ABSTRACT The influence of the soil cover of the watershed that contributes to a watershed on the Barra Grande Hydroelectric Power Plant reservoir (subtropical, elongated, and “canyon”) was carried out through mathematical modeling (MGB-IPH for flows, HEC-RAS for water quality, and IPH -ECO for reservoir simulation). Simulation modeling of land cover change showed that replacing forests with other uses caused an increase in flows and loads of total nitrogen and total phosphorus and replacing other uses with forests resulted in a reduction in flows and loads of total nitrogen and total phosphorus. The magnitude of the nutrient load anomaly is associated with the degree of alteration caused in the process of transforming precipitation into surface runoff, terrain slope, soil types, and land use practices. The watershed has shallow soils in 86% of its area, with steep slopes at the headwaters, which facilitates the flow into the reservoir. Positive anomalies were estimated when agriculture replaces other uses and negative anomalies when agricultural areas are replaced. The nutrient load that reaches the reservoir is related to the degree of change in the process of transforming precipitation into surface runoff, the slope of the terrain, the types of soil, and land use practices adopted. There is thermal stratification in the deepest portion, with mixing in winter, where the operation of the plant can influence the mixing in the water column, with opposite effect between the region close to the dam and the other regions further away from the dam, depending on the conditions of temperature, flow, and residence time. Knowledge of structure and function is important to improve reservoir management.

RESUMO A influência da cobertura/do uso do solo da bacia hidrográfica sobre o reservatório da Usina Hidrelétrica de Barra Grande (lago artificial alongado, profundo em ambiente de cânion) foi analisada por meio de modelagem matemática utilizando o modelo de grandes bacias (MGB-IPH) para estimativa de vazões, o HEC-RAS para qualidade da água e o IPH-ECO na simulação do reservatório. A modelagem da simulação da alteração da cobertura do solo mostrou que a substituição de florestas por outros usos causou aumento nas vazões e nas cargas de nitrogênio total e fósforo total, e a substituição de outros usos por florestas resultou em redução nas vazões e nas cargas de nitrogênio total e fósforo total. A magnitude da anomalia da carga de nutrientes está associada ao grau de alteração causado no processo de transformação da precipitação em escoamento superficial, à declividade do terreno, aos tipos de solo e às práticas de uso do solo. A bacia hidrográfica apresenta solos rasos em 86% de sua área, com declividades do terreno acentuadas nas cabeceiras, o que facilita o escoamento para o reservatório. Anomalias positivas foram estimadas quando agricultura substitui outros usos e anomalias negativas quando áreas de agricultura são substituídas. A carga de nutrientes que chega ao reservatório está relacionada ao grau de alteração no processo de transformação da precipitação em escoamento superficial, à declividade do terreno, aos tipos de solo e às práticas de uso do solo adotadas. Há estratificação térmica na porção mais profunda, com mistura no inverno, quando a operação da usina pode influenciar a mistura na coluna d’água, com efeito oposto entre a região próxima à barragem e as demais regiões mais distantes da barragem, dependendo das condições de temperatura, vazão e tempo de residência. Esse conhecimento é importante para a gestão do reservatório.

RESUMO A calibração de modelos hidrológicos estima os valores de parâmetros que não podem ser mensurados e permite a simulação dos processos chuva-vazão. Os algoritmos evolucionários multi-objetivos podem tornam a calibração mais rápida e eficiente por meio de processos iterativos. Contudo, o critério de parada padrão usado para encerrar o processo iterativo é baseado em um número de iterações pré-definido pelo usuário. Como alternativa, o critério de parada Ticona é baseado no número mínimo de iterações requerido para alcançar um determinado número de soluções não-dominadas na Frente de Pareto, resultando em um menor tempo computacional sem perda de desempenho durante a calibração. Neste estudo, foi avaliado o uso do critério de parada Ticona na calibração do Tank Model. A calibração foi realizada em duas bacias hidrográficas, usando três algoritmos genéticos e duas funções-objetivo. Os resultados indicaram um tempo computacional 27,4% a 44,1% menor quando utilizado o critério de parada Ticona em comparação com o critério de parada padrão, ao mesmo tempo que foram obtidos resultados similares quanto aos valores dos parâmetros calibrados e à série temporal de vazão simulada.

ABSTRACT Calibration of hydrologic models estimates parameter values that cannot be measured and enable the rainfall-runoff processes simulation. Multi-objective evolutionary algorithms can make the calibration faster and more efficient through an iterative process. However, the standard stopping criterion used to stop the iterative process is to reach a pre-defined number of iterations defined by the modeller. Alternatively, the Ticona stopping criterion is based on the minimum number of iterations required to achieve a determined number of non-dominated solutions in the Pareto front, resulting in a reduction of the computational time without losing performance during the calibration processes. We evaluated the Ticona stopping criterion in the Tank Model calibration. The calibration processes were performed using data from two river basins, with three genetic algorithms and two objective functions. The Ticona stopping criterion required a computational time 27.4% to 44.1% lower than using the standard stopping criterion and were obtaining similar results in simulated streamflow time series and similar values of the best set of parameters.

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

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

RESUMO As escadas para peixes com ranhuras verticais permitem que ocorra a dissipação da energia do escoamento em função da forma da bacia, dos defletores, da declividade longitudinal e da largura da ranhura vertical. Estas estruturas devem apresentar padrões médios e turbulentos do escoamento compatíveis com os peixes que irão transpô-la. Tipicamente a concepção das escadas para peixes é baseada na utilização de geometrias empregadas com sucesso em situações anteriores e a estimativa das características do escoamento através de equações teóricas simplificadas e relações empíricas. Para contribuir na concepção dessas estruturas, foi utilizado um modelo hidrodinâmico tridimensional para simular o escoamento e estudos experimentais para validar o modelo. Velocidades médias, pressões e parâmetros indicativos da turbulência foram analisados. As velocidades máximas do escoamento foram até 32% superiores aos valores obtidos utilizando uma equação teórica simplificada. A avaliação da potência dissipada por unidade de volume indica que o valor médio para o tanque é inferior a 150 W/m3, no entanto, a análise da distribuição espacial desta grandeza no tanque, mostra que valores pontuais podem ultrapassar 1000 W/m3. Os resultados indicam que a simulação numérica foi capaz de representar de forma adequada o escoamento, considerando o custo computacional envolvido e pode ser utilizada como uma ferramenta complementar para o projeto de novas escadas para peixes e para a análise de modificações em estruturas existentes.

ABSTRACT Vertical slot fishways allow energy dissipation as a function of the pool, longitudinal slope, baffle and vertical slot design. The mean and turbulent flow patterns in these structures must be compatible with the fish target. The design of these structures is commonly based on previous successful fishways as well as simplified theoretical equations and empirical relationships. To aid in the design of these structures, a three-dimensional hydrodynamic model was used to simulate the flow, and experimental studies were used to validate the model. The mean velocities, pressures and parameters indicative of turbulence were analyzed. The maximum flow velocities were up to 32% higher than the values obtained using a simplified theoretical equation. The evaluation of the volumetric dissipated power indicated that the mean value for the pool was lower than 150 W/m3; however, analysis of the spatial distribution showed that in some areas, the values can exceed 1000 W/m3. The results indicate that the numerical simulation was able to adequately represent the flow considering the computational cost involved. Accordingly, it can be used as a complementary tool for the design of new fishways and for the analysis of modifications in existing ones.

RESUMO Modelos hidrodinâmicos são ferramentas importantes para simular nível e vazão de rio. Uma fração considerável dos erros do modelo hidrodinâmico está relacionada com as incertezas dos parâmetros. Como a cota do fundo nas seções transversais afetam significativamente a simulação do nível d’água, esse parâmetro deve ser bem estimado para estudos de inundação. O desempenho da calibração automática e seu tempo de processamento dependem da dimensão do espaço de busca, que está relacionada com o número de parâmetros calibráveis. Este artigo utiliza o algoritmo de otimização Shuffled Complex Evolution (SCE-UA) para avaliar o número de cotas de fundo de rio calibráveis e o nível de exploração do algoritmo observando o tempo de processamento computacional e a precisão do método. Foram testadas calibrações de 2, 4, 7 e 10 cotas de fundo de seções transversais (configurações de calibração 2PAR, 4PAR, 7PAR e 10PAR) em um trecho de 1.100 km do Rio Madeira. 7PAR e 10PAR apresentaram melhor aptidão (menor valor de função-objetivo) em seções usadas na calibração; no entanto, o erro em diferentes seções (2 estações fluviométricas de validação) foi maior do que as configurações 2PAR e 4PAR. O pequeno número (5) de estações fluviométricas utilizadas na calibração limitou o número de parâmetros calibráveis para representar adequadamente o perfil longitudinal de nível do rio. Por fim, este trabalho contribuiu para a seleção parcimoniosa de parâmetros calibráveis observando à distribuição espacial das observações utilizadas na calibração.

ABSTRACT Hydrodynamic models are important tools for simulating river water level and flow. A considerable fraction of the hydrodynamic model errors are related to parameters uncertainties. As cross sections bottom levels considerably affect water level simulation, this parameter has to be well estimated for flood studies. Automatic calibration performance and processing time depend on the search space dimension, which is related to the number of calibrated parameters. This paper shows the application of the Shuffled Complex Evolution (SCE-UA) optimization algorithm to assess the number of cross sections bottom levels used in calibration. Also was evaluated the extent of algorithm exploration regarding computational processing time and accuracy. It was tested the calibration of 2, 4, 7 and 10 cross sections bottom levels (2PAR, 4PAR, 7PAR and 10PAR calibration configurations) of a 1,100 km reach of the Madeira River. 7PAR and 10PAR representation had better fitness (lower objective function value) on cross sections used for calibration; however, the error on other cross sections (2 validation gauging stations) was higher than 2PAR and 4PAR calibration. The short number (5) of gauging stations used in calibration has limited the number of calibrated parameters to represent adequately the river level profile. Finally, this paper shows a contribution for the parsimonious selection of parameters regarding the spatial distribution of observation sites used in calibration.