ABSTRACT Due to the frequent occurrence of extreme hydrological events in the South American rivers, this work aims to develop a hydrological monitoring platform open to the public, with a wide and intuitive access, using resources of an online geographic information system, in order to contribute to a better understanding of the behavior of these natural disasters. SARDIM (South America River DIscharge Monitor) has been developed using programming resources in languages such as Python and JavaScript. The data of the platform are derived from results of a continental scale hydrological simulation model (MGB - South America) that uses, among other information, precipitation data from the GPM (Global Precipitation Measurement) mission and from the MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation) product. After a statistical analysis of the model results, the platform is updated daily and operationally, with new data on the flow duration and the return period of river flows, allowing the identification, monitoring and evaluation of the intensity of extreme hydrological events in South America.

RESUMO Devido à frequente ocorrência de eventos hidrológicos extremos nos regimes de escoamento dos rios da América do Sul, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento hidrológico aberta ao público, com um acesso amplo e intuitivo, utilizando recursos de um sistema de informação geográfica online, com o intuito de contribuir para um melhor entendimento acerca do comportamento desses desastres naturais. A plataforma de acompanhamento hidrológico dos rios da América do Sul (SARDIM - South America River Discharge Monitor) foi construída com auxílio de recursos de programação em linguagens como Python e Javascript. Os dados da plataforma são provenientes de resultados de um modelo de simulação hidrológica de escala continental (MGB - South America) que utiliza, entre outras informações, dados de precipitação da missão GPM (Global Precipitation Measurement) e do produto MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation). Após uma análise estatística das informações resultantes do modelo, a plataforma é atualizada diariamente de forma operacional com novos dados de permanência e tempo de retorno das vazões dos rios, permitindo a identificação, o acompanhamento e a avaliação da intensidade de eventos hidrológicos extremos na América do Sul.

RESUMO Cenários climáticos fornecem informações importantes para o planejamento de recursos hídricos. Contudo, eles mostram inconsistências com mudanças climáticas recentes em alguns casos, o que afeta sua robustez e confiabilidade. A avaliação de robustez pode auxiliar na identificação de áreas prioritárias na adaptação de recursos hídricos a mudanças climáticas. Mesmo sendo relevante, esse tipo de análise tem sido menosprezado em avaliações de mudanças climáticas, por exemplo, na América do Sul. Nesse estudo, avaliamos a robustez e confiabilidade de cenários de alteração de vazão os comparando com dados observados e modelados recentes. Projeções climáticas são mais prováveis de acontecer em regiões que mostram concordância entre mudanças recentes e projetadas, logo, a gestão deve dar mais peso aos cenários nestes locais. As bacias Tocantins-Araguaia, São Francisco, Atlântico Ocidental e do Prata (porção norte) concordam com o decréscimo de vazão, indicando que a mudança climática deve ser priorizada no planejamento. As bacias Orinoco e Amazônica mostraram forte discordância entre alterações recentes e projetadas de vazão, com tendências de aumento nas últimas décadas. Isso mostra que cenários futuros nessas regiões devem ser interpretados com cuidado. Sendo assim, a gestão de recursos hídricos poderia considerar que as regiões noroeste e alto-central da América do Sul apresentam projeções mais prováveis em comparação com as bacias Amazônica e Orinoco. Contudo casos relevante exemplo estudo logo locais TocantinsAraguaia, TocantinsAraguaia Tocantins Araguaia, Araguaia Tocantins-Araguaia Francisco porção norte décadas cuidado assim altocentral alto central

ABSTRACT Climate scenarios are important information for water planning, but, in some cases, they disagree with recent climate alterations, which affects their robustness and reliability. Robustness evaluation can help identifying areas that should be prioritized by in water sector adaptation to climate change. Although crucial, this kind of analysis has been overlooked in most climate change assessments, for instance in South America. This study assesses the robustness and reliability of river discharge scenarios by comparing them with observed and modelled data. Areas where current changes and scenarios agree are more likely to experience changes and, therefore, water planners should pay special attention to them. Tocantins-Araguaia, São Francisco, Western Northeast Atlantic and upper La Plata basins agreed with a discharge decrease, indicating that climate change should be prioritized in planning. Orinoco and upper-western Amazon basins showed strong disagreement between recent and projected discharge alterations, with positive change in last decades, showing that scenarios in these regions should be carefully interpreted. With this, water planners could interpret Northeastern and upper-central South America as presenting more likely scenarios in comparison to Amazon and Orinoco basins. planning but cases alterations crucial assessments data therefore TocantinsAraguaia, TocantinsAraguaia Tocantins Araguaia, Araguaia Tocantins-Araguaia Francisco decrease upperwestern western decades interpreted uppercentral central

RESUMO Após a atualização 6.0.0 do software HEC-RAS, o introduz novas capacidades computacionais aos usuários. Dentre estas novas ferramentas, o programa dispõe da possibilidade de interpolar espacialmente chuvas e simular dados de evaporação, seja com dados pontuais tabelados, constantes ou em forma de grid. Com a finalidade de testar especialmente essas duas novas funções, um modelo 2D do Rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, Brasil, foi criado, contemplando calibração, validação e simulação de séries históricas. O artigo se atenta majoritariamente às secagens das planícies com plantações localizadas nas proximidades da confluência do Rio dos Sinos com o Rio Jacuí.

ABSTRACT The HEC-RAS software reaches its 6.0.0 version in May of 2021, introducing new computational tools to its users. Among these new tools, HEC-RAS is capable of simulating spatially varied rain and evaporation data by grid, constant values or table format. A 2D Sinos river model was created with the intent of testing mainly these two new tools. The Sinos river is located in the state of Rio Grande do Sul, Brazil. The model was calibrated and validated before being used. This article focus mainly in describing floodplain drying, those in which are used for agricultural purpose.

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 Reservatórios afetam consideravelmente a vazão dos rios e por isso precisam ser adequadamente representados em estudos de impactos ambientais. Simular defluência de reservatórios representa um desafio para estudos hidrológicos já que sua operação depende do risco de inundações e aspectos econômicos e de demanda. O Sistema Interligado Nacional (SIN) é um exemplo de um sistema único e complexo de operação coordenada composto por mais de 160 grandes reservatórios. Então foi proposto e avaliado uma abordagem integrada para simular defluências diárias da maioria dos reservatórios do SIN (138) usando um modelo de Redes Neurais Artificiais (RNA), distinguindo reservatórios de armazenamento e a fio d’água e testando casos em que defluência e nível estavam disponíveis ou não como dados de entrada. Além disso, foi investigada a relação entre as variáveis de entrada propostas (14) e a defluência simulada, sendo as variáveis relativas ao balanço hídrico do reservatório, sazonalidade e demanda indireta. Como resultado, foi verificado que as saídas do modelo de RNA foram principalmente influenciadas pelas variáveis locais de balanço hídrico, como a afluência do mesmo dia e a defluência do dia anterior. No entanto, outras variáveis como o nível de 4 grandes reservatórios representativos de diferentes regiões do país (que infere sobre à demanda pela disponibilidade de água para geração de energia) aparentemente teve uma influência considerável nas saídas do modelo. Esse resultado aponta para vantagens em se usar uma abordagem integrada ao invés de olhar cada reservatório isoladamente. Em termos de disponibilidade de dados, foram testados cenários com (WITH_Qout) e sem (NO_Qout and SIM_Qout) defluência e níveis observados como variáveis de entrada do modelo de RNA. Esses 3 modelos de RNA foram comparados com dois benchmarks simples: a defluência é igual a defluência do dia anterior (STEADY) e a defluência é igual a afluência do mesmo dia (INFLOW). Em reservatórios de armazenamento, as estimativas dos modelos atingiram uma mediana do coeficiente de Nash-Suthcliffe (NSE) de 0.91, 0.77 e 0.68 para os modelos WITH_, NO_ e SIM_Qout respectivamente, comparado com uma mediana do NSE de 0.81 e 0.29 para o STEADY e INFLOW respectivamente. Concluindo, os modelos RNA apresentaram performances satisfatórias: quando dados de defluências dos dias anteriores estão disponíveis, WITH_Qout é superior ao STEADY; caso contrário, NO_Qout e SIM_Qout são superiores ao INFLOW.

ABSTRACT Reservoirs considerably affect river streamflow and need to be accurately represented in environmental impact studies. Modeling reservoir outflow represents a challenge to hydrological studies since reservoir operations vary with flood risk, economic and demand aspects. The Brazilian Interconnected Energy System (SIN) is an example of a unique and complex system of coordinated operation composed by more than 160 large reservoirs. We proposed and evaluated an integrated approach to simulate daily outflows from most of the SIN reservoirs (138) using an Artificial Neural Network (ANN) model, distinguishing run-of-the-river and storage reservoirs and testing cases whether outflow and level data were available as input. Also, we investigated the influence of the proposed input features (14) on the simulated outflow, related to reservoir water balance, seasonality, and demand. As a result, we verified that the outputs of the ANN model were mainly influenced by local water balance variables, such as the reservoir inflow of the present day and outflow of the day before. However, other features such as the water level of 4 large reservoirs that represent different regions of the country, which infers about hydropower demand through water availability, seemed to influence to some extent reservoirs outflow estimates. This result indicates advantages in using an integrated approach rather than looking at each reservoir individually. In terms of data availability, it was tested scenarios with (WITH_Qout) and without (NO_Qout and SIM_Qout) observed outflow and water level as input features to the ANN model. The NO_Qout model is trained without outflow and water level while the SIM_Qout model is trained with all input features, but it is fed with simulated outflows and water levels rather than observations. These 3 ANN models were compared with two simple benchmarks: outflow is equal to the outflow of the day before (STEADY) and the outflow is equal to the inflow of the same day (INFLOW). For run-of-the-river reservoirs, an ANN model is not necessary as outflow is virtually equal to inflow. For storage reservoirs, the ANN estimates reached median Nash-Sutcliffe efficiencies (NSE) of 0.91, 0.77 and 0.68 for WITH_, NO_ and SIM_Qout respectively, compared to a median NSE of 0.81 and 0.29 for the STEADY and INFLOW benchmarks respectively. In conclusion, the ANN models presented satisfactory performances: when outflow observations are available, WITH_Qout model outperforms STEADY; otherwise, NO_Qout and SIM_Qout models outperform INFLOW.

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 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 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 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 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, o método de assimilação de dados por filtro de Kalman por conjunto (EnKF) é aplicado na bacia do rio Tocantins. Esse método atualiza as vazões do rio usando um modelo hidrológico distribuído. O desempenho de EnKF é também comparado com um método de assimilação empírico a intervalos de tempo horário, onde duas aplicações baseadas em transferência de informação de locais monitorados para não monitorados e previsão de vazão em tempo real são avaliadas. Na primeira aplicação, ambos os métodos de assimilação de dado conseguem transferir vazões a outros locais não monitorados, obtendo melhores resultados quando mais de uma estação localizada a montante ou a jusante da bacia são monitoradas. Na segunda aplicação, a integração de um modelo de previsão com EnKF consegue absorver os erros no início da previsão. Dessa forma, uma maior eficiência no índice de Nash-Sutcliffe para as primeiras 144 horas de antecedência é encontrada quando se compara com os resultados do modelo sem assimilação. Finalmente, a comparação entre os métodos de assimilação de dados no modelo de previsão mostra uma maior vantagem a favor de EnKF em maiores horizontes de previsão.

ABSTRACT In this work, the data assimilation method namely ensemble Kalman filter (EnKF) is applied to the Tocantins River basin. This method assimilates streamflow results by using a distributed hydrological model. The performance of the EnKF is also compared with an empirical assimilation method for hourly time intervals, in which two applications based on information transfer from gauged to ungauged sites and real time streamflow forecasting are assessed. In the first application, both assimilation methods are able to transfer streamflow to ungauged sites, obtaining better results when more than one station located upstream or downstream of the basin are gauged. In the second application, integration of a real time forecast model with EnKF is able to absorb errors at the beginning of the forecast. Therefore, a greater efficiency in the Nash-Sutcliffe index for the first 144 hours in advance in relation to its counterpart without assimilation is obtained. Finally, a comparison between both data assimilation methods shows a greater advantage for the EnKF in long lead times.

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.

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 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 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 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 presente trabalho teve como objetivo realizar uma avaliação de fontes de incerteza em simulações de onda de cheia de rompimentos de barragens para áreas de características contrastantes: uma em vale encaixado e altas declividades e outro com vale aberto e baixas declividades. Uma análise da sensibilidade do modelo hidrodinâmico Hec-Ras 5.03 foi realizada, perturbando-se os dados de entrada do modelo (coeficiente de Manning, configurações da brecha, volume do reservatório, topografia do vale de jusante e tipo de equacionamento considerado). Após observou-se como essa variação alterava a vazão de pico, tempo de pico, profundidade máxima e a velocidade máxima para diferentes seções localizadas ao longo dos cursos hídricos. Concluiu-se que as incertezas existentes na determinação dos dados de entrada impactam de forma variada na onda de cheia gerada, considerando tanto a variável hidráulica de interesse como o distanciamento da seção em relação ao barramento e a característica geomorfológica média do vale de jusante. A topografia nem sempre é o dado de entrada de maior importância, o que permite, até certo ponto, a utilização de topografias de baixa resolução para estimar tempo de pico em algumas seções, dependendo do vale. Por fim, sugerem-se coeficientes de segurança para estudos de rompimento de barragens, que visam representar as incertezas dos dados de entrada nos resultados gerados.

ABSTRACT The objective of the present work was to evaluate sources of uncertainty in dam break simulations for areas with contrasting characteristics: one in a narrow valley with high slopes, and another an open valley with low slopes. A sensitivity analysis of the hydrodynamic model Hec-Ras 5.03 was performed, varying the input data of the model (Manning coefficient, breach configurations, reservoir volume, type of valley topography and equation considered). These variations cause different changes in peak flow, peak time, maximum depth and a maximum speed for different sections of the downstream watercourse. It was concluded that there are uncertainties in determining the input data that impacts in many ways at the generated flood wave, considering both a hydraulic variable of interest, the distance of the section from the dam and the mean geomorphological characteristic of the downstream valley. Topography is not always the most important input data, which allows the possibility of use of low resolution topographies to estimate the peak time in some sections, depending on the valley. Finally, safety coefficients for dam break studies are suggested, aiming to represent uncertainties of the input data in the generated results.