RESUMO Compreender o comportamento probabilístico de chuvas extremas em escalas temporais e espaciais é crucial para o projeto e avaliação de risco de estruturas hidráulicas. Porém, informações em resolução adequada são frequentemente limitadas ou indisponíveis nos locais de interesse, o que, por sua vez, exigiria a estimativa de curvas de intensidade-duração-frequência (IDF) em escala regional. Neste artigo, empregam-se abordagens simplificadas para desagregação e espacialização de chuvas para derivar uma equação IDF regional para a bacia do Rio Grande, no estado da Bahia. Os resultados sugerem que, na escala de tempo diária, as quantidades máximas de chuva na região de estudo podem ser descritas razoavelmente pela distribuição de Gumbel. Os procedimentos de espacialização indicaram que, enquanto tanto a Ponderação pelo Inverso da Distância (IDW) quanto as técnicas de krigagem ordinária poderiam capturar a variabilidade espacial dos quantis de chuva, apenas a primeira foi capaz de modelar a variabilidade espacial dos parâmetros IDF para várias durações de interesse prático. Finalmente, apesar das premissas simplificadoras, foi possível derivar superfícies espaciais lisas para as grandezas mencionadas, o que pode ser útil para o projeto de estruturas hidráulicas em locais desprovidos de monitoramento.

ABSTRACT Understanding the probabilistic behavior of extreme rainfall on a fine temporal and spatial scales is crucial for design and risk assessment of hydraulic structures. However, information at appropriate resolutions is frequently limited or unavailable at the locations of interest, thereby requiring the estimation of Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves at the regional scale. In this paper, we resort to simplified approaches for rainfall disaggregation and spatialization for deriving a regional IDF equation for the Grande River catchment, in the Brazilian state of Bahia. Our results suggest that, at the daily time scale, the maximum rainfall amounts can be reasonably described by the light-tailed Gumbel distribution in the study region. The spatialization procedures indicated that, whereas both the Inverse Distance Weighting (IDW) and the ordinary kriging techniques could capture the spatial variability of rainfall quantiles, for several durations of practical interest, only the former was able to model the spatial variability of the IDF parameters. Finally, despite the simplifying assumptions, we were able to derive smooth spatial surfaces for the aforementioned quantities, which might be useful for the design of hydraulic structures at ungauged sites.

RESUMO As vazões máximas são frequentemente estimadas a partir de análises de frequência de inundação, por meio de ajustes estatísticos de uma distribuição teórica de probabilidades aos dados de vazões máximas anuais. Entretanto, em razão das limitações impostas pela prática da medição da vazão in loco, são aplicados modelos empíricos como a curva chave para estimar vazão. Essas curvas são aproximações das vazões reais e incorporam diferentes fontes de incertezas, em especial nas porções de extrapolação. Tais incertezas são propagadas nas análises de frequência e influenciam nos quantis estimados. Para melhor compreender e descrever a influência das incertezas da cota-descarga neste processo, foi combinado os resultados da modelagem Bayesiana da curva chave, que considera o conhecimento físico da estação de medição como conhecimento a priori, com a análise de frequência Bayesiana de inundação sob a teoria assintótica de valores extremos. O método foi aplicado na estação de fluviométrica de Acorizal, localizada no interior do estado de Mato Grosso – BR. Os principais resultados sugeriram que, embora as incertezas da curva chave possam ser relevantes na estimativa de quantis de vazões máximas, as incertezas decorrentes de séries históricas amostrais podem exercer maiores impactos nos intervalos de credibilidade da vazão mesmo para tamanhos de amostras moderadas.

ABSTRACT Maximum flows are often estimated from flood frequency analysis, by means of the statistical fitting of a theoretical probability distribution to maximum annual flow data. However, because of the limitations imposed by the practice of at-site flow measurement, empirical models are applied as the rating curve for estimating streamflow. These curves are approximations of the actual flows and incorporate different sources of uncertainty, especially in the extrapolation portions. These uncertainties are propagated in the frequency analysis and influence the estimated quantiles. For better understanding and describing the influence of the stage-discharge uncertainty in this process, the results of Bayesian rating curve modeling, which considers the physical knowledge of the gauging station as prior information, were combined with Bayesian flood frequency analysis under asymptotic extreme value theory. The method was applied to the Acorizal stream gauging station, located in the interior of the state of Mato Grosso - BR. The main results suggested that, although the uncertainties of the rating curve can be relevant in the estimation of maximum flow quantiles, the uncertainties arising from finite-sample inference might exert greater impacts on the flow credibility intervals even for moderate sample sizes.

RESUMO Séries de precipitação de alta resolução temporal são necessárias para a modelagem de eventos regulares e extremos em projetos de sistemas pluviais urbanos, simulação de vazões em pequenas bacias, estudos de balanços hídricos e modelagem de inundações de curta duração, por exemplo. Não obstante, amostras longas e contínuas de precipitação subdiária são, via de regra, difíceis de ser encontradas. Para contornar o problema da limitada disponibilidade de dados de alta resolução temporal tanto na escala temporal como na espacial, esse artigo explorou uma versão alternativa do algoritmo dos k-ésimos vizinhos mais próximos, acoplada ao método dos fragmentos, (modelo KNN-MOF), que se baseia nos estados de chuva para simulação de dias chuvosos consecutivos e em uma abordagem de similaridade regional para amostragem dos fragmentos de estações similares próximas a estação de interesse. O método de desagregação proposto foi aplicado para um grupo de 40 postos pluviográficos localizados nas bacias dos rios Doce e São Francisco. A desagregação da precipitação diária foi realizada para as durações de 60, 180 e 360 minutos. Os resultados indicaram que o mesmo apresentou um desempenho apropriado para a desagregação de precipitação diária, reproduzindo as estatísticas como média, variância e assimetria para as durações analisadas. Adicionalmente, o comportamento dos máximos anuais, mesmo para baixas probabilidades de excedência, foi relativamente bem descrito, ainda que nem toda a variabilidade esperada dos quantis tenha sido abrangida pelo modelo. De forma geral, a abordagem proposta mostrou-se uma alternativa coerente e de fácil implementação para simular séries contínuas de precipitação subdiária a partir de registros de menor resolução temporal.

ABSTRACT Rainfall time series with high temporal resolution are required for estimating storm events for the design of urban drainage systems, for performing rainfall-runoff simulation in small catchments and for modeling flash-floods. Nonetheless, large and continuous sub-daily rainfall samples are often unavailable. For dealing with the limited availability of high-resolution rainfall records, in both time and space, this paper explored an alternative version of the k-nearest neighbors algorithm, coupled with the method of fragments (KNN-MOF model), which utilizes a state-based logic for simulating consecutive wet days and a regionalized similarity-based approach for sampling fragments from hydrologically similar nearby stations. The proposed disaggregation method was applied to 40 rainfall gauging stations located in the São Francisco and Doce river catchments. Disaggregation of daily rainfall was performed for the durations of 60, 180 and 360 minutes. Results indicated the model presented an appropriate performance to disaggregate daily rainfall, reasonably reproducing sub-daily summary statistics. In addition, the annual block-maxima behavior, even for low exceedance probabilities, was relatively well described, although not all expected variability in the quantiles was properly summarized by the model. Overall, the proposed approach proved a sound and easy to implement alternative for simulating continuous sub-daily rainfall amounts from coarse-resolution records.

RESUMO O presente trabalho visou avaliar, por meio de regressão linear múltipla (RLM), os indicadores que melhor exprimem a realidade dos sistemas de abastecimento de água de municípios de pequeno porte, com base nos desempenhos financeiro, operacional e de qualidade da água como variáveis de resposta. A organização e a seleção dos dados fiaram-se no Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento de 2014, tendo sido selecionados os referentes a 182 municípios de Minas Gerais com população inferior a 10 mil habitantes e 56 indicadores como variáveis explicativas. Por meio da RLM, verificou-se que o comprometimento das receitas com a despesa (margem da despesa de exploração) e a razão entre a arrecadação e as despesas (índice de suficiência de caixa) são as variáveis mais relevantes para descrever o desempenho financeiro. Para descrição do desempenho operacional, os índices de perdas por ligação e de faturamento de água foram os mais recorrentes. Por fim, no que tange ao desempenho de qualidade da água, os modelos apresentaram baixos coeficientes de determinação e a não aderência dos resíduos à distribuição normal.

ABSTRACT The aim of this study was to evaluate, by means of multiple linear regression (MLR), the indicators that best express the reality of small municipalities water supply systems, based on financial, operational and water quality performance as response variables. The organization and selection of the sample were based on the information available in the National Sanitation Information System of 2014, selecting 182 municipalities in Minas Gerais with population below 10,000 inhabitants and 56 indicators as explanatory variables. Through MLR, it was found that the commitment of revenue to expenditure (operating expense margin) and the ratio of collection to expenses (monetary sufficiency index) are the most relevant variables to describe financial performance. For the description of operational performance, the water loss per connection and water billing rates were the most recurrent. Finally, with regard to the performance of water quality, the models presented low determination coefficients and non-adherence of the residues to normal distribution.

RESUMO Este artigo enfatiza a caracterização espaço-temporal de secas na bacia do rio São Francisco, com base na análise de ondaletas de séries temporais do Índice Padronizado de Precipitação (SPI). Para melhorar a estimação do SPI, os procedimentos para análise regional por momentos-L foram empregados na delimitação de regiões estatisticamente homogêneas. A transformada contínua de ondaletas foi utilizada para extrair informações da série temporal de SPI no plano tempo-frequência e para investigar possíveis teleconexões desses sinais com aqueles obtidos de amostras dos índices climáticos de larga escala ENSO e PDO. O uso de análise de frequência regional com momentos L resultou em melhorias na estimativa de séries temporais de SPI. Observou-se que, agregando informação regional, foram obtidas estimativas mais confiáveis de precipitação com baixa frequência de ocorrência. A análise de ondaleta dos índices climáticos sugere que os períodos secos mais extremos na área de estudo são observados quando a fase fria do ENSO e do PDO coincide. Embora não constituindo uma relação estrita de causa e efeito, ficou claro que as secas mais extremas são consistentemente observadas nessa situação. No entanto, é necessária uma investigação mais aprofundada para identificar as particularidades dos padrões de precipitação que não estão associados a anomalias climáticas em larga escala.

ABSTRACT This paper focuses on time-space characterization of drought conditions in the São Francisco River catchment, on the basis of wavelet analysis of Standardized Precipitation Index (SPI) time series. In order to improve SPI estimation, the procedures for regional analysis with L-moments were employed for defining statistically homogeneous regions. The continuous wavelet transform was then utilized for extracting time-frequency information from the resulting SPI time series in a multiresolution framework and for investigating possible teleconnections of these signals with those obtained from samples of the large-scale climate indexes ENSO and PDO. The use of regional frequency analysis with L-moments resulted in improvements in the estimation of SPI time series. It was observed that by aggregating regional information more reliable estimates of low frequency rainfall amounts were obtained. The wavelet analysis of climate indexes suggests that the more extreme dry periods in the study area are observed when the cold phase of both ENSO and the PDO coincides. While not constituting a strict cause effect relationship, it was clear that the more extreme droughts are consistently observed in this situation. However, further investigation is necessary for identifying particularities in rainfall patterns that are not associated to large-scale climate anomalies.

RESUMO Por assumir que os impactos nos regimes naturais de vazão de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) são desprezíveis, os licenciamentos ambientais para esses empreendimentos são relativamente fáceis de serem obtidos. Contudo, estudos recentes têm mostrado que a operação de PCHs pode afetar as condições naturais de escoamento especialmente quando os aproveitamentos hidrelétricos são alocados em cascata. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho é investigar a alteração do comportamento das periodicidades de vazões em um sistema com seis aproveitamentos hidrelétricos, sendo cinco PCHs. Foram utilizadas séries de vazões diárias extraídas de estações localizadas na bacia do rio Jauru, na região hidrográfica do Alto Paraguai, Brasil, entre maio de 2016 e agosto de 2017. Por meio da transformada wavelet, foi possível identificar ciclos dominantes ao longo do tempo e comparar a coerência de séries de vazões entre estações adjacentes. Entre os resultados, observou-se que, no sentido de montante para jusante, os ciclos de alta frequência se tornam mais evidentes enquanto aqueles de baixa frequência ficam enfraquecidos. Análises adicionais indicaram que tais alterações não estão diretamente relacionadas a fatores meteorológicos ou ao aumento gradual da área de drenagem da bacia na direção a jusante, o que sugere que a operação das PCHs pode afetar o ciclo natural de vazões.

ABSTRACT Because it is assumed that the impacts in the natural streamflow regime promoted by Small Hydropower Plants (SHP) are negligible, environmental licensing for such facilities is usually easier. Nonetheless, recent studies have shown that the operation of SHPs may disturb the natural flow conditions, mainly when the plants are placed in a cascade arrangement. In this context, the main objective of this study is investigating the alterations in flows periodic behavior in a system of six hydropower plants, being five of them SHPs. Daily discharge time series were extracted from eight streamflow gauging stations located in the Jauru River catchment, Brazil, whose period-of-record spans from May/2016 to Aug/2017. By using the wavelet transform, dominant cycles along the time series were identified and their coherence in nearby stations was compared. Among the results, one may observe that, from upstream to downstream, the high frequency cycles became more important whereas the low frequency ones have weakened. Additional analyses indicate that such alterations are not directly related to meteorological factors or to the gradual increasing in the catchment’s drainage area in the downstream direction, which suggests that the operation of SHPs may affect the streamflow natural cycles.