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 Os padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade da água foram avaliados através de coletas mensais de amostras de água (superfície, subsuperfície e fundo) de 2005 a 2012. A Análise de Componentes Principais foi utilizada para definir a importância relativa de cada variável e Anova (bidirecional) para analisar a significância das diferenças na qualidade da água no eixo longitudinal do reservatório. As variáveis: turbidez, transparência de Secchi, tempo de residência e temperatura têm maior importância na qualidade da água. Foram observados gradientes espaciais e temporais, relacionados aos processos de circulação, sedimentação e ressuspensão, e a influência da baixa vazão, alto tempo de residência e mistura invernal da coluna d'água na ciclagem de sólidos e nutrientes pode explicar a variação desses processos. A utilização de métodos de análise estatística multivariada forneceu informações importantes para a compreensão desses processos, auxilia na interpretação de dados complexos para melhorar o monitoramento e uso das informações para os tomadores de decisão.

ABSTRACT Spatial and temporal variability patterns of water quality were evaluated through monthly collection of water samples (surface, sub-surface and bottom) from 2005 to 2012. Principal Component Analysis was used to define the relative importance of each variable and Anova (two way) to analyze the significance of differences in water quality in the longitudinal axis of the reservoir. The variables: turbidity, Secchi transparency, residence time and temperature have greater importance on water quality. It was observed spatial and temporal gradients, related to the circulation, sedimentation and resuspension processes, and the influence of low flow, high residence time and winter mixing of water column on the cycling of solids and nutrients may explain the variation in these processes. The use of multivariate statistical analysis methods provided important information to understand these processes, it helps the interpretation of complex data to improve monitoring, and use of information to decision makers.

RESUMO A estimativa da concentração de Clorofila–a (Chl-a) em ambientes aquáticos através de técnicas de sensoriamento remoto é complexa devido as diferenças entre as propriedades óticas da água. O objetivo deste trabalho foi estimar concentrações de Chl-a a partir das combinações de bandas espectrais do sensor MODIS, aplicando análise de regressão linear múltipla (MLR), redes neurais artificiais (ANN), regressão multiplicativa não paramétrica e quatro modelos (Appel, Kahru, FAI e O14a). Os modelos de regressão linear múltipla (MLR), NPMR e ANN foram calibrados e validados utilizando medições in-situ de Clorofila–a. Os resultados demostraram que um simples e eficiente modelo desenvolvido e validado através de regressão linear múltipla (MLR) produz vantagens (i.e., melhor performance e poucas variáveis de entrada) em comparação com os modelos ANN, NPMR e quatro modelos (Appel, Kahru, FAI e O14a). Além disso, foi observado que em um grande lago raso subtropical, no qual o vento (intensidade e direção) e a hidrodinâmica são fatores essenciais na heterogeneidade espacial (distribuição de Chl-a), o modelo MLR desenvolvido utilizando um ponto específico do lago teve melhor performance que utilizando o total de dados, sugerindo que não seria apropriado generalizar um único modelo para estimar Clorofila– a nesses grandes lagos rasos utilizando o total de dados. Esta abordagem é uma ferramenta útil para estimar concentrações de Chl- a em ambientes rasos meso – oligotróficos e corroborar a heterogeneidade espacial desses ecossistemas.

ABSTRACT Accurate estimation of chlorophyll-a (Chl-a) concentration in inland waters through remote-sensing techniques is complicated by local differences in the optical properties of water. In this study, we applied multiple linear regression (MLR), artificial neural network (ANN), nonparametric multiplicative regression (NPMR) and four models (Appel, Kahru, FAI and O14a) to estimate the Chl -a concentration from combinations of spectral bands from the MODIS sensor. The MLR, NPMR and ANN models were calibrated and validated using in-situ Chl -a measurements. The results showed that a simple and efficient model, developed and validated through multiple linear regression analysis, offered advantages (i.e., better performance and fewer input variables) in comparison with ANN, NPMR and four models (Appel, Kahru, FAI and O14a). In addition, we observed that in a large shallow subtropical lake, where the wind and hydrodynamics are essential factors in the spatial heterogeneity (Chl-a distribution), the MLR model adjusted using the specific point dataset, performed better than using the total dataset, which suggest that would not be appropriate to generalize a single model to estimate Chl-a in these large shallow lakes from total datasets. Our approach is a useful tool to estimate Chl -a concentration in meso-oligotrophic shallow waters and corroborates the spatial heterogeneity in these ecosystems.

RESUMO A morfologia e o aporte da bacia hidrográfica fazem dos reservatórios um sistema de transição entre rios e lagos com características particulares em termos hidrodinâmicos e de metabolismo. Estudos sobre o metabolismo em ecossistemas aquáticos subtropicais, particularmente em reservatórios, têm se baseado mais em medições diretas e pontuais e em relações estatísticas que em modelos analíticos capazes de representar os processos envolvidos em diferentes escalas espaço-temporais. O objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade temporal do metabolismo de um reservatório subtropical na cidade de Caxias do Sul/RS através do modelo ecológico IPH-ECO, o qual foi acoplado ao modelo hidrológico IPH-II para estimar as contribuições da bacia hidrográfica. Após a calibração dos modelos, foram calculadas as taxas metabólicas de produção primária (GPP) e respiração (R) para o período de nov/2011 a dez/2012 através dos processos que compõem o balanço de oxigênio no modelo IPH-ECO. O reservatório apresentou um metabolismo autotrófico em 97% do período de simulação. As variações temporais de GPP e R acompanharam o padrão de variação da comunidade fitoplanctônica, sendo esta variação mais associada a fatores autóctones, tais como tempo de residência, disponibilidade de luz na água, concentração de nutrientes e predação por herbívoros. No período de chuva, foi observado um maior aporte de fósforo da bacia hidrográfica que provocou um aumento da concentração de clorofila-a e, consequentemente, das taxas de GPP e R. Considerando o período simulado, o metabolismo do reservatório respondeu mais em função da dinâmica interna do sistema do que ao aporte da bacia hidrográfica.

ABSTRACT Reservoirs are considered transition systems between rivers and lakes with particular features due to its morphology and watershed inflows. Studies about aquatic metabolism in subtropical aquatic ecosystems, particularly in reservoirs, have been based on direct measurements and statistical relationships in specific gauge stations of the system rather than on analytical models, which are capable of representing the metabolic processes at different temporal and spatial scales. This paper aimed to evaluate the temporal variability of metabolism in a subtropical reservoir, named Faxinal reservoir, located in Caxias do Sul, Rio Grande do Sul state, Brazil, by using an ecological model (IPH-ECO) which was coupled with a hydrological model (IPH-II) to estimate inflows and nutrient loadings from the watershed. After model calibration, metabolic daily rates of gross primary production (GPP) and respiration (R) were estimated over a 1-year period (from November 2011 to December 2012), considering a process-based algorithm based on dissolved-oxygen budget implemented in the IPH-ECO model. Faxinal reservoir were net heterotrophic 97% of the simulation period. The temporal variability of GPP and R followed the general pattern of phytoplankton biomass in reservoir, which was more related to autochthonous factors such as water residence time, light availability, nutrient concentration and zooplankton grazing. Only during heavy rainfall period, increasing the terrestrial exports, the concentration of phosphorus was higher leading to an increase of chlorophyll-a concentration and hence metabolic rates of GPP and R. Therefore, considering the long dry period during the simulation, the aquatic metabolism of Faxinal reservoir is more influenced by the internal dynamic of the aquatic ecosystem than the watershed inputs.

Resumo As alterações de temperatura da água e a dinâmica de estratificação térmica de um ecossistema aquático influenciam diretamente os processos físicos, químicos e biológicos. Devido às perturbações em que esses ambientes estão expostos, tais como mudanças climáticas e usos múltiplos da água, os estudos por meio de modelagem são importantes para suportar tomadas de decisão emergenciais e planejamentos futuros. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal avaliar o comportamento térmico do reservatório de São Pedro utilizado para abastecimento de água, localizado no município de Juiz de Fora, MG, por meio da modelagem matemática com o modelo IPH-ECO para avaliar a temperatura superficial da água, com base em dados meteorológicos e hidrológicos, representando as forçantes e as condições de contorno, respectivamente. A modelagem do regime térmico mostrou correspondência significativa entre os valores simulados e observados, caracterizando o reservatório como um ambiente homogêneo. As simulações indicaram que a contribuição dos afluentes determina o padrão de distribuição espaço-temporal da temperatura da água no reservatório, limitando ou regularizando a sua variabilidade da temperatura.

Abstract Water temperature changes and the dynamics of thermal stratification of an aquatic ecosystem directly influence physical, chemical and biological processes. Due to disturbances in these environments, such as climate change and multiple water uses, studies which employ modeling are important to support emergency decision-making and future planning. In this context, this study evaluated the thermal behavior of the water supply reservoir of São Pedro, located in the city of Juiz de Fora, MG, using mathematical modeling with the IPH-ECO model to evaluate the surface temperature of water, based on meteorological and hydrological data representing the forcing and boundary conditions, respectively. The modeling of the thermal system showed a significant correlation between predicted and observed values, characterizing the reservoir as a homogeneous environment. The simulations indicated that the tributary contribution determines the pattern of spatio-temporal distribution of water temperature in the reservoir, limiting or regulating the variability of its temperature.

A urbanização sem planejamento ao longo da bacia do rio Jacarecica, em Maceió, AL, causa grandes impactos ambientais. A substituição de áreas vegetadas por áreas urbanizadas agrava esses impactos. No entanto, o potencial efeito dessas modificações na produção de sedimentos é desconhecido. Neste trabalho, avaliaram-se mudanças da produção de sedimentos na bacia do rio Jacarecica, no ano de 2010, em razão da alteração de parte da cobertura do solo por urbanização, por meio de modelagem matemática. Os resultados evidenciaram que o mês com maior produção produziu mais de 120 t/ha/mês, perfazendo o total de 131 t, correspondente a uma área de 24,5 km² da área total da bacia, revelando que grande parte da bacia é realmente susceptível ao processo de erosão. Este trabalho apresenta que a aplicação do modelo KINEROS2 é viável e o seu acoplamento ao SIG é de grande valia para identificação e análise das principais áreas de produção de sedimentos na bacia deste rio, podendo ser considerado ferramenta promissora para simulação da produção de sedimentos em bacias hidrográficas do nordeste brasileiro.

Unplanned urbanization along the Jacarecica river basin in Maceió (AL), causes major environmental issues. The substitution of vegetated by urban areas reinforces these impacts. However, the potential effect of these changes on the sediment yield is unknown. In this work, we evaluated changes in the sediment yield of the Jacarecica river basin in 2010, caused by changes in the soil cover due to urbanization using mathematical modeling. The results showed that the month with the highest production yielded more than 120 t/ha/month of sediment, totaling 131 t, corresponding to an area of 24.5 km² of the total basin area, thus revealing that a great part of the basin is actually susceptible to erosion processes. This study points out that the application of the KINEROS2 model is feasible, and when associated with a geographical information system (GIS), it is useful to identify and analyze the major sediment production areas of this river basin. The tool is therefore considered promising for the simulation of sediment production in watersheds in northeastern Brazil.