tese
Hydrological behavior and drought analysis in the Pandeiros river basin, Brazilian savanna
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Universidade Federal de Lavras
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Departamento
Departamento de Recursos Hídricos
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
Estudos hidrológicos são importantes para auxiliar a gestão de recursos hídricos em bacias hidrográficas, especialmente diante de eventos extremos, como as secas. No entanto, a disponibilidade de dados hidrometeorológicos observados no Brasil é baixa, o que dificulta o desenvolvimento de estudos hidrológicos consistentes. Diante disso, objetivou-se por meio deste trabalho: i) analisar as características e propagação da seca meteorológica para hidrológica e sua influência sobre o comportamento hidrológico na bacia hidrográfica do rio Pandeiros (BHRP), localizada no bioma Cerrado; ii) validar a precipitação utilizando dados do Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-Satellite Precipitation Analysis (TMPA) e Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement (IMERG), bem como avaliar o desempenho e a incerteza da modelagem hidrológica com esses dados e com chuva observada; e iii) realizar a retrospectiva hidrológica (RH) utilizando dados de reanálise climática e analisar a ocorrência e características de secas históricas na bacia. Para isso, foram utilizados dados hidrometeorológicos observados, dados climáticos do Climatic Research Unit (CRU), dados pluviométricos estimados com base em satélites (TMPA e do IMERG) e de reanálise climática (conjunto de modelo atmosférico do século 20 - ERA-20CM, e o componente terrestre da 5ª geração da European ReAnalysis - ERA5-Land). Além disso, foram utilizados o Modelo Digital de Elevação e mapas de tipo e uso do solo. A modelagem hidrológica foi realizada com o Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Foram utilizados ainda o Standardized Precipitation Index (SPI) e o Standardized Streamflow Index (SSI) para determinar a seca meteorológica e hidrológica, respectivamente. Na análise de propagação das secas, foi observado que a seca meteorológica gerou uma redução na recarga subterrânea, gerando a ocorrência da seca hidrológica mesmo após a normalização da precipitação. A propagação da seca apresentou maior correlação para uma defasagem de até seis meses do SPI em relação ao SSI, sendo que, para maiores defasagens foi observada uma menor influência da seca meteorológica sobre a hidrológica. Com relação à análise dos produtos de precipitação por satélite, tanto o IMERG como o TMPA superestimaram a precipitação observada. O IMERG apresentou melhor desempenho na validação da chuva e da vazão simulada com o modelo hidrológico, sendo considerado uma alternativa importante para estudos hidrológicos na BHRP. Dentre os produtos de reanálise climática, o ERA5-Land apresentou resultado satisfatório na estimativa da precipitação, da vazão simulada com o modelo hidrológico e da seca hidrológica na bacia, enquanto que os produtos derivados do ERA-20CM apresentaram desempenho insatisfatório em todas as análises. Dessa forma, o ERA5-Land foi utilizado para realizar a reanálise hidrológica de 1950 a 2018, bem como analisar a ocorrência e características das secas hidrológicas históricas na bacia, onde foi possível identificar que os anos de 1958/62, 1970/72, 1974/77, 2001/03 e 2012/18 foram aqueles com maior severidade e duração da seca no período analisado. Além disso, foi observado um aumento no número de meses secos e redução de meses úmidos nas últimas décadas, com 51,7% dos meses secos ocorrendo a partir de 1996. Portanto, o ERA5-Land é adequado para estudos hidrológicos que envolvam séries históricas longas na bacia.
Abstract
Hydrological studies are important to assist the water resources management in
watersheds, especially in the face of extreme events such as droughts. However, the
availability of hydrometeorological observed data in Brazil is low, besides presenting
several problems, such as gaps in historical series and irregular spatial distribution.
Therefore, this study aimed to (i) analyze the characteristics and propagation of
meteorological to hydrological drought and its influence on hydrological behavior in the
Pandeiros river basin (PRB), located in the Cerrado biome; ii) to validate precipitation
using Tropical Rainfall Measuring Mission Multi-Satellite Precipitation Analysis
(TMPA) and Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement
(IMERG) data, as well as to evaluate the performance and uncertainty of hydrological
modeling with these data and with observed precipitation; and iii) to perform
hydrological retrospective (RH) using climate reanalysis data and to analyze the
occurrence and characteristics of historical droughts in the basin. For this, observed
hydrometeorological data, climate data from the Climatic Research Unit (CRU),
satellite-based estimated rainfall data (TMPA and from IMERG), and climate reanalysis
(20th-century atmospheric model ensemble - ERA-20CM, and the land component of
the 5th generation European ReAnalysis - ERA5-Land) were used. In addition, the
Digital Elevation Model and maps of land type and land use were used. Hydrological
modeling was performed with the Soil and Water Assessment Tool (SWAT).
Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Streamflow Index (SSI) were
also used to determine meteorological and hydrological droughts, respectively. In the
drought propagation analysis, the meteorological drought caused a reduction in
groundwater recharge, generating the occurrence of hydrological drought even after the
normalization of precipitation. The drought propagation presented a higher correlation
for a lag of up to six months of the SPI in relation to the SSI, and for longer lags, a
lower influence of the meteorological drought on the hydrological one was observed.
With respect to the analysis of satellite precipitation products, both IMERG and TMPA
overestimated the observed precipitation. IMERG showed better performance in
validating the precipitation and streamflow simulated with the hydrological model and
is considered an important alternative for hydrological studies in the BHRP. Among the
climate reanalysis products, ERA5-Land showed satisfactory results in estimating
precipitation, streamflow simulated with the hydrological model, and hydrological
drought in the basin, while the products derived from ERA-20CM showed
unsatisfactory performance in all analyses. Thus, ERA5-Land was used to perform
hydrological reanalysis from 1950 to 2018, as well as analyze the occurrence and
characteristics of historical hydrological droughts in the basin, where it was possible to
identify that the years 1958/62, 1970/72, 1974/77, 2001/03, and 2012/18 were those
with the greatest drought severity and duration in the analyzed period. In addition, an
increase in the number of drought months and a reduction of wet months was observed
in the last decades, with 51.7% of the dry months occurring from 1996 on. Therefore,
ERA5-Land is suitable for hydrological studies involving long historical series in the
basin.
Descrição
Área de concentração
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
ISBN
DOI
Citação
JUNQUEIRA, R. Hydrological behavior and drought analysis in the Pandeiros river basin, Brazilian savanna. 2022. 98 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.