Artificial Neural Networks for Filling Missing Streamflow Data in Rio do Carmo Basin, Minas Gerais, Brazil

Abstract Adequate availability of data directly influences the quality of hydrological studies. In this sense, procedures for filling gaps of observations are often applied in order to improve the length of hydrological series. One technique that can be used is the Artificial Neural Network (ANN), which process information from input data creating an output. This study aims to evaluate the application of ANN to fill missing data from monthly average streamflow series at Rio do Carmo Basin in the state of Minas Gerais, Brazil. A 26-years series (from 1989 to 2012) was used for ANN modelling while the two proceeding years, 2013 and 2014, were used to simulate failures pursuant to evaluating the performance of the ANN. The ANN construction was performed by the software WEKA that uses the multilayer perceptron model with sigmoidal activation functions. Four types of ANN were generated: five attributes and two (MLP1) or five (MLP2) neurons; and with three attributes and one (MLP3) or three (MLP4) neurons. The best-fit model to ANN was the MLP1, verified by Pearson correlation coefficients (0.9824), and coefficient of determination r² (0.9646). The model used five attributes, four input data (year, month, streamflow data from Acaiaca and Fazenda Paraíso stations) and one output data (streamflow from Fazenda Oriente station), that considered the temporal variation of streamflow. Hence, the utilization of the ANN generated by the WEKA was adequate and can be considered a simple approach, not requiring great computational programming knowledge.

Hydrological calibration and validation of the MGB-IPH model for water resource management in the upper Teles Pires River basin in the Amazon-Cerrado ecotone in Brazil / Calibração e validação do modelo MGB-IPH para gestão de recursos hídricos na bacia do alto Rio Teles Pires, ecótono Amazônia-Cerrado, Brasil

The upper Teles Pires River basin is located in the Brazilian agriculture frontier in the north of Mato Grosso state and has experienced significant changes in land use and cover, which can cause major changes in its hydrological dynamics. Climatic and hydrologic data are scarce in the region, which poses uncertainties in the decision-making process aiming at the sustainable management of water resources in this strategic area. The aim of this study was to evaluate the performance of the Large-Scale Distributed Hydrological Model (MGB-IPH) to assess water availability of the upper Teles Pires basin and support water resource management in the Amazon-Cerrado ecotone. The MGB-IPH model was calibrated and validated using data from three streamflow stations available in the basin. In order to verify the model performance, the Nash-Sutcliffe (NS) and the PBIAS statistical parameters were applied. Our results show that, by using the MGB-IPH model with generally available data, the maximum and minimum flow regimes can be successfully assessed in the upper Teles Pires basin. The continuity curves of daily flow simulated by the model showed a good fit with the observed flow. Overall, the results demonstrated the applicability of the MGB-IPH model for water resource assessment and management in the basin. (AU)

A bacia do alto Rio Teles Pires está localizada na região de fronteira agrícola no norte de Mato Grosso, onde significativas mudanças no uso e cobertura do solo vem ocorrendo, o que, por sua vez, pode resultar em alterações importantes na dinâmica hidrológica da bacia. Dados climáticos e hidrológicos são escassos na bacia, o que gera dificuldades para a gestão sustentável dos recursos hídricos nesta região estratégica. No presente trabalho, avaliamos o desempenho do Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH) para a estimativa da disponibilidade hídrica da bacia do alto Teles Pires, visando o suporte à tomada de decisões para a gestão hídrica no ecótono Amazônia-Cerrado. O modelo MGB-IPH foi calibrado e validado utilizando séries históricas de três estações hidrométricas presentes na bacia. Para avaliação da qualidade do modelo, foram empregados os índices estatísticos de desempenho de Nash-Sutcliffe (NS) e a porcentagem BIAS (PBIAS). Com base nos resultados é possível afirmar que a utilização do modelo MGB-IPH possibilita a estimativa das vazões mínimas e máximas da bacia do alto Teles Pires de forma satisfatória. As curvas de continuidade das vazões diárias simuladas pelo modelo apresentaram um bom ajuste com os dados observados. Os resultados demonstram a aplicabilidade do modelo MGB-IPH como ferramenta de apoio à avaliação e gestão dos recursos hídricos na bacia.(AU)

Maldição sobre São Paulo: breve crônica sobre o Tietê metropolitano / Curse on São Paulo: Brief chronicle on the Tietê metropolitano

Nesta breve crônica ­ em narrativa um tanto alegórica ­, o autor, alinhavando alguns escritos esporádicos com leituras básicas, acompanha as vicissitudes do Alto Tietê metropolitano e da gestão dos recursos hídricos, até a crise da água de 2014-2015. Começa com a fundação da cidade e seus primeiros colonizadores. Depois, já no século XX, tenta captar alguns traços e momentos determinantes da urbanização e do crescimento industrial, com destaque para a hidroeletricidade, com a obra simbólica da Usina Henry Borden; a visão panorâmica da cidade, esboçada por Aziz Ab'Saber nos anos 1950; e o vertiginoso crescimento da metrópole até os anos 1990, acompanhado pela degradação ambiental. Nessa última década, registra as iniciativas de gestão participativa das águas. Então, já nas primeiras décadas do novo século, ao contrário das expectativas, parece que uma maldição se abateu sobre São Paulo: a seca de 2014-2015 deixou evidente que há governo, mas não há governança da água. Recuperando propostas dos anos 1990, o autor lança alguns desafios ao governo e à inteligência técnica no sentido de restaurar as condições hidráulicas do rio, adaptando-o às funções estratégicas atuais: abastecimento de água e saneamento ambiental.(AU)

In this short chronicle, a somewhat allegorical narrative intertwining sporadic writings with basic readings, the author follows the vicissitudes of the Alto Tietê metropolitan area and its water resources management up to the water crisis of 2014-2015. The narrative begins with the founding of the city and its first settlers. Later, in the 20th century, it attempts to capture certain features and decisive moments of urbanization and industrial growth, with special focus on hydroelectricity and the symbol of the Henry Borden power plant; a panoramic view of the city, outlined by Aziz Ab'Saber in the 1950s; and the rapid growth of the metropolis until the 1990s and its environmental degradation. In this last decade, he records participatory initiatives in management of the water. In the first decades of the new century, contrary to expectations, it was as if a curse had befallen São Paulo, and the drought of 2014-2015 made it clear that if a government exists, there is no water governance. Reinstating proposals from the 1990s, the author challenges to government and technical experts to restore the hydraulic conditions of the Tietê river, adapting it to the current strategic requirements: water supply and environmental sanitation.(AU)

The influence of flood pulse on fish communities of floodplain canals in the Middle Solimões River, Brazil

The functioning of large river systems with adjacent floodplains is strongly influenced by the flood pulse. This phenomenon is the main structuring force for the biota, including fish communities that use floodplain environments for spawning, feeding, nursery and refuge. In floodplains and in the entire basin, the volume of water controls internal flows. During rising water, the high discharge of the river acts as a natural barrier to the canals that connect floodplain lakes and the Solimões River, because the water flows from river to lake. During the dry period, there is a reduction of discharge and the water flow is reversed or stationary. These canals are environments with distinct ecological characteristics such as differentiated limnology and water level variation intensely affected by the hydrological cycle. Therefore, we surveyed the influence of the flood pulse on fish communities that inhabit two canals that connect floodplain lakes to the Middle Solimões River. Particularly, we evaluated the hypothesis that the Solimões River flow direction is not perfectly parallel to its banks, which creates peripheral flows that direct water from the rivers to the floodplain lake canals. Our analysis indicated that the seasonal pattern is stronger than the spatial. Beside this, we observed that the positions of the canals in relation to the main river flow somehow affect the fish assemblages. Finally, we conclude that the flood pulse is the main structuring force acting on these fish communities.

A dinâmica dos sistemas de grandes rios com áreas inundadas adjacentes é fortemente influenciada pelo pulso de inundação, sendo este fenômeno o principal agente estruturador da biota, inclusive dos peixes, que utilizam este ambiente para a desova, alimentação, berçário e refúgio. Nesta região e em toda a bacia, a intensidade da vazão controla os fluxos internos. Na época da cheia, a forte vazão atua como uma barreira natural nos canais de ligação entre os lagos de várzea e o rio Solimões, com um fluxo no sentido rio-lago. Enquanto na seca, com a redução da intensidade da vazão, o fluxo se inverte. Estes canais são ambientes com características ecológicas especiais, profundamente afetadas pelo ciclo hidrológico. Neste trabalho, estudamos a influência do pulso de inundação sobre as comunidades de peixes existentes nos canais entre dois lagos de várzea e o Médio rio Solimões, avaliando a hipótese de que a direção do fluxo do rio Solimões não é perfeitamente paralelo às margens criando, desta forma, fluxos preferenciais que direcionam o sentido da correnteza para os canais dos lagos de várzea. Nossas análises indicaram que padrões sazonais predominam sobre padrões espaciais. Além disso, observamos que a posição do canal em relação ao fluxo da corrente do rio principal afeta de alguma maneira as assembléias de peixes. Finalmente, concluímos que o pulso de inundação é a principal força responsável pela estruturação destas comunidades de peixes.

The parana river under extreme flooding: a hydrological and hidro-geochemical insight

Todos los sistemas fluviales pueden estar sometidos a inundaciones extremas con fuerte impacto en su dinámica hidrológica y bio-geoquímica. Los grandes ríos (cuencas de tamaño continental) están expuestos a tales alteraciones drásticas, que en ocasiones han surgido más frecuentemente o severas que en el pasado reciente, quizás como consecuencia de los cambios climáticos mundiales. El Río Paraná, uno de los mayores sistemas fluviales, exhibe una teleconexión activa entre inundaciones extremas y la ocurrencia de eventos ENSO en el Pacífico. Además, desde los años 70 se aprecia un caudal creciente. La teoría de los valores extremos muestra que eventos recientes de altos caudales han excedido las predicciones basadas en registros históricos de 100 años y es probable que una inundación con una periodicidad de 200 años rebase lo calculado. El análisis del impacto geoquímico de la inundación causada por El Niño en 1982-83, que aparentemente fue la inundación de los 100 años, ilustra que las fases disueltas exportadas durante la crecida muestran comportamientos diferentes: algunas fases son diluidas no-linealmente mientras otras aumentan en concentración con el aumento de flujo. Las relaciones iónicas (elementos alcalinos y alcalino-térreos) fueron significativamente alteradas durante el evento debido a cambios en las fuentes principales (p.e., Cl- y Na+ pasaron de fuentes continentales, muy posiblemente sedimentos marinos y otros sedimentos salinos, durante el flujo bajo/medio a aerosoles marinos durante altos caudales). Un grupo de metales pesados totales medidos durante la crecida 1982-83 pareció seguir un patrón de dilución ideal, donde el doble del caudal determina una reducción de la concentración a la mitad.

Calidad microbiológica del Río Grande de Térraba período 2002 / Microbiological quiality of the River Grande de Térraba period 2002

La elaboración de un diagnóstico que permita tener una idea de la calidad de las aguas superficiales, que podrían se utilizadas en el desarrollo de las actividades humanas, es una iniciativa que debe desarrollarse lenta pero permanentemente. El personal del Laboratorio Nacional de Aguas de AyA (LNA) se ha dado a la tarea de evaluar microbiológica y físicamente diferentes ríos, entre ellos el Grande de Térraba, por constituir una de las cuencas de mayor tamaño del país. Para ello se seleccionaron 14 puntos de muestreo ubicados a todo lo largo de la cuenca, los cuales se muestrearon mensualmente, con la intención de determinar la concentración de coliformes fecales, color y la turbiedad, tanto en la totalidad del período evaluado (año 2002) como en las épocas de verano (enero-junio) e invierno (julio-diciembre). Los resultados promedio fueron analizados y comparados contralos valores presentados en el documento "Criterios Microbiológicos para Evaluar la Calidad del Agua en sus Diferentes Usos", específicamente los de potabilización, natación, irrigación, navegación y piscicultura. Los resultados indican que las aguas de este río presentan una "buena" calidad para potabilización, debido a que en la evaluación anual solamente un punto sobrepasó los 1000 CF/100 mL. Por otro lado, se logró demostrar que la fuerte precipitación de la zona provoca un fuerte impacto en la calidad microbiológica del agua, sin que ésta llegue a niveles alarmantes. En la comparación con otros cauces evaluados, como los ríos Grande de Tárcoles, Liberia y Reventazón, sus aguas pueden considerarse poco contaminadas. Por último, en forma general, sus aguas pueden ser utilizadas para irrigación, navegación y cultivo de peces en la mayoría de los puntos evaluados.

Determinacion de planos de inundacion en Puerto Villarroel / sss

Este trabajo de investigacion se realizao para determinar los planos de inundacion que se generan a diferentes caudales. El metodo utilizado fue el de area pendiente que se basa en la ecuacion de maninng. determinandose el caudal base, orilla y sobre el cuadal orilla el 15 por ciento y 30 por ciento y finalmente un caudal historico. Todos estos caudales sirvieron para simular el modelo hidrulico de Hec-Ras. Con la ayuda del SIG Ilwis se determino el modelo de elevacion digital DEM de la zona de estudio y con la ayuda de un equipo (sonar) se genero un mapa de profundidad del rio zona de estudio para finalmente crear mapas con las secciones transversales...

Diseño de mejoramiento del sistema de riego de vertiente (Quillacollo-Cochabamba) / ssss

Sistema de vertiente ubicada en Conbuyo, Vinto Cochabamba. La gestion de riego con dos modalidades de distribucion: aguas comunes en la que todos pueden regar; mitas, riegan aquellos que tienen derechos; con mantenimiento rutinario de emergencia. Produccion agricola en funcion a la oferta de agua que es menor a la demanda (epoca de estiaje) Problema planteado reduccion del caudal de la vertiente: alternativa viable para el problema planteado. Revestimiento de canales cuyo diseño es participativo...

Mejoramiento del sistema de riego "Umuphusa" (Curahuara de Carangas, Oruro) / sss

El sistema de riego Umphusa aglutina a 26 familias, cuya fuente principal proviene de dos vertientes Putiri con 18 Lt/s y Thujsuma con 10-2 Lt/seg. Los derechos de agua tienen su origen en la Sayaña y 150 jornales de trabajo. La distribucion en los turnos es diferente para ambos margenes; en el margen derecho es de 24 horas y una frecuencia de 11 dias. La organizacion es un comite de riego...