned with the international water science community and to use our experiences to actively contribute to the tackling of global water issues.

RESUMO Hidrogramas de projeto são amplamente utilizados em engenharia hidrológica. Típicas aplicações adotam métodos baseados em eventos (EB), utilizando modelos chuva-vazão para converter hietogramas de projeto em hidrogramas. Incertezas incluem a definição de condições antecedentes e a premissa de equivalência entre tempos de retorno da chuva e hidrograma de projeto. Uma alternativa é utilizar métodos de simulação contínua (CS), forçando um modelo chuva-vazão com longas séries de precipitação e analisando diretamente as vazões estimadas. Para melhor compreender as incertezas e diferenças entre os métodos EB e CS, neste estudo aplicou-se um modelo hidrológico na bacia do rio Itajaí-Açu, sendo comparados um método tipo CS com 730 diferentes simulações do tipo EB, variando condições antecedentes e hietogramas de projeto (10 e 50 anos de tempo de retorno). Os resultados indicaram que vazões de projeto muito variadas podem ser obtidas com o método EB, sugerindo uma grande incerteza deste. Vazões máximas de 10 e 50 anos baseadas no método CS corresponderam a percentis entre 30% e 50% das estimativas via EB. Por fim, uma maior variação de vazões máximas ocorreu em sub-bacias com maior máximo armazenamento de água no solo.

ABSTRACT Design hydrographs are widely used in practical hydrologic engineering problems. Typical applications adopt event-based (EBM) methods, using rainfall-runoff models to convert design hyetographs into design hydrographs. Uncertainties include the definition of antecedent conditions and the assumption of equivalence between hyetograph and hydrograph return periods. An alternative is to use continuous simulation (CSM) methods, by forcing a rainfall-runoff model with long precipitation series, and directly analyzing the output discharges. To better understand uncertainties in the EBM method and differences between CSM and EBM ones, we applied a hydrological model in the Itajaí-Açu river basin to compare a CSM method with 730 different simulations of an EBM one, considering different basin antecedent conditions and design hyetographs (10- and 50-years). Results indicated that the EBM method leads to a large range of design discharges depending on the antecedent condition. CS-based 10- and 50-years maximum discharges corresponded to percentiles between 30% and 50% of the EBM estimates. Higher discharge variation occurred in sub-basins with larger maximum soil water storage. Our conclusions agree with the literature, which points towards CSM-based methods to estimate design discharges.

RESUMO Neste trabalho, o método de assimilação de dados por filtro de Kalman por conjunto (EnKF) é aplicado na bacia do rio Tocantins. Esse método atualiza as vazões do rio usando um modelo hidrológico distribuído. O desempenho de EnKF é também comparado com um método de assimilação empírico a intervalos de tempo horário, onde duas aplicações baseadas em transferência de informação de locais monitorados para não monitorados e previsão de vazão em tempo real são avaliadas. Na primeira aplicação, ambos os métodos de assimilação de dado conseguem transferir vazões a outros locais não monitorados, obtendo melhores resultados quando mais de uma estação localizada a montante ou a jusante da bacia são monitoradas. Na segunda aplicação, a integração de um modelo de previsão com EnKF consegue absorver os erros no início da previsão. Dessa forma, uma maior eficiência no índice de Nash-Sutcliffe para as primeiras 144 horas de antecedência é encontrada quando se compara com os resultados do modelo sem assimilação. Finalmente, a comparação entre os métodos de assimilação de dados no modelo de previsão mostra uma maior vantagem a favor de EnKF em maiores horizontes de previsão.

ABSTRACT In this work, the data assimilation method namely ensemble Kalman filter (EnKF) is applied to the Tocantins River basin. This method assimilates streamflow results by using a distributed hydrological model. The performance of the EnKF is also compared with an empirical assimilation method for hourly time intervals, in which two applications based on information transfer from gauged to ungauged sites and real time streamflow forecasting are assessed. In the first application, both assimilation methods are able to transfer streamflow to ungauged sites, obtaining better results when more than one station located upstream or downstream of the basin are gauged. In the second application, integration of a real time forecast model with EnKF is able to absorb errors at the beginning of the forecast. Therefore, a greater efficiency in the Nash-Sutcliffe index for the first 144 hours in advance in relation to its counterpart without assimilation is obtained. Finally, a comparison between both data assimilation methods shows a greater advantage for the EnKF in long lead times.

RESUMO O modelo inercial unidimensional de propagação de vazão, formulado através de uma solução explícita, possui resultados comparáveis aos modelos que consideram as equações completas de Saint-Venant. A principal vantagem é a simplicidade na formulação com bons resultados. No entanto, o modelo inercial está restrito à um passo de tempo pequeno para evitar instabilidade numérica. Este trabalho propõe seis esquemas numéricos que modificam o modelo inercial unidimensional buscando aumentar a estabilidade numérica da solução. O desempenho dos esquemas numéricos propostos foi comparado em quatro situações de declividade do rio (normal, baixa, alta e muito alta) e em duas situações onde o rio está sujeito ao efeito de jusante (remanso e maré). O modelo hidrodinâmico HEC-RAS foi utilizado para validação das soluções. Os resultados são discutidos em termos de estabilidade, vazão de pico, tempo de processamento, erro de conservação de volume e raiz do erro médio quadrático da vazão (Root Mean Square Error – RMSE). De forma geral os esquemas mostraram melhora relativa a cada tipo de aplicação. Em particular, o esquema numérico aqui denominado Prog Q(k+1)xQ(k+1) se destacou apresentando vantagens com maior estabilidade numérica em relação ao esquema original. Porém este esquema não foi bem sucedido na situação de simulação com maré. Além disso, observou-se que a inclusão do cálculo do raio hidráulico sem simplificação nos esquemas numéricos melhorou os resultados sem aumentar o tempo computacional.

ABSTRACT The one-dimensional flow routing inertial model, formulated as an explicit solution, has advantages over other explicit models used in hydrological models that simplify the Saint-Venant equations. The main advantage is a simple formulation with good results. However, the inertial model is restricted to a small time step to avoid numerical instability. This paper proposes six numerical schemes that modify the one-dimensional inertial model in order to increase the numerical stability of the solution. The proposed numerical schemes were compared to the original scheme in four situations of river’s slope (normal, low, high and very high) and in two situations where the river is subject to downstream effects (dam backwater and tides). The results are discussed in terms of stability, peak flow, processing time, volume conservation error and RMSE (Root Mean Square Error). In general, the schemes showed improvement relative to each type of application. In particular, the numerical scheme here called Prog Q(k+1)xQ(k+1) stood out presenting advantages with greater numerical stability in relation to the original scheme. However, this scheme was not successful in the tide simulation situation. In addition, it was observed that the inclusion of the hydraulic radius calculation without simplification in the numerical schemes improved the results without increasing the computational time.

RESUMO Sistemas operacionais de previsão hidrológica e alerta são ferramentas úteis para a redução de impactos das inundações. Este estudo apresenta o desenvolvimento e uma avaliação dos resultados de um sistema de previsão de vazão operacional para a bacia do alto rio Uruguai, localizada no sul do Brasil. O sistema foi operado diariamente para fornecer previsões experimentais com interesse especial nas afluências dos reservatórios das usinas hidrelétricas de Barra Grande e Campos Novos, com antecedência de 10 dias. Aqui são apresentados resultados das previsões de afluências para as principais cheias ocorridas entre julho de 2013 e julho de 2016, período no qual o sistema foi operado. Os resultados das previsões por análise visuais e de métricas de desempenho mostraram um bom ajuste com observações na maioria dos casos, prevendo a possível ocorrência de inundações com 2 a 3 dias de antecedência. Na comparação entre as duas bacias notou-se que um a sub-bacia de Campos Novos, por ser mais lenta na transformação chuva-vazão, é mais fácil de ter suas vazões previstas. A diferença na previsibilidade entre as duas bacias pode ser observada pelo coeficiente de persistência, que é positivo a partir de 12h em Barra Grande e a partir de 24h para Campos Novos. Estes valores de coeficiente também mostram a importância da transformação chuva-vazão para a previsão de horizontes de mais de um dia nas bacias.

ABSTRACT System for hydrological forecasting and alert running in an operational way are important tools for floods impacts reduction. The present study describes the development and results evaluation of an operational discharge forecasting system of the upper Uruguay River basin, sited in Southern Brazil. Developed system was operated every day to provide experimental forecasts with special interest for Barra Grande and Campos Novos hydroelectric power plants reservoirs inflow, with 10 days in advance. We present results of inflow forecasted for floods occurred between July 2013 to July 2016, the period which the system was operated. Forecasts results by visual and performance metrics analysis showed a good fit with observations in most cases, with possibility of floods occurrence being well predicted with antecedence of 2 to 3 days. Comparing the locations, it was noted that the sub-basin of Campos Novos, being slower in rainfall-runoff transformation, is easier forecasted. The difference in predictability between the two basins can be observed by the coefficient of persistence, which is positive from 12h in Barra Grande and from 24h to Campos Novos. These coefficient values also show the value of the rainfall-runoff modeling for forecast horizons of more than one day in the basins.

RESUMO A atividade antrópica em bacias hidrográficas frequentemente gera efluentes que poluem cursos d'água e tendem a gerar problemas ambientais diversos. Uma ferramenta muito útil para auxiliar a avaliação desses problemas é a modelagem matemática. Uma classe específica de modelos matemáticos com aplicações promissoras na área de recursos hídricos e controle da poluição são os modelos baseados em agentes. Neste trabalho se demonstrou como um modelo baseado em agentes pode ser desenvolvido e utilizado para a simulação de plumas de constituintes conservativos e não conservativos em cursos d'água. Foram apresentadas as suposições feitas para a representação dos fenômenos de advecção, dispersão e decaimento de primeira ordem no modelo. Posteriormente, foi feita uma comparação entre os resultados do modelo e a solução analítica unidimensional da equação de advecção-dispersão. Os resultados das comparações apontaram boa representação dos processos pelo modelo baseado em agentes e evidenciaram a importância da definição da discretização da massa dos constituintes lançados para essa classe de modelo. As soluções desenvolvidas e apresentadas mostram-se promissoras para a aplicação de modelos baseados em agentes na simulação de impactos de despejos em cursos d'água, bem como o modelo desenvolvido consiste atualmente em uma ferramenta educacional simples para o entendimento desses fenômenos.

ABSTRACT Human activity often generates effluents that pollute waterways and tend to generate serious environmental problems. A very useful tool to help assess these issues is the mathematical modeling. A specific class of models that are very promising for water resources and pollution control are the agent-based models. This paper presents an agent-based model developed and used to simulate plumes of conservatives and non-conservatives constituents in water courses. The assumptions made for the representation of advection, dispersion and first order decay phenomena's on the development of the model are presented, and these solutions are evaluated against the analytical solution of one-dimensional advection-dispersion equation. The results of the comparisons show a good representation of the agent-based model, and show the importance of the released constituent's mass discretization definition. The solutions developed and presented are promising for the application of agent based models in the simulation of impacts of discharges into watercourses, as well as the developed model presents itself as an educational tool for simple understanding of the simulated phenomena.