Abordagem de discretização para modelagem de sedimentos em grande escala: estratégias de calibração baseadas na variabilidade hidrossedimentológica em múltiplas escalas espaciais

The lack of observed data and calibration strategies, scale variability, and difficulties in representing heterogeneity of sediment-processes contribute to the usual challenges in achieving satisfactory results in hydro-sedimentological modeling, particularly when using the MUSLE equation for large-scale applications. As a consequence, we investigated five major topics: (1) a sediment-process-based parameterization technique (Hydro-sedimentological Response Unit map - HRUSed); (2) the quality of hydrological modeling with different process-focused parameterizations; (3) a calibration strategy based on the sediment discretization approach for hydro-sedimentological modeling; (4) the use of suspended sediment concentration (SSC) versus suspended sediment discharge (SSD) data for calibration; and (5) trade-offs between increasing the spatial resolution of a large-scale model and using the proposed HRUSed discretization. The current study demonstrated (1) the HRUSed map for South America and (2) a similar performance of large-scale hydrological modeling using a hydrological or hydro-sedimentological discretization approach. (3) The HRUSed discretization approach produced better hydro-sedimentological modeling results. (4) We improved the model’s performance for HRUSed (SSC and SSD results) and for HRU (Hydrological Response Unit map) only for SSD results. (5) Only more detailed spatial discretization has failed to improve process representation. However, increased spatial discretization with a process-parameterization approach focused on hydro-sedimentological dynamics improved model performance.A falta de dados observados e estratégias de calibração, a variabilidade de escalas e as dificuldades em representar a heterogeneidade dos processos de erosão e sedimentação contribuem para os desafios usuais na obtenção de resultados satisfatórios na modelagem hidrossedimentológica, particularmente quando se usa a equação MUSLE para aplicações em larga escala. Como consequência, investigamos cinco tópicos principais: (1) uma técnica de parametrização baseada em processos de produção de sedimentos (mapa da unidade de resposta hidrossedimentológica - HRUSed); (2) a qualidade da modelagem hidrológica com diferentes parametrizações focadas nos processos; (3) uma estratégia de calibração baseada na abordagem de discretização focada em sedimentos para modelagem hidrossedimentológica; (4) o uso de dados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS) versus descarga de sedimentos em suspensão (DSS) para calibração; e (5) trade-offs entre aumentar a resolução espacial de um modelo de grande escala e usar a discretização HRUSed proposta. O presente estudo demonstrou: (1) o mapa HRUSed para a América do Sul e (2) um desempenho semelhante de modelagem hidrológica em larga escala usando uma abordagem de discretização hidrológica ou hidrossedimentológica; (3) A abordagem de discretização HRUSed produziu melhores resultados de modelagem hidrossedimentológica; (4) Melhoramos o desempenho do modelo para HRUSed (resultados CSS e DSS) e para HRU (mapa de unidades de resposta hidrológica) apenas para resultados de DSS; e (5) adotar apenas uma discretização espacial mais detalhada falhou em melhorar a representação dos processos. No entanto, o aumento da discretização espacial com uma abordagem de parametrização de processos focada na dinâmica hidrossedimentológica melhorou o desempenho do modelo

Previsão por conjunto de vazões afluentes a reservatórios em grandes bacias hidrográficas brasileiras

A previsão com antecedência de curto e médio prazo da vazão em diferentes locais de bacias hidrográficas geralmente é benéfica ao permitir uma resposta antecipada a eventos hidrológicos como cheias, e a operação mais eficiente de obras hidráulicas como barragens. Atualmente, cada vez mais se tem reconhecida a importância da inclusão das incertezas na geração de previsões hidrológicas, feita através de previsões por conjunto (ou ensemble). Neste tipo de previsão são feitas inferências sobre cenários possíveis futuros através da consideração de, por exemplo, múltiplas trajetórias possíveis dos estados da atmosfera, que ao serem aplicadas em um modelo hidrológico resultam em distribuições de trajetórias de vazões. Várias aplicações recentes tem sugerido a possibilidade da tomada de melhores decisões para o futuro quando fundamentadas neste conhecimento das incertezas. No Brasil, um uso predominante de previsões hidrológicas é na operação de reservatórios de usinas hidroelétricas, que constituem a maior fonte de energia do País. As previsões nestes casos são utilizadas tanto para a operação normal do sistema nacional, feita de forma centralizada, como para a operação local das usinas em casos de cheia, onde é necessário velar pela segurança da barragem e pela atenuação de impactos a jusante e/ou a montante dos barramentos. Contudo, a forma como as previsões de vazão são geradas e usadas no cenário nacional não são baseadas em técnicas de previsão por conjunto, onde a própria pesquisa local sobre os potenciais benefícios destas formas de geração de previsões pode ser classificada como incipiente. Assim, o objetivo principal deste estudo é investigar benefícios em termos de qualidade e persistência do uso de previsões de afluência por conjunto para reservatórios em grandes bacias hidrográficas brasileiras em curto e médio prazo. Para cumprir com estes objetivos foram propostos ensaios de previsão de vazão por conjunto para três bacias hidrográficas brasileiras: Alto São Francisco, Doce, e Tocantins. O modelo hidrológico MGBIPH foi aplicado para a execução de previsões retroativas (hindcastings) alimentado por dados de chuva provindos de três diferentes sistemas de previsão meteorológica por conjunto (ECMWF-pf, GEFS, e CPTEC-pf) e mais uma previsão determinística de referência (ECMWF-fc), todos disponíveis na base de dados denominada TIGGE. De uma forma geral, as previsões por conjunto, principalmente dos modelos ECMWF-pf e GEFS, se mostraram superiores em termos de qualidade e persistência na comparação com a previsão determinística. E o uso do Super Ensemble, formado pela combinação dos três modelos mostrou-se uma alternativa entre as melhores testadas, principalmente por ser também uma estratégia robusta. Para uma estratégia de defesa contra cheias, as análises indicam benefícios para a consideração dos membros superiores dos conjuntos, e já para uma estratégia de operação de reservatórios essa visão pode ser mais focada em vazões médias, as quais podem conter algum viés. Já a comparação entre as bacias mostrou que resultados não podem ser transportados de um local para outro, apesar de estarem no mesmo clima. Em relação às incertezas, notou-se que a modelagem hidrológica amplifica as incertezas na previsão na medida em que os estados do modelo da grande bacia evoluem. De qualquer forma, acreditase que os resultados mostram que mais investimentos em técnicas de previsão por conjunto e suas aplicações são um caminho a ser seguido para ampliar os benefícios do uso de previsões hidrológicas.Short to medium-term streamflow forecasts at different locations in a watershed are generally beneficial to allow an early response to hydrological events such as floods, and more efficient operation of hydraulic structures such as dams. Currently, an increasingly recognition has been given to the including of uncertainties in the generation of hydrological forecasts, what is usually made producting the so called Ensemble Forecast. In this kind of forecast inferences about possible future scenarios are made by considering, for example, multiple possible trajectories of the atmospheric states, which when applied to a hydrological model results in streamflow trajectories distributions. Several recent applications suggested the possibility of better decisions making based on this uncertainties knowledge. In Brazil, a predominant use of hydrological forecasts is for hydropower reservoirs operation, which are the largest source of energy for the country. Future inflows estimates in these cases are used either for normal operation of the national system, done centrally, as for local operation of the dams in cases of floods, where it is necessary to ensure the dam safety and the mitigation of impacts downstream and/or upstream. However, the currently technique used to generate the operational forecasts is not based on ensembles, and the Brazilian local research on the potential benefits of these forms of forecasts production can be classified as incipient. Thus, the aim of this Thesis was to investigate benefits in terms of quality and persistence of using short to medium-term ensemble inflow forecast for reservoirs located on large Brazilian river basins. To fulfill these objectives streamflow forecast tests have been proposed for three Brazilian river basins: Alto San Francisco, Doce, and Tocantins. The hydrological model MGB-IPH was applied to perform retroactive forecasts (hindcastings) within a period of tests forced by rainfall data from three different ensemble weather forecasting systems (ECMWFpf, GEFs, and CPTEC-pf) and a deterministic prediction reference (ECMWF-fc), all available in the TIGGE archive. In general, the ensemble predictions, especially from ECMWF-pf and GEFs models, were superior in quality and persistence in comparison to the deterministic reference. And the use of the Super ensemble composed by the combination of the three ensemble models was shown to be among the results, and also a robust strategy. For a flood protection strategy, the analyzes indicate benefits in the consideration of the upper bounds of the ensembles, and for a reservoir operation strategy that vision could be more focused on average flow rates, which may contain some verified bias. The comparison between the basins results showed that one can not transport results and considerations from one location to another, despite being in the same climate region. Regarding uncertainties, it was noted that hydrological modeling amplifies the uncertainty in the forecasts, in some extent due to the large basin evolution of state variables. Anyway, it is believed that more investments in ensemble forecasting techniques and its applications shown to be a good way to make better use of forecasts

Cenários de mudanças climáticas na disponibilidade hídrica na bacia hidrográfica transfronteiriça da Laguna dos Patos

The decision-making processes involving water resources in Brazil and in neighboring countries have been based solely on analyses of the historical behavior of hydroclimatological variables. However, this may lead to inappropriate strategies in regards to the use of natural resources, since the impact of future climate change may significantly affect the availability of water resources. This study proposes an analysis of the variation in water availability of basins within the Patos Lagoon contribution area, which may be a consequence of climatic changes predicted by CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models, published in the most recent International Panel on Climate Change (IPCC) report. Two 30-year periods were simulated, from 2006 to 2035 and from 2051 to 2080, through the MGB-IPH hydrological model, considering two extreme greenhouse gas scenarios and twenty climate change models. A tendency of increase of the flows was verified in the simulated basin, since over 60% of the simulations indicated some percentage of average flow increase across all discretized modeling units. The analysis of the simulation results indicated that the data from climatic models HadGEM2-ES and GFDL-CM3 used as input in the hydrological model are the ones that respectively provide upper and lower flow thresholds for the ensembled simulations. A joint evaluation of the results generated by these two models, associated with the scenario of high greenhouse gas emissions, is capable of covering extreme flow scenarios making predictions considering climate change in the Patos Lagoon’s basin. Whereas the results provided by bcc-csm1, BNU-ESM and CNRM-CM5 are similar to the median of the ensemble of simulations generated by all models evaluated in this research. In addition, the northernmost region of the study area was identified as having the highest sensitivity to climate change, as projected by global models of CMIP5 published in AR5.Os processos de tomada de decisão que envolvem recursos hídricos no Brasil e países vizinhos vêm se baseando unicamente em análises do comportamento histórico de variáveis hidrológicas e climatológicas. Entretanto, isto pode levar a estratégias equivocadas relacionadas ao uso dos recursos naturais, pois o impacto das mudanças climáticas no comportamento das vazões futuras pode alterar consideravelmente a disponibilidade de recursos hídricos. Na presente pesquisa foi realizada uma análise da variação das disponibilidades hídricas de bacias hidrográficas contidas na área de contribuição à Laguna dos Patos, Rio Grande do Sul - Brasil, e Uruguai, que pode ser consequência das mudanças climáticas previstas por modelos globais do CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), publicados no mais recente relatório do IPCC (International Panel on Climate Change). Dois períodos futuros de 30 anos foram simulados, de 2006 a 2035 e de 2051 a 2080, utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH, considerando dois cenários extremos de emissões de gases de efeito estufa e vinte modelos climáticos. Foi possível verificar uma tendência de aumento das vazões na bacia hidrográfica simulada, pois mais de 60% das simulações realizadas indicou algum percentual de aumento de vazões médias em todas as unidades de discretização modeladas. A análise dos resultados das simulações indicou que os dados dos modelos climáticos HadGEM2-ES e GFDL-CM3 utilizados como dados de entrada no modelo hidrológico são os que fornecem, respectivamente, limiares superiores e inferiores de vazão do conjunto de resultado simulados. A avaliação conjunta dos resultados gerados por estes dois modelos, associados ao cenário de altas emissões de gases de efeito estufa, é capaz de gerar cenários extremos de vazões que são projetados para o futuro considerando as mudanças climáticas na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos. Já os resultados fornecidos pelos modelos bcc-csm1-1, BNU-ESM e CNRM-CM5 são similares à mediana do conjunto das simulações geradas por todos os modelos avaliados nesta pesquisa. Além disso, a região mais ao norte da área de estudo foi identificada como as que apresenta maior sensibilidade às mudanças climáticas projetadas pelos modelos globais do CMIP5

Verification of inflow into hydropower reservoirs using ensemble forecasts of the TIGGE database for large scale basins in Brazil

Study region This paper describes a major ensemble-forecasts verification effort for inflows of three large-scale river basins of Brazil: Upper São Francisco, Doce, and Tocantins Rivers. Study focus In experimental scenarios, inflow forecasts were generated forcing one hydrological model with quantitative precipitation forecasts (QPF) from three selected models of the TIGGE database. This study provides information on the regional ensemble performance and also evaluates how different QPF models respond for the different basins and what happens with the use of combined QPF in a greater ensemble. New hydrological insights for the region This work presents one of the first extensive efforts to evaluate ensemble forecasts for large-scale basins in South America using TIGGE archive data. Results from these scenarios provide validation criteria and confirm that ensemble forecasts depend on the particular EPS used to run the hydrological model and on the basin studied. Furthermore, the use of the Super Ensemble seems to be a good strategy in terms of performance and robustness. The importance of the TIGGE database is also highlighted