A diferenciação entre concentrações naturais de espécies químicas presentes nos recursos hídricos, background geoquímico, daquelas encontradas em locais contaminados é fundamental em projetos de recuperação de áreas degradadas. Apesar das ações de melhoria ambiental que vem sendo realizadas por mais de duas décadas na região de Santa Catarina impactada pela mineração de carvão, seu background geoquímico ainda não é plenamente conhecido. O preenchimento dessa lacuna de conhecimento foi objetivo deste estudo, que analisou os resultados de campanhas de monitoramento realizadas pelo Serviço Geológico do Brasil SGB/CPRM durante três anos. A distribuição de parâmetros de qualidade dos rios e córregos não afetados por contaminações antrópicas da área de estudo foi analisada. Este banco de dados foi utilizado para realização de análises de componentes principais (ACP) e de cluster, e na definição dos valores de background, que foi feito pelos métodos de boxplot e mediana ± 2 MAD (Median Absolute Deviation). As análises estatísticas multivariada convergiram para o agrupamento dos locais de coleta em dois grupos, um relacionado às rochas sedimentares da Bacia do Paraná, com maior correlação com os parâmetros Eh, SO42-, Ca, Mg, EC, Mn, acidez, Zn, e Na, e outro às rochas do embasamento cristalino, correlacionadas com pH, Cu, Al, K, e Fe. O resultado do background geoquímico foi similar para ambos os métodos, com valores de pH, Fe, Al, e Mn levemente diferentes daqueles definidos nas normas CONAMA 357/05 e Portaria MS 888/21.

In the environmental reclaiming process, it is essential to distinguish between concentrations of chemical elements that occur naturally in water resources (geochemical background), from those concentrations in which the presence of these elements results from anthropogenic activities. Despite the environmental efforts that have been carried out for more than two decades in the southern Brazilian region impacted by coal mining, its geochemical background is still not completely known. Filling this environmental knowledge gap was the objective of this work, which systematically analyzed the results of monitoring efforts carried out by the Geological Survey of Brazil (SGB/CPRM) across three years. Quality parameter distributions of rivers and streams unaffected by anthropogenic impact were analyzed. The database was used to perform principal component analysis (PCA) and cluster analysis, and to define the background values, which was done through the boxplot and ± 2 MAD (Median Absolute Deviation) methods. The results of multivariate statistical analyses clustered the monitoring sites into two groups, one related to the sedimentary rocks of the Paraná Basin and another to the crystalline basement rocks. The sedimentary group had a greater correlation with the parameters Eh, SO42-, Ca, Mg, EC, Mn, Acidity, Zn and Na; while, and the crystalline rocks group were better correlated with pH, Cu, Al, K, and Fe. The results of the geochemical background were similar for both methods, with values of pH, Fe, Al, and Mn being slightly different from those defined in Brazilian legislation (CONAMA 357/05 and MS 888/21).

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 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 In the environmental reclaiming process, it is essential to distinguish between chemical elements concentrations that occur naturally in water resources (geochemical background), from those originated from anthropogenic activities. Despite the environmental efforts that have been carried out for more than two decades in the southern Brazilian region impacted by coal mining, its geochemical background is still not completely known. Filling this environmental knowledge gap was the objective of this work, which systematically analyzed the results of monitoring efforts carried out by the Geological Survey of Brazil (SGB/CPRM) across three years. Quality parameter distributions of rivers and streams unaffected by anthropogenic impact were analyzed. The database was used to perform principal component analysis (PCA) and cluster analysis, and to define the background values, which was done through the boxplot and ± 2 MAD (Median Absolute Deviation) methods. The results of multivariate statistical analyses clustered the monitoring sites into two groups, one related to the sedimentary rocks of the Paraná Basin and another to the crystalline basement rocks. The sedimentary group had a greater correlation with the parameters Eh, SO42-, Ca, Mg, EC, Mn, Acidity, Zn and Na; while, and the crystalline rocks group were better correlated with pH, Cu, Al, K, and Fe. The results of the geochemical background were similar for both methods, with values of pH, Fe, Al, and Mn being slightly different from those defined in Brazilian legislation (CONAMA 357/05 and MS 888/21).

RESUMO A diferenciação entre concentrações naturais de espécies químicas presentes nos recursos hídricos, background geoquímico, daquelas encontradas em locais contaminados é fundamental em projetos de recuperação de áreas degradadas. Apesar das ações de melhoria ambiental que vem sendo realizadas por mais de duas décadas na região de Santa Catarina impactada pela mineração de carvão, seu background geoquímico ainda não é plenamente conhecido. O preenchimento dessa lacuna de conhecimento foi objetivo deste estudo, que analisou os resultados de campanhas de monitoramento realizadas pelo Serviço Geológico do Brasil SGB/CPRM durante três anos. A distribuição de parâmetros de qualidade dos rios e córregos não afetados por contaminações antrópicas da área de estudo foi analisada. Este banco de dados foi utilizado para realização de análises de componentes principais (ACP) e de cluster, e na definição dos valores de background, que foi feito pelos métodos de boxplot e mediana ± 2 MAD (Median Absolute Deviation). As análises estatísticas multivariada convergiram para o agrupamento dos locais de coleta em dois grupos, um relacionado às rochas sedimentares da Bacia do Paraná, com maior correlação com os parâmetros Eh, SO42-, Ca, Mg, EC, Mn, acidez, Zn, e Na, e outro às rochas do embasamento cristalino, correlacionadas com pH, Cu, Al, K, e Fe. O resultado do background geoquímico foi similar para ambos os métodos, com valores de pH, Fe, Al, e Mn levemente diferentes daqueles definidos nas normas CONAMA 357/05 e Portaria MS 888/21.

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 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 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 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 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 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 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 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 Generally, the base for any flood mapping is the topography information whose resolution determines the map accuracy. Furthermore, river bathymetry in detail and the type of used model are also relevant. Therefore, the objective of the present study was to evaluate the influence of different sources of topographic data on the flood mapping by using the CAESAR-Lisflood model and three Digital Elevation Model (DEM) configurations, among which two were freely available, and the other was generated with field survey (topography and bathymetry). First, the resolution and precision of each DEM were evaluated, from the comparison of different cross-sections, besides the variation of the wetted area and absolute value of the relative error in mean velocity as a function of depth. Subsequently, after elaborating flood maps with each DEM, the results were compared in terms of flood area, mean flood width and flow depth. It is observed that the more accurate resolution, the smaller the flood area becomes. The flood map elaborated with the DEM through field survey had the best fit to the observed area. However the relation between the topographic resolutions and flow-depths was not clear in obtained results.

RESUMO Geralmente, a base para qualquer mapeamento de inundação é informação sobre topográfica cuja resolução determina a precisão do mapa. Além disso, a batimetria detalhada do rio e o tipo de modelo usado também são relevantes. Portanto, o objetivo do presente estudo foi avaliar a influência de diferentes fontes de dados topográficos no mapeamento de inundações utilizando o modelo CAESAR-Lisflood e três configurações de Modelo Digital de Terreno (MDT), dentro das quais, duas estão disponíveis gratuitamente e outra gerada com levantamento em campo (topografia e batimetria). Primeiramente, foram avaliadas a resolução e a precisão de cada MDT, a partir da comparação de diferentes seções transversais, além da variação da área molhada e do erro relativo da velocidade média em função da profundidade. Posteriormente, após a elaboração dos mapas de inundação com cada MDT, os resultados foram comparados em termos de área inundada, largura média de inundação e profundidade de fluxo. Observa-se que, quanto mais precisa a resolução, menor a área de inundação. O mapa de inundação elaborado com o MDT por meio de levantamento em campo teve o melhor ajuste para a área observada. Entretanto, a relação entre a resolução topográfica e a profundidade do fluxo não foi bem clara nos resultados.

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 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 In this research study, the MGB-IPH (acronym for Large Scale Model in Portuguese - Modelo de Grandes Bacias) was used to simulate the propagation of a dam breach hydrograph estimated from predictor equations for the Três Marias Hydropower Dam, considered one of the largest in South America. The results of the peak flow, peak time and flood spot were compared with results of the Hec-Ras 5.06 model, typically used for local-scale dam break studies. As for the extent of the flood, a hit rate of 84% and a median error of 2.1 meters deep, along 4,055 km2 of the flooded area downstream was obtained. Maximum errors of 13% were observed in the prediction of the peak flow and of 20% for the peak time in distant locations up to 526 km downstream from the dam, thus establishing itself within the limits of the typical uncertainties associated with dam break studies. Thus, the potential of using this type of approach in previous studies of large dam failures is explored, configuring this method as an alternative to the use of robust or simplified models for determining downstream areas potentially affected by these disasters.

RESUMO Neste trabalho, foi utilizado o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH) para simular a propagação de um hidrograma de ruptura estimado a partir de equações preditoras para a barragem da UHE Três Marias, considerada uma das maiores da América do Sul. Os resultados, quanto à vazão de pico, tempo de pico e mancha de inundação foram comparados com os resultados advindos do modelo Hec-Ras 5.06, tipicamente utilizado para estudos de rompimento de barragens em escala local. Quanto à extensão da mancha de inundação, obteve-se um índice de acerto de 84% e um erro mediano de 2,1 metros de profundidade, ao longo de 4.055 km2 de área inundada a jusante. Observaram-se erros máximos de 13% na predição da vazão de pico e de 20% para o tempo de pico em locais distantes até 526 km a jusante da barragem, estabelecendo-se, portanto dentre os limites das incertezas típicas associadas a estudos de rompimento de barragens. Desta forma, o uso potencial deste tipo de abordagem em estudos prévios de rompimento de barragens é explorado, configurando-se este método como uma alternativa ao uso de modelos robustos ou simplificados para determinação de áreas de jusante potencialmente afetadas por estes desastres.

ABSTRACT Calibration and validation are two important steps in the application of sediment models requiring observed data. This study aims to investigate the potential use of suspended sediment concentration (SSC), water quality and remote sensing data to calibrate and validate a large-scale sediment model. Observed data from across 108 stations located in the Doce River basin was used for the period between 1997-2010. Ten calibration and validation experiments using the MOCOM-UA optimization algorithm coupled with the MGB-SED model were carried out, which, over the same period of time, resulted in 37 calibration and 111 validation tests. The experiments were performed by modifying metrics, spatial discretization, observed data and parameters of the MOCOM-UA algorithm. Results generally demonstrated that the values of correlation presented slight variations and were superior in the calibration step. Additionally, increasing spatial discretization or establishing a background concentration for the model allowed for improved results. In a station with high quantity of SSC data, calibration improved the ENS coefficient from -0.44 to 0.44. The experiments showed that the spectral surface reflectance, total suspended solids and turbidity data have the potential to enhance the performance of sediment models.

RESUMO A calibração e a validação são duas etapas importantes na aplicação de modelos de sedimentos que requerem dados observados. Nesse contexto, este estudo investigou o potencial de uso dos dados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS), qualidade da água e sensoriamento remoto na calibração e validação de um modelo hidrossedimentológico de grande escala. Foram usados dados observados de 108 estações, localizadas na bacia do rio Doce, para o período entre 1997 e 2010. Foram realizados dez experimentos de calibração e validação usando o algoritmo de otimização MOCOM-UA, acoplado ao modelo MGB-SED, resultando em 37 calibrações automáticas e 111 testes de validação, todos no mesmo período. Os experimentos foram construídos modificando as métricas, discretização espacial, dados de CSS e parâmetros do algoritmo MOCOM-UA. Os resultados mostraram que, no geral, os valores das correlações variaram pouco e foram melhores na etapa de calibração. Observou-se que, o aumento da discretização espacial da bacia ou o estabelecimento de uma concentração mínima para o modelo, possibilitou obter resultados melhores. Em uma estação com muitos dados de CSS, a calibração melhorou o coeficiente de ENS de -0,44 para 0,44. Os experimentos mostraram que os dados de reflectância espectral de superfície, sólidos suspensos totais e turbidez apresentam potencial para melhorar a performance dos modelos de sedimentos.

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 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 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 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 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.

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 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 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.