Funções-objetivo utilizadas como medidas de desempenho de modelos hidrológicos : estado-da-arte e análise crítica

Hydrological models (HMs) can be applied for different purposes, and a key step is model calibration using objective functions (OF) to quantify the agreement between observed and calculated discharges. Fully understanding the OF is important to properly take advantage of model calibration and interpret the results. This study evaluates 36 OF proposed in the literature, considering two watersheds of different hydrological regimes. Daily simulated streamflow time-series, using a distributed hydrological model (MGB‑IPH), and ten daily streamflow synthetic time-series, generated from the observed and calculated streamflows, were used in the analysis of each watershed. These synthetic data were used to evaluate how does each metric evaluate hypothetical cases that present isolated very well known error behaviors. Despite of all NSE-derived (Nash-Sutcliffe efficiency) metrics that use the square of the residuals in their formulation have shown higher sensitivity to errors in high flows, the ones that use daily and monthly averages of flow rates in absolute terms were more stringent than the others to assess HMs performance. Low flow errors were better evaluated by metrics that use the flow logarithm. The constant presence of zero flow rates deteriorate them significantly, with the exception of the metrics TRMSE (Transformed root mean square error) did not demonstrate this problem. An observed limitation of the formulations of some metrics was that the errors of overestimation or underestimation are compensated. Our results reassert that each metric should be interpreted specifically thinking about the aspects it has been proposed for, and simultaneously taking into account a set of metrics would lead to a broader evaluation of HM ability (e.g. multiobjective model evaluation). We recommend that the use of synthetic time series as those proposed in this work could be useful as an auxiliary step towards better understanding the evaluation of a calibrated hydrological model for each study case, taking into account model capabilities and observed hydrologic regime characteristics.Modelos hidrológicos (MHs) podem ser aplicados para diferentes propósitos, uma etapa fundamental é a calibração do modelo usando funções objetivo (FO) para quantificar a concordância entre as vazões observadas e calculadas. O entendimento completo das FO é importante para aproveitar adequadamente a calibração do modelo e interpretar os resultados. Este estudo avalia 36 FO propostas na literatura, considerando duas bacias hidrográficas de diferentes regimes hidrológicos. Séries temporais diárias de vazão simulada, usando um modelo hidrológico distribuído (MGB-IPH), e dez séries temporais sintéticas diárias, geradas a partir das vazões observadas e calculadas, foram usadas na análise de cada bacia hidrográfica. Esses dados sintéticos foram usados para avaliar como cada métrica avalia os casos hipotéticos que apresentam comportamentos de erro isolados muito conhecidos. Apesar de todas as métricas derivadas de NSE (eficiência de Nash-Sutcliffe) que usam o quadrado dos resíduos em sua formulação terem demonstrado maior sensibilidade a erros nas vazões altas, os que usam médias diárias e mensais das vazões em termos absolutos foram mais rigorosos que os outros para avaliar o desempenho dos MHs. Erros nas vazões baixas foram melhor avaliados por métricas que usam o logaritmo das vazões. A presença constante de vazões zero os deteriora significativamente, com exceção das métricas TRMSE (erro quadrático médio da raiz transformada) não demonstraram esse problema. Uma limitação observada das formulações de algumas métricas foi que os erros de superestimação ou subestimação são compensados. Nossos resultados reafirmam que cada métrica deve ser interpretada pensando especificamente nos aspectos para os quais foi proposta e, considerando simultaneamente um conjunto de métricas, levaria a uma avaliação mais ampla da capacidade do MH (ex: avaliação de modelo multiobjetivo). Recomendamos que o uso de séries temporais sintéticas, como as propostas neste trabalho, possa ser útil como um passo auxiliar no melhor entendimento da avaliação de um modelo hidrológico calibrado para cada estudo de caso, levando em consideração as capacidades do modelo e as características observadas do regime hidrológico

AVALIAÇÃO DE UM CONJUNTO DE ÍNDICES NA IDENTIFICAÇÃO DO RISCO DE OCORRÊNCIA DE DESERTIFICAÇÃO NA SUB-BACIA TAPEROÁ-PB: Evaluation of a set of indices in the identification of risk to desertification in the Taperoá Sub-basin, PB

This is study is of the Risk of Tendency to Desertification Index (RTDI). It comprises a group of soil and vegetation spectral indexes, climate indexes and human impact to identify the degree of desertification of a semiarid region of Brazil. This study the goal is to examine, validate and adapt the RTDI methodology in the considering a temporal analysis between the years of 1995 and 2015 taking into account the seasonality. The RTDI was also tested according to the class distribution range, using equal and quartile intervals, considering the variation of the SAVI L parameter (0.8, 0.9 and 1). In addition to that, the results of the collected field data were validated including the verification and categorization of the desertification degree according to experienced professionals. It was done comparative analysis pixel / point by performance indexes, identifying areas that are susceptible to desertification, according to the field survey and the estimates obtained the RTDI. The application of the RTDI with quartile interval class distribution, during the dry period and using the SAVI parameter L =1, presented better performance than the other method variations. The applied indexes ’driving force estimates showed that the parameters related to the soil and vegetation were decisive in terms of the classification level of the risk of tendency to desertification.Este estudo aplica a metodologia do Índice de Risco de Tendência à Desertificação (IRTD) que envolve um conjunto de índices espectrais de solo e vegetação, índices climático e de impacto humano para identificar o grau de desertificação de uma região semiárida do Brasil. Estre trabalho propõe examinar, validar e adaptar a metodologia do IRTD através de uma análise temporal compreendida entre os anos de 1995 e 2015, levando em consideração a sazonalidade. Classificou o melhor intervalo de distribuição de classes, utilizando intervalo igual e quartil, além de considerar a variação do parâmetro L do SAVI (0,8, 0,9 e 1). Ademais, foram validados os resultados por dados coletados em campo, incluindo a identificação e categorização do grau de desertificação por profissionais experientes. Foram realizadas análises comparativas pixel/ponto por índices de performance, identificando as áreas com tendencia, ou não, à desertificação. A aplicação do IRTD com intervalo quartil, no período seco, com parâmetro do SAVI igual a 1, foi o que apresentou melhor desempenho do que as outras variações do método. A estimativa de força motriz dos índices indicou que os parâmetros relacionados ao solo e vegetação foram determinantes quanto ao nível da classificação do risco de tendência à desertificação

Uncertainty in climate change impacts on water resources in the Rio Grande Basin, Brazil

We quantify uncertainty in the impacts of climate change on the discharge of Rio Grande, a major tributary of the Paraná River in South America and one of the most important basins in Brazil for water supply and hydro-electric power generation. We consider uncertainty in climate projections associated with the greenhouse-gas emission scenarios (A1b, A2, B1, B2) and increases in global mean air temperature of 1 to 6° C for the HadCM3 GCM (Global Circulation Model) as well as uncertainties related to GCM structure. For the latter, multimodel runs using 6 GCMs (CCCMA CGCM31, CSIRO Mk30, IPSL CM4, MPI ECHAM5, NCAR CCSM30, UKMO HadGEM1) and HadCM3 as baseline, for a +2° C increase in global mean temperature. Pattern-scaled GCM-outputs are applied to a large-scale hydrological model (MGB-IPH) of Rio Grande Basin. Based on simulations using HadCM3, mean annual river discharge increases, relative to the baseline or control run period (1961–1990), by +5% to +10% under the SRES emissions scenarios and from +8% to +51% with prescribed increases in global mean air temperature of between 1 and 6° C. Substantial uncertainty in projected changes to mean river discharge (−28% to +13%) under the 2° C warming scenario is, however, associated with the choice of GCM. We conclude that, in the case of Rio Grande Basin, the most important source of uncertainty derives from the GCM rather than the emission scenario or the magnitude of rise in mean global temperature

A MODIS-based energy balance to estimate evapotranspiration for clear-sky days in Brazilian tropical savannas

Evapotranspiration (ET) plays an important role in global climate dynamics and in primary production of terrestrial ecosystems; it represents the mass and energy transfer from the land to atmosphere. Limitations to measuring ET at large scales using ground-based methods have motivated the development of satellite remote sensing techniques. The purpose of this work is to evaluate the accuracy of the SEBAL algorithm for estimating surface turbulent heat fluxes at regional scale, using 28 images from MODIS. SEBAL estimates are compared with eddy-covariance (EC) measurements and results from the hydrological model MGB-IPH. SEBAL instantaneous estimates of latent heat flux (LE) yielded r 2= 0.64 and r2 = 0.62 over sugarcane croplands and savannas when compared against in situ EC estimates. At the same sites, daily aggregated estimates of LE were r 2 = 0.76 and r2 = 0.66, respectively. Energy balance closure showed that turbulent fluxes over sugarcane croplands were underestimated by 7% and 9% over savannas. Average daily ET from SEBAL is in close agreement with estimates from the hydrological model for an overlay of 38,100 km2 (r2 = 0.88). Inputs to which the algorithm is most sensitive are vegetation index (NDVI), gradient of temperature (dT) to compute sensible heat flux (H) and net radiation (Rn). It was verified that SEBAL has a tendency to overestimate results both at local and regional scales probably because of low sensitivity to soil moisture and water stress. Nevertheless the results confirm the potential of the SEBAL algorithm, when used with MODIS images for estimating instantaneous LE and daily ET from large areas

A modeling assessment of large-scale hydrologic alteration in south american Pantanal due to upstream dam operation

Natural river flow provides the conditions required to sustain freshwater ecosystems, and the greater the departure from the natural regime, the greater the loss of those ecosystems. In South America, new hydropower dams are continuously being constructed and planned in regions within and around the Amazon basin and in the Upper Paraguay river basin, a region notable for the Pantanal, a huge wetland ecosystem that is largely dependent on the flow regime of the Paraguay river and its tributaries. In this context, it is meaningful to examine the hydrological changes caused by the major Manso dam, that is operating since 2001 at the headwaters of one of the major tributaries of the Paraguay river. This was done for the same case study by other authors in previous studies using only gauging stations data. However, those previous assessments were limited due to the confounding effects of climate variability and the necessity of relatively long term observed time series. Here, we applied a modeling approach to evaluate the changes in hydrological regime caused by Manso dam operation. Our modeling approach was based on the combination of the MGB large-scale hydrologic model with the SIRIPLAN large-scale wetland model. The models were applied, using river reaches from 2 to 10 km, in two scenarios during the period from 2003 to 2015. In the first scenario we used naturalized streamflow at the dam site as input to the hydrological model. In the second scenario we used observed reservoir outflow time series as input to the hydrological model. Our results show that Manso dam has a regulation effect that decreases high flows, increases low flows and reduces lateral connectivity. The decrease in high flows is more pronounced in the region upstream of the Pantanal floodplain, but not limited to, while increase in low flows extends into Pantanal. Timing of maximum and minimum flows is less affected, except for the river reach immediately downstream of the dam. Our results improve the assessment of spatial patterns of hydrologic alteration, giving more confidence in the assessment of magnitude and spatial extension of the effects of Manso dam in the Pantanal region

Simulação hidrológica de rios com grandes planícies de inundação

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados.Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability

Análise dos principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado do Taim (RS)

Os ecossistemas conhecidos como banhados são corpos d’água rasos de grande importância ecológica, embora apenas recentemente isso começou a ser reconhecido. Além de servirem de habitat para uma diversidade de espécies de seres vivos e constituírem áreas de transição entre ambientes aquáticos e terrestres, os banhados ainda são responsáveis pela atenuação de cheias, melhoria da qualidade da água e recarga/descarga de águas subterrâneas. Ao lado da oscilação natural do nível da água, conhecido como hidroperíodo, a circulação da água desempenha um papel de fundamental importância na estrutura e no funcionamento dos banhados. Tais ecossistemas são caracterizados por pequenas lâminas d’água e pela grande presença de macrófitas aquáticas, que são sensíveis a alterações no nível e no padrão de circulação da água. Isso tem ocorrido no banhado do Taim (RS), objeto deste estudo, em decorrência da ação antrópica, como a captação de água para orizicultura e a operação das comportas de saída para a lagoa Mirim. Neste trabalho, aplicou-se um modelo hidrodinâmico bidimensional horizontal (modelo IPH-A), associado a um algoritmo de secagem/inundação, ao sistema formado pela lagoa Mangueira e pelo banhado do Taim, procurando analisar os principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado. Foram avaliados os efeitos decorrentes da ação de cisalhamento do vento na superfície da água, da resistência ao escoamento e da proteção contra a ação do vento proporcionados pelas macrófitas aquáticas e a interação com a lagoa Mangueira. A resistência da vegetação ao escoamento foi representada na modelagem pela adoção de um coeficiente de Manning superior ao das áreas consideradas sem vegetação e, para representar o efeito protetor contra a ação do vento, considerou-se uma redução da tensão de cisalhamento na superfície da água nas áreas com vegetação. Verificou-se, através das simulações numéricas, que os fatores analisados têm papel fundamental sobre a hidrodinâmica do Taim, estando fortemente associados entre si. Em particular, os resultados mostraram que a distribuição espacial da vegetação norteia o padrão geral da circulação da água no banhado e sua ocorrência, principalmente na interface com a lagoa, diminui a influência desta sobre o Taim, significativamente. Outro fato relevante é que, conforme o nível da água, diferentes regiões do banhado ficam secas, resultando padrões hidrodinâmicos distintos, que também diferem quanto à influência que sofrem do vento e da lagoa Mangueira

Análise dos principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado do Taim (RS)

Os ecossistemas conhecidos como banhados são corpos d’água rasos de grande importância ecológica, embora apenas recentemente isso começou a ser reconhecido. Além de servirem de habitat para uma diversidade de espécies de seres vivos e constituírem áreas de transição entre ambientes aquáticos e terrestres, os banhados ainda são responsáveis pela atenuação de cheias, melhoria da qualidade da água e recarga/descarga de águas subterrâneas. Ao lado da oscilação natural do nível da água, conhecido como hidroperíodo, a circulação da água desempenha um papel de fundamental importância na estrutura e no funcionamento dos banhados. Tais ecossistemas são caracterizados por pequenas lâminas d’água e pela grande presença de macrófitas aquáticas, que são sensíveis a alterações no nível e no padrão de circulação da água. Isso tem ocorrido no banhado do Taim (RS), objeto deste estudo, em decorrência da ação antrópica, como a captação de água para orizicultura e a operação das comportas de saída para a lagoa Mirim. Neste trabalho, aplicou-se um modelo hidrodinâmico bidimensional horizontal (modelo IPH-A), associado a um algoritmo de secagem/inundação, ao sistema formado pela lagoa Mangueira e pelo banhado do Taim, procurando analisar os principais fatores intervenientes no comportamento hidrodinâmico do banhado. Foram avaliados os efeitos decorrentes da ação de cisalhamento do vento na superfície da água, da resistência ao escoamento e da proteção contra a ação do vento proporcionados pelas macrófitas aquáticas e a interação com a lagoa Mangueira. A resistência da vegetação ao escoamento foi representada na modelagem pela adoção de um coeficiente de Manning superior ao das áreas consideradas sem vegetação e, para representar o efeito protetor contra a ação do vento, considerou-se uma redução da tensão de cisalhamento na superfície da água nas áreas com vegetação. Verificou-se, através das simulações numéricas, que os fatores analisados têm papel fundamental sobre a hidrodinâmica do Taim, estando fortemente associados entre si. Em particular, os resultados mostraram que a distribuição espacial da vegetação norteia o padrão geral da circulação da água no banhado e sua ocorrência, principalmente na interface com a lagoa, diminui a influência desta sobre o Taim, significativamente. Outro fato relevante é que, conforme o nível da água, diferentes regiões do banhado ficam secas, resultando padrões hidrodinâmicos distintos, que também diferem quanto à influência que sofrem do vento e da lagoa Mangueira