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The Mirim and Patos Lagoons form the largest lagoon complex in South America. Wind is one of the dominant climatic elements of circulation and water levels in the basin. Therefore, we aimed to better understand the effects of wind on the Mirim–São Gonçalo watershed by applying the MGB hydrological model and to assess whether it would produce satisfactory results for modeling. Various tests were performed to determine the best representation of the processes involved and the observed levels. The best results were obtained with the inclusion of sub-daily wind data in the simulation and also the downstream boundary condition by using the observed water level data at the sluice dam of the São Gonçalo channel. The results showed that the model could successfully simulate the levels and demonstrated the importance of including the wind when modeling the hydrodynamic processes of large lake environments. HIGHLIGHTS What is the numerical effect of introducing wind influence in the inertial flux propagation method?; What are the optimal values of the coefficient of wind friction and parameterization for minibasin connections to obtain the best simulation of the lagoon?; Does the inclusion of lock level information in the SGC as a downstream boundary condition and hourly winds benefit the level representation?

A delimitação de áreas inundadas é uma informação importante para a gestão de desastres naturais, previsão de impactos ambientais e planejamento territorial. Inundações ocorrem quando uma cheia ultrapassa os limites da calha de um rio e escoa para as planícies de inundação. Quando estas atingem pessoas, elas são consideradas um desastre natural. A delimitação da cheia observada dada a ocorrência de um evento extremo pode ser feita através de técnicas de campo, como o mapeamento percorrendo a área afetada ou utilizando aerofotos. Todavia, o levantamento em campo não é trivial e nem sempre permite a obtenção do dado necessário para um projeto específico. Para este fim, existem múltiplas técnicas para estimativa de manchas de inundação. Algumas são técnicas mais simplificadas, baseadas apenas em um Modelo Digital de Elevação (MDE). Este é o caso do modelo HAND (Height Above Nearest Drainage), que tem ganhado muita fama recentemente na aplicação de delimitação de áreas possivelmente inundadas. Outras técnicas são mais complexas, como o uso de modelagem hidrodinâmica. Nesta linha, existem modelos hidrológicohidrodinâmicos de grande escala que simulam processos de geração de escoamento e de transporte de água na bacia hidrográfica a partir de dados de chuva, meteorológicos e de características da bacia hidrográfica. Este é o caso do MGB (Modelo de Grandes Bacias), que vem sendo desenvolvido e aplicado para estes tipos de caso. Todavia, não existem trabalhos na literatura que comparem resultados gerados por estas múltiplas abordagens com diferentes graus de complexidade e diferentes escalas espaciais. Exatamente para preencher esta lacuna existente na literatura científica que este trabalho foi desenvolvido. É apresentada aqui, pela primeira vez, a verificação do desempenho do modelo MGB em duas versões, uma de escala regional e outra de escala continental para a delimitação de áreas inundadas, em comparação com uma imagem de satélite observada da cheia e com duas versões do modelo HAND, uma gerada por um estudo local e outra gerada por um estudo global. O estudo de caso utilizado na verificação foi uma cheia que ocorreu no Rio Uruguai, nas proximidades da cidade de Itaqui (RS), que faz divisa entre os países Brasil e Argentina, em outubro de 1997. Os resultados mostraram que tanto o modelo MGB aplicado em escala regional quando o modelo MGB em escala continental foram capazes de delimitar a área inundada, com algumas superestimativas na porção norte da imagem. O método HAND de escala local também permitiu um mapeamento da área inundada, com áreas mais de cabeceira de pequenos afluentes superestimadas. Já o método HAND em escala global demonstrou ser inadequado para aplicação para a delimitação de áreas inundadas nesta região. Acredita-se que a principal causa seja o pequeno limiar de área de drenagem relacionado com o produto HAND global utilizado. Verificou-se também, a partir do cálculo de métricas de desempenho, como taxa de acerto, de falso alarme e índice crítico, que o MGB Regional representou de maneira mais adequada a extensão da inundação observada na imagem Landsat 5 em comparação as demais metodologias, seguida pelo MGB AS. The delimitation of flooded areas is important information for natural disaster management, environmental impact prediction and for territorial planning. Flooding occurs when water levels overflow the limits of a river’s channel and seep into the floodplains. When they affect people, they are considered a natural disaster. The delimitation of a flooded area, in the occurrence of an extreme event, can be performed by using field techniques, such as mapping, surveying through the afflicted area or by taking aerial photographs. However, field survey is not a trivial task and not always does it allow for the attainment of the necessary data for a given project. For that purpose, there are various techniques that can be used to assess flood-spots. Some techniques are simpler, being based only on a Digital Elevation Model (DEM), and such is the case of the HAND model (Height Above Nearest Drainage), which has garnered plenty of fame recently in the process of applying delimitations to possibly flooded areas. Other techniques are more complex, like the use of hydrodynamic modeling. There are large-scale hydrologic-hydrodynamic models that simulate runoff generation and water transportation processes in the river basin from rainfall, basin, and meteorological data. This is the case of the large-scale distributed hydrological model called MGB (Modelo de Grandes Bacias), which has been developed and employed in these types of cases. However, there are no studies in the literature that compare the results produced by these multiple approaches using differing degrees of complexity and spatial scales. It was precisely to fill this gap in scientific literature that this work was developed. Featured here, for the first time, is the validation of the MGB model’s performance in two versions, one of regional scale and another of continental scale (MGB AS), in delimiting the flooded areas, compared to a satellite image of the inundation; and with two versions of the HAND model, one generated by a local study and the other by a global reference. The case study used in this validation was a major flood that occurred in the Uruguay River, near the town of Itaqui (Rio Grande do Sul), which borders Brazil and Argentina, in October 1997. The results show that the MGB model, both in the regional and the continental scales, could delimit the flooded area, with a few overestimations in the northern portion of the image. The HAND method at the local scale also allowed a mapping of the flooded area, with overestimates for more springhead-like areas in small tributaries. The HAND method at the global scale, on the other hand, proved to be inadequate for the purpose of delimiting flooded areas in this region. The leading cause is believed to be the small drainage area threshold linked to the utilized global HAND product. From the calculation of performance metrics, like hit rate, false alarm ratio and criticality index, Regional MGB was the one that most adequately expressed the extent of the flood observed in the Landsat 5 image when compared to the others, followed by MGB AS.

La ronda hídrica es conocida como zona riparia o ribereña, región de transición y de interacciones entre los medios terrestre y acuático, es decir, un ecotono. En tal sentido, son las franjas contiguas a los cuerpos de agua naturales continentales, estén en movimiento (ríos, quebradas, arroyos) o relativamente estancados (lagos, lagunas, pantanos, esteros), y el flujo sea continuo, periódico o eventual durante el año hidrológico (Swanson et al., 1988). A partir de ello nace la necesidad de establecer parámetros para su acotamiento, función que deben cumplir las Autoridades Ambientales competentes, teniendo en cuenta los criterios geomorfológicos, hidrológicos y ecosistémicos, establecidos en la Guía Técnica de Criterios para el Acotamiento de las Rondas Hídricas en Colombia, establecida en el Decreto 2245 de 2017. Este estado del arte aborda diferentes metodologías utilizadas para el acotamiento de las rondas hídricas a nivel global y local. The watershed is known as a riparian zone, a region of transition and interaction between the terrestrial and aquatic environments, i.e., an ecotone. In this sense, they are the strips contiguous to inland natural water bodies, whether they are in movement (rivers, streams, creeks) or relatively stagnant (lakes, lagoons, marshes, estuaries), and whether the flow is continuous, periodic or eventual during the hydrological year (Swanson et al., 1988). From this arises the need to establish parameters for their delimitation, a function that must be fulfilled by the competent Environmental Authorities, taking into account the geomorphological, hydrological and ecosystemic criteria, established in the Technical Guide of Criteria for the Delimitation of Water Rounds in Colombia, established in Decree 2245 of 2017. This state of the art addresses different methodologies used for the delineation of water courses at the global and local levels. Ingeniero Ambiental Pregrado

Os fluxos de sedimentos fornecem fertilização natural e suportam a biodiversidade e estabilidade estrutural de ecossistemas aquáticos. A América do Sul (AS) é o continente com a segunda maior taxa de transporte de sedimentos. Contudo, a compreensão da dinâmica dos fluxos de sedimentos nesta região ainda não foi completamente explorada. Grandes mudanças têm ocorrido no continente, como nos padrões das precipitações, no uso e cobertura e do solo e aumento do número de reservatórios nos rios, mudanças essas que apresentam grande potencial para afetar os fluxos de sedimentos. Além disso, o continente Sul-Americano apresenta grande heterogeneidade em sua composição, com cadeias montanhosas como os Andes capazes de produzir elevadas cargas de sedimentos e extensas planícies de inundação como o Pantanal, capazes de reter grandes quantidades. Assim, o objetivo principal dessa pesquisa é compreender a dinâmica espaço-temporal dos fluxos de sedimentos na América do Sul a partir do uso de um modelo hidrológico-hidrodinâmico de sedimentos diário para a escala continental. Para isso, foi desenvolvido o modelo MGB-SED AS que permitiu simular os processos de erosão, transporte e deposição de sedimentos em escala continental, considerando ainda os efeitos de remanso e interações dos fluxos entre os rios e as planícies de inundação. O modelo foi calibrado e validado em diversas etapas, utilizando 595 estações in situ com informações de descarga de sedimentos em suspensão, informações de estudos regionais relacionados tanto a descarga em suspensão quanto de leito e dados de um modelo global. Na primeira etapa foi realizada uma simulação sem reservatórios a fim de compreender uma situação mais naturalizada dos fluxos em suspensão. Posteriormente foram realizadas simulações para cenários que considerassem as alterações das precipitações, do uso e cobertura do solo e a presença de reservatórios a fim de compreender o impacto dessas mudanças nos fluxos de sedimentos entre 1984 e 2019. Por fim, o último capítulo desta tese apresenta os impactos das mudanças climáticas projetadas para 2021-2055 nos fluxos de sedimentos da AS. Os resultados da primeira etapa mostraram que a AS exporta cerca de 1 Gt/ano de sedimentos em suspensão em condições naturais (sem barramentos), sendo os rios Amazonas, Orinoco, La Plata e Magdalena os principais responsáveis. Das cargas de sedimentos em suspensão que chegam aos rios, 12% ficam posteriormente depositadas em planícies de inundação. Observou-se que a performance do modelo foi melhorada por considerar um método de propagação hidrodinâmica, o que é essencial para regiões com planícies de inundação. A modelagem também permitiu identificar que o aumento da vazão nem sempre resulta em aumento da CSS/QSS. Especialmente em rios com grandes planícies de inundação, os picos da vazão e da CSS/QSS podem acontecer com até meses de diferença. Na segunda etapa, os resultados mostraram que 51% dos principais rios da AS experimentaram mudanças significativas no transporte de sedimentos entre 1984 e 2019, sendo 36% devido ao desmatamento na Amazônia e ao barramento dos rios e 15% devido às mudanças nas precipitações. Além disso, estimou-se uma redução de 10% no aporte médio de sedimentos para os oceanos, estando esse valor associado principalmente com as usinas hidrelétricas implantadas nesse período no rio Madeira e no rio Paraná e às reduções de precipitações no rio Bermejo. As mudanças identificadas têm afetado muitos rios, ecossistemas e populações humanas que vivem próximos a esses ambientes aquáticos. Por exemplo, a implantação de reservatórios tem reduzido o aporte de sedimentos para os oceanos induzindo a erosão costeira, o que pode gerar um grande impacto em ecossistemas peculiares, como as praias de lama entre as fozes dos rios Amazonas e Orinoco. Por fim, estimou que no futuro, devido as projeções de mudanças climáticas, ocorrerá uma redução da descarga sólida e de outras variáveis hidrossedimentológicas na região centro-norte e um aumento na região centro-sul da AS e um aumento no oeste da Amazônia. As maiores reduções significativas da descarga sólida total (QST) foram estimadas para os rios Doce (-54%), Tocantins (-49%) e Xingu (-34%), enquanto os maiores aumentos foram estimados nos rios Alto Paraná (409%), Juruá (46%) e Uruguai (40%). Observou-se que as mudanças previstas de ocorrer nas descargas líquidas e sólidas podem fazer com que haja uma diferente composição nas águas da bacia Amazônica no futuro. Sediment flows in rivers provide natural land fertilization and support biodiversity and the structural stability of the aquatic ecosystem. South America (SA) is the continent with the second-highest sediment transport globally. However, understanding sediment flows dynamics in this region has been poorly identified and explored. Major changes have occurred on the continent, such as precipitation patterns, land use and land cover, and the increase in the number of reservoirs in rivers. These changes have great potential to affect sediment flows. Besides, the South American continent shows high heterogeneity in your composition, presenting mountain ranges such as the Andes that are important sediment providers and large wetlands as the Pantanal that are important sinks. Thus, the main goal of this research is to comprehend the spatiotemporal dynamics of SA sediment flows from the use of daily sediment hydrologic-hydrodynamic for continental scale. For this purpose, the MGB-SED AS model was developed to simulate the processes of sediment erosion, transport and deposition at a continental scale, including the backwater effects and flows exchanges between the rivers and floodplains. The model was calibrated and validated in several stages, using 595 in situ stations with information on suspended sediment discharge, regional studies related to suspended and bedload sediments, and data from a global model. In the first stage, a simulation without reservoirs was performed to comprehend a potential natural situation of suspended sediment flows. Simulations were subsequently run for scenarios that considered changes in precipitation, land use and land cover, and the presence of reservoirs to understand the impact of these changes on sediment flows between 1984 and 2019. Finally, the last chapter of this thesis show the impacts of projected climate changes to 2021-2055 in the SA sediment flows. The first stage results showed that SA exports about 1 Gt/year of suspended sediments under natural conditions (without dams). The main contributors were the Amazon, Orinoco, La Plata, and Magdalena rivers. Of the suspended sediment loads reaching the rivers, 12% is deposited in floodplains. It was observed that the model performance was improved by considering a hydrodynamic propagation method, which is essential for regions with floodplains. The modeling also allowed identifying that an increase in water discharge does not always increase SSC/QSS. Especially in rivers with large floodplains, the peaks of flow and SSC/QSS can occur up to months apart. In the second stage, results showed that 51% of the main SA rivers experienced significant changes in sediment transport over this period, with 36% due to Amazon deforestation and river damming and 15% due to precipitation changes. We estimated a 10% reduction in the average sediment delivery (t/year) to the oceans, mainly associated with hydropower dams in the Madeira and Paraná rivers and decreased precipitation in the Bermejo River basin. The changes identified have affected many rivers, ecosystems, and human populations living near these aquatic environments. For example, the construction of reservoirs has reduced sediment supply to the oceans, inducing coastal erosion, which can greatly impact peculiar ecosystems, such as the mud beaches between the mouths of the Amazon and Orinoco rivers. Lastly, it was estimated that in the future, due to projections of climate changes, a reduction in the sediment discharge and other sedimentological variables in the center-north region, and an increase in the center-south region of SA, and also an increase in the western Amazon will happen. Major significant reductions in the total sediment discharge (QST) are expected to happen in the Doce (-54%), Tocantins (-49%) and Xingu (-34%) rivers, while the major increases is expected to happen in the Upper Paraná (409%), Juruá (46%) and Uruguay (40%) rivers. It was observed that predicted changes in water and sediment discharges can induce a different water composition in the Amazon basin in the future.

Simplified methods are useful alternatives for prior analysis of the effects of dam rupture and can guide the decision-making process for carrying out more complete studies. In this context, a new simplified approach is presented, which enables the analysis of aspects from dam rupture of earthen dams that failed due to overtopping, considering dam height and reservoir volume as input data. Hypothetical cases were analyzed applying dam-break hydrodynamic simulations, which results allowed the development of equations capable of estimating peak flow attenuation and peak discharge arrival time along the downstream valley. The proposed approach was applied in a hypothetical case study (15 m high dam and 17 hm3 reservoir volume), obtaining results close to those achieved through other methods, especially in case of estimating the maximum discharges throughout the downstream valley, where the average differences between the results of the methods were of the order of 15%. RESUMO Métodos simplificados são alternativas úteis para análise prévia dos efeitos da ruptura de barragens, podendo orientar a tomada de decisão da realização de estudos mais completos. Nesse contexto, propõe-se uma nova abordagem simplificada para análise de aspectos da ruptura de barragens de terra, cuja falha ocorre por galgamento, a partir da altura da barragem e do volume do reservatório como dados de entrada. Casos hipotéticos de ruptura foram analisados por meio de simulações hidrodinâmicas, cujos resultados permitiram desenvolver equações capazes de estimar o amortecimento da vazão de pico e o tempo de chegada da vazão máxima no vale a jusante. A abordagem proposta foi aplicada em estudo de caso hipotético (em uma barragem com 15 m de altura e 17 hm3 de volume no reservatório), obtendo-se resultados próximos dos alcançados por meio de outros metodos, especialmente na estimativa da vazão máxima no vale a jusante, onde as diferenças médias entre os resultados dos métodos considerados foram da ordem de 15%.

O desenvolvimento de áreas urbanas intensifica o risco de inundação pelo acréscimo tanto do escoamento superficial quanto da exposição da população e infraestrutura. Neste trabalho, nós evidenciamos a importância da escolha do período de retorno para determinar o grau de perigo de inundação e suas características hidráulicas. A bacia do campus da UFSC foi utilizada para o teste, onde combinamos modelos hidrológicos e hidráulicos para definir a intensidade e grau de perigo de inundação. Seis mapas de intensidade de perigo foram elaborados a partir de diferentes períodos de retorno (2, 10, 25, 50, 100 e 500 anos), que foram usados para caracterizar cenários de baixa recorrência e alta recorrência. O mapa de baixa recorrência pode ser ideal para ver os efeitos nas construções enquanto o mapa de alta recorrência ajuda a identificar a segurança das pessoas. Observou-se que uma linha de tendência logarítmica se encaixa bem para todas as variáveis verificadas relacionadas a inundação (e.g. intensidade da chuva, velocidade média de inundação, área total de inundação). Este estudo é importante para compreender as diferenças entre os efeitos no mapeamento de perigo de inundação aos períodos de retorno e como podem influenciar as variáveis hidráulicas de inundação. The development of urban areas exacerbates flood risk by increasing both runoff and the exposure of population and infrastructure. In this study, we highlight the importance of return period choice on flood hazard degree and flood hydraulics characteristics. We use the UFSC campus basin as a test bed and combine a hydrological and a hydrodynamic model to define the flood hazard intensity and flood hazard degree. Six hazard intensity maps were elaborated using different return periods (2, 10, 25, 50, 100 and 500-years) that characterize low and high recurrence scenarios. The low recurrence hazard map can be ideal to verify hazard effects on buildings, while the high recurrence hazard map helps to identify people security. All variables related to the rainfall effect and its consequences (e.g. rainfall intensity, flood mean velocity, and total flood area) follow a logarithmic relationship, with a small variation for higher return periods. We highlight how different return periods can influence flood hydraulics and flood hazard and should therefore be considered in flood hazard mapping.

A Trilha do Rio do Boi está inserida na área do Parque Nacional de Aparados da Serra, sendo um passeio muito procurado pelos visitantes. O trecho percorrido durante essa caminhada acompanha na maior parte do trajeto o leito do rio, chegando muitas vezes a cruzá-lo. Entretanto, dependendo das características do escoamento desse curso de água, situações de perigo podem ocorrer, já que a força do fluxo pode vir a carregar pessoas. Para tentar evitar que este tipo de situação ocorra, foi estabelecido pelo parque que a trilha só pode ser realizada quando o nível do Rio Boi e do Rio Perdizes, que é um de seus principais afluentes, estiverem abaixo de determinado limiar. Contudo, esse critério de fechamento utilizado não leva em consideração a precipitação, que é a principal variável que pode influenciar na variação do nível e da profundidade dos cursos de água. Nesse sentido, o presente trabalho buscou avaliar se o desenvolvimento de um sistema de previsão, baseado em um modelo hidrológico-hidrodinâmico acoplado a dados de previsão por conjunto, pode ser utilizado como base para aprimorar o critério de fechamento da trilha. Para o caso em estudo, optou-se por utilizar o software HEC-RTS para o desenvolvimento deste sistema. Para a aplicação deste programa, foram utilizados dois outros softwares em conjunto, sendo eles o HEC-HMS e o HEC-RAS, a fim de calibrar e validar um modelo hidrológico-hidrodinâmico para a bacia do Rio Boi. As estimativas de precipitação prevista utilizadas nesse estudo são referentes aos membros do Global Ensemble Forecast System (GEFS) para horizontes variando entre 0 e 240 horas de antecedência. Além das estimativas do GEFS, também foi avaliado um cenário relativo à precipitação perfeita e outro considerando que não ocorreu precipitação em todo o horizonte analisado (chuva zero). Como dados de saída do sistema desenvolvido, puderam ser obtidas informações relativas à velocidade e a profundidade do fluxo nas seções transversais do rio onde ocorre a travessia dos turistas para cada um dos cenários avaliados considerando horizontes de até 10 dias de antecedência. As informações de velocidade e profundidade são necessárias ao cálculo do índice de perigo, que, nesse caso, foi utilizado como limiar para determinar o fechamento da trilha pelo sistema. Por fim, a qualidade do sistema proposto foi avaliada através da comparação dos dias em que as previsões consideraram a trilha como fechada, com os registros históricos de fechamento obtidos a partir do Twitter do PNAS por meio das métricas estatísticas do Diagrama ROC, Brier Score e o Forecast Convergence Score. Os resultados obtidos mostraram que no caso da bacia do Rio do Boi a qualidade das previsões está intimamente ligada às estimativas de precipitação prevista, já que essa é uma bacia que responde de forma rápida aos eventos de precipitação. Apesar disso, as estimativas do GEFS conseguiram representar de forma eficiente a variação de nível e velocidade ocorrida nos cursos de água dessa bacia hidrográfica, principalmente para horizontes de até 3 dias de antecedência. Considerando maiores horizontes, há um aumento significativo na taxa de falsos alarmes pelo sistema proposto. Pode-se constatar que o sistema de previsão baseado no HEC-RTS se apresenta como uma ferramenta com potencial de ser utilizada para a tomada de decisão sobre a abertura e o fechamento da Trilha do Rio do Boi. Além disso, o sistema desenvolvido nesse estudo apresenta a vantagem de ter uma probabilidade associada à abertura e ao fechamento da trilha para horizontes de previsão de até 10 dias. Essas probabilidades podem ser divulgadas nas plataformas de comunicação dos parques de modo a auxiliar na programação dos turistas e na gestão da visitação na trilha. Velocity and depth information are necessary to calculate the hazard index, which, in this case, was used as a threshold to determine the closure of the trail by the system. Finally, the quality of the proposed system was evaluated by comparing the days when the forecasts considered the trail to be closed, with the historical closing records obtained from PNAS Twitter using the statistical metrics of the ROC Diagram, Brier Score, and the Forecast Convergence Score. The results obtained showed that in the case of the Boi River basin, the quality of the forecasts is closely linked to the predicted precipitation estimates, since this is a basin that responds quickly to precipitation events. Despite this, the GEFS estimates were able to efficiently represent the variation in level and velocity that occurred in the watercourses of this hydrographic basin, especially for horizons up to 3 days in advance. Considering longer horizons, there is a significant increase in the rate of false alarms by the proposed system. It can be seen that the forecasting system based on the HEC-RTS presents itself as a tool with the potential to be used for decision-making for the opening and closing of the Boi River Trail. In addition, the system developed in this study has the advantage of having a probability associated with opening and closing the trail for forecast horizons of up to 10 days. These probabilities can be disclosed on the park's communication platforms to assist in tourist scheduling and in managing visitation on the trail.

Providing reliable estimates of streamflow and hydrological fluxes is a major challenge for water resources management over national and transnational basins in South America. Global hydrological models and land surface models are a possible solution to simulate the terrestrial water cycle at the continental scale, but issues on parameterization and limitations in representing lowland river systems put into question their utility for basin-scale analysis and to deliver daily discharges to meet local needs. In an attempt to overcome such limitations, we extended a regional, fully coupled hydrologic–hydrodynamic model (MGB) to the continental domain of South America and assessed its performance using daily river discharges, water levels from independent sources (in situ, satellite altimetry), estimates of terrestrial water storage (TWS) and evapotranspiration (ET) from remote sensing and other available global datasets. In addition, river discharges were compared with outputs from global models acquired through the eartH2Observe project (HTESSEL/CaMa-Flood, LISFLOOD and WaterGAP3), providing the first cross-scale assessment (regional/continental × global models) that makes use of spatially consistent daily discharge data. A satisfactory representation of discharges and water levels was obtained (NSE > 0.6 in 55 % of the cases) and MGB was able to capture patterns of seasonality and magnitude of TWS and ET especially over the largest basins of South America. Continental-scale modeling significantly improved discharge estimates when compared with global models, which resulted in a large number of gauges with negative (or close to 0) NSE values. Models were largely affected by positive bias mainly over East/Northeast Brazil and Argentina as well as over regions of Sao Francisco and Parnaiba basins, while major issues on flow timing were observed in regions affected by floodplain processes such as the Amazon, La Plata, Tocantins–Araguaia, Orinoco and Magdalena basins. We state that efforts in calibrating rainfall-runoff parameters within large basins are necessary to simulate daily river discharges appropriately in this continent, but implementing a hydrodynamic routing component is also important. We hope that our study provides further insights about hydrological simulation in South America, helping to reduce the gap between global and regional hydrological modeling communities.

A geração de energia elétrica por usinas hidrelétricas representa grande parte da matriz energética mundial. No Brasil, cerca de 65% da energia elétrica é gerada por hidrelétricas. A construção de barragens gera diversos efeitos no curso d’água, entre eles a retenção de sedimentos que antes eram transportados pelo rio. Estes sedimentos acumulados, dentre outros efeitos, podem levar ao assoreamento do reservatório e de tomadas d’água, diminuindo a vida útil. Devido a isso, estudos são feitos sobre técnicas de gestão de sedimentos, tanto para evitar a acumulação de sedimentos dentro dos reservatórios, quanto para recuperar volumes já perdidos Esta pesquisa visou avaliar as incertezas associadas aos parâmetros de entrada na modelagem de transporte de sedimentos no reservatório da UHE Aimorés e às diferentes técnicas de gestão de sedimentos em reservatórios, por meio de cenários com diferentes rebaixamentos de nível do reservatório, equações de transporte, granulometrias e camadas de sedimentos. Para isso, foi utilizado o estudo de caso da UHE Aimorés, utilizando o modelo Delft3D-FLOW, com modelagem bidimensional. Todos os parâmetros influenciaram significativamente no volume de sedimentos mobilizados, impactando os resultados de erosão e deposição. De todos, a camada inicial de sedimentos depositados foi o parâmetro que gerou maiores alterações. De maneira geral, os resultados mostram que as incertezas nos parâmetros de entrada superam as incertezas entre as técnicas (diferentes rebaixamentos), apresentando grandes variações quando avaliado o uso de diferentes equações de transporte. Power generation by hydroelectric plants represents a large part of the world's energy matrix. In Brazil, about 65% of electricity is generated by hydroelectric plants. The construction of dams generates various effects on the watercourse, among them the retention of sediments that were previously carried by the river. These accumulated sediments, among other effects, can lead to silting of the reservoir and water intakes, reducing their useful life. Due to this, studies are carried out on sediment management techniques, to avoid sediment accumulation within reservoirs and to recover volumes already lost. This research aimed to evaluate the uncertainties associated with the input parameters in the modeling of sediment transport in the reservoir of the Aimorés HPP and the different techniques of sediment management in reservoirs, through scenarios with different reservoir level lowering, transport equations, granulometry, and thickness of the initial sediment layer. The case study of Aimorés HPP was used, using the Delft3D-FLOW model (two-dimensional modeling). All parameters significantly influenced the volume of mobilized sediments, impacting the erosion and deposition results. Among all, the initial layer of deposited sediment was the parameter that generated the greatest changes. In general, the results show that the uncertainties in the input parameters outweigh the uncertainties between the techniques (different subsidence), presenting large variations when evaluating the use of different transport equations.

FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais As enchentes e inundações e seus efeitos sobre populações ribeirinhas têm constituído objeto de estudo da comunidade científica e técnica em todo o mundo. Na contramão de avanços no campo de aquisição e análise de dados e da modelagem numérica hidrológica e hidráulica, estimativas apontam que os danos associados às inundações tendem a aumentar. Diversos estudos realizados no setor de recursos hídricos nas últimas duas décadas defendem que uma das formas de se estimarem enchentes com maior precisão e de se compreenderem profundamente os modelos utilizados é a quantificação das distintas incertezas, ou erros, que afetam as previsões e predições estimadas pelos métodos e modelos numéricos voltados à síntese chuva-vazão e à propagação de cheias. Nesse sentido, esta pesquisa de doutoramento prospectou distintos métodos disponíveis para quantificação de incertezas oriundas das fontes de erros associadas a uma modelagem hidrodinâmica, aos dados de entrada que a alimentam e às saída geradas, bem como para sua propagação sobre o resultado final, expresso sob a forma de hidrogramas, cotagramas, perfis de escoamento e mapas de inundação associados a enchentes importantes. Da pesquisa bibliográfica realizada, definiu-se a utilização de um esquema de abordagem Bayesiana, que consiste basicamente na atualização do conhecimento que se tem a priori acerca de parâmetros e dados necessários à modelagem à luz de informações observadas sobre o fenômeno modelado, como hidrogramas registrados no extremo de jusante de um trecho fluvial, ou manchas de inundação disponíveis. A adoção de métodos de cunho Bayesiano à modelagem hidrodinâmica, caracterizada por equações não-lineares de solução numérica, é viabilizada por meio da utilização de Métodos de Monte Carlo por Cadeias de Markov (MCMC), a fim de garantir a aproximação da chamada distribuição a posteriori dos parâmetros, dados e variáveis envolvidas na inferência, ou seja, obtida após a incorporação das informações observadas disponíveis sobre as cheias em determinado local. Para aplicação da metodologia, foi escolhido um estirão fluvial do rio São Francisco, entre a confluência com o rio Abaeté e a cidade de Pirapora, no estado de Minas Gerais, com disponibilidade de dados de vazão média diária de ponta-a-ponta, de 22 seções topobatimétricas e de um modelo digital de terreno com precisão horizontal de 1 m. Os resultados mostram que a metodologia adotada é adequada à quantificação das incertezas oriundas dos coeficientes de rugosidade de Manning na calha fluvial e na planície de inundação nesse tipo de modelo e abre uma série de possibilidades quanto a estudos futuros concernentes ao tema. O método garantiu também a obtenção de intervalos de credibilidade caracterizadores da incerteza em predições do modelo, tais como hidrogramas e cotagramas na seção utilizada para a inferência Bayesiana e o controle de resultados. Floods and their effects on riverine populations have been the subject of study of the scientific and technical community all over the world. Despite some improvements in modelling and data acquisition fields, estimates indicate that flood damage tends to increase. Several studies in the water sector over the past two decades have argued that one of the ways to estimate flooding more accurately and to understand the models used is to quantify the different uncertainties, or errors, that affect predictions as estimated by numerical methods and rainfall-runoff models and flood routing. In this sense, this doctorate research prospected different methods available for quantifying uncertainties associated with some parameters, data and variables involved in mathematical modeling of floods and their quantification and propagation on the final result, in this case expressed as hydrographs, as well as water surface elevation profiles and inundation maps. From the bibliographical inspection, it was defined the application of a Bayesian approach scheme, which basically consists of updating the prior knowledge about parameters and variables involved in modeling using observed information related to the phenomenon under consideration, such as flow and stage hydrographs registered in the downstream end of a river reach, and available flood inundation maps. The adoption of Bayesian methods for hydrodynamic modeling, characterized by nonlinear equations of numerical solution, is possible by means of Markov Chain Monte Carlo Methods (MCMC), in order to ensure the approximation of the posterior distribution of parameters, data and variables involved in the inference, that is, obtained after incorporating the observed information available on floods at a given location. For the application and validation of the methodology, a fluvial reach in the upper São Francisco river was selected, located between the Abaeté river outlet and the town of Pirapora, in Minas Gerais state, with daily mean flow data available in the upstream and downstream ends, 22 cross sections and a digital terrain model with horizontal accuracy of 1 m. The results show that the adopted methodology is adequate to quantify the uncertainties arising from the Manning’s roughness coefficients in the channel and floodplains in this type of model and opens a series of possibilities for future studies concerning the subject. The method also ensured the estimation of credibility intervals that characterize the uncertainty in model predictions, such as flow and stage hydrographs in the section used for the Bayesian inference and control of results.

Real-time updating of channel flow routing models is essential for error reduction in hydrological forecasting. Recent updating techniques found in scientific literature, although very promising, are complex and often applied in models that demand much time and expert knowledge for their development, posing challenges for using in an operational context. Since powerful and well-known computational tools are currently available, which provide easy-to-use and less time-consuming platforms for preparation of hydrodynamic models, it becomes interesting to develop updating techniques adaptable to such tools, taking full advantage of previously calibrated models as well as the experience of the users. In this work, we present a real-time updating procedure for streamflow forecasting in HEC-RAS model, using the Shuffled Complex Evolution - University of Arizona (SCE-UA) optimization algorithm. The procedure consists in a simultaneous correction of boundary conditions and model parameters through: (i) generation of a lateral inflow, based on Soil Conservation Service (SCS) dimensionless unit hydrograph and; (ii) estimation of Manning roughness in the river channel. The algorithm works in an optimization window in order to minimize an objective function, given by the weighted sum of squared errors between simulated and observed flows where differences in later intervals (start of forecast) are more penalized. As a case study, the procedure was applied in a river reach between Salto Caxias dam and Hotel Cataratas stream gauge, located in the Lower Iguazu Basin. Results showed that, with a small population of candidate solutions in the optimization algorithm, it is possible to efficiently improve the model performance for streamflow forecasting and reduce negative effects caused by lag errors in simulation. An advantage of the developed procedure is the reduction of both excessive handling of external files and manual adjustments of HEC-RAS model, which is important when operational decisions must be taken in relatively short times. RESUMO A atualização em tempo real de modelos de propagação do escoamento em rios é essencial para a redução de erros na previsão hidrológica. As técnicas de atualização recentes encontradas na literatura, apesar de promissoras, são complexas e geralmente aplicadas em modelos cujo desenvolvimento demanda tempo e conhecimento muito especializado, representando desafios para sua utilização em ambientes operacionais. Dado que atualmente existem ferramentas computacionais amplamente difundidas, que reduzem tempo e simplificam a preparação de modelos hidrodinâmicos, torna-se interessante desenvolver técnicas que sejam facilmente acopladas a estas ferramentas de modo a aproveitar um modelo já calibrado e a experiência dos usuários. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de atualização em tempo real do modelo HEC-RAS para previsão de vazões, utilizando o algoritmo de otimização Shuffled Complex Evolution - University of Arizona (SCE-UA). O procedimento consiste na atualização simultânea de condições de contorno e parâmetros no modelo hidrodinâmico, através de: (i) geração de um aporte lateral concentrado, definido por uma adaptação do hidrograma unitário adimensional do Soil Conservation Service - SCS e; (ii) estimativa do coeficiente de Manning no trecho simulado. O algoritmo opera em uma janela de otimização com a minimização de uma função-objetivo, que considera a soma ponderada dos erros quadráticos das vazões dando maior peso aos erros nos últimos intervalos com dados observados (início da previsão). Como estudo de caso, a metodologia foi aplicada em um trecho localizado na bacia do rio Iguaçu, entre a UHE Salto Caxias e o posto fluviométrico de Hotel Cataratas. Os resultados mostraram que, com um conjunto relativamente pequeno de soluções candidatas no algoritmo de otimização, é possível melhorar, de forma eficiente, o desempenho do modelo na previsão de vazões e reduzir efeitos negativos causados por erros de fase nos hidrogramas calculados. Uma vantagem da metodologia desenvolvida é que ela permite reduzir tanto a necessidade de manipulações excessivas de arquivos como de ajustes manuais do modelo HEC-RAS, o que é importante quando decisões operacionais devem ser tomadas em tempo relativamente curto.

Large-scale hydrologic–hydrodynamic models are powerful tools for integrated water resources evaluation at the basin scale, especially in the context of flood hazard assessment. However, recent model developments have paid little attention to simulate reservoirs’ hydrodynamics within river networks. This study presents an adaptation of the MGB model to simulate reservoirs as an internal boundary condition, enabling the explicit simulation of hydrodynamic processes along reservoirs and their interaction with upstream and downstream floodplains in large basins. A case study is carried out in the Itajai-Acu River Basin in Brazil, which has periodic flood-related disasters and three flood control dams. The model was calibrated for the 1950–2016 period forced with daily observed precipitation. The adjustment was satisfactory, with Nash–Sutcliffe metrics between 0.54 and 0.84 for the 11 gauges analyzed and with flood frequency curves also well represented. Simulation scenarios with and without floodplains and reservoirs were performed to evaluate the relative role of these factors on flood control basin-wide through evaluation of simulated discharges, water levels and flood extent. Itajai do Oeste tributary and Itajai-Acu mainstem present major floodplain attenuation, while in Itajai do Sul and Itajai do Norte tributaries the main flood control occurs due to reservoir attenuation. Downstream from the dams, results indicated that the reservoirs reach their maximum discharge reduction capacity for 5- to 10-year floods, decreasing it for larger floods. The developed model may be very useful for operational uses as flood forecasting and coordinated reservoir operation studies, as well as to enhance the comprehension of flood dynamics at basin scale.

Uncertainty estimation analysis has emerged as a fundamental study to understand the effects of errors inherent to hydrodynamic modeling processes, of aleatory and epistemic nature, due to input data such as discharge, topography and bathymetry, to the structure and parameterization of the mathematical models used and to their necessary boundary and initial conditions. The study reported in this paper sought to apply a Bayesian-based methodology, associated with thousands of Markov Chain Monte Carlo simulations, in order to identify and quantify the uncertainty related to the Manning’s n roughness coefficient in a 1D hydrodynamic model and the total uncertainty involved in the prediction of hydrographs and water surface elevation profiles resulting from flood routing through a reach located in the upper São Francisco river, between the Abaeté river outlet and the town of Pirapora. The results show that the Bayesian scheme allowed an adequate posterior identification of the parametric uncertainties and of those associated to other sources of errors, with important changes in the prior probability distributions. In addition, the residuals analysis corroborates the applicability of the method to the analysis of uncertainties in hydrodynamic modeling through the use of a more flexible likelihood function than the classical one based on the hypotheses of normality, homoscedasticity and uncorrelated residuals. Future work includes the sensitivity evaluation of the posterior distributions to the addition of lateral inflows, especially concerning the residuals serial correlation, as well as the adoption of other variables to update the prior uncertainties, and the validation of the methodology through the use of the posterior distributions to estimate the total uncertainty involved in the prediction of floods other than the ones used in the inference process. RESUMO A avaliação de incertezas tem emergido como estudo primordial para se conhecerem os efeitos dos erros inerentes aos processos de modelagem de perfis de escoamento de vazões de cheia, de natureza aleatória e epistêmica, presentes em dados de entrada como vazões e topobatimetria, na estrutura e parametrização dos modelos matemáticos utilizados e nas suas necessárias condições de contorno e iniciais. Dessa forma, o estudo reportado neste artigo buscou aplicar uma metodologia de cunho Bayesiano, associada a milhares de simulações de Monte Carlo por Cadeias de Markov, a fim de identificar e quantificar a incerteza inerente ao coeficiente de rugosidade de Manning de um modelo hidrodinâmico unidimensional e a incerteza total envolvida na predição de hidrogramas e profundidades resultantes da propagação de cheias por um trecho do Alto rio São Francisco, entre a foz do rio Abaeté e a cidade de Pirapora. Os resultados mostram que o esquema Bayesiano permitiu uma adequada identificação a posteriori das incertezas paramétricas e associadas às demais fontes de erros, com alteração importante das distribuições de probabilidade estipuladas a priori. Ademais, a análise estatística dos resíduos da modelagem veio corroborar a aplicabilidade do método à análise de incertezas na modelagem hidrodinâmica por meio do uso de uma função de verossimilhança mais flexível do que a clássica função baseada nas hipóteses de normalidade, homoscedasticidade e ausência de correlação serial para os resíduos. A continuidade deste trabalho prevê ainda a avaliação de sensibilidade das incertezas a posteriori à inserção de afluências laterais, sobretudo no que tange à correlação temporal dos resíduos, bem como a adoção de outras variáveis como informação de atualização das incertezas, e a validação da metodologia por meio do uso das incertezas a posteriori para estimação da incerteza total envolvida na predição de outros eventos de cheia que não tenham sido utilizados no processo de inferência.

A dissertação buscou contribuir para o para o entendimento do efeito da difusão numérica nas soluções hidrodinâmica e de transporte de modelos numéricos acoplados (hidrodinâmico e transporte), assim como a relação mútua entre ambas as soluções buscando um método eficiente e conservativo para simulação de escoamentos estratificados. A implementação dos métodos computacionais foram feitas no modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional capaz de simular processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em duas partes principais que visam apresentar a melhoria dos métodos numéricos utilizados pelo modelo, assim como a verificação e validação dos métodos implementados (Capítulos 4 -5). A simulação de escoamentos estratificados requer a implementação de métodos numéricos mais robustos, como: como a aproximação não-hidrostática e métodos de alta-resolução (interpolação quadrática e limitadores de fluxo) capazes de reduzir a difusão numérica de maneira conservativa, buscando soluções com melhor representação física de processos, de forma a alcançar resultados satisfatórios com menor custo computacional. Para solução hidrodinâmica, implementamos a pressão não-hidrostática, onde propomos o uso de uma novação condição de contorno na superfície livre (capítulo 4), e ainda um interpolador quadrático implementado no método Euleriano-Lagrangiano, utilizado na estimativa da velocidade ao fim da linha de corrente (capítulo 5). Para a solução do Transporte de Soluto, esquemas de Limitadores de Fluxo foram implementados (capítulo 5 ). Utilizamos benchmarks consolidados na literatura puramente advectivos visando identificar o efeito da difusão numérica nas solução do transporte e hidrodinâmica comparando métodos de baixa resolução (interpolação bilinear e esquema Upwind) com métodos de alta resolução. O algorítimo foi capaz de simular adequadamente a celeridade e a dispersão de frequência de ondas estacionárias em condição de águas profundas, utilizando uma resolução vertical 2 vezes menor que a condição clássica, consequentemente diminuindo o custo computacional médio de um passo de tempo da simulação em ca. 1.7 vezes, alcançando resultados similares (CBA t = 2 .62 s e FSFS t = 1.22 s). Este resultado permite que modelos hidrodinâmicos semelhantes melhorem sua solução numérica com um menor custo de implementação, aplicando um tratamento simples,melhorando a performance das simulações não-hidrostáticas. Os métodos de alta resolução foram capazes de diminuir substancialmente a difusão numérica na solução hidrodinâmica (ca. 10 vezes menor) e de transporte (Erro Relativo e RMSE ca. 3 vezes menor). Os resultados mostraram que a difusão numérica gerada por métodos de baixa resolução na solução hidrodinâmica pode ter grande impacto na solução do transporte, por tanto, para simular com maior precisão situações reais (dinâmica de escoamentos estratificados em reservatórios profundos) o uso combinado de métodos de alta resolução se mostra uma alternativa promissora, com baixo custo de implementação e alta eficiência. Os métodos implementados neste trabalho permitem que modelos mais difusivos, como o IPH-ECO (Fragoso Jr et al., 2009), passem a considerar a difusão real ao invés da difusão numérica em suas modelagens, e portanto utilizar o coeficiente de difusão como um parâmetro de calibração do modelo. The dissertation sought to contribute to the understanding of the effect of numerical diffusion in the hydrodynamic and transport solutions of coupled numerical models (hydrodynamic and transport), as well, the mutual relationship between both solutions seeking an efficient and conservative method for simulation of stratified flows. The computational methods was implemented in the IPH-ECO model, computational tool capable of simulating physical, chemical and biological processes in three dimensions. The work was divided in two main parts that aim to the improvement of the numerical methods used by the model, as well as the verification and validation of the implemented methods (Chapters 4-5). The simulation of stratified flows requires the implementation of more robust numerical methods, such as: non-hydrostatic approach and high-resolution methods (quadratic interpolation and flux-limiter) capable of conservatively reducing numerical diffusion, searching for solutions that better represented physical processes, in order to achieve satisfactory results with lower computational cost. For the hydrodynamic solution, we implemented the non-hydrostatic pressure, where we propose the use of a novel boundary condition to the free surface (chapter 4), and a quadratic interpolator implemented in the Eulerian-Lagrangian method, used in the estimation of the velocity at the end of the stream-line (chapter 5). For the Solute Transport solution, flux-limiter schemes have been implemented (chapter 5). We use consolidated benchmarks in purely advective problems to identify the effect of numerical diffusion on the transport and hydrodynamics solutions by comparing low-resolution methods (bilinear interpolation and Upwind scheme) with high-resolution methods. The algorithm (FSFS) was able to properly simulate the celerity and the dispersion of the frequency of stationary waves in deep water conditions, using a vertical resolution 2 times smaller than the classical condition (CBA), consequently decreasing the average computational cost of a time step of the simulation in ca. 1.7 times, achieving similar results (CBA t = 2.62 s and FSFS t = 1.22 s). This result allows similar hydrodynamic models to improve their numerical solution with a lower cost of implementation, applying a simple treatment, improving the performance of the non-hydrostatic simulations. The high-resolution methods were able to substantially decrease the numerical diffusion in the hydrodynamic solution (ca. 10 times lower) and transport (Relative Error and RMSE ca. 3 times lower). The results showed that the numerical diffusion generated by low-resolution methods in the hydrodynamic solution may have a substantial impact on the transport solution, therefore, to simulate more accurately real situations (dynamics of stratified flows in deep reservoirs) the combined use of high resolution is a promising alternative, with low implementation cost and high efficiency. The methods implemented in this work allow more diffusive models, such as IPH-ECO (Fragoso Jr et al., 2009), to consider real physics diffusion instead of the numerical diffusion in their modeling, and therefore to use the diffusion coefficient as a model calibration parameter .

Hydrodynamic models based on the RANS equation are well-established tools to simulate three-dimensional free surface flows in large aquatic ecosystems. However, when the ratio of vertical to horizontal motion scales is not small, a non-hydrostatic approximation is needed to represent these processes accurately. Increasing efforts have been made to improve the efficiency of non-hydrostatic hydrodynamic models, but these improvements require higher implementation and computational costs. In this paper, we proposed a novel free-surface boundary condition based on a fictional sublayer at the free-surface (FSFS). We applied the FSFS approach at a finite difference numerical discretization with a fractional step framework, which uses a Neumann type of boundary condition to apply a hydrostatic relation in the top layer. To evaluate the model performance, we compared the Classic Boundary Condition Approach (CBA) and the FSFS approach using two numerical experiments. The experiments tested the model&rsquo, s phase error, capability in solving wave celerity and simulate non-linear wave propagation under different vertical resolution scenarios. Our results showed that the FSFS approach had a lower phase error (2 to 5 times smaller) than CBA with a little additional computational cost (ca. 7% higher). Moreover, it can better represent wave celerity and frequency dispersion with 2 times fewer layers and low mean computational cost (CBA &delta, t = 2.62 s and FSFS &delta, t = 1.22 s).

Submitted by Christianne Fontes de Andrade (cfontes@ct.ufrj.br) on 2020-10-21T23:58:58Z No. of bitstreams: 1 886929.pdf: 11142018 bytes, checksum: 37a1e240967b3f91b4303bf3f259fabb (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-21T23:58:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 886929.pdf: 11142018 bytes, checksum: 37a1e240967b3f91b4303bf3f259fabb (MD5) Previous issue date: 2018-10 Este trabalho propõe a comparação de três modelos hidrodinâmicos, HEC RAS, IBER e MODCEL. Buscando avaliar a aptidão de cada um, a abordagem da modelagem pertinente, bem como, a necessidade de informação, fundamental à cada modelo. Utilizando como área de estudo um trecho do rio Piabanha, no município de Petrópolis no Estado do Rio de Janeiro, onde se possui seções transversais e modelo digital de terreno oriundo de um levantamento fotogramétrico, e, também, se dispõe de medições de descarga em duas estações de monitoramento hidrometeorológico, inseridas no trecho de estudo. Permitido a avaliação do comportamento do nível d’água nas seções de monitoramento nos modelos hidrodinâmicos, quando se alterava o coeficiente de rugosidade de Manning. Como conclusão, os modelos apresentaram resultados divergentes, ressaltando a importância da calibração e validação pelo modelador, sendo a topografia determinante nos resultados, superado a importância da abordagem e o equacionamento implícito em cada modelo. This work was proposed to compare hydrodynamic models, namely: HEC RAS, IBER and MODCEL. Searching evaluate the suitability of each model, the modeling approach pertinent, as well as, the need for fundamental information for each model. Using as an area of study the Piabanha River, in Petrópolis in State of Rio de Janeiro, where were available cross sections and a digital terrain model, obtained from a photogrammetric survey. Exist two hydrology monitoring stations with discharge measurement, which allowed the evaluation of the behavior of the water level in the monitoring sections in the hydrodynamic models, when the roughness coefficient of Manning was altered. As a conclusion, the results of the models were divergent, emphasizing the importance of calibration and validation by the modeler, and topography proved to be determinant in the results, beyond the importance of the approach and the equation of each modelo.

El objetivo general de esta tesis doctoral será mejorar la eficiencia computacional de los modelos hidrodinámicos existentes con el fin de abordar el estudio riguroso y detallado de los procesos de transporte y mezcla en sistemas de agua continental. Se mostrarán soluciones para reducir el coste computacional de estas simulaciones, de forma que se puedan obtener resultados útiles en un tiempo aceptable con grids de alta resolución, empleando tanto recursos fácilmente accesibles por cualquier científico como Arquitecturas de Altas Prestaciones (High Performance Computing, HPC). Las estrategias de optimización utilizadas han permitido mejorar la eficiencia de estos modelos, entendida esta como la relación entre prestaciones y coste y como la relación entre prestaciones y calidad de los resultados. Estas estrategias de optimización deberán facilitar y extender la utilización de los modelos 3D de transporte y mezcla como herramientas de trabajo en investigación aplicada al conocimiento de lagos, embalses y ríos, o como herramientas operacionales de predicción. Para ello se pretende realizar el procesamiento requerido en un tiempo aceptable en computadores personales, clúster de computadores personales y servidores de gama baja, evitando usar costosos servidores de gama alta. Para los casos más costosos, se presenta también una alternativa haciendo uso de HPC, implementada de forma eficiente. La segunda propuesta para reducir los costes de computación hace uso de un procedimiento conocido como anidamiento, ya usado en la literatura para reducir los costes de computación. En esta tesis se propone una implementación eficiente del procedimiento de anidamiento, combinándolo con clusters de computadores de gama media/baja, reduciendo aún más los costes computacionales y permitiendo resolver de forma eficiente toda la zona litoral (imposible en un tiempo aceptable mediante un procedimiento de anidamiento normal) de grandes lagos en alta resolución , del cual a pesar de su enorme diversidad e importancia como se ha explicado, se tiene un conocimiento bastante pobre (Kalff 2001). En línea a esto se muestran resultados útiles y de interés a la comunicad científica que indiquen el camino a seguir en el estudio de la zona litoral de grandes lagos y que demuestren la necesidad del uso de grids de alta resolución para poder realizar estos estudios con éxito., Tesis Univ. Granada. Programa Oficial de Doctorado en: Tecnologías de la Información y la Comunicación

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. 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.

Submitted by Tania Ivani Rokohl (tania.rokohl@uffs.edu.br) on 2018-07-30T13:00:22Z No. of bitstreams: 1 SARTORI.pdf: 6169896 bytes, checksum: 399fd0cba63efa1c39d3859586bb9964 (MD5) Approved for entry into archive by Diego dos Santos Borba (dborba@uffs.edu.br) on 2018-08-06T19:37:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 SARTORI.pdf: 6169896 bytes, checksum: 399fd0cba63efa1c39d3859586bb9964 (MD5) Made available in DSpace on 2018-08-06T19:37:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SARTORI.pdf: 6169896 bytes, checksum: 399fd0cba63efa1c39d3859586bb9964 (MD5) Previous issue date: 2018-04-19 Os eventos de inundação podem causar diversos danos em um local, portanto demarcar locais sujeitos à inundação constitui uma atividade essencial para o planejamento e gerenciamento do uso do solo. Além disso, os modelos hidrodinâmicos também podem ser aplicados para o mapeamento não somente de profundidades, mas também de velocidades e direções de fluxo. Com o acelerado desenvolvimento e acesso aos softwares de modelos hidrodinâmicos, a atividade tem se tornado constante em projetos e estudos. Diante de uma expressiva oferta de softwares com diferentes métodos e discretizações espaciais se impõe a necessidade de comparação e avaliação destes softwares. Desta forma, este estudo tem como objetivo analisar o desempenho e as incertezas na modelagem hidrodinâmica de inundações de três dos principais softwares disponíveis na atualidade, HEC-RAS, FLO-2D, e Iber e mapear as possíveis zonas inundáveis. A área de estudo compreende o município de Getúlio Vargas-RS, que sofre com inundações, com ocorrências recentes em maio de 2017, outubro de 2016, julho de 2015, junho de 2014, novembro de 2013 e uma enchente histórica em maio de 1992 onde a população ribeirinha sofreu perdas com o evento. Para alcançar este objetivo a metodologia foi composta por: 1) visitas a campo para a área de estudo; 2) mapeamento da área de estudo com um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) e construção de um Modelo Digital de Elevação (MDE), 3) regionalização das vazões para o local de estudo, a partir de dados de estações fluviométricas, 4) avaliação de sensibilidade aos parâmetros de entrada e avaliação da estabilidade numérica devido às condições iniciais e parâmetros, 5) simulações de inundações para diferentes tempos de retorno, e 6) mapeamento de áreas de risco. Foi possível obter um MDE com grau de precisão de 0,34 m e vazões para área de estudo referentes a determinados tempos de retorno. Através da avaliação verificou-se que o HEC-RAS possui melhor operacionalização e performance. Constatou-se que passos de tempo com mais de 10 segundos causavam instabilidade numérica, bem como grids com tamanho maior que 25 metros. Geraram-se mapas para os diferentes tempos de retorno de cheias para cada modelo hidrodinâmico e verificou-se que eles condizem com dados observados do nível de água durante eventos de inundação. O mapeamento das áreas de perigo é outro resultado gerado, onde foi possível verificar que as áreas próximas ao canal possuem nível de perigo alto, enquanto que regiões vicinais possuem índices médios e baixos. Flood events effects upon areas range from lives lost to property damaged. Thus, flood area mapping is an essential activity for supporting decision makers on land use planning and management. This activity may be carried out through the application of a hydrodynamic mathematical model. As results, the model can deliver not only spatially distributed water depths, but also flow velocities and directions. In regards for the fast development and easier access to the hydrodynamic models’ packages, observed in the past decade, their application has become more often in engineering studies and projects. Thereby, due the expressive diversity of models with different methods and discretizations, it is necessary to compare and evaluate the models’ capabilities and results. The objective of this study is to analyze the performance and uncertainties of three hydrodynamic models currently free available: HEC-RAS, FLO2D and Iber. These softwares are used to map flooded areas. The study area comprises the municipality of Getúlio Vargas-RS, which is prone to floods, with recent occurrences in May 2017, October 2016, July 2015, June 2014, November 2013 and a historical flood in May 1992 that caused severe damages to the riverside population. To fulfil the study main objective, the methodology was composed of: 1) study area characterization by means of field surveys, 2) deployment of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to compose a Digital Elevation Model (DEM), 3) discharge regionalization to the study area, 4) sensitivity model analysis to input parameters and numerical stability evaluation due to initial conditions and parameters, 5) flood simulations for several discharge values scenarios, and 6) mapping of hazard areas. It was possible to obtain a 0,34 m resolution DEM and discharges to the study area for specific return periods. According to the evaluation HEC-RAS has an application operationality better, and a better performance, as well. It was found that time steps longer than 10 seconds caused numerical instability as well as grids larger than 25 meters. Maps were generated for the different flood return periods for every hydrodynamic model. Flood maps were consistent with observed water level data during flood events. The mapping of the hazard areas was also obtained, and it shows that the areas near the channel were classified as high level, whereas vicinal regions were classified as medium and low levels.

RESUMO Na modelagem computacional de corpos de água naturais há situações nas quais estruturas verticais esbeltas como pilares de ponte fazem parte do domínio de modelagem. Neste trabalho avalia-se quatro técnicas para modelar a presença de pilares de pontes: Refinamento de Malha (RM), Ilha Nodal (IN), Termo de Tensão Adicional (TTA) e Aumento da Rugosidade do Fundo (ARF). Para cada uma delas são discutidas suas vantagens e desvantagens. Dentre as técnicas avaliadas, o método do Termo de Tensão Adicional (TTA) se mostrou o mais vantajoso por permitir reduzir o custo computacional, assim como alterar o valor do coeficiente de arrasto dependendo da geometria da estrutura. Quando comparados os resultados de perfis de velocidades longitudinais, observou-se que a técnica de TTA consegue assemelhar os valores da técnica de RM a partir de uma distância de 100 m a jusante dos pilares. Por esse motivo, concluiu-se que o método de TTA é apropriado para o estudo de processos distantes das estruturas, fora da esteira logo a jusante. O trabalho apresenta um estudo de sensibilidade do coeficiente de arrastro de pilares com seção circular que permite ao leitor ter uma noção da influência deste coeficiente.

Ponencia presentada en: XXXV Jornadas Científicas de la AME y el XIX Encuentro Hispano Luso de Meteorología celebrado en León, del 5 al 7 de marzo de 2018. Modelización de las corrientes en playa producidas por el oleaje: uso de modelos hidrodinámicos orientados a entornos costeros, con especial incidencia en los procesos presentes en esa zona.

O início da construção de estruturas para reserva de água no mundo é conhecido há milhares de anos, e, desde então, as barragens são consideradas alternativas viáveis não apenas para reserva de água para consumo, mas também para as finalidades de geração de energia hidrelétrica, contenção de rejeitos, entre outras. Entretanto, mesmo com os contínuos avanços nas técnicas construtivas e na fiscalização da segurança destas estruturas, a possibilidade de rompimento de barragens é uma realidade constante. Nesta perspectiva, o presente texto objetiva analisar os aspectos hidráulicos de metodologias simplificadas para estimativa de parâmetros de inundação proveniente do rompimento de barragens, a saber, as vazões e respectivas profundidades atingidas no vale a jusante, em um evento de rompimento hipotético. Para tal, analisaram-se os resultados de três metodologias simplificadas existentes, aplicadas em três barragens estudo de caso, com características estruturais e geometria do vale a jusante distintas. Os resultados das metodologias simplificadas foram comparados com os estudos de Dam Break das três barragens estudo de caso, obtidos com o uso do software HEC-RAS unidimensional e cedidos por empreendedores. O presente texto também sugere uma nova equação empírica para previsão da vazão máxima resultante do rompimento de barragens por galgamento, e propõe uma nova metodologia simplificada para análise preliminar de rompimento de barragens, com base nos métodos analisados e nas respectivas conclusões obtidas. Os resultados indicam que o uso de metodologias simplificadas na análise preliminar de rompimento de barragens é uma alternativa viável em vales cuja declividade do talvegue é acentuada e cujas características geométricas são aproximadamente constantes. Identificou-se que pequenas alterações no coeficiente de rugosidade do terreno e na declividade da linha de energia refletiram em diferenças nos resultados de profundidades e larguras máximas de 20%, em média. A proposta de nova equação empírica para previsão de vazão máxima na seção da barragem baseou-se na análise de 39 casos reais envolvendo ruptura de barragens por galgamento e resultou em um coeficiente de determinação (R²) de 0,79. Quando comparada com as principais equações semelhantes indicadas na bibliografia, a equação proposta obteve vazões máximas próximas ou superiores às dos demais pesquisadores analisados sempre que a altura da barragem foi inferior a 30 m. Evidencia-se a importância na estimativa cautelosa da vazão máxima na seção da barragem, uma vez que essa reflete em diferenças significativas nas vazões e respectivas profundidades alcançadas ao longo do vale a jusante da estrutura. Nos casos analisados, diferentes vazões máximas na seção da barragem refletiram em distinções de até 50%, em média, nas profundidades e larguras máximas a jusante. A nova metodologia proposta para definição de características de inundação provenientes do rompimento de barragens pode contribuir em estudos preliminares para tal, especialmente aos empreendedores que possuem número expressivo de barragens. Nesses casos, a metodologia poderá nortear a prioridade a ser dada em estudos detalhados de Dam Break. For thousands of years, water reservoir structures have been built worldwide. Since then, dams have been considered viable alternatives not only for reserving water for consumption but also for the purposes of hydroelectric power generation and sediment retention, among others. Despite the continuous advances in the construction techniques and in the safety inspection of these structures, the possibility of breaking of dams remains a constant reality. Hence, this paper aims to analyze the hydraulic aspects of simplified methodologies for estimating flood parameters on dam ruptures, namely, the flows and respective depths reached in the downstream valley in a hypothetical breach event. Results of three existing simplified methodologies were studied applied in three dams with different structural characteristics and downstream valley geometry. The results of simplified methodologies were compared with dam break studies of three study case dams, obtained with one-dimensional HEC-RAS and provided by entrepreneurs. The present paper suggests also a new empirical equation for predicting the maximum flow resulting from the overtopping dam failure and proposes a new simplified methodology for preliminary analysis of dam rupture, based on the analyzed methods and respective obtained conclusions. The results indicate that the use of simplified methodologies in the preliminary dam break analysis is a viable alternative in valleys with high thalweg declivities and close to constant geometric characteristics. It was identified that small changes in the coefficient of rough terrain and in the energy line slope reflected in differences in the results of depths and maximum widths of 20%, on average. The proposed new empirical equation for maximum flow prediction in the dam section was based on the analysis of 39 actual cases involving overtopping dam failure and resulted in a coefficient of determination (R²) of 0.79. When compared to similar main equations indicated in the bibliography, the proposed equation obtained maximum flows near or higher than those of other researchers analyzed whenever the height of the dam did not exceed 30 m. The importance of a cautious estimation of the maximum flow rate in the dam section is to be highlighted, since it results in significant variations of flow and respective depths along the valley and downstream of the structure. Different maximum flows were found in the dam section, which reflected in distinctions of up to 50%, in average, in the maximum depths and widths downstream. The new proposed methodology for defining dam break characteristics caused by dam rupture may contribute to preliminary studies, especially to entrepreneurs who own a significant number of dams. In these cases, the methodology may guide the priority to be given in detailed studies of dam break.

O impacto de um lançamento de efluente na qualidade da água do corpo hídrico depende de características do lançamento e do corpo hídrico, a exemplo de suas condições hidrodinâmicas. O conhecimento das relações entre os fatores envolvidos permite avaliar os riscos envolvidos, alterar a forma de lançamento de efluentes de modo a reduzir seu impacto e reduzir os custos com as formas de controle da poluição, entre outras ações. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é compreender as relações entre os fatores dominantes das condições hidrodinâmicas e a dispersão de poluentes na região nordeste da Laguna dos Patos, buscando identificar formas de utilizar a modelagem hidrodinâmica para melhorar a gestão do corpo hídrico e de lançamento de efluentes. A área de estudo consiste na região nordeste da Laguna dos Patos, no Rio Grande do Sul, onde o vento e a vazão afluente são os fatores determinantes de circulação de água. O modelo utilizado (IPH-A) apresentou boa representação da variação de nível, exceto pelo posto mais próximo da região estuarina, e da circulação de água. O coeficiente de dispersão foi definido a partir da comparação visual da simulação da dispersão dos sedimentos em suspensão afluentes ao Lago Guaíba e a pluma do Guaíba observada em imagens de satélite. Cenários de vento e vazão foram determinados a partir da análise da série histórica de dados de vento na estação de Rio Grande e da vazão afluente ao Lago Guaíba.Os resultados dos ventos sudoeste e nordeste foram semelhantes ao verificado na literatura com uso de modelo bidimensional para o corpo lagunar. Na região nordeste, uma célula de circulação entre o Banco das Desertas e o Banco dos Abreus é observada no sentido horário (anti-horário) para os cenários com vento sudoeste (nordeste). O vento sudeste provoca o aumento do nível na margem oeste e redução na margem leste. É observada uma maior renovação de água na região ao norte do Banco das Desertas e menor troca de água com a Lagoa do Casamento do que nos cenários anteriores. Nos cenários de vento nulo, as velocidades da água na região nordeste da laguna são bastante baixas. A vazão necessária para manutenção do nível na laguna dependeu do vento predominante. Os diferentes cenários de vento produziram diferentes plumas de dispersão do lançamento de efluente simulado, seguindo os padrões da circulação de água no local. As maiores concentrações foram observadas no local de lançamento do efluente para o cenário de vento nulo e a maior área de influência foi observada para os cenários de vento nordeste (maior velocidade de vento simulada). Para os cinco dias de simulação, foi observada pouca influência da vazão afluente no nível e na circulação de água do corpo lagunar e, consequentemente, na dispersão de poluentes. Os resultados evidenciam a necessidade de as concentrações de lançamento permitidas serem estabelecidas com base em estudo da dispersão física do efluente no corpo hídrico receptor, conforme determinado pela legislação nacional para corpos d’água onde não se aplica a vazão de referência. A consideração de uma zona de mistura onde as concentrações dos parâmetros podem estar em desacorpo com o enquadramento do corpo hídrico é debatida nas discussões. As simulações permitiram ainda identificar locais prioritários para monitoramento dos efeitos do efluente lançado na qualidade da água, cenários críticos para conflitos de uso da água considerando outros usos na região e verificar possíveis consequências do encurtamento ou alongamento do emissário. The aim of this study is to understand the relationship between hydrodynamic and the pollutants dispersion in the northeast region of the Patos Lagoon, looking for identify ways of using hydrodynamic modeling to improve water resources and effluent discharge management. The study area is the northeastern region of Patos Lagoon, a chocked lagoon in the brazilian state of Rio Grande do Sul, where winds and freshwater runoff drive water circulation. The model IPH-A performed well, except for the estuarine region. The dispersion coefficient was defined from the visual comparison between the dispersion of suspended sediments on Guaíba Lake simulated and observed in satellite images. The wind and freshwater runoff scenarios were determined by analyzing the historical wind data series at the Rio Grande station and the freshwater discharge of the main tributaries of Guaíba Lake. The results for the scenarios of the southwest and northeast winds were similar to those observed in the literature using a two-dimensional hydrodynamic model. In the northeast region, a circulation cell between the Banco das Desertas and Banco dos Abreus is observed clockwise (counter-clockwise) for the southwest (northeast) wind scenarios. The southeast wind increases water level in the west margin and reduces in the east margin. It is observed a more intense water exchange in the region to the north of the Banco das Desertas and less water exchange with the Casamento Lagoon than in the previous scenarios. In null wind speed scenarios, the water velocities in the northeast region of the lagoon are quite low. The water inflow necessary to maintain the water level in the lagoon depends on the wind condition. Different wind scenarios produced different effluent plumes, following the local water circulation patterns. The highest concentrations were observed at the effluent discharge site for the scenario with null wind speed and the largest area of influence was observed for the northeast wind scenario (highest simulated wind speed). Due to the only 5-days period of simulation, little influence was observed of the freshwater runoff on the water level and on the lagoon circulation, and, consequently, on the dispersion of pollutants. This evidences the need for the maximum permitted concentrations of pollutants to be established based on a study of the physical dispersion of the effluent in the receiving water body, as determined by national legislation for water bodies where the reference flow does not apply. The simulations also allowed to identify priority sites for monitoring the effects of effluent discharge on water quality, critical scenarios for water use conflicts considering other uses, and to verify possible consequences of changes in emissary length.

Os custos econômicos e perdas potenciais de vidas humanas resultantes de falhas em sistemas de drenagem de águas pluviais podem ser enormes, aumentando a importância da procura de melhores métodos de dimensionamento destes, sendo a estimativa do hidrograma de projeto parte essencial do dimensionamento. O método de precipitação de projeto é um dos mais usados para a estimativa do hidrograma de projeto com base nos dados de precipitação em bacias urbanas, entretanto, este método tem suas limitações e incertezas que podem influenciar as características do hidrograma de projeto resultante, incertezas que são, em consequência, transferidas ao dimensionamento hidráulico das obras propostas. No presente trabalho são avaliados os efeitos da discretização espacial da bacia, da discretização temporal e posição do pico do hietograma de projeto, nas principais características do hidrograma de projeto resultante, utilizando a modelagem hidrológica-hidrodinâmica através dos modelos IPHS1 e SWMM 5.0. O impacto do valor adotado nesses critérios de projeto é ainda avaliado no dimensionamento hidráulico do sistema de macrodrenagem dos bairros suburbanos de Mavalane “A” e Maxaquene “A”, localizados na cidade de Maputo em Moçambique. Os resultados obtidos mostram uma influência importante nas características do hidrograma de projeto: vazão de pico, tempo de pico e volume parcial e, consequentemente, no dimensionamento da rede de macrodrenagem, sendo o efeito da discretização espacial da bacia o mais influente, seguido dos efeitos da posição do pico da chuva e intervalo de tempo. The economic costs and potential losses of human lives due to failure in stormwater drainage systems can be significant, calling for an improvement in methods used for its design, the estimation of the design flood hydrograph being an essential part of this process. The use of the design storm approach, also known as “single-event design-storm” is widespread in formulating design flood hydrograph from historical rainfall data in urban watersheds. However, this approach has uncertainties which can affect the resulting design flood hydrograph, and consequently, the hydraulic design of proposed structures. This study assessed the effects of spatial discretization of the watershed, the temporal discretization and peak position of the design hyetograph, on the main features of the resulting design flood hydrograph. The impact of the adopted values on these design criteria is then assessed in the hydraulic design of the major stormwater drainage system of Mavalane “A” and Maxaquene “A” neighborhoods, located in Maputo city in Mozambique. The results show an important influence of the assessed effects on the design flood hydrograph features :the hydrograph peak, time to peak and volume and, consequently, on the design of the major stor- mwater drainage system, the spatial discretization of the watershed being the most relevant, followed by the position of the hyetograph peak and time interval.

O uso de tecnologias para redução da evaporação de reservatórios pode ajudar regiões áridas e semiáridas a superar a escassez hídrica. Alguns mecanismos, como filmes monomoleculares e estruturas flutuantes, podem apresentar efeitos negativos nos ambientes aquáticos e na qualidade da água. Este trabalho investigou a eficácia de três mecanismos de redução de evaporação que possuem alto desempenho ambiental: coberturas suspensas, destratificadores e quebra-ventos. A análise foi conduzida com o modelo DYRESM em um reservatório localizado no sudeste do estado de Queensland, Austrália. O modelo foi primeiramente calibrado e validado para o reservatório em estudo. Em seguida, as condições de contorno foram alteradas para refletir os efeitos dos mecanismos de redução de evaporação no comportamento térmico do reservatório. O método mais eficaz foi o uso de coberturas suspensas, que reduziu em 88% a evaporação. O uso de quebra-ventos reduziu em 27% a evaporação, e o uso de destratificadores não teve efeito significativo na redução da evaporação. Para cada um dos mecanismos estudados, uma análise compreensiva dos seus efeitos na temperatura da água e nas taxas de evaporação foi efetuada, inferindo sobre os potenciais resultados do uso destes mecanismos em reservatórios de outras condições climáticas.

Na Laguna dos Patos, a exemplo do usualmente observado em lagoas costeiras, o crescimento populacional e o desenvolvimento econômico no seu entorno têm levantado importantes questões relativas aos impactos negativos dessas atividades no corpo hídrico. Um bom conhecimento dos processos hidrodinâmicos envolvidos é essencial para responder estas questões e melhorar a gestão dos recursos hídricos locais. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise de sensibilidade, a calibração e validação do módulo hidrodinâmico do modelo IPH-A na Laguna dos Patos, a fim de que o mesmo possa ser posteriormente utilizado como ferramenta de auxílio à gestão integrada deste corpo d’água. A variação de nível dos postos fluviométricos disponíveis para a Laguna dos Patos e Lago Guaíba foram representadas satisfatoriamente, exceto para a região estuarina, onde os parâmetros calibrados devem ser utilizados com cautela. Combinado a fácil utilização do modelo IPH-A e disponibilidade dos dados necessários, o modelo apresenta-se como uma importante ferramenta a ser utilizada na gestão deste corpo hídrico. Como continuação deste trabalho será analisada, a simulação de dispersão de poluentes pelo modelo, de modo a integrar os aspectos quantitativos e qualitativos. In Patos Lagoon, population growth and economic development have raised important issues regarding the negative impacts of these activities in the water body. Good knowledge of the hydrodynamic processes is essential to answer these questions and improve the water resources management. In this context, this paper presents a sensitivity analysis, calibration and validation of the hydrodynamic model IPH-A in Patos Lagoon, aiming at the future use of this tool for the integrated management of this water body. The model showed great sensitivity to the boundary conditions adopted, and to the parameters of wind stress and surface roughness. The level variation of fluviometric stations in Patos Lagoon and Lake Guaiba were simulated satisfactorily, except for the estuary, where the calibrated parameters should be used with caution. As the IPH-A is an easy-to-use model, and required data is often available, the model can be an important tool to be used in the management of this water body. In a continuation of this study, the simulation of pollutant dispersion in the model will be analyzed in order to integrate the quantitative and qualitative aspects.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

La propagación de una crecida se define, en forma básica, como el procedimiento de cálculo requerido para determinar el hidrograma en una determinada sección del curso de agua, partiendo de un hidrograma conocido en una sección aguas arriba. El cálculo se efectúa mediante la implementación de modelos matemáticos los cuales resuelven numéricamente las ecuaciones que gobiernan la dinámica del proceso físico. Desde el punto de vista hidráulico el tránsito de una crecida establece un régimen de flujo impermanente gradualmente variado. La descripción unidimensional completa del proceso puede efectuarse en función de dos variables dependientes del tiempo t y del espacio x: Q(x,t) y h(x,t), donde Q y h son el caudal y la profundidad de la corriente hídrica respectivamente. Evidentemente es necesario contar con dos ecuaciones para poder resolver el problema. En el caso de los modelos hidrodinámicos, las mismas están representadas por las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento, conocidas como ecuaciones de Barré de Saint Venant debido al desarrollo efectuado por el mismo autor en 1871. Existen además modelos simplificados de propagación del tipo “hidrológico” los cuales se basan en la ecuación de continuidad integrada en un segmento elemental de traslado y en una función de almacenamiento, como por ejemplo, el modelo desarrollado por Mc Carthy (1938) y aplicado por primera vez en el río Muskingum, el cual es conocido como Método de Muskingum. En este Capítulo se describen los distintos tipos de modelos hidrodinámicos, analizando las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento con sus posibles simplificaciones. Se realiza, además, una breve introducción a la técnica de diferencias finitas utilizada para resolver las ecuaciones. Finalmente se presenta el método de propagación del tipo hidrológico.

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. 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.

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.

Las observaciones ópticas hiperespectrales y el desarrollo de nuevas estrategias de procesado son claves para el mejor entendimiento de los ecosistemas marinos y la distribución espacio-temporal de los parámetros ecológicos asociados. En este artículo se recogen las metodologías para implementar un simulador que resuelve información óptica hiperespectral correspondiente a ecosistemas marinos altamente dinámicos. Les observacions òptiques hiperespectrals i el desenvolupament de noves estratègies de processament són claus per al millor enteniment dels ecosistemes marins i la distribució espai-temporal dels paràmetres ecològics associats. En aquest article es recullen les metodologies per implementar un simulador que resol informació òptica hiperespectral corresponent a ecosistemes marins altament dinàmics. Hyperspectral optical observations and the development of new processing strategies are key to a better understanding of marine ecosystems and the spatio-temporal distribution of associated ecological parameters. In this article we present the methodologies to implement a simulator that solves hyperspectral optical information corresponding to highly dynamic marine ecosystems.

RESUMO Na modelagem computacional de corpos de água naturais há situações nas quais estruturas verticais esbeltas como pilares de ponte fazem parte do domínio de modelagem. Neste trabalho avalia-se quatro técnicas para modelar a presença de pilares de pontes: Refinamento de Malha (RM), Ilha Nodal (IN), Termo de Tensão Adicional (TTA) e Aumento da Rugosidade do Fundo (ARF). Para cada uma delas são discutidas suas vantagens e desvantagens. Dentre as técnicas avaliadas, o método do Termo de Tensão Adicional (TTA) se mostrou o mais vantajoso por permitir reduzir o custo computacional, assim como alterar o valor do coeficiente de arrasto dependendo da geometria da estrutura. Quando comparados os resultados de perfis de velocidades longitudinais, observou-se que a técnica de TTA consegue assemelhar os valores da técnica de RM a partir de uma distância de 100 m a jusante dos pilares. Por esse motivo, concluiu-se que o método de TTA é apropriado para o estudo de processos distantes das estruturas, fora da esteira logo a jusante. O trabalho apresenta um estudo de sensibilidade do coeficiente de arrastro de pilares com seção circular que permite ao leitor ter uma noção da influência deste coeficiente. ABSTRACT In the computational modeling of water environments there are cases where slender vertical structures, like bridge piers, are part of the modeling domain. In this work, four strategies for modeling the presence of bridge piers were studied: Mesh Refinement (MR), Nodal Island (NI), Additional Stress Term (AST) and Increasing Bottom Roughness (IBR). For each method, advantages and disadvantages were discussed. AST was the most favorable of the techniques studied due to the fact that it drastically decreases the time of computation, as well as providing the possibility to choose the drag coefficient according to the pier geometry and hydrodynamic condition. Comparing the results of longitudinal centerline velocity profiles, it has been observed that the AST method provides similar results to the RM method from a distance of 100 m downstream of the pier. For this reason, the research concludes that the AST method is appropriate to evaluate the flow distant from the structures, outside the near wake. This work presents a sensibility study of the pier drag coefficient to make the reader aware of the influence of this parameter.

O método de Muskingum-Cunge é amplamente utilizado para cálculos de propagação de vazão em rios, especialmente como um módulo de modelos hidrológicos mais complexos. Na sua forma não linear este método permite representar a propagação de cheias em rios com planícies de inundação e permite estimar com mais eficácia as vazões extremas. Entretanto, problemas na conservação de volume podem ocorrer em função da aplicação de esquemas não lineares. Modificações recentes foram propostas ao método de Muskingum-Cunge não linear pa ra compensar ou evitar estes erros de volume. Uma dessas modificações, proposta por Todini (2007), denominada aqui de método Muskingum-Cunge-Todini (MCT). O presente trabalho avalia o método MCT em termos comparativos com outros métodos de propagação de vazão em um canal hipotético, além de verificar sua aplicação em um trecho do Rio São Francisco, Brasil. Para a avaliação dos resultados foram utilizadas dois indicadores de desempenho: o coeficiente de Nash-Sutcliffe e o erro de volume. A aplicação comparativa no canal hipotético o confirmou que o modelo de Muskingum-Cunge não linear convencional não conserva o volume adequadamente, sendo este problema mais pronunciado em rios de baixa declividade (erro maior que 4% para uma declividade de 0,0001 m/m). Além disso, foi observado que o modelo MCT praticamente elimina os erros de conservação de volume (erro de 0,01% para uma declividade de 0,0001 m/m). A aplicação do método MCT em um trecho do Rio São Francisco também apresentou resultados satisfatórios. O coeficiente de Nash-Sutcliffe alcançou um valor máximo de 0,98 enquanto o erro de volume médio foi de apenas 0,8%. The Muskingum-Cunge method is widely used to calculate streamflow routing in rivers, especially as a module for more complex hydrological models. In its non-linear form, this method allows representing flood routing in rivers with flood plains and allows estimating the extreme flows more effectively. However, volume conservation problems may occur because of the use of non-linear schemes. Recent modifications were proposed for the non-linear Muskingum-Cunge method, to compensate or avoid these volume errors. This modification was called Muskingum-Cunge-Todini (method (MCT). The present paper evaluates the MCT method comparing it to other streamflow routing methods in a hypothetical canal, besides looking at its application in a stretch of River Sâo Francisco, Brazil. To evaluate the results, two performance indicators were used: the Nash-Sutcliffe coefficient and volume error. The comparative application in the hypothetical canal confirmed that the conventional non-linear Muskingum-Cunge model does not conserve the volume adequately, and that this problem is more marked in low slope rivers (error greater than 4% for a 0.0001 m/m slope). Besides, it was observed that the MCT model practically eliminates the conservation errors of volume (error of 0.01% for a slope of 0.0001m/m). The MCT method used for a stretch of the River São Francisco also presented satisfactory results. The Nash-Sutcliffe coefficient achieved a maximum value of 0.98, while the mean volume error was only 0.8%.

Os modelos hidrodinâmicos baseados em esquemas numéricos explícitos vem se tornando atraentes pela facilidade de paralelização do seu código de programação. Este artigo apresenta a proposta de um modelo hidrodinâmico unidimensional para redes de rios ou canais baseado no esquema numérico preditor-corretor de MacCormack. Utiliza-se um tratamento para as confluências baseado em equações da continuidade na forma integral aplicada nos subtrechos definidos por cada seção da confluência e seção imediatamente a montante ou jusante no mesmo trecho de rio, e equações da continuidade e energia simplificadas nas seções da confluência. Também são apresentados testes de aplicação do modelo, comparando os resultados da nova proposta metodológica com resultados do modelo HEC-RAS. A proposta metodológica apresenta vantagens pela simplicidade e potencialidade para aplicações em processamento paralelo, o que pode trazer benefícios em termos de eficiência computacional na simulação de sistemas complexos. Hydrodynamic models based on explicit numerical schemes are becoming attractive because it is easy to parallel their programming code. This article presents the proposal of a one-dimensional hydrodynamic model for river or canal networks based on the predictor-corrector numerical scheme. A treatment is used for confluences based on continuity equations in the integral form applied in the sub-reaches defined by each section of the confluence and the section immediately upstream or downstream in the same river reach, and simplified continuity and energy equations in the sections of the confluence. Model application tests are also presented comparing the results of the new methodological proposal to the results of the HEC-RAS model. The methodological proposal is advantageous because of its simplicity and potential for applications in parallel processing, which may be beneficial in terms of computational efficiency to simulate complex systems.

Modelos hidrológicos são capazes de representar processos do ciclo hidrológico através de equações matemáticas. Dentre esses processos, a propagação de vazão nos rios é de grande importância, especialmente em bacias de grande escala. Em geral, o módulo de propagação de vazão implementado nos modelos hidrológicos é simplificado, sendo adotada uma versão da metodologia de onda cinemática, na maior parte dos casos. Apesar disso, modelos que utilizam essas metodologias produzem resultados aceitáveis na maioria das aplicações. Entretanto, bacias com rios de baixa declividade, com trechos sujeitos a remanso, ou com extensas planícies de inundação, podem não ser bem representados por metodologias de propagação simplificadas. Uma alternativa é o uso de modelos hidrodinâmicos para propagação de vazão. Entretanto, esses modelos necessitam de mais dados de entrada e possuem equacionamentos complexos. Uma opção de complexi- dade intermediária que pode ser adotada é utilizar uma aproximação das equações de Saint-Venant que despreza apenas o termo de inércia advectiva na equação dinâmica. Esta aproximação vem sendo chamada de modelo inercial, ou método inercial. Esse artigo apresenta uma proposta de uma nova versão do modelo hidrológico MGB-IPH, em que o módulo de propagação de vazões na rede de drenagem, originalmente baseado no método Muskingum-Cunge, é substituído pelo método inercial. Além disso, o artigo também apresenta uma forma de representar redes de drenagem com ilhas ou laços, e extensas áreas inundáveis. A bacia do rio Araguaia foi escolhida para testar a metodologia, por possuir rios com alta e baixa declividade e regiões de planície de inundação, como a Ilha do Bananal. Os resultados do modelo MGB-IPH com propagação Inercial foram comparados com a propagação por Muskingum-Cunge através de medidas de desempenho entre as vazões calculadas e observadase mapas de inundação. Os resultados mostraram que utilizando o método inercial, o modelo MGB-IPH representa melhor os efeitos de atenuação da onda de cheia do que utilizando o métodoMuskingum-Cunge. Os mapas de inundação calculados pelo modelo MGB-IPH com o método de propagação inercial foram comparados com imagens do sensor MODIS mostrando que é possível representar, em escala regional, grandes regiões inundáveis como a Ilha do Bananal, mesmo sem dados detalhados de seções transversais e de topografia. Hydrological models are capable of representing basin scale processes through mathematic equations. Among them, flow routing is important, especially for large-scale basins. Flow routing methods used in hydrologic models are commonly simplified, and show satisfactory results in most cases. However, low slope rivers, rivers with backwater effects, or rivers with large flood plains cannot be well represented by simplified flow routing methods. An alternative for them is the full Saint-Venant equations model (hydrodynamic model). Nevertheless, this model demands more input data and its equations are more complex. An easier option than the full Saint-Venant equations model is the Inertial model, which ignores the inertial term from the Momentum equation. This paper presents an improvement of the MGB-IPH hydrologic model, where the simplified flow routing method is replaced by the Inertial model. Furthermore, this paper shows a methodology to represent island sand/or bifurcations in rivers. The Araguaia river basin was selected as a case study due to its particular physical characteristics. Results of the MGB-IPH with Inertial flow routing model were compared to conventional MGB-IPH Muskingum-Cunge method results, and to observed flow data. General outcomes show that observed flow data are better represented by the new improved MGB-IPH model. Furthermore, the simulated flood plain areas were visually well represented in comparison with MODIS imagery.

"Herrera-Díaz, I. E., Rodríguez-Cuevas, C., CouderCastañeda, C., & Gasca-Tirado, J. R. (enero-febrero, 2015). Modelación numérica hidrodinámico-hidrológica en zonas de inundación con presencia de infraestructura. Tecnología y Ciencias del Agua, 6(1), 139-152. Se presenta la modelación numérica computacional de la hidrodinámica superficial e hidrológica de la zona de estudio donde se pretende construir infraestructura para la exploración de hidrocarburos en las márgenes del río Grijalva, México; para ello se muestra el análisis de la información meteorológica, determinando los valores de intensidad de precipitación, temperaturas, evaporación y una estimación de los gastos, correspondiente al año 2014; las zonas de inundación se estimaron con el uso de programas desarrollados en Fortran y Matlab, que resuelven las ecuaciones de Navier-Stokes-Reynolds para flujos a superficie libre y la intensidad de precipitación con la distribución de Gumbel, con parámetros estimados mediante el método de Momentos Ponderados con Probabilidad (MPP), con los cuales, mediante una malla numérica de la topografía, en conjunto con los valores meteorológicos, como condiciones iniciales y forzantes, se determina la magnitud de la inundación del área de estudio, así como la obtención de gastos, velocidades y el funcionamiento hidráulico de las obras de mitigación propuestas para preservar el balance hidrológico del sistema. Tecnología y Ciencias del Agua, vol. VI, núm. 1, enero-febrero de 2015, pp. 139-152 Modelación numérica hidrodinámico-hidrológica en zonas de inundación con presencia de infraestructura"

Em estudos de inundações, tem-se grande dificuldade para estimar a distribuição temporal de precipitação. O objetivo do presente trabalho foi analisar a influência dos padrões temporais da precipitação no mapeamento de inundações. Foi investigado o caso da Bacia do Braço do Baú (48 km²) no município de Ilhota/SC. Quatro hietogramas com formatos diferentes aplicados a dois casos de saturação de solo foram projetados e utilizados na modelagem hidrológica e hidrodinâmica para a criação de mapas de inundação. Os resultados permitem concluir que, para diferentes distribuições temporais de precipitação, existe relevante variação das vazões de pico. A velocidade do escoamento superficial tem grande variação e afeta diretamente o Índice de Perigo da inundação. Consequentemente, confirma-se uma forte influência da distribuição temporal nas características da inundação. In flood studies it is very difficult to estimate the time distribution of precipitation. Therefore, the objective of this study was to analyze the influence of the time distribution of precipitation on hydrographs and on flood areas. The case of Braço do Baú basin (48 km²), in Ilhota, SC, Brazil was then investigated as a case study. Four hyetographs with different patterns but the same quantity of precipitation were projected and used in hydrologic and hydrodynamic modeling with two different soil saturation conditions. The results obtained allow the conclusion that, in accordance with different time-distributions of precipitation, there is a major variation in hydrograph peaks. Large variations in flood flow velocity occur, which directly affect the Flood Hazard Index. Thus, a strong influence of time distribution of the precipitation on flood mapping is confirmed.

El flujo libre se presenta cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente confinados por un contorno sólido. En la predicción de las variables de flujo para diferentes condiciones tiene gran importancia el desarrollo de modelos y simulaciones numéricas hidrodinámicas con precisión adecuada que permiten la correcta planificación de obras. Se ha estudiado el uso de modelos analíticos en la solución de fenómenos de mecánica de los fluidos, que están basados en las leyes de conservación de masa, momento y energía. Según sea el grado de simplificación al que se pueda llegar, manteniendo el nivel de precisión y verificando un buen comportamiento de lo modelado respecto a la naturaleza, se tienen los esquemas hidrodinámicos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. Las confluencias son ambientes complejos ya que la convergencia de flujos produce complicados patrones de movimiento de fluidos. En este trabajo se presenta la formulación, métodos de solución y metodologías en general para el desarrollo de modelos físicos y matemáticos en flujos a superficie libre. Para ello se estudió la confluencia del arroyo La Cañada y el río Suquía en la Ciudad de Córdoba. The free flow occurs when the liquid flows by gravity and only partially confined by a solid circle. In the prediction of the flow variables for different conditions is of great importance to develop hydrodynamic models and numerical simulations with adequate precision to allow proper planning of works. We have studied the use of analytical models in solving phenomena fluid mechanics, which are based on the laws of conservation of mass, momentum and energy. Depending on the degree of simplification that can be reached while maintaining the level of accuracy and verify what good behavior modeled on the nature, there are one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional hydrodynamic schemes. A confluence is a complex adaptive convergence since complicated flow parameters produce fluids movement. In this paper the formulation, solution methods and methodologies for developing overall physical and mathematical models for free surface flows is presented. For this study the confluence of the La Cañada stream and Suquía River both of the City of Córdoba. Cuenca Volumen 5 (2014)

Este trabalho parte da hipótese que a hidrodinâmica influencia o metabolismo de um lago. Para testar esta hipótese, este estudo utilizou uma estratégia numérica baseada em processos para avaliar o efeito da hidrodinâmica (governada pelo vento) sobre as estimativas de metabolismo (GPP, NEP e R) considerando a heterogeneidade espacial da lagoa Mangueira, um grande lago raso subtropical na costa sul do Brasil. O efeito da hidrodinâmica dominada pelo vento no metabolismo foi avaliado pela mudança da série de vento original (direção e intensidade), totalizando cinco novos cenários de vento. A avaliação espacial foi desenvolvida em quatro áreas (Norte, Centro, Sul e a lagoa como um todo) e em zonas biológicas (zona limnética e zona litorânea). Os resultados indicaram que há diferenças nas estimativas de metabolismo (GPP, NEP e R) entre as regiões da lagoa Mangueira considerando a situação com a série de vento original. Em geral, a diferença média nas estimativas de metabolismo entre a região Norte e a região Sul foi de 3,81 mgO2/m³/dia (p-value0, em 41,0 % do tempo) e períodos heterotróficos (NEP0, 41.0% of the time), and heterotrophic periods (NEP

Le bassin Amazonien est connu comme le plus grand système hydrologique du monde et pour son rôle important sur le système terre, influençant le cycle du carbone et le climat global. Les pressions anthropiques récentes, telles que la déforestation, les changements climatiques, la construction de barrage hydro-électriques, ainsi que l’augmentation des crues et sécheresse extrêmes qui se produisent dans cette région, motivent l’étude de l’hydrologie du bassin Amazonien. Dans le même temps, des méthodes hydrologiques de modélisation et de surveillance par observation satellitaire ont été développées qui peuvent fournir les bases techniques à cette fin. Ce travail a eu pour objectif la compréhension et la prévision du régime hydrologique du bassin Amazonien. Nous avons développé et évaluer des techniques de modélisation hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, d’assimilation de données in situ et spatiales et de prévision hydrologique. L’ensemble de ces techniques nous a permis d’explorer le fonctionnement du bassin Amazonien en terme de processus physiques et de prévisibilité hydrologique. Nous avons utilisé le modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle MGB-IPH pour simuler le bassin, le forçage précipitation étant fourni par l’observation spatiale. Les résultats de la modélisation sont satisfaisants lorsque validés à partir de données in situ de débit et de hauteurs d’eau mais également de données dérivées de l’observation spatiale incluant les niveaux d’eau déduits de l’altimétrie radar, le contenu en eau total issu de la gravimétrie satellitaire, l’extension des zones inondées. Nous avons montré que les eaux superficielles sont responsables en grande partie de la variation du stock total d’eau, l’influence des grands plans d’eau sur la variabilité spatiale des précipitations et l’influence des plaines d’inondation et des effets de remous sur la propagation des ondes de crues. Nos analyses ont montré le rôle prépondérant des conditions initiales, en particulier des eaux superficielles, pour la prévisibilité des grands fleuves Amazoniens, la connaissance des précipitations futures n’ayant qu’une influence secondaire. Ainsi, pour améliorer l’estimation des variables d’état hydrologiques, nous avons développé, pour la première fois, un schéma d’assimilation de données pour un modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, pour l’assimilation de données de jaugeages in situ et dérivées de l’altimétrie radar (débit et hauteur d’eau), dont les résultats se sont montrés satisfaisants. Nous avons également développé un prototype de système de prévision des débits pour le bassin Amazonien, basé sur le modèle initialisé avec les conditions initiales optimales fournies par le schéma d’assimilation de données, et en utilisant la pluie estimée par satellite disponible en temps réel. Les résultats ont été prometteurs, le modèle étant capable de prévoir les débits dans les principaux fleuves Amazoniens avec une antécédence importante (entre 1 et 3 mois), permettant d’anticiper, par exemple, la sècheresse extrême de 2005. Ces résultats démontrent le potentiel de la modélisation hydrologique appuyé par l’observation spatiale pour la prévision des débits avec une grande antécédence dans les grands bassins versant mondiaux. A bacia Amazônica se destaca como o principal sistema hidrológico do mundo e pelo seu importante papel no sistema terrestre, influenciando o ciclo de carbono e o clima global. Recentes pressões antrópicas, como o desflorestamento, mudanças climáticas e a construção de barragens hidroelétricas, somados às crescentes cheias e secas extremas ocorridas nesta região, motivam o estudo da hidrologia da bacia Amazônica. Ao mesmo tempo, têm se desenvolvido métodos hidrológicos de modelagem e monitoramento via sensoriamento remoto que podem fornecer as bases técnicas para este fim. Este trabalho objetivou a compreensão e previsão da hidrologia da bacia Amazônica. Foram desenvolvidas e avaliadas diversas técnicas, incluindo de modelagem hidrológica-hidrodinâmica de larga escala, de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e de previsão hidrológica. Este conjunto de técnicas foi utilizado para compreender o funcionamento da bacia Amazônica em termos de seus processos hidrológicos e sua previsibilidade hidrológica. O modelo hidrológico-hidrodinâmico de larga escala MGB-IPH foi utilizado para simular a bacia, sendo forçado com dados de chuva estimados por satélite. O modelo mostrou bom desempenho em uma validação detalhada contra observações de vazões e cotas in situ além de dados oriundos de sensoriamento remoto, incluindo níveis d’água de altimetria por radar, armazenamento d’água de gravimetria espacial e extensão de áreas alagadas. Mostrou-se a dominância das águas superficiais nas variações do armazenamento de água, a influência dos grandes corpos d’água sobre a variabilidade espacial da precipitação, além da importância das várzeas da inundação e efeitos de remanso sobre a propagação das ondas de cheia Amazônicas. As condições hidrológicas iniciais, com destaque para as águas superficiais, mostraram dominar a previsibilidade hidrológica nos grandes rios amazônicos, tendo assim a precipitação no futuro um papel secundário. Portanto, afim de melhor estimar os estados hidrológicos, de forma pioneira, foi desenvolvido um esquema de assimilação de dados para um modelo hidrológicohidrodinâmico de larga escala para assimilar informações in situ e de altimetria por radar, cujo desempenho se mostrou satisfatório. Desenvolveu-se também um protótipo de sistema de previsão de vazões para a bacia Amazônica, baseado no modelo inicializado com condições iniciais ótimas do esquema de assimilação de dados e utilizando precipitação estimada por satélite disponível em tempo real. Os resultados foram promissores e o modelo foi capaz de prever vazões nos principais rios amazônicos com grande antecedência (~1 a 3 meses), antecipando, por exemplo, a grande seca de 2005. Estes resultados mostram o potencial da modelagem hidrológica de larga escala apoiada por informação de sensoriamento remoto na previsão de vazões com alta antecedência nas grandes bacias hidrográficas do mundo. The Amazon basin is known as the world’s main hydrological system and by its important role in the earth system, carbon cycle and global climate. Recent anthropogenic pressure, such as deforestation, climate change and the construction of hydropower dams, together with increasing extreme floods and droughts, encourage the research on the hydrology of the Amazon basin. On the other hand, hydrological methods for modeling and remotely sensed observation are being developed, and can be used for this goal. This work aimed at understanding and forecasting the hydrology of the Amazon River basin. We developed and evaluated techniques for large scale hydrologic-hydrodynamic modeling, data assimilation of both in situ and remote sensing data and hydrological forecasting. By means of these techniques, we explored the functioning of the Amazon River basin, in terms of its physical processes and its hydrological predictability. We used the MGB-IPH large scale hydrologichydrodynamic model forced by satellite-based precipitation. The model had a good performance when extensively validated against in situ discharge and stage measurements and also remotely sensed data, including radar altimetry-based water levels, gravimetric-based terrestrial water storage and flood inundation extent. We showed that surface waters governs most of the terrestrial water storage changes, the influence of large water bodies on precipitation spatial variability and the importance of the floodplains and backwater effects on the routing of the Amazon floodwaves. Analyses showed the dominant role of hydrological initial conditions, mainly surface waters, on hydrological predictability on the main Amazon Rivers, while the knowledge of future precipitation may be secondary. Aiming at the optimal estimation of these hydrological states, we developed, for the first time, a data assimilation scheme for both gauged and satellite altimetry-based discharge and water levels into a large scale hydrologic-hydrodynamic model, and it showed a good performance. We also developed a forecast system prototype, where the model is based on initial conditions gathered by the data assimilation scheme and forced by satellite-based precipitation. Results are promising and the model was able to provide accurate discharge forecasts in the main Amazon rivers even for very large lead times (~1 to 3 months), predicting, for example, the historical 2005 drought. These results point to the potential of large scale hydrological models supported with remote sensing information for providing hydrological forecasts well in advance at world’s large rivers and poorly monitored regions.

RESUMEN: Se presenta el proceso de calibración y validación de un modelo hidrodinámico para simular las mareas, corrientes y condiciones de salinidad y temperatura en el área costera de la bahía de Santa Marta. Se desarrolla una metodología que incluye la implementación numérica del modelo y el desarrollo de mediciones de campo que se comparan con las simulaciones. Se estima el error entre las mediciones y las simulaciones para determinar cuantitativamente la confiabilidad del modelo. ABSTRACT: This paper presents the calibration and validation of a hydrodynamic model to simulate the tides, currents and salinity and temperature conditions in the coastal area of Santa Marta Bay. The methodology used includes the numeric implementation of the model, the development of field measurements, and measurements data compared with simulations data. The error between measurements and simulations data was estimated to determine the quantitative reliability of the model.

En la actualidad, la disponibilidad de modelos digitales de elevación digital (MDEs) para representar la superficie de la tierra permite el acoplamiento de modelos hidráulicos con sistemas de información geográfica (SIG) para determinar la extensión de una inundación y los niveles del agua en la llanura de inundación. Muchos estudios de mapeo de inundaciones se han realizado usando modelos hidrodinámicos unidimensionales y bidimensionales (1D/2D). Algunos autores indican que los modelos hidráulicos 2D son la tecnología de punta para la modelación de inundaciones. Sin embargo, éstos modelos tienen la desventaja de que su aplicación está limitada por los altos requerimientos de datos, hardware y software. A su vez, los modelos 1D son ampliamente usados y dan resultados precisos en el cauce principal del río, pero son menos exactos para modelar el flujo de desbordamiento sobre las márgenes hacia las planicies adyacentes. El objetivo de ésta investigación es evaluar la precisión de la modelación de crecidas en las llanuras de inundación, comparando una aproximación cuasi-2D usando un modelo 1D con un modelo 2D completo. Los modelos fueron probados para el río Dender en Bélgica para tres eventos de inundación históricos. Nowadays, the availability of high resolution Digital Elevation Models (DEMs) to represent the earth surface allows coupling of hydraulic models with Geographic Information Systems (GIS) to obtain the flood extent and water levels in floodplains. Many studies on flood mapping have been conducted using one or two dimensional (1D/2D) hydrodynamic models. Some authors affirm that 2D hydraulic models are the state of the art for river flood modeling. They have, however, the disadvantage that their application is constrained by the high requirements for data, hardware and software. 1D models are capable of modeling precisely the flow in main rivers, but are less accurate for modeling over bank flow. The aim of the investigation is to test the accuracy for river floodplain modeling comparing a quasi-2D approach using a 1D model with a full 2D approach. The models were tested for the river Dender in Belgium for three historical flood events. Cuenca volumen 2; número 1 (julio 2011)

Esse trabalho identificou, testou e aprimorou modelos de propagação de vazão simplificados a fim de verificar as vantagens e desvantagens dos modelos. As soluções apresentadas por esses modelos foram testadas com um modelo hidrodinâmico completo, considerado nesse trabalho como resultados ideias. Os modelos hidrodinâmicos simplificados testados foram: Um modelo não linear de Onda Cinemática, o modelo Muskingum-Cunge linear, duas versões do modelo Muskingum-Cunge não linar, o modelo Muskingum-Cunge modificado por Todini e o modelo IPHS1. O modelo hidrodinâmico completo utilizado nesse trabalho foi o modelo HEC-RAS. Desenvolveu-se ainda uma metodologia para representar o efeito da planície de inundação. Essa metodologia foi implementada nos modelos hidrodinâmicos simplificados. Para avaliar o comportamento dos diferentes modelos de propagação disponíveis foram criados testes numéricos em que foram aplicados os diferentes modelos, com variação de características dos hidrogramas sintético de entrada, das características do leito do rio e da planície de inundação, e dos critérios de discretização temporal e espacial. A avaliação dos resultados foi feita através dos erros de conservação de volume, de vazão de pico e de tempo de ocorrência da vazão de pico. Além disso, também foram considerados, em alguns testes, os critérios de aplicabilidade de Ponce para onda cinemática e difusão além da formulação do Δx ideal proposto por Fread. Os resultados mostram que o modelo Muskingum-Cunge Todini, modificado para representar o efeito da planície de inundação, é muito promissor. Esse modelo apresentou resultados que se aproximaram muito dos resultados obtidos pelo HEC-RAS, enquanto os outros modelos hidrodinâmicos simplificados apresentaram resultados piores. Com relação aos critérios de aplicabilidade, recomenda-se o uso de um Δx três vezes menor do que o valor sugerido por Fread. Além disso, pode-se concluir que os modelos simplificados podem ser utilizados fora dos limites de aplicabilidade sugeridos por Ponce. This work has identified, tested and improved simplified flood routing models to verify the advantages and disadvantages presented. The solutions provided by these models were tested by using a full hydrodynamic model considered in this work as an ideal result. The simplified hydrodynamic models used were: A variable parameter kinematics wave model, the Muskingum-Cunge flood routing model, the variable parameter Muskingum-Cunge flood routing model (three and four points scheme) the Muskingum-Cunge modified by Todini (MCT) and the model IPHS1. The full hydrodynamic model used was HEC-RAS. It was also proposed a procedure to represent the effect of the floodplain rivers. To evaluate the behavior of different flood routing models numerical tests were created and were applied to then. The characteristics of synthetic inflow hydrographs, the characteristics of riverbed and floodplain, and the criteria for temporal and spatial discretization were perturbed. The evaluation of the results was made through the errors of conservation of volume, peak flow and time of occurrence of peak flow. Moreover, it was also considered, in some tests, applicability criteria recommended by some authors for different models, such as models of kinematic flood wave and diffusive flood wave. The results show that the Muskingum Cunge Todini, modified to represent the effect of the floodplain flow is very promising. Finally, it is also shown that this model closely approaches the full Saint Venant equation solution (HEC-RAS). The others models were worse than HEC-RAS and MCT. About applicability criteria, it recommends the use of the Δx three times smaller than the value suggested by Fread. Moreover, the simplified hydrodynamic models can be used outside limits of applicability suggested by Ponce about kinematic and diffusive wave.