Correção de tendência das projeções climáticas futuras simuladas pelo modelo regional Eta-Hadgem2-Es para a Bacia Hidrográfica do Rio Mundaú, Nordeste do Brasil

Os efeitos das mudanças climáticas futuras decorrentes de ações antrópicas sobre os recursos hídricos têm sido uma das principais questões estudadas atualmente. A compreensão dessas mudanças é de extrema importância para que ações de prevenção e mitigação sejam tomadas. Uma das formas de avaliar tais efeitos é por meio da inclusão das previsões climáticas em modelos hidrológicos. Entretanto, os dados oriundos de modelos climáticos globais/regionais geralmente possuem erros sistemáticos (vieses), e não podem ser utilizados diretamente na modelagem hidrológica. Neste contexto, objetivou-se realizar a correção de tendência de dados de precipitação e temperatura simulados pelo modelo regional Eta-HadGEM2-ES para a Bacia Hidrográfica do Rio Mundaú, testando dois métodos para a correção de tendência, utilizando o software Climate Model for Hydrologic Modeling (CMHyd). Os dados de precipitação e temperatura simulados pelo modelo regional Eta-HadGEM2-ES foram disponibilizados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). A correção de tendência foi realizada testando-se dois métodos para a correção: Linear Scaling (LS) e Distribution Mapping (DM). Ambos os métodos foram capazes de corrigir a tendência dos dados de precipitação e temperatura da projeção climática do modelo regional Eta-HadGEM2-ES, mas o método DM mostrou-se mais eficaz na correção quando comparado ao LS

Modeling runoff response to land-use changes using the SWAT model in the Mundaú watershed, Brazil

Land-use change has a significant influence on runoff process of any watershed, and the deepening of this theme is essential to assist decision making, within the scope of water resources management. The study was conducted for Mundaú River Basin (MRB) using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. The study aims to assess the issue of land-use change and its effect on evapotranspiration, surface runoff, and sediment yield. Input data like land use, topography, weather, and soil data features are required to undertake watershed simulation. Two scenarios of land use were analyzed over 30 years, which were: a regeneration scenario (referring to use in the year 1987) and another scene of degradation (relating to use in the year 2017). Land use maps for 1987 and 2017 were acquired from satellite images. Overall, during the last three decades, 76.4% of forest was lost in the MRB. The grazing land increased in 2017 at a few more than double the area that existed in 1987. Changes in land use, over the years, resulted in an increase of about 37% in the water yield of MRB. Changes have led to increased processes such as surface runoff and sediment yield and in the decrease of evapotranspiration. The spatial and temporal distribution of land use controls the water balance and sediment production in the MRB

Modelagem hidrológica sob mudanças na cobertura vegetal de uma bacia hidrográfica no Nordeste do Brasil

Modificações na cobertura vegetal do solo em bacias hidrográficas podem ocasionar alterações nas componentes hidrológicas. O objetivo do trabalho foi avaliar os processos hidrológicos sob diferentes condições de cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica do Rio Mundaú (BHRM), Nordeste do Brasil, utilizando o modelo SWAT. Para a simulação hidrológica, foram considerados dois cenários (C1 – uso atual) e C2 (substituição de áreas agrícolas por Caatinga). Foram utilizados dados de entrada como mapa de uso e ocupação do solo, mapa digital de elevação e mapa dos tipos de solo, além de uma série de 17 anos de dados, em passo de tempo diário. A precipitação anual média da BHRM foi 1.109,7 mm, a evapotranspiração potencial anual foi 1.247,7 mm e a ascensão do aquífero raso foi de 24,94 mm por ano, em parte da bacia. O escoamento superficial anual para o cenário C1 foi igual 262,62 mm e para o cenário C2 igual a 257,49 mm. Os valores de percolação e recarga anuais foram de 302,78 e 15,14 mm para o cenário C1 e de 306,73 e 15,34 mm para o cenário C2. A evapotranspiração real anual para o cenário C1 resultou em 548,2 mm e para o cenário C2 em 549,3 mm. A mudança de uso do solo exerceu influência no regime hidrológico da Bacia do Rio Mundaú. A implantação de vegetação Caatinga em áreas agrícolas proporcionou redução no escoamento superficial. Por outro lado, processos como evapotranspiração, percolação para o aquífero raso e recarga para o aquífero profundo aumentaram

Modelagem hidrológica sob escassez de dados na Bacia do Alto Mundaú, Nordeste do Brasil

Estudos voltados ao entendimento dos processos hidrológicos são de suma importância para auxiliar a gestão e a tomada de decisões relacionadas aos recursos hídricos. Modelos hidrológicos são considerados ferramentas poderosas no entendimento desses processos. Entretanto, tais modelos requerem uma série de dados que não estão facilmente acessíveis. Objetivou-se com este trabalho, aplicar e testar o modelo SWAT, seguindo uma sequência de procedimentos recomendada em uma sub-bacia do rio Mundaú, Nordeste do Brasil. Foram utilizados dados de entrada como mapa de uso e ocupação do solo, mapa digital de elevação e mapa dos tipos de solo, além de um período de 2000 a 2016, em passo de tempo diário. A acurácia do modelo foi medida com base no coeficiente de Nash-Sutcliffe (CNS), pelo percentual de tendência (PBIAS) e pelo coeficiente de determinação (R²). Os valores de CNS, PBIAS e R² obtidos foram de 0,53; -7,1 e 0,56 respectivamente, para o período de calibração. Foi possível realizar a modelagem hidrológica com o modelo SWAT na sub-bacia do rio Mundaú, obtendo-se desempenho satisfatório, segundo o CNS e muito bom considerando o PBIAS na calibração. Com o modelo calibrado, estudos futuros podem ser realizados com o SWAT, a fim de validá-lo e prever possíveis impactos de mudanças climáticas e de uso do solo na bacia estudada. Estudos como este têm mostrado que cada vez mais, os dados experimentais são imprescindíveis para a adequada representação e entendimento dos processos por meio da modelagem hidrológica.

Variabilidade espaço temporal da temperatura do solo sob diferentes coberturas no semiárido pernambucano

Soil temperature is a great importance property for the development of plants and soil microorganisms, with direct influence on water supplies, carbon and the final crop yield. Associated with the scenery of the semiarid northeast, high incidence of solar radiation and irregular rainfall, there is a condition of high thermal stress for plants. Therefore, this study was conducted in order to determine the spatial variability of surface soil temperature and 15 cm deep, in the municipality of Pesqueira, semiarid region of Pernambuco. Infrared and digital thermometers with 15 cm long were used to measure the temperature at 65 points in an area of 3952 m², being divided into: an area 576 m² cultivated with irrigation carrot, composing a record mesh equidistant every 4 m, totaling 49 points; Another area of 3376 m² with bare soil and 16 points divided into a regular grid of 12 m and a linear sampling distant from each other 24 m. It was verified that there is a delay in the soil temperature with depth, so that the temperature propagates through layers of soil, providing different times for each soil layer to reach the maximum daily temperature. The recording of data was performed on November 13, 2012, at different times: 8:30, 10:30, 15:00 and 17:00 h. It was thermal lag of the temperature in the layer of 0-15 cm deep, giving a differentiation between the timestamp for the temperature to reach the maximum daily. It was noted strong spatial dependence to surface temperature across the area evaluated, which is justified by ground cover. The Gaussian model was presented that best fit the different times and depths, especially for the area with vegetation.A temperatura do solo é uma propriedade de grande importância para o desenvolvimento das plantas e dos microrganismos do solo, com influência direta nos estoques de água, carbono e na produtividade final das culturas. Associado ao cenário do semiárido nordestino, de alta incidência da radiação solar e precipitações irregulares, tem-se uma condição de intenso estresse térmico para as plantas. Diante disso, esse trabalho foi conduzido com o objetivo de determinar a variabilidade espacial da temperatura da superfície do solo e a 15 cm de profundidade, no município de Pesqueira, semiárido pernambucano. Foram utilizados termômetros de infravermelho e digital com 15 cm de comprimento para avaliar a temperatura em 65 pontos, em uma área de 3952 m², sendo dividida em: uma área com 576 m², cultivada com cenoura irrigada, compondo uma malha de registro equidistantes a cada 4 m, totalizando 49 pontos; outra área de 3376 m² e 16 pontos com solo descoberto divididos em uma malha regular de 12 m e uma amostragem linear distante entre si 24 m. O registro dos dados foi realizado no dia 13 de novembro de 2012, em diferentes horários: 8:30, 10:30, 15:00 e 17:00 h. Verificou-se o atraso térmico das temperaturas nas camadas de 0 e 15 cm de profundidade, conferindo uma diferenciação entre os horários de registro para que a temperatura atingisse a máxima diária. Notou-se forte dependência espacial para temperatura de superfície em toda área avaliada, o que se justifica pela cobertura do solo. O modelo gaussiano foi que apresentou melhor ajuste nos diferentes horários e profundidades, em especial para área com cobertura vegetal

Variabilidade espacial da resistência à penetração e da umidade do solo em Neossolo Flúvico

The penetration resistance is a variable of great importance for agricultural management. The study was conductedto evaluate the spatial variability of soil resistance to penetration (RP) and water content of Fluvent cultivated with carrotand irrigated by micro sprinkler system, in Pesqueira, Pernambuco, under severe water stress scenario. The evaluations wereperformed in the 0-0.20 and 0.20-0.40 m layer, at 49 points, a grid mesh with 7 m × 7 m on two consecutive days, called sample1 and sample 2. The Normal distribution was verified in the variables penetration resistance, water content and texture. Forwater content it was observed a nugget effect, while for the penetration resistance spherical model (0.00-0.20 m) was fitted, insampling 1, and the Gaussian model for the sampling 2. The kriging maps of the two samplings show reduced RP, probably dueto the increase in the water content, although it has not been observed a strong correlation between the two variables.A resistência à penetração é uma variável de grande importância para o manejo agrícola. O estudo foi realizadocom o objetivo de investigar a variabilidade espacial da resistência do solo à penetração (RP) e da umidade de um NeossoloFlúvico cultivado com cenoura e irrigado por microaspersão, em Pesqueira, PE, sob condição de elevado estresse hídrico. Asavaliações foram feitas nas camadas de 0-0,20 e 0,20-0,40 m, em 49 pontos, em uma malha com grid 7 m × 7 m, após irrigaçãoem dois dias consecutivos, denominados amostragem 1 e amostragem 2. A distribuição normal foi verificada nas variáveisresistência à penetração, umidade e textura. Para a umidade do solo observou-se efeito pepita puro; enquanto que para aresistência à penetração, ajustaram-se os modelos esférico (0,00-0,20 m), na amostragem 1, e gaussiano para a amostragem2. Os mapas de krigagem realizados mostram redução da RP, provavelmente devido ao acréscimo da umidade, embora não setenha observado forte correlação entre as duas variáveis

Hydrological modeling and scenarios of land use and climate changes in a representative basin, northeastern Brazil

A água é um recurso fundamental para a vida. A ocorrência de eventos extremos tem aumentado nas últimas décadas. A compreensão dos efeitos causados por esses eventos é de extrema importância para que ações de prevenção e mitigação sejam tomadas. Esta pesquisa de doutorado aborda assuntos ligados à gestão dos recursos hídricos e aos impactos das modificações do uso do solo e do clima sobre o regime hidrológico da bacia hidrográfica do Rio Mundaú (4,090.39 km²), Nordeste do Brasil. Objetiva avaliar as incertezas dos processos de calibração e validação do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) e simular cenários de uso do solo e de mudanças climáticas futuras na bacia. O capítulo 1 aborda a introdução geral do trabalho, contendo a hipótese e os objetivos geral e específicos. O capítulo 2 descreve as características hidro-ambientais da área de estudo. O capítulo 3 detalha os procedimentos adotados nas simulações com o modelo SWAT. O capítulo 4 traz a avaliação das incertezas da utilização dos dados de vazão e umidade do solo na calibração e validação do modelo SWAT na Bacia do Rio Mundaú. O capítulo 5 aborda a avaliação dos efeitos das mudanças no uso do solo, a partir do modelo SWAT calibrado e validado, sobre os processos de evapotranspiração, escoamento superficial e produção de sedimentos. O capítulo 6 aborda os impactos das mudanças climáticas sobre os recursos hídricos da bacia, considerando dois cenários de emissão de gases do efeito estufa: Representative Concentration Pathways (RCPs) 4.5 e 8.5, e três períodos de tempo: curto prazo, médio prazo e longo prazo. O capítulo 7 contém as conclusões gerais da tese. E, por fim, o capítulo 8 apresenta um resumo das publicações e outras atividades desenvolvidas durante a pesquisa de Doutorado. Acreditamos que os resultados encontrados nesta tese são promissores para a gestão hídrica da Bacia Hidrográfica do Rio Mundaú, e servirão como base para a adoção de estratégias de convivência com os cenários de uso do solo e clima previstos para o futuro. O modelo SWAT apresentou bom desempenho e os procedimentos de calibração e simulação de cenários adotados neste estudo podem ser replicados em outras bacias hidrográficas semelhantes. As lições aprendidas nesta tese podem auxiliar pesquisadores em todo o mundo, a uma melhor compreensão do comportamento dos processos hidrológicos de uma bacia do Nordeste brasileiro sob diferentes condições de solo e clima.Water is a fundamental resource for life. The occurrence of extreme events has increased in recent decades. Understanding the effects of these events is extremely important for prevention and mitigation actions to be taken. This doctoral thesis addresses with issues related to water resources management and the impacts of land use and climate changes on the hydrological regime of the Mundaú River Basin (4,090.39 km²), northeastern Brazil. It aims to evaluate the uncertainties of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) calibration and validation processes and to simulate land use scenarios and future climate changes in the basin. Chapter 1 addresses the general introduction of the thesis, containing the hypothesis and general and specific objectives. Chapter 2 describes the hydro-environmental characteristics of the study area. Chapter 3 details the procedures adopted in the simulations with the SWAT model. Chapter 4 presents the evaluation of the uncertainties of the use of discharge and soil moisture data in the calibration and validation of the SWAT model in the Mundaú River Basin. Chapter 5 brings the evaluation of the effects of land use changes, based on the calibrated and validated SWAT model, on the evapotranspiration, surface runoff and sediment yield processes. Chapter 6 addresses the impacts of climate change on water resources in the basin, considering two scenarios of greenhouse gas emissions: Representative Concentration Pathways (RCPs) 4.5 and 8.5, and three time periods: short term, medium term and long term. Chapter 7 contains the general conclusions of the thesis. Finally, Chapter 8 presents a summary of the publications and other activities developed during the Doctoral research. We believe that the results found in this thesis are promising for the water management of the Mundaú River Basin, and will serve as a basis for the adoption of strategies to coexist with the scenarios of land use and climate predicted for the future. The SWAT model presented good performance and the calibration and simulation procedures adopted in this study can be replicated in other similar watersheds. The lessons learnt in this thesis may help researchers around the world to better understand the behavior of the hydrological processes of a northeastern Brazil basin under different land use and climate conditions

Hydrological modeling of an experimental basin in the semiarid region of the Brazilian State of Pernambuco

Hydrological simulation models have proven to be an important tool for managing and planning water resources, enabling the assessment of the impacts of rainfall on surface runoff and soil moisture. This work therefore aimed to apply the SWAT model for the analysis of hydrological processes in the Experimental Basin of the Jatobá Stream, in the semiarid region of the State of Pernambuco, Brazil, considering the calibration and validation of the model from streamflow and soil moisture data. Moreover, the study investigated hydrological effectiveness in a recovery scenario in areas of higher topographic elevation of the arborescent Caatinga and the behavior of the hydrological components under an agricultural expansion scenario. Events which occured between 2009 and 2010 were used to calibrate and validate streamflow and soil moisture data. The calibration and validation of streamflow exhibited efficiency coefficients (NSE) of 0.58 and 0.42, respectively, and 0.53 and 0.46 for soil moisture. The adjustment of the parameters was considered adequate for representing streamflow recession periods. It was also verified that the alternative process of calibration and validation with soil moisture reduced uncertainty. Regeneration of the vegetative cover over 21% of the hilltop areas of arborescent Caatinga led to a significant increase in percolation (42%) and a decrease of 34% in soil moisture (due to water consumption by plants), thus contributing to the recovery of headwaters, increasing resilience to water scarcity. On the other hand, the 38% expansion of agriculture caused an increase of 11% in surface runoff and, consequently, an increase of 10% in soil moisture