ABSTRACT Ensuring compliance with the minimum Water Quality Standards stipulated by law demands the implementation of strategic measures within the watershed. Water pollution modeling serves as a tool to guide the formulations of effective pollution control strategies. However, the inherent complexity of calibration, spatial-temporal variability, and uncertainty, in addition to effective communication of technical information to decision makers, makes it challenging to prioritize actions, implement them, and allocate resources efficiently. This paper presents the implementation of a Web-GIS for decision making support which combines collaborative hydrological and hydrodynamic modeling results with an interactive visualization of the Paranapanema river basin in the South of Brazil. The Web-GIS aimed to overcome the difficulty of presenting scientific results to decision-makers, gathering and harmonizing diverse datasets. Combining information from the watershed, the pollutant loads estimations for three substances (phosphorus, nitrogen, and BOD), the resulting concentrations in rivers and reservoirs, as well as the results for different future scenarios into a unified platform. It is expected that decision-making regarding water bodies framework will be facilitated by identifying the primary sources and pathways of pollution, prioritizing basins with the highest load production, an determining realistic possibilities of load reduction through effective measures.

RESUMO Garantir o cumprimento dos padrões mínimos de qualidade de água estabelecidos por lei exige medidas estratégicas na bacia afluente. A modelagem da poluição de água serve como ferramenta para orientar a formulação de estratégias eficazes de controle de poluição. No entanto, a complexidade inerente à calibração, à variabilidade espacial-temporal e a incerteza, aliadas ao repasse ineficaz de informações técnicas para os tomadores de decisão, dificultam não apenas a priorização se não a própria efetivação das ações e aplicação dos recursos eficientemente. Sendo assim, este estudo apresenta o desenvolvimento de um Web-GIS que reúne os principais resultados das modelagens hidrológicas para conceder uma visão interativa da bacia do Rio Paranapanema no sul do Brasil. O sistema supera a dificuldade de apresentação de resultados científicos para o gestor, reunindo e harmonizando conjuntos de dados diversos. Combinando informações da bacia hidrográfica, estimativas de carga de poluentes para três substâncias (fósforo, nitrogênio e DBO), as concentrações resultantes em rios e reservatórios, bem como os resultados para diferentes cenários futuros em uma plataforma unificada. Espera-se que a tomada de decisão em relação ao enquadramento de corpos d'água seja facilitada pela identificação das principais fontes e vias de poluição, priorizando as bacias com maior produção de carga e determinando possibilidades realistas de redução da carga por meio de medidas eficazes.

RESUMO Modelos de qualidade da água são frequentemente aplicados para apoiar as definições de planejamento e gestão de recursos hídricos. Este processo requer dados apropriados para calibrar e fazer o processo de verificação necessário para análise de validação. No entanto, em alguns estudos de caso, não há dados suficientes para executar um modelo complexo de qualidade da água, seja qual for o sistema de água, rio ou reservatório. No contexto de dados escassos, a busca por modelos simples de qualidade da água é uma alternativa para compreender o comportamento da qualidade da água. Nesta pesquisa, um modelo zero-dimensional não-permanente de qualidade de água foi desenvolvido e aplicado utilizando séries sintéticas de concentrações de fósforo para um reservatório brasileiro. Os resultados dos modelos zero-dimensionais desenvolvidos nesta pesquisa foram comparados aos resultados de um modelo tridimensional, a fim de verificar se esta metodologia pode ser uma alternativa mais simples ao modelo tridimensional complexo. Os resultados compatíveis dos modelos zero-dimensional (0D) e tridimensional (3D) mostram que os esquemas numéricos simplificados são importantes ferramentas potenciais a serem consideradas para a análise inicial da dinâmica da qualidade da água em reservatórios e para fins de gestão. hídricos validação entanto caso escassos zerodimensional zero dimensional nãopermanente permanente brasileiro zerodimensionais dimensionais 0D D (0D 3D (3D

ABSTRACT Water quality models are often applied to support the definitions for water resources planning and management. This process requires appropriate data to calibrate and make the required verification process for validation analysis. However, in some case studies, there is not enough data to run a complex water quality model whatever is the water system, being river or reservoir. In the context of scarce data, the search for a simple water quality model is an alternative to comprehend the water quality behavior of the water system. In this research, an unsteady zero-dimensional (0D) water quality model was developed and applied using synthetic series of phosphorus concentrations for a Brazilian reservoir. The results of the zero-dimensional models developed in this research were compared to the results of a three-dimensional water quality model, in order to verify if this methodology can be a simpler alternative to a complex three-dimensional model. The compatible results of the zero-dimensional (0D) and three-dimensional (3D) models show the simplified numerical schemes are important potential tools to be considered for initial analysis of water quality dynamics in reservoirs and for management purposes. However studies system reservoir zerodimensional zero dimensional 0D D (0D threedimensional three 3D (3D purposes

ABSTRACT Hydrodynamic models, based on the Saint-Venant equations, represent the transient flow in water systems, and simulate flow routing over time and space. Several numerical solutions have been applied to these expressions, but often differences are found in results among distinct procedures, considering that all numerical approaches have limitations. Natural channels are characterized by a dynamic flow behavior, with multiple uses of water and changes in morphology, which occur naturally and by human influence. In this context, this study seeks to complement the understanding of different assumptions and approximations for solution of the Saint-Venant equations, verifying results of the Lax diffusive scheme and comparing with HEC-RAS model. The case study consists of a river that covers an urban area (River Iguaçu, located in Curitiba, Paraná). Comparing the observed and simulated hydrographs, it was possible to assess that how the equations are solved, which determines the type of boundary conditions to be used, that may contribute to differences in simulated flows. Additionally, the calibration strategy and the hypothesis of trapezoidal cross-sections produced positive results. The development of this research should also encourage the progress in solving the hydrodynamic model trough the Lax diffusive scheme, particularly concerning computational efficiency. Explicit schemes, although more sensitive to the time step, have the advantage of simplicity to implement, which could be beneficial in the study of complex systems such as urban rivers.

RESUMO Modelos hidrodinâmicos, formados pelas equações de Saint-Venant, representam o escoamento transitório em sistemas hídricos, e simulam a propagação de vazões ao longo do tempo e do espaço. Diversas soluções numéricas têm sido aplicadas a essas expressões, porém frequentemente são encontradas diferenças de resultados entre procedimentos, uma vez que toda aproximação numérica possui limitações. Canais naturais são caracterizados por um comportamento dinâmico das vazões, considerando os usos múltiplos da água e as alterações de morfologia, que ocorrem naturalmente ou por influência antrópica. Nesse contexto, esse trabalho procura complementar o entendimento acerca de diferentes hipóteses e aproximações para solução das equações de Saint-Venant, verificando resultados do esquema difusivo de Lax e comparando com o software HEC-RAS. O estudo de caso consiste em um rio que drena uma área densamente povoada (rio Iguaçu, localizado em Curitiba-PR). Ao comparar os hidrogramas observados e simulados, foi possível avaliar que a forma como as equações são resolvidas, que por sua vez determina o tipo de condição de contorno a ser utilizada, pode contribuir para diferenças na vazão simulada. Adicionalmente, foi observado que a calibração alcançada é adequada, assim como a hipótese de seção transversal trapezoidal. O desenvolvimento da pesquisa deve auxiliar ainda o avanço na solução do modelo hidrodinâmico pelo esquema difusivo de Lax, principalmente no que concerne à eficiência computacional. Esquemas explícitos, apesar de serem mais sensíveis ao intervalo temporal de simulação, apresentam a vantagem de simplificação para implementação, o que pode trazer benefícios no estudo de sistemas complexos, como rios urbanos.

RESUMO Modelos matemáticos de qualidade de água têm sido utilizados como ferramentas para o planejamento e a gestão de recursos hídricos em diversos países. Em geral, em rios, as análises são baseadas em simulações considerando condições de escoamento de regime permanente. Entretanto, bacias urbanas apresentam uma intensa dinâmica, consequente de mecanismos de uso e ocupação do solo, capaz de induzir processos de poluição que requerem uma análise que contemple aspectos físicos, químicos e biológicos. A abordagem em estado não-permanente permite descrever de forma mais realista estas características, e associar de maneira consistente as interações de qualidade e quantidade de água, em função da representação hidrodinâmica de um sistema. Esta pesquisa contribui para esse entendimento usando como estudo de caso o rio Iguaçu, localizado na região metropolitana de Curitiba, ao analisar potenciais impactos de avaliações de qualidade baseadas em uma comparação de condições de estado permanente e não-permanente como forma de subsidiar elementos para a gestão do uso da água. O modelo aqui proposto (SIHQUAL), desenvolvido em módulos tradicionais, utiliza métodos de diferenças finitas explícitas para solução das equações de Saint-Venant integradas com a equação de transporte de massa, para demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e oxigênio dissolvido (OD). Para a análise de qualidade da água utilizou-se do conceito de curva de permanência de qualidade da água. Observou-se principalmente que modelos em estado transiente oferecem maior flexibilidade e uma distinta perspectiva para o gerenciamento, em especial quanto à aplicação dos instrumentos de gestão de recursos hídricos, como o enquadramento.

ABSTRACT Water quality models have been used as tools for planning and water resources management in many countries. Generally, in rivers the simulations are based on flow conditions under steady regime. However, urbanized basins have an intense dynamics, the consequence of land use and soil occupation mechanisms, able to induce pollution processes that require representation of physical, chemical and biological processes. The unsteady regime approach provides a better description of these characteristics, and a more consistent association of water quality and quantity interactions, based on a hydrodynamic representation of the system. This paper aims to contribute to this understanding using as case study the Iguaçu river, located in the metropolitan region of Curitiba, analyzing possible impacts of quality evaluations based on an analogy between steady and unsteady regime conditions as a manner of supporting water management elements. The proposed model (SIHQUAL), developed in traditional modules, uses explicit finite difference methods to solve the Saint-Venant equations integrated with the mass transport equation, for biochemical oxygen demand (BOD) and dissolved oxygen (DO) concentrations. The frequency curve concept was used to analyze the water quality. It was observed mainly that water quality models under unsteady state offer more flexibility and a different perspective for management, especially regarding the implementation of water resources management instruments, like the framework.

Mudanças na temperatura da água e na dinâmica de estratificação térmica podem causar efeitos negativos sobre os processos físicos, químicos e biológicos de reservatórios. A variação da temperatura afeta a densidade da água e, como consequência, altera os processos de transporte. Um modelo unidimensional de transferência de calor é utilizado para simular a temperatura do reservatório do Rio Verde, localizado na região metropolitana de Curitiba, Estado do Paraná. Na solução da equação, usou-se o método de diferenças finitas. O modelo foi calibrado e validado por meio dos dados de dois meses: julho de 2009 e março de 2010. Os resultados mostram uma boa concordância entre os valores simulados e observados. Esses resultados ainda permitem avaliar as relações da profundidade da termoclina com a radiação solar e a velocidade do vento.

Changes in the water temperature and in the thermal stratification dynamics can be responsible for negative effects on physical, chemical and biological processes of reservoirs. The temperature variation affects the water density and, consequently, alters the transport processes. A one-dimensional model of thermal evolution is used to simulate the temperature of Rio Verde reservoir, located in the Curitiba metropolitan area, Paraná state, Brazil. The finite difference method was employed for the numerical solution of the equation. The model was calibrated and validated by means of the data from two different months: July 2009 and March 2010. The results show a good agreement between simulated and observed values. These results still allow evaluating the relationships between the depth of the thermocline with solar radiation and wind speed.