Nonstationarity in maximum annual daily streamflow series from Southern Brazil

Abstract

Extreme streamflow values estimates are important for flood risk assessment and also for the design and operation of hydraulic structures. The behavior of this hydrological variable is under climate and land use changes effects and river's course modifications caused by construction and operation of large reservoirs. The assumption of stationarity commonly adopted in flood frequency and magnitude analysis studies is questionable under such circumstances. In this work we identified nonstationary annual maximum streamflow series corresponding to fluviometric gauges located in Southern Brazil. A nonstationary frequency model was applied to those series and the results were compared with those of a stationary model. We also evaluated the presence of abrupt changes in the series. The results indicate that 75 of 157 series of Southern Brazil may be considered nonstationary, most of which are in the Iguazu, the Paranapanema and the Uruguay basins. For a planning horizon equal to 10 years, the return period of the present 100 years flood changes to 48-75 years when considering the nonstationary model, respectively. Abrupt changes were identified mainly as occurring in the 70's.Keywords: Frequency analysis; Nonstationarity; Return period; Southern Brazil. RESUMOEstimativas de valores extremos de vazão são importantes para a avaliação de riscos de cheias e também para a concepção e operação de estruturas hidráulicas. O comportamento desta variável hidrológica está sobre efeito de mudanças no clima, no uso e cobertura do solo e também de alterações nos cursos d'água provocadas por construção e operação de grandes reservatórios. Estes fatos tornam questionável a premissa de estacionariedade comumente adotada nos estudos de análise de frequência e magnitude de cheias. Neste trabalho foram identificadas séries fluviométricas de vazões máximas anuais não estacionárias no Sul do Brasil. Para estas séries foi aplicado um modelo de análise de frequência não estacionário e os resultados comparados com os fornecidos por um modelo estacionário. Também foi avaliada a presença de mudanças abruptas nas séries históricas. Os resultados indicam que 75 de um total de 157 séries do sul do Brasil podem ser consideradas não estacionárias, sendo que a maior parte das mesmas está concentrada nas bacias dos rios Iguaçu, Paranapanema e Uruguai. Quando considerado um horizonte de planejamento de 10 anos, o tempo de retorno de uma cheia estimada como 100 anos muda para 48-75 anos considerando o modelo não-estacionário. Mudanças abruptas foram identificadas principalmente na década de 70.

Estimating design hydrographs at the basin scale: from event-based to continuous hydrological simulation

“…Future studies could involve evaluating model uncertainties (BLAZKOVA;BEVEN, 2002;ZENG et al, 2016), as well as the shape and distribution of design hyetographs (e.g., Grimaldi et al, 2012). We also did not consider a possible nonstationarity of discharges existent in the Itajaí-Açu basin, although some studies have suggested its existence in Southern Brazil (e.g., Bartiko et al (2017)), and this suggests further developments for this topic.…”

The Role of Land Cover in the Propagation of Rainfall Into Streamflow Trends

“…Recently, Bartiko et al (2017) also found clusters of increasing annual maximum daily flow in the Upper Uruguay basin. However, since large water flows in SB are linked to recurrent climatic features such as the ENSO phenomena (Krepper et al, 2003;Maciel et al, 2013;Pasquini & Depetris, 2007;Robertson & Mechoso, 1998;Silva et al, 2017), the nonstationarity in the flood time series might be related to oscillatory components rather than to a linear trend.…”

“…In Southern Brazil (SB) there were increases in annual average, minimum, and maximum streamflow (Bartiko et al, 2017;Berbery & Barros, 2002;Detzel et al, 2016;Doyle & Barros, 2011;Hirata et al, 2010;Marques, 2012;Pasquini & Depetris, 2007), generally associated with rainfall variability (Doyle & Barros, 2011;Maciel et al, 2013;Saurral et al, 2008). The Uruguay and the Paraná rivers, which downstream become the La Plata River, have experienced in the last century one of the greatest annual streamflow increases in the world (Milliman et al, 2008;Piao et al, 2007).…”

Análise de Séries Hidrológicas na Bacia Hidrográfica afluente à Usina Hidrelétrica Castro Alves, RS

“…Devido à possibilidade de ocorrerem alterações nas estatísticas das séries hidrológicas ao longo do tempo, diversos estudos buscaram avaliar a estacionariedade de séries históricas em bacias hidrográficas de diferentes regiões do mundo (Marengo, 2004;Yeste et al, 2018;Wilcox et al, 2018;Sun et al, 2018;Harrigan et al, 2018;Gu et al, 2019;Forootan, 2019;Mirdashtvan et al, 2020;Stephens e Bledsoe, 2020). No Brasil, detecta-se viés tanto de incremento quanto de decréscimo da vazão em diversas bacias e, em boa parte dos estudos, notam-se mudanças significativas após a década de 70 (Genta et al, 1998;Müller et al, 1998;Bartiko et al, 2017;Tozzi e Fill, 2020). Tendências de aumento das vazões são relatadas por Genta et al (1998), Müller et al (1998), Gueter e Prates (2002), Sáfadi (2004), Rosin et al (2015), e Teixeira et al (2020).…”

“…Viés decrescente é relatado por Moraes et al (1998), Marengo e Alves (2005) e Melo et al (2019). No Sul do Brasil, as afluências mostraram-se não-estacionárias nos estudos de Detzel et al (2011) e Bartiko et al (2017). Com relação às séries de precipitação no Brasil, relatase tanto viés crescente (Berlato e Cordeiro;Nunes et al, 2018;Quadros et al, 2018;Guedes et al, 2019) como decrescente (Santos e Nishiyama, 2016), e ainda ausência de tendência (Sá et al, 2018;Alcântara et al, 2019;Melo et al, 2019).…”