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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 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.

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 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.

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 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.

Rios e lagos são regiões em que é comum a existência de áreas urbanas e de alta densidade populacional, que se utilizam do água para abastecimento, transporte, lazer e para diluição de poluentes. Em função disso são freqüentes os problemas relacionados à qualidade da água neste tipo de sistema. A eutrofização e as florações de algas são problemas que vem acontecendo, por exemplo, no rio Guaíba, no Rio Grande do Sul. Modelos matemáticos são largamente utilizados para entender os padrões de fluxo e o transporte de substâncias nestes ecossistemas. Neste trabalho, desenvolveu-se um modelo hidrodinâmico e de transporte de poluentes bidimensional para corpos d'água rasos que está baseado numa subdivisão do corpo d'água em uma grade não estruturada. O modelo é formado por dois módulos: hidrodinâmico e de transporte de massa. O módulo hidrodinâmico é baseado nas equações de Navier-Stokes com aproximações para corpos d'água rasos. O módulo de transporte de massa representa o transporte de um escalar passivo e conservativo sob influência dos processos físicos do meio, como a concentração de uma substância. Este artigo apresenta uma aplicação do modelo ao rio Guaíba, incluindo a região do delta do Rio Jacuí, com sua intrincada rede de canais e ilhas. Foram testadas duas formas de solução da equação de transporte: uma baseada num esquema numérico de diferenças centrais e outra baseada num esquema de alta resolução. Foram realizados testes de conservação de volume comparando os resultados obtidos com resultados obtidos via a solução analítica das mesmas equações. Os resultados mostram a adequação da discretização em grades não estruturadas para representar a complexa hidrografia do delta do rio Jacuí, e os testes de conservação de massa mostram que os erros são insignificantes para os dois esquemas numéricos, entretanto o segundo esquema de alta resolução apresenta vantagens na redução da difusão numérica. Rivers and lakes are regions with urban areas and high population density. Water quality problems are commonly found in these ecosystems. Eutrophication and algal blooms are some of these water quality issues in River Guaíba. Mathematical models are widely used to represent circulation and scalar transport patterns in these ecosystems. In this work, a two-dimensional hydrodynamic and transport model was developed on unstructured grids. The model is composed of two modules: hydrodynamic and mass transport. The hydrodynamic module is based on the full Navier-Stokes equations with the shallow water approximation applied. The mass transport module represents transport of a passive and conservative scalar induced by physical processes (e.g. pollutant). This paper presents a model application in River Guaíba, including the delta of the River Jacuí. Two numerical schemes for solving the advection-diffusion equation were tested: a first-order upwind scheme and a high-resolution scheme. Its application showed that unstructured grid presented high flexibility to represent the shape of the River Guaíba and mass balance errors were considered negligible for both numerical schemes however the high-resolution scheme has advantages in reducing numerical diffusion.

Recentemente, as águas interiores (i.e. lagos, reservatórios, banhados, etc.) foram reconhecidas como um compartimento ativo e importante do ciclo global do carbono. O balanço de carbono nos ecossistemas aquáticos permite avaliar o metabolismo dos mesmos e caracterizar estados de fonte ou sumidouro. O aporte de carbono terrestre possui um papel importante no metabolismo e na dinâmica dos ecossistemas aquáticos, portanto, a melhor compreensão dos processos que atuam na ciclagem e transporte do carbono terrestre para os corpos de água é necessária. O objetivo deste trabalho é conectar os processos do ciclo do carbono nas fases terrestre e aquática em bacias hidrográficas, com vistas à análise integrada do balanço de carbono em águas interiores. Um modelo distribuído para simulação da dinâmica de carbono em bacias hidrográficas, denominado MGB-IPH-C, foi desenvolvido e acoplado ao modelo MGB-IPH que simula os processos hidrológicos. O MGB-IPH-C foi estruturado em dois módulos principais: balanço no solo e balanço na água. O modelo foi aplicado na bacia hidrográfica do rio Ijuí, situada no planalto meridional gaúcho, com foco nas sub-bacias do Taboão e Turcato, no rio Potiribu. Nessas duas sub-bacias, dados mensais de vazão, carbono orgânico e carbono inorgânico foram utilizados para quantificar a exportação fluvial e auxiliar no ajuste do modelo. Recently, inland waters (i.e., lakes, reservoirs, wetland, etc.) were acknowledged as an active, important compartment of the global carbon cycle. The carbon balance in aquatic ecosystems allows evaluating their metabolism and characterizing the states of source or sinks. The terrestrial carbon input plays a major role in the metabolism and dynamics of aquatic ecosystems, and thus it would be necessary to understand more about the processes that are at play in cycling and transporting terrestrial carbon to the water bodies. The purpose of this study is to connect the carbon cycle processes in the terrestrial and aquatic phases in river basins, with a view to the integrated analysis of the carbon balance in inland waters. A distributed model to simulate carbon dynamics in river basins, called MGB-IPH-C, was developed and coupled to the MGB-IPH model that simulates the hydrological processes. MGB-IPH-C was structured into two main models: balance in soil and balance in water. The model was applied in the Ijuí River basin, located in the southern plateau of Rio Grande do Sul, focusing on the Taboão and Turcato sub-basins in the Potiribu river. In these two sub-basins, monthly data on flow, organic carbon and inorganic carbon were used to quantify fluvial export and help adjust the model.

A crescente produção de carga orgânica e de nutrientes em bacias hidrográficas tem levado, historicamente, rios a significativas mudanças nos padrões de qualidade da água, na diversidade e riqueza biológica e nos usos nobres de suas águas. Neste trabalho avaliamos a qualidade da água na bacia do rio Doce através de um modelo hidrológico integrado a um SIG, denominado SGAG. O sistema foi capaz de analisar o efeito de lançamentos múltiplos de efluentes na qualidade da água do rio Doce no período de estiagem. O modelo foi calibrado satisfatoriamente utilizando os dados de monitoramento ao longo do curso do rio Doce. Cenários de planejamento também foram estabelecidos, simulados e avaliados. As simulações mostraram que as medidas propostas para os cenários de planejamento promovem uma significativa redução das concentrações dos poluentes em comparação com o cenário atual, principalmente o cenário de tratamento universal. O modelo hidrológico em ambiente SIG proposto mostrou ser uma ferramenta promissora e simples para investigação da qualidade da água de bacias hidrográficas sujeita a lançamentos pontuais de efluentes. he increase of organic and nutrient loading in watersheds has led to significant changes in water quality patterns in rivers. In this work we evaluated the water quality of the River Doce basin through an hydrologic model integrated with GIS, called SGAG. The model was calibrated using water quality monitoring data throughout course of the River Doce. Moreover planning scenarios were established, simulated and evaluated. Our simulations indicated that the corrective measures in the planning scenarios promoted a significant decrease of the pollutant concentrations compared with the current situation. The hydrological model in the GIS environment proposed proved to be a simple and a promising tool to investigate water quality in basins subject to point sources of pollution

Water resource management involves analyzing the different economic-social scenarios and environmental development. A shallow aquatic ecosystem such as wetlands or lakes can become eutrophic due affluent conditions, as well as physical, chemical and biological elements. Primary production responds to nutrient availability, suggesting that alterations at the top of the food-web can influence the highest trophic levels. Eutrophication is correlated with the variation in the composition of the phytoplankton population, which can be characterized as a strong biological indicator of the trophic level of those ecosystems. Aiming to evaluate the potential of eutrophication in shallow aquatic ecosystems a model was developed to represent the main abiotic and biotic processes of these systems. The considered model is comprised of three modules: (a) hydrodynamic; (b) nutrient transport and (c) biological which deals with phytoplankton productivity. This paper presents the sensitivity analysis of the biological parameters model, parameter calibration of the hydrodynamic model and eutrophication simulation of the Taim Hydrologic System (SHT-Sistema Hidrologico do Taim), whose aim is to identify regions with a high eutrophication potential. The sensitivity analysis of the biological parameters has shown that the chlorophyll a concentration is most sensitive to changes in the parameters involving water temperature effect and the losses due to respiration and grazing. The eutrophication simulations have shown that the shallow regions present the most favorable conditions for eutrophication, while in the deep region (pelagic region) and in the wetland region where solar radiation is decreased due to the aquatic macrophyte barrier found there, productivity is lower. Key-words: calibration, sensitivity analysis , phytoplank

A crescente produção de carga orgânica e de nutrientes em bacias hidrográficas tem levado, historicamente, lagos rasos a drásticas mudanças na qualidade da água, na diversidade e riqueza biológica e nos usos nobres de suas águas. Estes ecossistemas aquáticos podem ser caracterizados, de uma maneira bem simplificada, por dois estados alternativos de equilíbrio: (a) um estado de baixa turbidez com predominância de vegetação aquática submersa, baixos níveis de biomassa fitoplanctônica ou (b) um estado de alta turbidez sem a presença de vegetação aquática submersa e altos níveis de biomassa fitoplanctônica, para um elevado aporte de nutrientes. Se por algum motivo um ecossistema aquático muda para um estado de baixa transparência da água, medidas corretivas de restauração podem ser empregadas no sentido de promover uma nova troca para um estado de referência de águas claras. Com a vasta gama de alternativas que poderiam ser utilizadas, é comum a seguinte pergunta: quais medidas trariam maiores benefícios sócio-ambientais, econômicos- Pouco se sabe ainda sobre a verdadeira eficácia destas medidas em ambientes tropicais e subtropicais, bem como a reação do ecossistema aquático com respeito a qualidade da água e a estrutura trófica. Buscando entendimento dos caminhos de degradação e restauração em ambientes aquáticos subtropicais e tropicais, submetidos a mudanças de níveis de transparência da água, um modelo ecológico complexo, baseado em processos integrados (i.e. físicos, químicos e biológicos), foi aplicado na lagoa Mangueira, um lago raso subtropical. Foi mostrado que um progressivo aumento da turbidez pode promover profundas implicações para o ecossistema, tal como um súbito colapso da vegetação aquática submersa e dominância do fitoplâncton. Além disso, foi observada uma grande resistência para o retorno ao seu estado de referência. Para altos níveis de turbidez, a dinâmica é caracterizada por regimes caóticos organizados, uma característica peculiar de sistemas altamente não-lineares que trabalham afastados do equilíbrio estável. Por fim, foi proposto um conjunto de medidas corretivas de caráter interno aplicado nas bacias de contribuição e no ecossistema aquático visando promover a recuperação destes ecossistemas maximizando os benefícios sócio-ambientais, econômicos de uma maneira integradora utilizando a modelagem ecológica como uma ferramenta auxiliadora de teste de alternativas e tomada de decisão. Increased nutrient loading has led to high levels of nutrients associated with phytoplankton dominance and turbid water in aquatic ecosystems, such as lakes, reservoirs and estuaries. Those nutrient levels are reflected in water quality and cascade through aquatic communities. Aiming to evaluate these alterations in the entire ecosystem simultaneously, we used a complex ecosystem model to describe regime shifts. Simulations showed that a stressed ecosystem can change its reference state and develop high resilience to return to initial condition. Well-defined chaotic patterns were identified for high values of turbidity, indicating a self-organization capacity of highly non-linear systems which work out of equilibrium. The omnivore community shown plays an important role in the ecosystem dynamic. Greater fitness was identified for changes in this community. The model not only proved to be a predictive tool, but also a tool to help gain insights and generate hypotheses, and a management platform to help decision makers in subtropical aquatic ecosystems. Finally, we suggest the use of the model before the implementation of corrective measures in the watersheds and in lakes in order to restore those ecosystems.

O estado trófico de um ecossistema aquático, geralmente, é avaliado através das concentrações de fósforo e de nitrogênio observadas in situ ou simuladas. A concentração de clorofila a é uma forte indicadora da disponibilidade de biomassa fitoplanctônica e do efeito do enriquecimento de nutrientes no meio, permitindo estender a avaliação da eutrofização nestes sistemas. Em lagos rasos, a eutrofização é diretamente relacionada com a heterogeneidade espacial do fitoplâncton e, devido à dificuldade em medir a biomassa fitoplanctônica distribuída, a modelagem matemática do fitoplâncton é uma excelente alternativa metodológica para melhorar nosso entendimento nesses ecossistemas considerando os processos físicos, químicos e biológicos integrados. Este artigo apresenta um modelo para estimativa da dinâmica de biomassa de fitoplâncton, considerando os mecanismos de transporte no meio aquático, de crescimento e de perdas de sua biomassa. O modelo possui três módulos: (i) hidrodinâmico, que trata dos fluxos quantitativos do meio, associado a um algoritmo de secagem/inundação; (ii) de transporte, que trata dos mecanismos de transporte das substâncias no meio; e (iii) biológico, que retrata os mecanismos biológicos relacionados ao fitoplâncton. Este artigo apresenta a metodologia aplicada no desenvolvimento dos módulos hidrodinâmico, de transporte de nutrientes e biológico, bem como alguns testes de desempenho numérico. Em um segundo artigo, será apresentado os resultados da aplicação no modelo no Sistema do Hidrológico do Taim no Sul do Brasil. O modelo matemático tem um potencial de aplicação promissor e pode servir como um sistema de suporte a decisões no gerenciamento dos recursos hídricos em lagos, estuários e reservatórios. Usually, the trophic state is evaluated through nitrogen and phosphorus concentration; however the chlorophyll-a concentration indicates the availability of phytoplankton biomass, allowing the evaluation to be extended. This article presents a model to estimate phytoplankton biomass dynamics, considering transport mechanisms, growth and loss of biomass. The model has three modules: (a) hydrodynamic, which deals with quantitative flows associated with a wet/dry algorithm; (b) transport, that deals with the transport mechanisms of substances; and (c) biological, which reproduces biological mechanisms related to phytoplankton. This article is the first of a series of two papers, where the methodology applied to the development of the hydrodynamic, nutrient transport and biological modules was presented, as well as some numerical performance tests. In the next paper, the results of applying a model to the Taim Hydrologic System in South Brazil will be presented. The model has a promising potential for application and it can serve as a decision support system to manage water resources in lakes, estuaries and reservoirs.