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

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

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

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

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

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

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

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

RESUMO 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.