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This study aims to compare methodologies for investigating sediment transport in the Jacuí River and determine the most suitable approach as an environmental management tool. For this purpose, sedimentation rates were calculated using three methods: solids discharge, volume difference, and hydrosedimentological modeling. In the first, sedimentation rates were obtained by comparing the difference in sediment transport between sections. In the second, they were calculated for different mineral extraction areas based on the difference in sediment volumes. Finally, a computational sediment modeling was conducted for the section between Vale Verde and Amarópolis for the period from 2012 to 2019, which indicated a predominance of sedimentation in the region. The first methods were qualitatively compared with the model. It was concluded that the sediment measurement difference method is the most suitable, simple and effective tool for the proposed objective., Este trabalho objetiva comparar metodologias para a investigação do transporte de sedimentos no rio Jacuí, e assim apontar qual melhor se aplica enquanto ferramenta de gestão ambiental. Para tal, foram calculadas as taxas de sedimentação por três métodos: descarga de sólidos, diferença de cubagens e modelagem hidrossedimentológica. No primeiro, as taxas de sedimentação foram obtidas pela diferença de transporte de sedimentos entre seções. No segundo, foram calculadas para diferentes trechos de extração mineral por meio da diferença de volumes de sedimentos. Por fim, foi realizado o modelamento computacional de sedimentos do trecho entre Vale Verde e Amarópolis para o período de 2012 a 2019, o qual indicou predominância de sedimentação na região. Os primeiros métodos foram comparados qualitativamente com o modelo. Concluiu-se que o método da diferença de cubagens é a ferramenta mais adequada, simples e eficaz o objetivo proposto.

The study of the interaction between hydraulic structures in mobile bed river systems is complex because it involves sediment transport and dynamic changes in the boundary conditions, requiring the use of physical models. This article presents the procedure for the design and construction of a physical model of the reservoir and dam of the Small Hydroelectric Power Plant (SHPP) of Salto Paraopeba. In the design phase, computational modelling of sediment transport was used to reconstitute the primitive geometry of the river, and simulations of the flow regime and the transport capacity along the course of the river were also carried out; both results allowed to delimit the model extension. Considering the choice of scale and the similarity criteria between the model and the prototype, the use of a new alternative material was proposed, composed of crushed tire rubber particles, with a lower specific mass and a larger diameter than the prototype's sediment. In the construction phase, a new constructive method of the physical model was applied using fiberglass, the method presents constructive advantages, such as better representation of the morphology, lower weight, simple installation and uninstallation through modules, and simple and fast repairs, among others. RESUMO O estudo da interação entre estruturas hidráulicas em sistemas fluviais de leito móvel é complexo pois envolve transporte de sedimentos e mudanças dinâmicas nas condições de contorno, sendo necessário o uso de modelos físicos. Este artigo apresenta o procedimento para o desenho e construção de um modelo físico do reservatório e da barragem da Pequena Central Hidroelétrica (PCH) de Salto Paraopeba. Na fase de desenho, foi utilizada a modelagem computacional de transporte de sedimentos para a reconstituição da geometria primitiva do rio, também foram realizadas simulações do regime do escoamento e da capacidade de transporte ao longo do curso do rio; ambos os resultados permitiram delimitar a extensão do modelo. Considerando a escolha da escala e os critérios de semelhança entre o modelo e o protótipo, foi proposto o uso de um novo material alternativo, composto por partículas de borracha de pneu trituradas, de massa específica menor e diâmetro maior do que o sedimento do protótipo. Na fase de construção, foi aplicado um novo método construtivo do modelo físico empregando fibra de vidro, o método apresenta vantagens construtivas como melhor representação da morfologia, menor peso, instalação e desinstalação simples mediante módulos, e reparações simples e rápidas, entre outras.

El transporte de sedimentos es un proceso natural que tiene gran importancia en procesos hidráulicos, geomorfológicos y ecológicos de los cuerpos de agua (IDEAM, 2007). La dinámica de los sedimentos genera condiciones favorables de biodiversidad a lo largo del río, desde su inicio hasta la zona costera (González Parra & Moreno Barco, 2022). La presente tesis tiene como objetivo desarrollar una metodología para la evaluación del transporte de sedimentos en cauces pequeños y medianos, con el fin de estimar los cambios en el perfil y las secciones transversales del cauce. Para su elaboración se tomaron como referencia los documentos “Protocolo para el monitoreo y seguimiento del agua” (IDEAM) y “Lineamientos generales para el manejo de sedimentos a nivel de cuenca hidrográfica en el marco de la Gestión Integral del Recurso Hídrico” (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible). En la metodología propuesta se explican los pasos necesarios para elaborar un modelo de transporte de sedimentos unidimensional empleando el software HEC-RAS. A partir de la guía metodológica presentada se elaboraron dos modelos de transporte de sedimentos que evalúan la condición actual y futura de un tramo del arroyo San Antonio, ubicado en la zona del proyecto minero La Loma, en el departamento del Cesar, Colombia. En general, los resultados obtenidos de las modelaciones para la condición futura muestran que los cambios que ocurrirían aguas abajo de la entrega del realineamiento definitivo del arroyo San Antonio son muy similares a los que ocurrirían aguas abajo del realineamiento No. 4 del arroyo San Antonio, que corresponde a la condición actual. Sin embargo, es necesario que el modelo de transporte de sedimentos se actualice constantemente, con base en la nueva información de campo disponible. Este proyecto es relevante en el campo de recursos hidráulicos y medio ambiente, ya que para resolverlo se necesitan conocimientos en hidráulica a superficie libre e hidráulica fluvial, y puede ser útil para la toma de decisiones en materia de gestión de cauces naturales., Sediment transport is a natural process that has great importance in hydraulic, geomorphological and ecological processes of water bodies (IDEAM, 2007). Sediment dynamics generates favorable conditions for biodiversity along the river, from its beginning to the coastal zone (González Parra & Moreno Barco, 2022). The objective of this thesis is to develop a methodology for the evaluation of sediment transport in small and medium-sized channels, in order to estimate changes in the profile and cross sections of the channel. The documents "Protocol for water monitoring and follow-up" (IDEAM) and "General guidelines for sediment management at river basin level within the framework of Integrated Water Resource Management" (Ministry of Environment and Sustainable Development) were used as references for its elaboration. The proposed methodology explains the steps required to develop a one-dimensional sediment transport model using the HEC-RAS software. Based on the methodological guide presented, two sediment transport models were developed to evaluate the current and future condition of a section of the San Antonio stream, located in the area of the La Loma mining project, in the department of Cesar, Colombia. In general, the results obtained from the modeling for the future condition show that the changes that would occur downstream of the delivery of the definitive realignment of San Antonio stream are very similar to those that would occur downstream of Realignment No. 4 of San Antonio stream, which corresponds to the current condition. However, the sediment transport model needs to be constantly updated based on new field information available. This project is relevant in the field of water resources and environment, as it requires knowledge in free surface hydraulics and river hydraulics to solve it, and can be useful for decision making in natural channel management., Maestría, Magíster en Ingeniería Civil

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2022. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). A capacidade de geração de energia de uma usina hidrelétrica (UHE) está relacionada com o volume útil armazenado no reservatório de água. Ao longo da vida útil do reservatório, o aporte e a deposição de sedimentos reduzem gradualmente esta capacidade de geração. O desprendimento de partículas de solo em bordas de reservatórios é consequência da erosão hídrica, que pode ser deflagrada pelo impacto de gotas de chuva e pela tensão de cisalhamento exercida pelo escoamento superficial, ou seja, a erosão hídrica, embora não apenas, é induzida por um evento de precipitação, corroborando para a necessidade de um melhor entendimento dos processos de circulação de água envolvidos na interação solo-atmosfera. Modelos físicomatemáticos podem ser empregados para descrever o processo de geração de escoamento superficial e o transporte de sedimentos, constituindo uma alternativa eficaz para estimativa do volume de partículas desprendidas em bordas de reservatórios. Nesta pesquisa, foi desenvolvido um modelo analítico em condição de precipitação constante no qual a infiltração de água no solo foi descrita pelo modelo de Green-Ampt-Mein-Larson, o escoamento superficial foi aproximado pelo modelo de onda cinemática e a erosão hídrica foi estimada a partir da equação da continuidade do transporte de sedimentos. Como resultado, foram desenvolvidas as equações da descarga por unidade de área, da lâmina acumulada, da taxa de carreamento de sedimentos e da perda de solo, as quais foram validadas com dados experimentais de ensaios com simulador de chuva. Foi verificado que a descarga por unidade de área e a taxa de carreamento de sedimentos formam um patamar no regime estacionário, enquanto a lâmina acumulada e a perda de solo crescem linearmente ao longo do tempo. O modelo do escoamento superficial se aplicou melhor a inclinações maiores. O modelo do transporte de sedimentos não foi capaz de retratar um pico de taxa de carreamento de sedimentos observado nos dados experimentais durante os minutos iniciais de chuva, sendo constatada a necessidade de considerar a erosão por impacto de gotas de chuva como variável no tempo. Por outro lado, a evolução da perda de solo teve correspondência satisfatória com os dados experimentais. Também foram realizadas análises paramétricas para demonstrar a influência da intensidade de precipitação, da permeabilidade, da inclinação e do comprimento do plano de fluxo, da duração da precipitação, do coeficiente de erodibilidade, da tensão de cisalhamento crítica e da constante da erosão por impacto de gotas de chuva nas equações desenvolvidas. The power generation capacity of a hydroelectric power plant is related to the usable volume stored in the water reservoir. Over the lifetime of the water reservoir, sediment transport and deposition gradually reduces its power generation capacity. The detachment of soil particles in water reservoirs banks is a consequence of water erosion, which can be caused by rainfall splash and tractive shear force exerced by overland flow, so water erosion, although not only, is induced by a rainfall event, which corroborates the need for a better understanding of the water circulation processes involved in the soil-atmosphere interaction. Physical-mathematical models can be employed to describe overland flow generation and sediment transport, being an effective way to predict the volume of soil particles detached from water reservoirs banks. In this research, an analytical model was developed under uniform rainfall conditions in which water infiltration was described by the Green-AmptMein-Larson model, overland flow was approximated by the kinematic wave model and water erosion was estimated using the sediment transport continuity equation. As a result, the equations for discharge per unit area, total runoff, sediment yield rate and sediment load per unit area were developed. These equations were validated with experimental data obtained from rainfall simulator tests. It was found that discharge per unit area and sediment yield rate form a plateau in the steady state, while total runoff and sediment load per unit area increase linearly over time. The overland flow model applied best at steeper slopes. The sediment transport model was not able to present a peak sediment yield rate observed in the experimental data during the initial minutes of rainfall, indicating the need to consider splash erosion as time-varying. On the other hand, the evolution of sediment load per unit area had satisfactory correspondence with the experimental data. Parametric analyses were also runned in order to demonstrate the influence of rainfall intensity, hydraulic conductivity, slope gradient, slope length, rainfall duration, erodibility coefficient, critical shear stress and splash erosion calibration constant on the developed equations.

Alterações no ciclo hidrológico e no aporte de sedimentos resultam em diferentes respostas do sistema fluvial na busca por um novo estado de equilíbrio geomorfológico. Quando esse aporte é resultante do colapso de uma barragem de rejeitos, a compreensão da resposta do sistema fluvial se mostra fundamental para a definição das estratégias empregadas para a restauração dos cursos hídricos impactados. Assim, esta pesquisa visou estabelecer uma metodologia, baseada no emprego da Universal Soil Loss Equation (USLE), para a avaliação da evolução temporal da erosão marginal e dinâmica de sedimentos de sistemas fluviais, utilizando como referência o estudo de caso do sistema fluvial afetado pelo rompimento da Barragem de Fundão, Mariana (MG). Buscaram-se também as caracterizações geomorfológica e a avaliação dos impactos hidrogeomorfológicos desencadeados nesse sistema fluvial. Para isso, os padrões fluviais foram caracterizados por meio de imagens de satélites anteriores ao evento de ruptura. A análise dos impactos hidromorfológicos foi realizada por meio de imagens de satélite e levantamentos de campo. A estimativa de perda de solo foi realizada por meio da USLE, enquanto a avaliação do transporte de sedimentos foi efetuada utilizando dados de monitoramento de estações mantidas pela Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico, Instituto Mineiro de Gestão das Águas e Fundação Renova. Notou-se que o sistema fluvial, antes da ruptura da Barragem de Fundão, possuía características meandrantes, com tendência de evolução para um padrão entrelaçado. As medidas adotadas para mitigar os impactos no sistema fluvial se mostraram muitas vezes inadequadas representadas, por exemplo, pela utilização de enrocamento em margens convexas dos meandros. A análise de sensibilidade em imagens anteriores à ruptura da Barragem de Fundão, utilizando diferentes dados e metodologias, permitiu a definição dos fatores da USLE. Nesta análise de sensibilidade, com relação ao fator erosividade, notou-se que as diferenças de valores médios são muito mais afetadas pela seleção da equação de erosividade do que pelo emprego dos dados provenientes de satélite ou de séries históricas pluviométricas completas. Quanto ao fator topográfico, observou-se que uma menor resolução do modelo digital de elevação (MDE) resulta em taxas de erosão 52% maiores do que aquelas obtidas com um MDE de resolução de maior detalhe. Além disso, a variação do algoritmo empregado (álgebra de mapas, fluxo único ou fluxo múltiplo) resulta em valores médios de erosão com diferenças de até 91%. Dessa forma, para a avaliação das taxas de erosão necessárias à esta pesquisa, o fator topográfico foi obtido a partir de um MDE com resolução de 10 m, considerando o algoritmo de direção de fluxo múltiplo. O fator erosividade foi determinado utilizando dados de precipitação de 62 estações pluviométricas situadas na área delimitada pela Bacia Hidrográfica do Rio Doce. O mapa de solos que contempla a área de estudo, elaborado pela Universidade Federal de Viçosa, aliado à bibliografia e informações fornecidas pela Fundação Renova, permitiram a determinação do fator erodibilidade dos solos e rejeitos. Os fatores de cobertura do solo e de prática conservacionista foram obtidos por meio do Índice de Vegetação de Diferença Normalizada aplicado em 26 imagens do satélite Landsat 8. A maior taxa de erosão foi identificada na imagem de satélite que representa o cenário logo após o rompimento da Barragem de Fundão, correspondendo a uma aumento de cerca de 23% quando comparado com os resultados obtidos na imagem de outubro de 2015. No entanto, a imagem obtida em junho de 2020, que retrata características mais atuais dessa área, indica uma diferença de pouco mais de 1% da taxa de erosão com relação ao cenário anterior ao evento de ruptura. Por sua vez, a avaliação do potencial natural à erosão indica um aumento de aproximadamente 5% na taxa de erosão após o rompimento da Barragem de Fundão. Com relação às medições associadas ao transporte de sedimentos, apenas uma estação de monitoramento mantida pela Fundação Renova possui informações relacionadas às descargas de sedimentos em suspensão, sedimentos de fundo e sólida total, com dados disponíveis apenas a partir de outubro de 2017. Considerando essa estação de monitoramento como exutório da bacia hidrográfica, notou-se que a taxa de erosão é 105 vezes maior do que a descarga sólida total determinada para essa estação. Além de um adequado gerenciamento de riscos associados às estruturas de disposição de rejeitos, ressalta-se a importância de um planejamento e gestão do solo e da água, visando a implementação de estratégias para mitigação dos efeitos das ações antrópicas no meio ambiente. Changes in the hydrological cycle and in the contribution of sediments result in different responses of the fluvial system in the search for a new state of geomorphological equilibrium. When this contribution is the result of the collapse of a tailings dam, understanding the response of the fluvial system is essential for defining the strategies used to restore the impacted water courses. Thus, this research aimed to establish a methodology, based on the use of the Universal Soil Loss Equation (USLE), for the evaluation of the temporal evolution of marginal erosion and sediment dynamics of river systems, using as a reference the case study of the river system affected by the rupture of the Fundão Dam, Mariana (MG). The geomorphological characterizations and the evaluation of the hydrogeomorphological impacts triggered in this fluvial system were also sought. For this, the fluvial patterns were characterized through satellite images prior to the rupture event. The analysis of hydromorphological impacts was carried out through satellite images and field surveys. Soil loss estimation was performed using the USLE, while sediment transport assessment was performed using monitoring data from stations maintained by the National Water and Sanitation Agency, Minas Gerais Institute for Water Management and Renova Foundation. It was noted that the river system, before the Fundão Dam rupture, had meandering characteristics, with a tendency to evolve towards an intertwined pattern. The measures adopted to mitigate the impacts on the river system often proved to be inadequate, represented, for example, using rip rap on the convex edges of the meanders. Sensitivity analysis on images prior to the Fundão Dam failure, using different data and methodologies, allowed the definition of USLE factors. In this sensitivity analysis, about the erosivity factor, it was noted that the differences in mean values are much more affected by the selection of the erosivity equation than using data from satellite or complete rainfall historical series. As for the topographic factor, it was observed that a lower resolution of the digital elevation model (DEM) results in erosion rates 52% higher than those obtained with a higher-detailed DEM. Furthermore, the variation of the employed algorithm (map algebra, single stream, or multiple stream) results in average erosion values with differences of up to 91%. Thus, to evaluate the erosion rates necessary for this research, the topographic factor was obtained from a DEM with a resolution of 10 m, considering the multiple flow direction algorithm. The erosivity factor was determined using precipitation data from 62 rainfall stations located in the area delimited by the Rio Doce Hydrographic Basin. The soil map that includes the study area, prepared by the Federal University of Viçosa, together with the bibliography and information provided by the Renova Foundation, allowed the determination of the soil and tailings erodibility factor. The soil cover and conservation practices factors were obtained through the Normalized Difference Vegetation Index applied to 26 Landsat 8 satellite images. The highest erosion rate was identified in the satellite image that represents the scenario shortly after the rupture of the Fundão Dam, corresponding to an increase of about 23% when compared to the results obtained in the October 2015 image. However, the image obtained in June 2020, which depicts more current characteristics of this area, indicates a difference of little more than 1% of the erosion rate with respect to the scenario prior to the failure event. In tu rn, the assessment of the natural erosion potential indicates an increase of approximately 5% in the erosion rate after the Fundão Dam failure. Regarding the measurements associated with the transport of sediments, only one monitoring station maintained by the Renova Foundation has information related to the discharges of suspended sediments, bottom sediments and total solid, with data available only from October 2017. Considering this station of monitoring as an outlet of the hydrographic basin, it was noted that the erosion rate is 105 times greater than the total solid discharge determined for this station. In addition to adequate risk management associated with tailings disposal structures, the importance of soil and water planning and management is highlighted, aiming at the implementation of strategies to mitigate the effects of human actions on the environment.

This work is a review of the use of hysteresis to quantify sediment discharge dynamics. We reviewed 71 journal articles from the year 1953 to the present day focusing on two topics: the factors that influence hysteresis; and hysteresis quantification. The main factors influencing hysteresis are: (a) magnitude and sequence of events; (b) sediment particle size distribution; (c) basin size; and (d) land use and sediment source. Hysteresis quantification can be done using several different methods that can be grouped as: (a) hysteresis indexes; (b) statistical analysis; and (c) uncertainty analysis. Most studies were conducted in Western Europe and the USA. The studies, in general, show how the factors listed above influence the shape and patterns of hysteresis. However, the sediment dynamics are complex, and the hysteresis patterns may be linked to many other factors, such as slope and drainage systems. The quantification of hysteresis still appears, mainly with the hysteresis index and statistical analysis. Therefore, there are still many other factors that influence hysteresis patterns, as well as hysteresis rates and uncertainty analyses.

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.

During the past decades, the number of extreme weather events has increased at the same pace as the growing frequency of both unusual wet and dry weather periods. Extreme weather causes multiple natural hazards, such as floods, debris flow and oversiltation, as well as crop losses and forest fires. While hydrologists have to deal with complex processes under the urgency of the climate crisis, data to power their models can be both scarce, as in regions of the Global South, or too numerous and noisy. This scenario of unequally distributed data and (water) events was the motivation for the present dissertation. The text s driven by five questions regarding (1) gully erosion modelling, (2) sediment yield assessment in ungauged basins, (3) the key factors of flash drought, its definition and (4) how to identify such events, and (5) the tools available for hydrologists to tackle problems related to extreme weather and their impacts. These five questions led to the preparation of four scientific papers and an interactive application for flash drought identification. The first two papers deal with gully erosion modelling. In the first paper, we explore the key variables to successfully model long term erosion by gullies. We also present a physicallybased model for small permanent gullies, a common erosion process in the Brazilian Semiarid Region. In the second paper, we propose a novel equation for shear stress distribution in channel beds and walls. This equation, together with the model framework submitted in the first paper, leads to a novel entropy-based gully erosion model that allows simulation of gully erosion and assessment of total erosion for contribution areas up to 8 hectares. In the third paper, we introduce a novel methodology to assess sediment yield and delivery ratio in an event-based timeframe. The technique couples a temporal downscaling method and a well-published sediment transport model, both based on the principle of maximum entropy, a tool from Information Theory which allows the modeller to identify the best probability density function without admitting any unproven hypotheses. The proposed method presented promising results: it assessed sediment yield at a Nash-Sutcliffe Efficiency of 0.96. In the last paper, we study the definition and key factors of flash drought occurrence in Central European croplands. We compared the identification of flash droughts using five different well-published methods and one proposed by the authors under the light of our definition of flash droughts. A large degree of synchronicity of individual flash drought events was identified, but also some divergence in drought periods. So as to balance out the strengths and weaknesses of those methods, we suggested using an ensemble approach for event identification. All methods were implemented in an R package and are also available in a Shiny app for the public. Nas últimas décadas, o número de eventos climáticos extremos aumentou no mesmo ritmo que a crescente frequência de períodos incomuns de clima úmido e seco. As condições meteorológicas extremas causam vários riscos naturais, como inundações, enxurradas e assoreamento, bem como perdas de safra e incêndios florestais. Enquanto os hidrólogos têm que lidar com processos complexos sob a urgência da crise climática, os dados para alimentar seus modelos podem ser escassos, como nas regiões do Sul Global, ou muito numerosos e cheios de ruído. Este cenário de dados e eventos (água) desigualmente distribuídos foi a motivação para a presente tese. O texto é orientado por cinco questões relativas a (1) modelagem de erosão por voçorocas, (2) avaliação de produção de sedimentos em bacias não monitoradas, (3) os principais fatores causadores de flash droughts, sua definição e (4) como identificar tais eventos, e (5) as ferramentas disponíveis para hidrólogos para lidar com problemas relacionados a condições meteorológicas extremas e seus impactos. Essas cinco questões levaram à preparação de quatro artigos científicos e um aplicativo interativo para identificação de flash droughts. Os primeiros dois artigos tratam da modelagem de erosão em voçorocas. No primeiro artigo, exploramos as variáveis-chave para modelar com sucesso a erosão de longo prazo por voçorocas. Apresentamos também um modelo de base física para pequenas voçorocas permanentes, um processo erosivo comum no Semiárido Brasileiro. No segundo artigo, propomos uma nova equação para a distribuição da tensão de cisalhamento em leitos e paredes de canais. Esta equação, associada a estrutura do modelo submetida no primeiro artigo, leva a um novo modelo de erosão de voçorocas baseado em entropia que permite a simulação da erosão de voçorocas e avaliação da erosão total para áreas de contribuição de até 8 hectares. No terceiro artigo, apresentamos uma nova metodologia para estimar produção e taxa de aporte de sedimentos baseado em eventos. A técnica acopla um método de redução de escala temporal e um modelo de transporte de sedimentos da literatura, ambos baseados no princípio da entropia máxima, uma ferramenta da Teoria da Informação que permite identificar a melhor função de densidade de probabilidade sem admitir hipóteses não comprovadas. O método proposto avaliou a produção de sedimentos com eficiência Nash-Sutcliffe de 0,96. No último artigo, estudamos a definição e os principais fatores da ocorrência de flash droughts em áreas agrícolas da Europa Central. Comparamos a identificação de flash droughts usando cinco métodos diferentes bem publicados e um proposto pelos autores considerando nossa definição de flash droughts. Um grande grau de sincronicidade de eventos individuais de flash drought foi identificado, mas também alguma divergência nos períodos de seca. Para equilibrar os pontos fortes e fracos desses métodos, sugerimos o uso de uma abordagem conjunta de múltiplos métodos e critérios para identificação de eventos. Todos os métodos foram implementados em um pacote R e também estão disponíveis em um Shiny App.

fotografías, gráficos, tablas El presente trabajo analiza el comportamiento hidráulico y del transporte de sedimentos del tanque desarenador de la Planta Sancancio de la Central Hidroeléctrica de Caldas, CHEC, (esta planta es catalogada según su capacidad, como una Pequeña Central Hidroeléctrica - PCH), mediante la implementación del modelo numérico 2D, Iber, versión 2.5.2. El estudio parte de la problemática del aumento progresivo en el transporte y producción de sedimentos en los ríos, los cuales al ingresar a las plantas hidroeléctricas generan un desgaste erosivo del equipo electromecánico creando la necesidad de estructuras de remoción de sedimentos más eficientes. El estudio se realizó en dos fases: mediciones de campo y modelación numérica; en la primera fase se recopilaron datos de diferentes condiciones climáticas de un año, los cuales fueron utilizados en la segunda fase para modelar siete escenarios con simulación hidrodinámica para todos los caudales y del transporte de sedimentos para el caudal máximo. Los resultados obtenidos presentaron un buen ajuste entre los datos medidos y los modelados con un error relativo porcentual para la velocidad entre 0% y 25%, evidenciando el máximo error en las zonas de menor velocidad, no obstante, la tendencia de la velocidad en los datos modelados fue similar a la tendencia de los datos observados. El análisis de vectores de velocidad mostró zonas de recirculación y de flujo preferencial en el tanque, lo cual se evidenció en los resultados del transporte de sedimentos, puesto que la distribución de la concentración de sólidos en suspensión no fue uniforme en la zona de sedimentación y por ende, la acumulación de partículas se da en zonas específicas del tanque. Los resultados permiten concluir que con el uso del modelo, es posible definir un periodo de mantenimiento acorde con las características del flujo y de sedimentos en la entrada, lo cual puede garantizar un mejor funcionamiento del tanque para la remoción de sedimentos. (Texto tomado de la fuente) The present work analyzes the hydraulic and sediment transport behavior of the settling tank of Sancancio Caldas Hydroelectric Power Plant (this plant is classified according to its capacity, as a Small Hydropower Plant - SHP), through the implementation of the 2D numerical model, Iber, version 2.5.2. The study examines specifically the hydrodynamics and efficiency of settling tanks as sediment removal structures in order to minimize erosive wear of the electromechanical equipment. The study was carried out in two phases: field measurements and numerical modeling; in the first phase, field data of the Sancancio settling tank was collected over a year in order to better understand its behavior. During the second phase of the study a model of the tank was developed and seven scenarios were examined to simulate flow hydrodynamics and sediment transport up to maximum flow. The results obtained showed a good fit between the field and modeled data with a relative percentage error for the velocity between 0% and 25%, with greater error in low flow areas, however, the velocity trend was similar in the observed and modeled data. The velocity vectors analysis showed zones of recirculation and preferential flow in the tank, which was also evidenced in the field and examining the sediment transport model. Suspended solid concentration distribution was not uniform in the settling zone of the tank and therefore, sediment accumulation occurs in specific areas of the tank. The study shows how a 2D flow model allows one to better define a tank maintenance period and protocol according to flow and sediments characteristics at the inlet, hence ensuring a more efficient sediment removal process. Maestría Magíster en Ingeniería - Recursos Hidráulicos Ingeniería Civil

Os processos de erosão, de transporte e de deposição do solo vêm sendo intensificados, gerando alteração significativa na dinâmica hidrossedimentológica em escala global e local. Esse processo é influenciado por fatores como clima, características fisiográficas da bacia, uso e manejo do solo. As mudanças climáticas também podem ser fatores importantes no processo erosivo, pois a tendência no futuro é ter mudanças nos padrões das precipitações podendo impactar nessa dinâmica hidrossedimentológica. As principais consequências indesejadas possíveis são o assoreamento de rios e reservatórios, degradação das águas superficiais e inundações. A simulação dos processos hidrossedimentológicos pode contribuir para a compreensão da dinâmica desses processos, bem como para a sua previsibilidade, a qual pode ser útil para o adequado manejo e uso do solo em bacias hidrográficas agrícolas. O objetivo desta pesquisa é avaliar a variação da produção de sedimentos em suspensão (PSS) em dois cenários de mudanças climáticas futuras, para bacias agrícolas de diferentes escalas, utilizando um modelo integrado em uma única rede neural artificial (RNA) para estimativas da produção de sedimentos em suspensão. A metodologia consiste em três etapas: 1 – monitoramento: caracterização da área de estudo, métodos de medição para a obtenção dos dados observados como precipitação, concentração de sedimentos em suspensão e vazão, e análise e as consistências destes dados; 2- cenário atual: foi desenvolvido um modelo baseado em RNAs integrando dados de diferentes escalas de bacias (regional) com diferentes combinações de variáveis de entrada (precipitações antecedentes – P0, .., P7; filtro gama das precipitações medidas, regional, e filtro gama das precipitações medidas, individual por bacia; área da bacia) para estimar PSS, treinado para o período de 1990 a 2020 com intervalo tri-horário; 3- cenário futuro: aplicação do melhor modelo de RNAs para estimar a PSS em dois cenários climáticos futuros (RCP 4.5 e 8.5) projetados para o período de 2021 a 2099 comparando com o período observado (1990 a 2020), utilizando como entrada a série de precipitação no futuro dos dois cenários climáticos simulados pelo modelo climático regional Eta-HadGEM2-ES CPTEC/INPE. Estes dados simulados foram corrigidos pelo método de correção do viés proposto nesta pesquisa e chamado de Lehner modificado. O melhor modelo resultou da aplicação, como entradas, da área e das precipitações tri-horárias, com até seis intervalos antecedentes, com coeficiente de Nash-Suitcliffe para a série de verificação igual a 0,963, Pbias igual a -2,91 e erro absoluto médio igual a 723,8 kg/s. Resultou maiores valores de PSS no futuro para a maioria dos cenários climáticos (RCP 4.5 e RCP 8.5) para todas as bacias, comparados ao período observado nos meses de maio a dezembro, com aumento variando de 4,4% a 122,7%. Nesta pesquisa pode-se verificar que a mudança climática influencia na variação da PSS nas bacias agrícolas. Modelos empíricos do tipo das RNAs podem ser utilizados para avaliar a produção de sedimentos em suspensão, com base em resultados de modelos climáticos, para cenários futuros. Para a superação da dificuldade imposta pela escassez de dados, modelos de RNAs regionais (com integração de bacias de diferentes escalas) podem constituir-se em um recurso importante, capaz de proporcionar viabilidade às pesquisas. Soil erosion, transport and deposition processes have been intensified, generating significant changes in the hydro-sedimentological dynamics on a global and local scale. This process is influenced by factors such as climate, physiographic characteristics of the basin, soil use and management. Climate change can also be one of the important factors in the erosion process, as the trend in the future is to have changes in rainfall patterns that may impact this hydro-sedimentological dynamic. The main possible unwanted consequences are the silting up of rivers and reservoirs, surface water degradation and flooding. The simulation of hydro-sedimentological processes can contribute to the understanding of the dynamics of these processes, as well as to their predictability, which can be useful for the adequate management and use of the soil in agricultural watersheds. The objective of this research is to evaluate the variation in the production of suspended sediments in two scenarios of future climate changes, for agricultural basins of different scales, using an integrated model in a single ANN to estimate the production of suspended sediments. The methodology consists of three stages: 1 – monitoring: characterization of the study area, measurement methods for obtaining observed data such as precipitation, concentration of suspended sediments and flow, and analysis and consistency of these data; 2- current scenario: a model based on ANNs was developed integrating data from different basin scales (regional) with different combinations of input variables (antecedent precipitation – P0, .., P7; gamma filter of measured precipitation, regional, and filter range of measured rainfall, individual by basin; basin area) to estimate PSS, trained for the period 1990 to 2020 with a three-hour interval; 3- future scenario: application of the best ANN model to estimate the PSS in two future climate scenarios (RCP 4.5 and 8.5) projected for the period from 2021 to 2099 compared to the observed period (1990 to 2020), using as input the series of precipitation in the future of the two climate scenarios simulated by the regional climate model Eta-HadGEM2-ES CPTEC/INPE. These simulated data were corrected by the bias correction method proposed in this research and called modified Lehner. The best model resulted from the application as inputs, area and three-hour precipitation, with up to six antecedent intervals, with NS for verification series equal to 0.963, Pbias equal to -2.91 and Mea equal to 723.8 kg/s . It resulted in higher PSS values in the future for most climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5) for all basins compared to the period observed in the months of May to December with an increase ranging from 4.4% to 122.7%. In this research it can be seen that climate change influences the PSS variation in agricultural basins. Empirical models, such as ANNs, can be used to evaluate the production of suspended sediments, based on the results of climate models, for future scenarios. To overcome the difficulty imposed by the scarcity of data, models of regional ANNs (with integration of basins of different scales) can constitute an important resource, capable of providing viability to research.

Ilustraciones, mapas Mountain basins are open dynamic systems which organize at multiple scales to transform hillslope sediment supply to fluvial sediment transport. In a given river reach, its form and sediment regime depend on basin processes and are contingent to geomorphic history. Lack of such information makes modelling the way to estimate this spatiotemporal context. However, there is a gap of combining spatiotemporal variability of hydrology and landslides sediment supply with its effect: the feedback between channel form and sediment transport. Hillslope and fluvial modules of a new model called Fluvial Hydro- Geomorphology Model (FHGM) are produced which, in hollows and river reaches that are deformable, encapsulates complexity via parameterization or random forcing. FHGM solves responses to every major rain event, and accumulate them in decadal timescale, to include occurrence of channel forming floods as well as landslides with varied sizes and source zones. FHGM landslides module reproduces power law spatial distribution of landslide volumes, as well as magnitud and frecuency of sediment supply. FHGM fluvial module, calibrated with a new gravel flume experiment, reproduces a broad range of morphologic conditions, from incised to clogged, and produces mean bankfull capacity consistent to mean maximum annual flood and with empirical dimensionless hydraulic geometry patterns for channel depth and width. This work shows how mountain basins organize to minimize the duration of formative events, by editing channels capacity and deforming sediment storages to recover stability and structure; a resilience akin to living beings. Las cuencas monta˜ nosas son sistemas din´amicos abiertos que se organizan en m´ ultiples escalas para transformar el suministro de sedimentos de las laderas en transporte fluvial de sedimentos. En un tramo de r´ıo determinado, su forma y el r´egimen de sedimentos dependen de los procesos de la cuenca y de la historia geom´orfica. La falta de dicha informaci ´on hace que la modelaci´on sea la forma de estimar este contexto espaciotemporal. Sin embargo, existe una brecha en la combinaci´on de la variabilidad espaciotemporal de la hidrolog´ıa y el suministro de sedimentos por deslizamientos de tierra con su efecto: la retroalimentaci´on entre la forma del canal y el transporte de sedimentos. Se producen m´odulos de ladera y fluviales de un nuevo modelo denominado Fluvial HydroGeomorphology Model (FHGM) que, en vaguadas y tramos de r´ıo deformables, encapsula la complejidad mediante parametrizaci´on o forzamiento aleatorio. FHGM resuelve las respuestas a cada evento de lluvia importante y las acumula en una escala de tiempo devi cenal, para incluir la ocurrencia de inundaciones que forman canales, as´ı como deslizamientos de tierra con diversos tama˜nos y zonas de origen. El m´odulo de deslizamientos de FHGM reproduce la distribuci ´on espacial de la ley potencial de vol ´umenes de deslizamientos, as´ı como la magnitud y frecuencia del suministro de sedimentos. El m´odulo fluvial FHGM, calibrado con un nuevo experimento de canal de grava, reproduce una amplia gama de condiciones morfol´ogicas, desde incisamiento hasta colmataci´on, y produce una capacidad media de banca llena consistente con la inundaci´on anual m´axima media y con patrones de geometr´ıa hidr´aulica adimensionales emp´ıricos para la profundidad y el ancho del canal. Este trabajo muestra c´omo las cuencas de monta˜na se organizan para minimizar la duraci´on de los eventos formadores, modificando la capacidad de los canales y deformando los dep´ositos de sedimentos para recuperar la estabilidad y la estructura; una resiliencia similar a la de los seres vivos. Doctorado Doctorado en Ingeniería - Recursos Hidráulicos Área Curricular de Medio Ambiente