ABSTRACT Hydrological modeling in decision-making is particularly challenging in tropical countries such as Brazil. There are numerous modeling tools; however, many applications have focused on watersheds with a total area of <20,000km2. Here we tailored a customized SWAT (Soil and Water Assessment Tool) ecohydrological model application using the SWAT CUP tool for calibration and validation of the Rio das Velhas, a relatively large, complex Brazilian basin (~28,000km2). The Rio das Velhas is the longest tributary of the São Francisco River and contains heterogeneous landforms, soils, vegetation, and land uses. A multisite calibration method obtained specific regionalized parameters for each sub-basin group for successfully simulating Rio das Velhas streamflows. Our results showed a suitable adjustment of the model. Nash-Sutcliff (NS) model performance values were 0.73-0.97 (calibration) and 0.51-0.98 (validation). The percent bias (PBIAS) was -11.3 to 19.4 (calibration) and -18.6 to 24.6 (validation), and the coefficient of determination values (R2) were >0.6 in all sub-basins on a monthly basis. We also explored how four contrasting land use scenarios affected four water-flow variables (surface runoff, base flow, percolation, and total streamflow). Our results show that by using multiple flow-monitoring stations and multisite calibration approaches, ecohydrological models can be useful for managing basin-extent water resources in countries of continental dimensions such as Brazil.

RESUMO O uso de ferramentas de modelagem hidrológica na tomada de decisão é particularmente desafiador em países tropicais como o Brasil. Existem inúmeras ferramentas de modelagem disponíveis; entretanto muitas aplicações destas ferramentas são focadas em bacias hidrográficas com área total <20.000 km2. Neste trabalho, adotamos e customizamos o modelo ecohidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool) usando a ferramenta SWAT CUP para calibração e validação do Rio das Velhas, uma relativamente grande e complexa bacia brasileira (~ 28.000 km2). O Rio das Velhas é o maior afluente da bacia do rio São Francisco e contém formas de relevo, solos, vegetação e usos da terra heterogêneos. Usando um método de calibração multi-site, parâmetros regionalizados específicos foram obtidos para cada grupo de sub-bacias para simular com sucesso as vazões do Rio das Velhas. Nossos resultados mostraram um bom ajuste do modelo. Os valores do coeficiente de performance Nash-Sutcliff (NS) foram 0,73-0,97 (calibração) e 0,51-0,98 (validação). A porcentagem de viés (PBIAS) foi de -11,3 a 19,4 (calibração) e -18,6 a 24,6 (validação) e os valores do coeficiente de determinação (R2) foram >0,6 em todas as sub-bacias considerando uma escala mensal. Também exploramos as maneiras pelas quais quatro cenários contrastantes de uso da terra impactam às quatro variáveis de vazões avaliadas (escoamento superficial, fluxo de base, percolação e fluxo total). Nossos resultados mostram que, usando múltiplas estações de monitoramento de vazão e abordagens de calibração multi-site, os modelos ecohidrológicos podem de fato ser úteis para gerenciar os recursos hídricos da extensão da bacia em países de dimensões continentais como o Brasil.

RESUMO A simulação de habitat para espécies de peixes (PHABSIM) é uma etapa importante do método Instream Flow Incremental Methodology (IFIM), cuja aplicação está relacionada a determinação da vazão ecológica. O presente estudo aplicou PHABSIM em dois trechos da bacia do rio das Velhas, cujas vazões de médio prazo são semelhantes, mas sob condições de conservação ambiental diferente. Curvas de aptidão foram obtidas para Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea e Serrapinnus heterodon através do método tradicional e ajustando modelo aditivos generalizados (Astyanax sp., P. argentea e S. heterodon). Os resultados sugerem uso de habitats diferentes dependendo do modelo utilizado para gerar as curvas. Aplicando as curvas obtidas pelo método tradicional no PHABSIM, diferentes cenários de vazão foram simulados. O aumento da vazão para cheia de um ano de retorno aumenta o habitat provável para todas as espécies. Entretanto, mesmo cenário de vazão, fornecido por análise de hidrológica de percentis de ocorrência, fornece diferente proporção de habitat em diferentes rios. O trabalho demonstra que curvas de aptidão para espécies neotropicais, independentemente da forma de geração, devem ser usadas com cautela. Entretanto, o método PHABSIM permite análises mais elaboradas do que as tradicionais estimativas de vazão mínima empregadas na América do Sul.

ABSTRACT Physical habitat simulation (PHABSIM) is an important step of the instream flow incremental methodology (IFIM), which is applied to establish environmental flow regimes. This study applied the PHABSIM in two reaches of the Velhas river basin, whose long-term discharges are similar but are under different degrees of impact. Suitability curves were obtained for fish species using traditional methods (Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea and Serrapinnus heterodon) and generalized additive models for fish density (Astyanax sp., P. argentea and S. heterodon). The results of habitat use depended on the method for curves generation. Applying the suitability curves by traditional methods, different discharge scenarios were simulated. The flow increasing from a dry scenario to a discharge of 1 year of return promotes a possible habitat increase for all species. However, the same hydrological flow percentiles produce different habitat proportions in different rivers. This work demonstrates that regardless of how suitability curves for the Neotropical species are generated, caution should be taken when applying them. However, the PHABSIM method allows more complex analyses than the traditional approaches based on minimal flow estimations, which is usually applied in South America.

Os rejeitos gerados pela mineração de ferro no Brasil atingem volumes altos e têm aumentado em grande velocidade. Normalmente eles são dispostos em estruturas de pilhas ou em reservatórios formados por barragens de rejeitos, que demandam grandes áreas nos complexos minerários. A limitação dos recursos naturais, bem como a limitação de novas áreas para disposição de resíduos, tem levado a uma mudança de paradigma. Portanto, este trabalho teve como objetivo a aplicação de uma técnica geofísica, conhecida como Radar de penetração (GPR), para definir a existência de padrões de sedimentação na subsuperfície do reservatório criado pela barragem de rejeito do Diogo, em Rio Piracicaba, Minas Gerais, Brasil. Para auxiliar o reconhecimento dos padrões capturados pelo GPR, amostras do material da subsuperfície foram coletadas e analisadas por meio de testes de composição mineralógica, teor de umidade, condutividade elétrica, análise mineralógica e granulometria, fluorescência de Raios-X e difração de Raios-X. Os resultados indicaram que áreas com presença de rejeitos que possuem alta concentração de hematita (em torno de 60% na análise mineralógica) tiveram padrões de reflexão alterados. A presença da água gerou algumas reflexões múltiplas, que foram menos significativas em locais de menor profundidade e com maior presença de rejeito, e mais significativas em locais de maior profundidade e com menor presença de rejeitos. De uma forma geral, foi viável a aplicação do método GPR em ambientes aquáticos com subsuperfície com material depositado rico em hematita.

A large volume of waste is generated by iron mining in Brazil, and the amount has been rapidly increasing. The waste is usually stored in large piles or in reservoirs formed by tailings dams, which occupy large areas in the mining complex. The limitation of natural resources and of new areas for waste disposal has led to change in paradigms. This study therefore aimed to apply a geophysical technique, known as Ground Penetrating Radar (GPR), in order to define sedimentation patterns in the subsurface reservoir created by Diogo's tailings dam in Rio Piracicaba in Minas Gerais, Brazil. To assist the recognition of patterns captured by the GPR, subsurface material samples were collected and analyzed for mineralogical composition, moisture content, electrical conductivity, mineralogical analysis, particle size, X-Ray Diffraction and X-Ray Fluorescence. The results indicated that areas with tailings that had high concentrations of hematite (around 60% in the mineralogical analysis) altered the reflection patterns. The presence of water generated some multiple reflections, which were less significant in shallower sites with more waste and more significant in deeper sites with less waste. In general, the application of the GPR was feasible in aquatic environments with rich subsurface hematite deposits.

Interrupções em rios, como as causadas por barragens, provocam impactos negativos sobre as comunidades aquáticas e as espécies migratórias de peixes são diretamente afetadas. A fim de permitir a passagem de peixes, mecanismos de transposição são construídos junto a barramentos. No Brasil, após a implantação de leis ambientais, estas estruturas passaram a ser amplamente construídas e foram baseadas em projetos desenvolvidos na Europa e na América do Norte. Análises de mecanismos já construídos têm mostrado grande seletividade para espécies neotropicais e as demandas da diversa fauna de peixes neotropical são apresentadas como principal desafio ao projeto de passagens para peixes. Os padrões de escoamento dentro de escadas para peixes podem explicar a seletividade destes mecanismos, mas poucos estudos detalham a resposta dos peixes às características hidráulicas encontradas dentro das escadas. Este estudo apresenta uma análise realizada em um laboratório onde foi construída uma escada do tipo ranhura vertical e analisados os comportamentos de duas espécies neotropicais (Leporinus reinhardti e Pimelodus maculatus). O escoamento foi estudado considerando os campos de velocidade média, tensão cisalhante de Reynolds e flutuações de velocidades. Os indivíduos da espécie Leporinus reinhardti apresentaram maior sucesso de passagem do que os da espécie Pimelodus maculatus. Ambas as espécies preferiram áreas de tensão de Reynolds igual a zero. Além disso, diferentes preferências foram observadas para cada espécie em relação às componentes horizontais da flutuação da velocidade.

The barriers created by dams can cause negative impacts to aquatic communities, and migratory fish species are directly affected. Fishways have been developed to allow the upstream passage of fishes through dams. In Brazil, after the implementation of environmental laws, these structures have been built based on European and American fishway designs. Studies have shown selectivity for different neotropical fishes in some Brazilian fishways, and the main challenge has been to promote upstream passage of a large number of diverse fish species. The patterns of flow circulation within the fish ladder may explain fish selectivity although few studies detail the fish response to hydraulic characteristics of fish ladder flow. This paper presents a laboratory study, where a vertical slot fishway was built in a hydraulic flume and the behavior of two neotropical fish species (Leporinus reinhardti and Pimelodus maculatus) were analyzed. The structure of flow was expressed in terms of mean velocity, Reynolds shear-stress and velocity fluctuation fields. The individuals of Leporinus reinhardti had higher passage success than Pimelodus maculatus in the laboratory flume. Both species preferred areas of low to zero Reynolds shear-stress values. In addition, different preferences were observed for these species concerning the horizontal components of velocity fluctuation.

A capacidade natatória das espécies neotropicais de peixes é um importante aspecto a ser considerado em projetos de passagem para peixes. Especialmente na América Latina, aonde as passagens para peixes apresentam alta seletividade, estratégias para vencer barreiras de velocidade devem ser estudadas para espécies alvo. Este trabalho levantou a capacidade natatória de três espécies de peixes neotropicais (Leporinus reinhardti, Pimelodus maculatus e Prochilodus costatus) da bacia do rio São Francisco. Foi empregado o método forçado com uso de um em respirômetro. A comparação da velocidade entre as três espécies permitiu concluir que o L. reinhardti foi a espécie com maior velocidade crítica e velocidade prolongada em termos relativos (comprimentos/segundo). As espécies neotropicais foram mais rápidas, em termos relativos, do que as espécies de regiões temperadas, considerando velocidade crítica e máxima velocidade prolongada. Com relação aos procedimentos para determinação da capacidade natatória, verificou-se que a otimização da velocidade pelos peixes em respirômetro é inferior a desenvolvida em testes voluntários em canais abertos.

The swimming ability of neotropical fish species is an important aspect for fish ladder designs. Especially in Latin America, where fish ladders are highly selective, fish strategies to negotiate the passage should be studied focusing on target species. This paper shows the swimming ability of three neotropical species (Leporinus reinhardti, Pimelodus maculatus and Prochilodus costatus), from São Francisco river basin. Respirometer was employed for data collection. Regarding the critical and prolonged speeds, L. reinhardti was the fastest among the three neotropical species in relative values (body length/second). The performance of neotropical species was better when compared to critical and maximum prolonged speeds of fish species from temperate areas. Finally, regarding the experimental procedures, the optimization of swimming speed in respirometer is lower than the optimal processes obtained with free swimming in open channels.

As passagens para peixes construídas na América Latina são principalmente baseadas nos dispositivos existentes no hemisfério norte que, por sua vez, foram dimensionados para salmonídeos. Entretanto, a capacidade natatória das espécies migradoras, em termos de resistência e velocidade, é o principal fator a ser considerado no dimensionamento de uma passagem para peixes e estas informações ainda não são conhecidas para as espécies migradoras neotropicais. Dessa forma, o estudo da capacidade natatória das espécies neotropicais tornou-se uma necessidade. Este estudo tem como objetivo estimar as velocidades crítica, sustentável e prolongada do piau-três-pintas, Leporinus reinhardti, bem como avaliar a influência da temperatura da água na capacidade natatória. Testes de velocidade variável e fixa foram desenvolvidos em um aparato experimental do tipo respirômetro. Quando comparado a outras espécies, cujos dados de velocidade crítica são disponíveis, observa-se que o piau apresenta velocidades superiores para um mesmo comprimento total. Tempo de fadiga por classe de velocidade prolongada foram obtidos bem como a velocidade prolongada por classes de tempo de fadiga. O ponto de mudança do modo sustentável para o modo prolongado de natação foi estimado ocorrer em, aproximadamente, sete comprimentos por segundo (1.12 m/s para indivíduos com 16 cm de comprimento total: comprimento de primeira maturação). Apesar da grande capacidade natatória do piau, a adoção de critérios eficientes para o projeto de mecanismos de transposição para peixes neotropicais dependerá de análise detalhada da capacidade natatória de diferentes espécies.

The fishways built in Latin America were mainly based on those used in the northern hemisphere for passing salmonids upstream. However, the swimming capacity in terms of speed and endurance is a major factor concerning the design of a fishway, and this information is not available for migratory neotropical fish species. Therefore, studies on swimming performance of neotropical species is fundamental. The aim of this study was to estimate the critical, sustained and prolonged speeds for the piau-três-pintas Leporinus reinhardti, and to evaluate the influence of water temperature on the swimming performance of the species. Variable (increasing) and fixed velocity tests were performed in a respirometer. When compared to other species whose critical speed data are available, the piau showed higher speeds, for a given total length. Fatigue times per prolonged speed class were estimated as well as prolonged speed per fatigue time class. The changing point from sustained to prolonged swimming was estimated to occur approximately at a speed of seven body-lengths per second (1.12 m/s for an individual with 16 cm total length: the first maturation length). In spite of the great swimming performance of piau, the adoption of efficient directives in fishway projects to allow the passage of neotropical ichthyofauna, will depend on a more detailed analysis of the swimming capacity of different species.