Inundações em múltiplas escalas na América do Sul : de áreas úmidas a áreas de risco

South America hosts some of the major river systems on Earth, often associated with large floodplains that are inundated every year, such as the Pantanal and many Amazon wetlands. Interfluvial wetland complexes are also found across the continent, with particular geomorphic settings and unique savanna or grassland vegetation. South American wetlands can provide distinctive ecosystem services such as biodiversity supporting, food provision and flood attenuation. On the other hand, humans have settled around wetlands for millennia, benefiting from all resources they provide, and have adapted to its flood regime as well adapted its landscape, defining what has been called human-water systems. Yet, an increasing number of South American people have been negatively affected by extreme floods. Moving from continental to local scales, this thesis invites the readers to a journey across major South American wetland systems and their unique hydrological dynamics, under the light of the satellite era and the breakthrough advances on hydrologic-hydrodynamic modeling in the last decades. This work is founded on the proposition of a continental wetland research agenda, and based on a comparative hydrology approach. Floods are studied through both natural wetland processes and hazard dimensions. The first part presents a set of studies on the Amazon basin wetlands, from the development of 1D and 2D models to simulate hydrological processes in contrasting wetland types in the Negro river basin to the basin-wide intercomparison of 29 inundation products and assessment of long-term inundation trends. While most wetland studies have been conducted over the central Amazon floodplains, major knowledge gaps remain for understanding the hydrological dynamics of interfluvial areas such as the Llanos de Moxos and Negro savannas, where the inundation is less predictable and shallower. The second part of the thesis leverages satellite-based datasets of multiple hydrological variables (water levels, total water storage, inundation extent, precipitation and evapotranspiration) to address the hydrology of 12 large wetland systems in the continent. It shows the major differences among river floodplains and interfluvial wetlands on the water level annual amplitude, time lag between precipitation and inundation, and evapotranspiration dynamics. Finally, the third part addresses the flood hazard component of human-wetland interactions through large-scale assessments of flood hazard dynamics and effects of built infrastructure (dams) on flood attenuation. The dynamics of the great 1983 floods, one of the most extreme years ever recorded in the continent, is assessed with a continental hydrological model. Then, the capabilities of continental models to simulate the river-floodplain-reservoir continuum that exists across large river basins are assessed with case studies for major river basins affected by human intervention (Itajaí-Açu and upper Paraná river basins in Brazil). While this thesis enlightens some relevant hydrological processes regarding South American floods and their positive and negative effects to human societies and ecosystems in general, major knowledge gaps persist and provide great research opportunities for the near future. The launching of many hydrology-oriented satellite missions, and an ever-growing computational capacity, make the continental hydrology agenda related to wetlands and floods a great research topic for the upcoming years.A América do Sul abriga alguns dos maiores sistemas hídricos do planeta, frequentemente associados a grandes planícies de inundação, como o Pantanal e várias áreas da Amazônia. Áreas úmidas (AU’s) interfluviais são também encontrados no continente, com características geomorfológicas particulares, e vegetações de savana e gramíneas únicas. As AU’s da América do Sul provêm diversos serviços ecossistêmicos, como suporte à biodiversidade, provisão de alimento e atenuação de cheias. Humanos têm se estabelecido ao redor de AU’s por milênios, se beneficiando dos recursos providos por elas. Eles se adaptaram ao seu regime de inundação, e adaptaram sua paisagem, definindo o que tem sido chamado de sistemas sociedade-água. Por outro lado, um número crescente de pessoas têm sido negativamente afetado por cheias extremas. Da escala continental à local, esta tese convida o leitor a uma jornada através de importantes AU’s da América do Sul e suas particulares dinâmicas de inundação, sob a luz da era dos satélites e dos grandes avanços em modelagem hidrológica-hidrodinâmica das últimas décadas. Este trabalho é baseado na proposta de uma escala continental de pesquisa sobre AU’s, e é baseado em uma abordagem de hidrologia comparativa. Inundações são estudadas em múltiplas dimensões, de processos de AU’s naturais à questão do perigo para humanos. A primeira parte apresenta uma série de estudos sobre as AU’s da bacia amazônica, desde o desenvolvimento de modelos 1D e 2D para simular processos hidrológicos em tipos contrastantes de AU’s na bacia do Rio Negro, até a intercomparação de 29 produtos de inundação e avaliação de tendências de inundações de longo prazo para a escala da bacia amazônica. Enquanto a maioria dos estudos de AU’s foi conduzida nas várzeas do rio Amazonas, importantes lacunas do conhecimento permanecem para a compreensão da dinâmica hidrológica de áreas interfluviais como Llanos de Moxos e as savanas do rio Negro, onde a inundação é menos previsível e mais rasa. A segunda parte da tese utiliza dados oriundos de satélites relacionados a múltiplas variáveis hidrológicas (níveis d’água, armazenamento total de água, extensão de áreas inundadas, precipitação e evapotranspiração) para estudar a hidrologia de 12 grandes sistemas de AU’s do continente. São destacadas as grandes diferenças entre planícies de inundação e AU’s interfluviais em termos de amplitude anual de níveis d’água, defasagem entre precipitação e inundação, e dinâmica de evapotranspiração. Por fim, a última parte da tese aborda o componente de perigo de inundação das interações sociedade-água através de avaliações em grande escala da dinâmica de inundação e dos efeitos de infraestruturas construídas (como barragens) na atenuação de cheias. A dinâmica das grandes cheias de 1983, um dos anos mais extremos já registrados no continente, é avaliada com um modelo hidrológico continental. Depois, a capacidade de modelos continentais para simular o continuum entre rios, planícies de inundação e reservatórios que existe em grandes bacias hidrográficas é avaliada com estudos de casos para importantes bacias afetadas pela intervenção humana (bacia dos rios Paraná e Itajaí-Açu). Enquanto esta tese avança a compreensão de relevantes processos hidrológicos relacionados a inundações na América do Sul em múltiplas escalas, bem como seus efeitos positivos e negativos nas sociedades humanas e ecossistemas em geral, importantes lacunas do conhecimento persistem e fomentam importantes oportunidades de pesquisa futuras. O lançamento de várias missões satelitais orientadas a hidrologia, e uma cada vez mais crescente capacidade computacional, faz da agenda continental de hidrologia relacionada a AU’s e inundações um grande tópico de pesquisa para os próximos anos

Modelagem hidrológica aplicada ao balanço vertical de água no solo

A modelagem matemática do ciclo hidrológico é uma poderosa ferramenta para melhor compreender e representar os processos existentes na bacia hidrográfica. O recente avanço nos recursos computacionais, na criação de novas bases de dados digitais e na compreensão dos processos hidrológicos tem permitido o desenvolvimento de modelos hidrológicos com alta base física, incorporando representações mais fidedignas dos sistemas ambientais. Neste contexto, este trabalho estuda representações matemáticas dos processos hidrológicos, com ênfase na solução numérica da equação de Richards para fluxos de água no solo, e apresenta o desenvolvimento de um modelo de balanço vertical de alta base física. Os processos representados são interceptação vegetal, evapotranspiração e escoamentos superficial, sub-superficial e subterrâneo. Foram realizados experimentos sintéticos a fim de explorar a representação dos diversos processos hidrológicos. Os fenômenos de infiltração e secagem do solo foram bem representados, com erros numéricos aceitáveis. O modelo foi então aplicado a uma região de solo argiloso da bacia do rio Taquari-Antas (RS), utilizando uma discretização da coluna de solo de 150 camadas. Além disso, os resultados do modelo multi-camadas foram comparados com um modelo simplificado do tipo bucket (uma camada de solo), a fim de avaliar os ganhos de uma representação mais física na modelagem. Apesar de as conclusões não serem definitivas, avaliou-se que o modelo bucket é mais suscetível a processos de secagem e saturação, possivelmente pela consideração implícita de macroporos neste. Os fluxos de água no solo argiloso do modelo multi-camadas são bastante lentos. Além disso, os escoamentos superficiais apresentaram mecanismos de geração distintos entre os modelos, sendo excesso de infiltração preponderante no multi-camadas, e excesso de saturação o utilizado no bucket. Por fim, as distintas representações dos fluxos subterrâneos geraram comportamentos diferentes entre os modelos, sendo que no bucket estes variaram de acordo com eventos de chuva, ao passo que no multi-camadas agiram em resposta a uma temporada de chuvas. A incorporação do nível das águas subterrâneas no modelo é relevante para a melhor descrição deste processo.Numerical modelling of the hydrological cycle is a powerful tool to better understand and represent processes that occur within a catchment. Recent advances in computational resources, the creation of new digital databases and the comprehension of hydrological processes have allowed the development of new physically based hydrological models, incorporating more realistic representations of the environmental system. In this context, this work studies mathematical representations of hydrological processes, focusing on the numerical solution of Richards equation for water fluxes in soil, and presents the development of a physically based vertical balance model. Vegetal interception, evapotranspiration, runoff and subsurface and groundwater flows are the represented processes. The adopted solution represented satisfactorily soil wetting and drying processes, while acceptable numerical errors were obtained. The model was applied to a region within a mini-basin of River Taquari-Antas catchment, using a soil discretisation of 150 layers for a simulation period of ca. three years. Moreover, model results were compared to a simplified bucket model in order to evaluate the gains obtained with a more physically based modelling strategy. Although the conclusions are not definitive, and the existing necessity of tests in different regions with other types of soil, it could be delineated that the bucket model is more susceptible to wetting and drying processes, probably due to its implicit consideration of macropores. Water fluxes in the multi-layered model clayey soil are very slow. Moreover, runoff generation mechanisms were distinct between models, where infiltration excess was more important in the multi-layered model, while saturation excess was the process considered in the bucket. Lastly, the distinct groundwater flow representations led to different behaviours between the models. In the bucket it varied according to rainfall events, while for the multi-layered model it acted as a response to a whole wet season. Incorporation of groundwater level in the model is relevant to better describe this process

Drought propagation in brazilian biomes revealed by remote sensing

Drought events have been reported in all Brazilian regions every year, evolving slowly over time and large areas, and largely impacting agriculture, hydropower production, and water supplies. In the last two decades, major drought events have occurred over the country, such as the 2010 and 2015 events in the Amazon, the 2012 event in the Pampa, and the 2014 event in the Cerrado biome. This research aimed to understand drought propagation and patterns over these biomes through joint analysis of hydrological, climatic, and vegetation indices based on remote sensing data. To understand the drought cascade propagation patterns, we assessed precipitation, evapotranspiration, soil moisture (at surface and sub-surface), terrestrial water storage, land surface temperature, enhanced vegetation index, and gross primary productivity. Similar drought patterns were observed in the 2015 Amazon and 2012 Pampa droughts, with meteorological and agricultural droughts followed by a hydrological drought, while the 2014 event in the Cerrado was more associated with a hydrological drought. Moreover, the 2015 Amazon drought showed a different pattern than that of 2010, with higher anomalies in precipitation and lower anomalies in evapotranspiration. Thus, drought propagation behaves differently in distinct Brazilian biomes. Our results highlight that terrestrial water storage anomalies were able to represent the hydrological drought patterns over the country. Our findings reveal important aspects of drought propagation using remote sensing in a heterogenous country largely affected by such events

Estimando hidrogramas de projeto em escala de bacia : de simulações de eventos a simulações contínuas

Design hydrographs are widely used in practical hydrologic engineering problems. Typical applications adopt event-based (EBM) methods, using rainfall-runoff models to convert design hyetographs into design hydrographs. Uncertainties include the definition of antecedent conditions and the assumption of equivalence between hyetograph and hydrograph return periods. An alternative is to use continuous simulation (CSM) methods, by forcing a rainfall-runoff model with long precipitation series, and directly analyzing the output discharges. To better understand uncertainties in the EBM method and differences between CSM and EBM ones, we applied a hydrological model in the Itajaí-Açu river basin to compare a CSM method with 730 different simulations of an EBM one, considering different basin antecedent conditions and design hyetographs (10- and 50-years). Results indicated that the EBM method leads to a large range of design discharges depending on the antecedent condition. CS-based 10- and 50-years maximum discharges corresponded to percentiles between 30% and 50% of the EBM estimates. Higher discharge variation occurred in sub-basins with larger maximum soil water storage. Our conclusions agree with the literature, which points towards CSM-based methods to estimate design discharges.Hidrogramas de projeto são amplamente utilizados em engenharia hidrológica. Típicas aplicações adotam métodos baseados em eventos (EB), utilizando modelos chuva-vazão para converter hietogramas de projeto em hidrogramas. Incertezas incluem a definição de condições antecedentes e a premissa de equivalência entre tempos de retorno da chuva e hidrograma de projeto. Uma alternativa é utilizar métodos de simulação contínua (CS), forçando um modelo chuva-vazão com longas séries de precipitação e analisando diretamente as vazões estimadas. Para melhor compreender as incertezas e diferenças entre os métodos EB e CS, neste estudo aplicou-se um modelo hidrológico na bacia do rio Itajaí-Açu, sendo comparados um método tipo CS com 730 diferentes simulações do tipo EB, variando condições antecedentes e hietogramas de projeto (10 e 50 anos de tempo de retorno). Os resultados indicaram que vazões de projeto muito variadas podem ser obtidas com o método EB, sugerindo uma grande incerteza deste. Vazões máximas de 10 e 50 anos baseadas no método CS corresponderam a percentis entre 30% e 50% das estimativas via EB. Por fim, uma maior variação de vazões máximas ocorreu em sub-bacias com maior máximo armazenamento de água no solo

Estimando hidrogramas de projeto em escala de bacia : de simulações de eventos a simulações contínuas

Design hydrographs are widely used in practical hydrologic engineering problems. Typical applications adopt event-based (EBM) methods, using rainfall-runoff models to convert design hyetographs into design hydrographs. Uncertainties include the definition of antecedent conditions and the assumption of equivalence between hyetograph and hydrograph return periods. An alternative is to use continuous simulation (CSM) methods, by forcing a rainfall-runoff model with long precipitation series, and directly analyzing the output discharges. To better understand uncertainties in the EBM method and differences between CSM and EBM ones, we applied a hydrological model in the Itajaí-Açu river basin to compare a CSM method with 730 different simulations of an EBM one, considering different basin antecedent conditions and design hyetographs (10- and 50-years). Results indicated that the EBM method leads to a large range of design discharges depending on the antecedent condition. CS-based 10- and 50-years maximum discharges corresponded to percentiles between 30% and 50% of the EBM estimates. Higher discharge variation occurred in sub-basins with larger maximum soil water storage. Our conclusions agree with the literature, which points towards CSM-based methods to estimate design discharges.Hidrogramas de projeto são amplamente utilizados em engenharia hidrológica. Típicas aplicações adotam métodos baseados em eventos (EB), utilizando modelos chuva-vazão para converter hietogramas de projeto em hidrogramas. Incertezas incluem a definição de condições antecedentes e a premissa de equivalência entre tempos de retorno da chuva e hidrograma de projeto. Uma alternativa é utilizar métodos de simulação contínua (CS), forçando um modelo chuva-vazão com longas séries de precipitação e analisando diretamente as vazões estimadas. Para melhor compreender as incertezas e diferenças entre os métodos EB e CS, neste estudo aplicou-se um modelo hidrológico na bacia do rio Itajaí-Açu, sendo comparados um método tipo CS com 730 diferentes simulações do tipo EB, variando condições antecedentes e hietogramas de projeto (10 e 50 anos de tempo de retorno). Os resultados indicaram que vazões de projeto muito variadas podem ser obtidas com o método EB, sugerindo uma grande incerteza deste. Vazões máximas de 10 e 50 anos baseadas no método CS corresponderam a percentis entre 30% e 50% das estimativas via EB. Por fim, uma maior variação de vazões máximas ocorreu em sub-bacias com maior máximo armazenamento de água no solo

Modeling the role of reservoirs versus floodplains on large-scale river hydrodynamics

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 Itajaí-Açu 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. Itajaí do Oeste tributary and Itajaí-Açu mainstem present major floodplain attenuation, while in Itajaí do Sul and Itajaí 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

IPH-Hydro Tools : uma ferramenta open source para determinação de informações topológicas em bacias hidrográficas integrada a um ambiente SIG

Watershed delineation, drainage network generation and determination of river hydraulic characteristics are important issues in hydrological sciences. In gene- ral, this information can be obtained from Digital Elevation Models (DEM) processing within GIS commercial softwares, such as ArcGIS and IDRISI. On the other hand, the use of open source GIS tools has increased significantly, and their advantages include free distribution, continuous development by user communities and full customization for specific requirements. Herein, we present the IPH-Hydro Tools, an open source tool coupled to MapWindow GIS software designed for watershed topology acquisition, including preprocessing steps in hydrological models such as MGB-IPH. In addition, several tests were carried out assessing the performance and applicability of the developed tool, given by a comparison with available GIS packages (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) for similar purposes. The IPH-Hydro Tools provided satisfactory results on tested applications, allowing for better drainage network and less processing time for catchment delineation. Regarding its limitations, the developed tool was incompatible with huge terrain data and showed some difficulties to represent drainage networks in extensive flat areas, which can occur in reservoirs and large riversA delimitação de bacias hidrográficas, geração da rede de drenagem e determinação de características hidráulicas de um rio de interesse são partes importantes de estudos na área de hidrologia. Atualmente muitas dessas informações são obtidas com o processamento de modelos digitais de elevação (MDEs) em sof- twares comerciais de SIG, como o ArcGIS e o IDRISI. Por outro lado, pacotes de SIG para uso livre, ou seja, gratuitos e de código aberto, têm aumentado significativamente nos últimos anos, e as vantagens desses pacotes incluem ampla distribuição e customização, desenvolvimento continuado pela comunidade de usuários e atendimento a necessidades específicas. Este trabalho apresenta o pacote livre (open-source) denominado IPH-Hydro Tools, um conjunto de ferramentas acoplado ao software livre MapWindow GIS criado para facilitar a aquisição de informações topológicas em bacias hidrográficas, bem como realização de etapas de pré-processamento em modelos hidrológicos a exemplo do MGB-IPH. Para avaliar a aplicabilidade e o desempenho da ferramenta desenvolvida foram realizados testes específicos, através da comparação dos resultados do IPH-Hydro Tools em relação a outros pacotes de SIG (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) disponíveis para esta finalidade. O IPH-Hydro Tools apresentou qualidade de rede de drenagem geralmente superior aos demais pacotes e menor tempo de processamento necessário para delimitação de bacias, apesar de algumas limitações como incompatibilidade em relação a matrizes muito grandes e dificuldade na representação da rede de drenagem em áreas extensas de mesma cota, a exemplo de reservatórios e rios muito largos