1,721,001 research outputs found
Methodological procedure for the construction of evapotranspiration time series employing remote sensing techniques
No full textTese (doutorado)—Universidade de Brasília, Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, 2012.Para o adequado planejamento e gestão dos recursos hídricos se faz necessário compreender a dinâmica temporal e a distribuição espacial da evapotranspiração. A obtenção dessa informação para toda a bacia hidrográfica, entretanto, só é economicamente viável por meio de técnicas de sensoriamento remoto. Mas a disponibilidade de sensores orbitais necessários para o cálculo da evapotranspiração é limitada em relação a resolução espacial ou a frequência temporal de imageamento, representando limitações em inúmeras aplicações tais como a estimativa da evapotranspiração em talhões agrícolas, o monitoramento da estiagem agronômica, o manejo de cultura agrícolas e a modelagem hidrológica. Na presente tese é desenvolvido um procedimento metodológico para a construção de séries temporais de evapotranspiração a partir de estimativas remotas do sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer – MODIS. Por meio do desenvolvimento e aplicação de técnicas de processamento de imagens foi possível obter estimativas com média resolução espacial (250 e 500 metros) e alta frequência temporal (> 7 dias), melhorando significativamente a frequência amostral comparativamente as abordagens que utilizam exclusivamente sensores como o Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer - ASTER e o Thematic Mapper - TM. Destaca-se ainda que o procedimento metodológico proposto foi desenvolvido considerando a eficiência operacional e a restrição da disponibilidade de dados coletados em campo para a calibração-validação do modelo que calcula a evapotranspiração. ________________________________________________________________________________ ABSTRACTFor the proper management and planning of water use it is necessary to understand the spatial distribution and temporal dynamics of evapotranspiration. The only way to acquire this type of information for the whole basin extension is to employ remote sensing techniques. The current polar satellite constellation necessary for the calculation of evapotranspiration has limitations in relation to the spatial resolution or the frequency of image acquisition, representing limitations in local applications such as the estimation of evapotranspiration in agricultural plots, the monitoring of agronomic droughts, agricultural management and hydrological modeling. In the present thesis, a methodological procedure is developed for the construction of evapotranspiration time series using remote sensing acquired data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer – MODIS sensor. Applying digital image processing techniques, it was possible to retrieve evapotranspiration estimations with median spatial resolutions (250 and 500 meters) and high temporal frequency (> 7 days), thus significantly improving the sampling frequency in comparison with other procedures that use sensors exclusively, such as the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer - ASTER and Thematic Mapper – TM. The proposed methodological procedure was developed considering the operational efficiency and the non-availability of in-situ collected data for calibration-validation of the model used to calculate evapotranspiration
Technical coefficients for simulation and irrigation management in soybean under water deficit
No full textO aumento da área de soja irrigada tem demandado mais conhecimento sobre o seu manejo. Avaliar como o déficit hídrico impacta a produção da soja é fundamental para o manejo da cultura e da irrigação e para a gestão de recursos hídricos na região. O objetivo geral desta dissertação foi desenvolver coeficientes técnicos para o manejo de irrigação. Para isso, foram conduzidos quatro experimentos de campo (maio a agosto (95 DAS) e setembro a dezembro (107 DAS) de 2019). O delineamento experimental utilizado foi em blocos casualizados com cinco tratamentos e quatro repetições. No tratamento controle (SE), a irrigação foi realizada de forma a atender 100% da demanda hídrica da cultura em todos os seus estádios de desenvolvimento. Nos demais tratamentos, a irrigação foi suspensa em estádios específicos de desenvolvimento da cultura (TI = VC-V4, TII = V5-R1, TIII = R1-R5 e TIV = R5-R7), sendo retomada após esses períodos. Em paralelo foi desenvolvido outros dois experimentos no mesmo delineamento experimental que o anterior, onde os tratamentos foram: TI, o manejo da irrigação foi conduzido de forma a manter um déficit de água no solo variando de 0 a 20%; no tratamento TII, a variação permitida do déficit hídrico foi de 20 a 40%; no tratamento TIII foi de 40 a 60%; em TIV foi de 60 a 80%; e de 80% a 100%, em TV. De acordo com os resultados, as variáveis altura de plantas, área foliar, biomassa, sistema radicular, peso de 1000 grãos e produtividade, foram afetadas significativamente pela ocorrência de déficits hídricos. Após calibrado, o modelo AquaCrop simulou a cobertura vegetal, a biomassa e o rendimento da soja de forma satisfatória. Os valores médios do coeficiente de cultura nos estádios inicial e final foram maiores que os apresentados no boletim FAO 56. O fator de resposta ao rendimento da soja sob déficit hídrico em todo o ciclo foi menor que o indicado no boletim FAO 33. Os fatores de resposta ao rendimento determinado em diferentes estádios foram maiores nos estádios R1-R5 e R5-R7 em todos os modelos estudados. Palavras-chave: Déficit hídrico. Estádios de desenvolvimento. Modelagem agrícola. Evapotranspiração atual.In recent years, irrigated agriculture in the Cerrado region has expanded rapidly. The increase in the area of irrigated soybean has demanded more knowledge about its management. Assessing how the water deficit impacts soybean production is essential for the management of culture and irrigation and for the management of water resources in the region. The overall objective of this thesis was to develop technical coefficients for irrigation management. For this, two field experiments were conducted (May to August (95 DAS) and September to December (107 DAS) 2019). The experimental design used was in randomized blocks with five treatments and four replications. In the control treatment (SE), irrigation was carried out in order to meet the water demand of the crop in all its stages of development. In the other treatments, irrigation was suspended at specific crop development stages (TI = VC-V4, TII = V5- R1, TIII = R1-R5 and TIV = R5-R7) and then resumed. In parallel, two other experiments were developed in the same period with five treatments and four replications. In the TI treatment, irrigation management was conducted in order to maintain a deficit of water in the soil ranging from 0 to 20%; in the TII treatment, the permitted variation of the water deficit was 20 to 40%; in TIII treatment it was 40 to 60%; in TIV it was 60 to 80%; and 80% to 100%, on TV. The results showed that the variables plant height, leaf area, biomass, root system, weight of 1000 grains and productivity, were significantly affected by the occurrence of water deficits. After calibrated, the AquaCrop model simulated the canopy cover, biomass and soybean yield satisfactorily. The average values of the crop coefficient in the initial and final stages were higher than those presented in the FAO 56 bulletin. The yield response factor to soybean under water deficit throughout the cycle was less than that indicated in the FAO 33 bulletin. Yield response factor determined at different stages were higher at stages R1-R5 and R5-R7 in all models studied. Keywords: Water deficit. Development stages. Agricultural modeling. Real evapotranspiration.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES
Estimation of soybean and bean actual evapotranspiration by Bowen ratio method and SSEBop model
No full textDissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária, Programa de Pós-Graduação em Agronomia, 2018.A evapotranspiração é uma das variáveis mais ativas do ciclo hidrológico e principal componente do balanço hídrico em ecossistemas agrícolas. O monitoramento da sua distribuição espacial e temporal tem relevante importância no gerenciamento da água demandada pelas culturas, seja para fins de irrigação ou em estudos de avaliação ambiental e manejo de bacias hidrográficas. O método da razão de Bowen é fundamentado no balanço de energia para a estimativa da evapotranspiração real (ETr) com alta precisão, frequentemente utilizado como critério no teste de outros métodos. Nas últimas décadas, modelos de sensoriamento remoto têm se mostrado promissores na determinação da ETr, principalmente pela possibilidade de estimativas em escalas regionais. Dessa forma, o propósito deste trabalho foi avaliar o desempenho do modelo SSEBop na estimativa da ETr das culturas de soja e de feijão, ambas irrigadas por pivô central na região da bacia hidrográfica do Rio Preto, subafluente do Rio São Francisco. As estimativas do modelo foram obtidas a partir de imagens digitais dos satélites Landsat 7 e 8 correspondentes aos períodos de cultivo das referidas culturas e comparadas à ETr obtida pelo método da razão de Bowen, provinda de estações micrometeorológicas instaladas no interior das áreas irrigadas. As estimativas do modelo foram avaliadas pelo coeficiente de correlação de Pearson (r) e pelos índices estatísticos de Willmott (dr), raiz do erro médio quadrático (RMSE) e erro absoluto médio (MBE). O desempenho do modelo foi classificado pelo índice de desempenho (Pi). As estimativas de ETr pelo modelo SSEBop para a cultura da soja apresentaram boa correlação (r = 0,87) e concordância (dr = 0,72) com o método da razão de Bowen, com erro médio quadrático de 0,82 mm d-1. O índice MBE apontou uma sobrestimativa do modelo SSEBop de 0,33 mm na escala diária. As estimativas da ETr na cultura do feijão também apresentaram boa correlação (r = 0,85) e concordância (dr = 0,71) com o método da razão de Bowen, além de um erro médio quadrático de 0,48 mm d-1. No entanto, o índice MBE apontou uma subestimativa de 0,25 mm na escala diária. Apesar das pequenas sobrestimativas e subestimativas, o desempenho do modelo SSEBop nas estimativas da ETr foi classificado como “muito bom” para as culturas de soja (Pi = 0,63) e de feijão (Pi = 0,60), comprovando sua utilidade no monitoramento da necessidade hídrica das referidas culturas e no gerenciamento dos recursos hídricos da região.Evapotranspiration is one of the more actives variables of the hydrological cycle and
major component of the water balance in agricultural ecosystems. The monitoring of its spatial
and temporal distribution have relevant importance in management of the crop water demand,
either for irrigation purposes or in environmental assessment studies and watershed
management. The Bowen ratio method is based on energy balance for estimating actual
evapotranspiration (ETr) with high accuracy, often used as a criterion for test other methods. In
the last decades, remote sensing models have been shown to be promising in the determination
of ETr, mainly due the possibility of estimates in regional scales. Thus, the purpose of this work
was to evaluate SSEBop model performance in estimating ETr of soybean and bean crops, both
irrigated by center pivot in the Rio Preto basin, sub basin of the São Francisco river. The
estimates of the model were obtained from digital images of Landsat 7 and 8 satellites
corresponding to periods of growing crops and compared to the ETr obtained by the Bowen
ratio method, provided by micrometeorological stations installed within the irrigated areas. The
model estimates were evaluated by the Pearson correlation coefficient (r) and by statistical
indexes of Willmott (dr), root mean squared error (RMSE) and mean bias error (MBE). The
model performance was rated by performance index (Pi). In the soybean crop, the SSEBop
model estimates showed good correlation (r = 0.87) and concordance (dr = 0.72) to the Bowen
ratio method, with root mean squared error of 0.82 mm day-1
. The MBE index pointed an
overestimate of the SSEBop model of 0.33 mm in daily scale. ETr estimates for bean crop also
showed good correlation (r = 0.85) and concordance (dr = 0.71) to the Bowen ratio method, in
addition to a root mean squared error of 0.48 mm day-1
. However, the MBE index pointed an
underestimate of 0.25 mm in daily scale. Despite the slight overestimates and underestimates,
the performance of SSEBop model estimates was classified as "very good" for soybean (Pi =
0.63) and bean crop (Pi = 0.60), proving its usefulness in monitoring water needs of the irrigated
crops and in the management of water resources in the region.Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária (FAV)Programa de Pós-Graduação em Agronomi
Hydrological assessment and water sustainability in the Cerrado Biome watersheds
No full textO Cerrado, principal fronteira agrícola do Brasil e região estratégica para a segurança hídrica nacional, tem enfrentado desafios crescentes na gestão dos recursos hídricos, impulsionados pelas mudanças climáticas, intensificação da agricultura e alterações no uso e cobertura da terra. Este estudo desenvolveu uma abordagem integrada para analisar e classificar os regimes hidrológicos do bioma Cerrado, composta por três estudos: análises de tendências de precipitação e vazão, classificação hidrológica de bacias hidrográficas e desenvolvimento de um índice de sustentabilidade hídrica do período seco. Inicialmente, foram avaliadas as tendências anuais e mensais da precipitação total e das vazões mínima (Q7), média (Qmean) e máxima (Qmax) em 4.538 bacias do Cerrado entre 2003 e 2019, com destaque para a redução significativa desses indicadores, principalmente nas regiões sudeste, leste e central do bioma. Em seguida, foi realizada a classificação hidrológica das bacias com base em assinaturas hidrológicas, revelando quatro classes distintas de regimes de vazão influenciadas por variáveis climáticas, fisiográficas e antrópicas. Por fim, foi desenvolvido o Índice de Sustentabilidade Hídrica do Período Seco (ISHps), integrando sete indicadores representativos da disponibilidade hídrica, regulação hídrica, clima, pressão antrópica e mitigação, permitindo identificar regiões mais ou menos sustentáveis durante a estação seca. As análises revelaram padrões espaciais heterogêneos de sustentabilidade hídrica, com destaque para áreas mais críticas no norte do Cerrado e potenciais zonas de conflito entre oferta e demanda de água. Os resultados reforçam a necessidade de estratégias adaptativas e regionalizadas de gestão, capazes de conciliar a conservação dos recursos hídricos com a expansão das atividades agrícolas no bioma. Palavras-chave: análise de tendência; classificação hidrológica; estação seca; gestão de recursos hídricos; sustentabilidade hídricaThe Cerrado, Brazil's main agricultural frontier and a strategic region for national water security, has faced growing challenges in water resource management, driven by climate change, agricultural intensification, and changes in land use and land cover. This study developed an integrated approach to analyze and classify the hydrological regimes of the Cerrado biome, consisting of three studies: analysis of precipitation and streamflow trends, hydrological classification of river basins, and development of a dry-season water sustainability index. Initially, annual and monthly trends in total precipitation and minimum (Q7), mean (Qmean), and maximum (Qmax) streamflows were assessed in 4.538 Cerrado basins between 2003 and 2019. Significant reductions in these indicators were highlighted, particularly in the southeast, east, and central regions of the biome. Next, the basins were classified based on hydrological signatures, revealing four distinct classes of flow regimes influenced by climatic, physiographic, and anthropogenic variables. Finally, the Dry Season Water Sustainability Index (ISHps) was developed, integrating seven indicators representing water availability, water regulation, climate, anthropogenic pressure, and mitigation, allowing the identification of more or less sustainable regions during the dry season. The analyses revealed heterogeneous spatial patterns of water sustainability, particularly in the most critical areas in the northern Cerrado and potential zones of conflict between water supply and demand. The results reinforce the need for adaptive and regionalized management strategies capable of reconciling water resource conservation with the expansion of agricultural activities in the biome. Keywords: trend analysis; hydrological classification ; dry season; water resource management; water sustainabilityConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG
Water dynamics modeling in small dams
Get PDFPequenos reservatórios desempenham um papel fundamental no desenvolvimento agrícola na região do Cerrado brasileiro, contribuindo para melhorar a distribuição temporal da água, e aumentando a disponibilidade hídrica nos meses secos, reduzindo a vulnerabilidade das comunidades rurais à seca. O principal objetivo deste estudo foi desenvolver um modelo de simulação dinâmica, baseado no método da dinâmica do sistema (SD), para avaliar, ao longo do tempo a dinâmica de água em uma pequena barragem e o risco de não atendimento da demanda hídrica prevista. Os dados diários de vazão afluente ao reservatório foram obtidos da base de dados da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa Cerrados) para o período de outubro de 2009 a setembro de 2011 e estendido, por meio de modelagem, a junho de 2015. O modelo desenvolvido foi calibrado e validado com dados históricos. As principais variáveis que influenciam na variação no volume de água do reservatório foram avaliadas por meio de análise de sensibilidade. Os resultados indicaram que a vazão afluente é variável que mais influenciou na variação do volume de água no reservatório, seguida da área do espelho d’água e das perdas por evaporação e infiltração, que, juntas, representaram uma retirada de água da barragem equivalente a 14,4% da vazão afluente. De acordo com os resultados da análise de risco de não atendimento da demanda hídrica prevista, em 85,9% do tempo o nível da água no reservatório esteve acima do nível crítico, e 81,6% da água estava disponível para atender a demanda hídrica. A pequena barragem oferece um risco de não atender a demanda hídrica da comunidade em pelo menos 18% do tempo. Palavras-chave: Sistema Dinâmico. Pequenas barragens. Recursos hídricos. Análise sensitiva. Pequenos irrigantes. Hidrologia. Simulação.Small reservoirs play a key role in agricultural development in the Brazilian Cerrado region, contributing to improve the temporal distribution of water, and increasing water availability in the dry months, reducing the vulnerability of rural communities to drought. The main objective of this study was to develop a dynamic simulation model, based on the system dynamics (SD) method, to evaluate, over time, the water dynamics in a small dam and the risk of not meeting the predicted water demand. Daily data on inflow into the reservoir were obtained from the database of the Brazilian Agricultural Research Corporation (Embrapa Cerrados) for the period from October 2009 to September 2011 and extended, through modeling, to June 2015. The model developed has been calibrated and validated with historical data. The main variables that influence the variation in the volume of water in the reservoir were evaluated through sensitivity analysis. The results indicated that the inflow is the variable that most influenced the variation of the volume of water in the reservoir, followed by the area of the water mirror and the losses by evaporation and infiltration, which together represented a withdrawal of water from the dam equivalent to 14.4% of the influent flow. According to the results of the risk analysis of not meeting the predicted water demand, in 85.9% of the time the water level in the reservoir was above the critical level, and 81.6% of the water was available to meet the water demand. The small dam poses a risk of not meeting the community's water demand at least 18% of the time. Keywords: Dynamic System. Small dams. Water resources. Sensitive analysis. Small irrigants. Hydrology. Simulation.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio
Remote sensing applied to monitoring water deficit and phenology of soybean
Get PDFAvaliar o impacto do déficit hídrico nos diferentes estádios fenológicos da soja é essencial para o manejo da cultura. Considerando regiões como a do Cerrado, onde essa cultura tem sido cada vez mais irrigada, essa informação é importante também para o manejo da irrigação e planejamento de uso de recursos hídricos. O uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) tem sido incentivado como uma alternativa às imagens de satélite para o monitoramento de culturas agrícolas, principalmente no que diz respeito à demanda hídrica. Esta tese objetivou verificar o impacto do déficit hídrico na soja e utilizar técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento deste impacto. Utilizou-se um delineamento experimental em blocos casualizados com cinco tratamentos e quatro repetições. No tratamento controle (TR1), a irrigação atendeu à demanda hídrica da cultura em todos os estádios de desenvolvimento. Nos demais tratamentos, a irrigação foi suspensa em estádios fenológicos específicos (TR2 = VC-V2, TR3 = V2-R1, TR4 = R1-R5 e TR5 = R5-R7) e depois retomada. A maior redução de índice de área foliar (56%), em relação ao TR1, foi observada no estádio fenológico V2-R1, no tratamento TR3. O TR4 foi o tratamento que apresentou a maior redução na altura de plantas (28%), em relação ao TR1. As maiores reduções de produtividade foram observadas nos tratamentos TR4 (50%) e TR5 (52%). A produtividade de uso da água foi menor em 28% no tratamento TR4 e 39% no TR5. A ETa foi menor em 14%, 26%, 26% e 22% nos tratamentos TR2, TR3, TR4 e TR5, respectivamente. Observou-se correlação linear entre a produtividade e o déficit hídrico no solo, ETa total e produtividade média, déficit hídrico no solo médio e ETa total, com valor de r² igual a 0,77, 0,91 e 0,85, respectivamente. Os índices EVI2, OSAVI, SAVI e RDVI foram altamente correlacionados com o índice de área foliar (IAF), apresentando r² superiores a 0,80 e RMSE inferiores a 0,5. Para a biomassa (BIO), EVI2, OSAVI e RDVI também mostraram correlações significativas com r² = 0,70 e RMSE < 1,75. Além disso, os índices NDRE, SCCCI, RECI, GRVI, GCI e GNDVI foram altamente correlacionados com a produtividade, com r² = 0,90 e RMSE < 0,18. O IEHC nos tratamentos aos 30 DAS variou entre 0,31 e 0,36. O IEHC médio do tratamento TR1 dos 30 aos 93 DAS foi de 0,29, com um valor máximo de 0,46, podendo este ser o limite para a aplicação de irrigação na soja. Os resultados indicaram uma forte correlação entre a ETa e o IEHC, com um r² maior que 0,8. O IAF e BIO tiveram melhores correlações com o IEHC aos 65 DAS, com valores de r² acima de 0,60. Em relação à produtividade, a melhor correlação com o IEHC foi observada aos 93 DAS, com valor de r² igual a 0,72. Os valores de ETa medidos mostraram forte correlação com o modelo SSEBop, produzindo alto valor de r², baixo RMSE de 0,65 mm d-1, MBE de -0,30 mm d-1 e EF de 0,71. Palavras-chave: estádios fenológicos ; veículos evapotranspiração ; irrigação ; produtividade de aéreos não tripulados ; uso da água.Evaluating the impact of water deficit on different phenological stages of soybeans is essential for crop management. Considering regions like the Cerrado, where this crop has been increasingly irrigated, this information is also important for irrigation management and water resource planning. The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) has been encouraged as an alternative to satellite images for monitoring agricultural crops, especially regarding water demand. This thesis aimed to verify the impact of water deficit on soybeans and use remote sensing techniques to monitor this impact. A randomized block experimental design with five treatments and four repetitions was used. In the control treatment (TR1), irrigation met the crop's water demand at all development stages. In the other treatments, irrigation was suspended at specific phenological stages (TR2 = VC-V2, TR3 = V2-R1, TR4 = R1-R5, and TR5 = R5-R7) and then resumed. The greatest reduction in leaf area index (56%) compared to TR1 was observed at the V2-R1 phenological stage in treatment TR3. TR4 showed the greatest reduction in plant height (28%) compared to TR1. The largest yield reductions were observed in treatments TR4 (50%) and TR5 (52%). Water use efficiency was reduced by 28% in treatment TR4 and 39% in TR5. Actual evapotranspiration (ETa) was reduced by 14%, 26%, 26%, and 22% in treatments TR2, TR3, TR4, and TR5, respectively. A linear correlation was observed between yield and soil water deficit, total ETa and average yield, average soil water deficit and total ETa, with r² values of 0.77, 0.91, and 0.85, respectively. The SAVI index showed the highest r² value (0.83) and the lowest RMSE (0.44) for the leaf area index. The indices EVI2, OSAVI, SAVI, and RDVI were highly correlated with leaf area index (LAI), with r² values above 0.80 and RMSE below 0.5. For biomass (BIO), EVI2, OSAVI, and RDVI also showed significant correlations with r² = 0.70 and RMSE < 1.75. Additionally, the indices NDRE, SCCCI, RECI, GRVI, GCI, and GNDVI were highly correlated with yield, with r² = 0.90 and RMSE < 0.18. The crop water stress index (CWSI) in the treatments at 30 DAS ranged between 0.31 and 0.36. The average CWSI of treatment TR1 from 30 to 93 DAS was 0.29, with a maximum value of 0.46, which could be the threshold for irrigation application in soybeans. The results indicated a strong correlation between ETa and CWSI, with an r² greater than 0.8. LAI and BIO had better correlations with CWSI at 65 DAS, with r² values above 0.60. Regarding yield, the best correlation with CWSI was observed at 93 DAS, with an r² value of 0.72. The measured ETa values showed a strong correlation with the SSEBop model, producing a high r² value, low RMSE of 0.65 mm d-1, MBE of -0.30 mm d-1, and EF of 0.71. Keywords: phenological stages; unmanned aerial vehicles; evapotranspiration; irrigation; water use efficiency.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Apoio à Pesquisa e Inovação do Distrito Federal (FAP-DF)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES
Hydrological modeling of river basins with predominance of irrigation using precipitation products
No full textO Cerrado, representando 24% do território brasileiro, é o segundo maior bioma do Brasil. Essa região produz cerca de 60 % da produção agrícola brasileira. Ao longo dos últimos anos, tem-se notado em várias regiões do Cerrado uma tendência de aumento das disputas pelo uso de recursos hídricos, indicando a necessidade de adotar estratégias de desenvolvimento baseadas em planejamento estratégicos, que busque a locação equitativa da água na região. A carência desses dados hidrometeorológicos, entretanto, para a região do Cerrado tem limitado a utilização de modelos matemáticos e, consequentemente, dificultado a inclusão de cenários nos planos de desenvolvimento, o que, muitas vezes, leva a simplificações nas tomadas de decisão. O objetivo geral desta tese, estruturada em forma de artigos, foi avaliar, por meio de modelagem hidrológica, a disponibilidade hídrica atual e futura da bacia hidrográfica do rio Paracatu (BHRP). A BHRP é estratégica para a produção agrícola do Cerrado e para a formação das vazões do rio São Francisco. No primeiro artigo, avaliou-se a disponibilidade hídrica da bacia hidrográfica do rio Paracatu, por meio da modelagem hidrológica. A vazão média anual foi igual a 278,53 m³/s. Os resultados demonstraram bom desempenho nos processos de calibração (NSE = 0,6874) e validação (NSE = 0,8206). A análise da curva de permanência revelou que, em 95% do tempo, as vazões foram iguais ou superiores a 26,61 m³/s e 36,77 m³/s para Q90. As maiores vazões máximas e mínimas ocorreram em janeiro, com 1422 m³/s no ano de 2007 e 65,94 m³/s em 2015, respectivamente. Observou-se uma tendência de aumento nas vazões mínimas e redução nas máximas, indicando potencial para irrigação agrícola em períodos secos. No segundo artigo avaliou-se a acurácia de diferentes produtos de precipitação na estimativa da disponibilidade hídrica por meio da modelagem hidrológica. Os produtos de precipitação com melhor desempenho foram, o GPCC, seguido pelo ERA5 e pelo CHIRPS. O produto PERSIANN-CDR apresentou desempenho satisfatório, enquanto o MSWEP foi avaliado como insatisfatório, evidenciando variações significativas na precisão entre os diferentes produtos analisados. No teste estatístico de Mann-Whitney, todos produtos atingiram valores acima de 0,05, indicando que as vazões simuladas pelos produtos de precipitação são estatisticamente equivalentes às vazões observadas, ou seja, não houve diferença estatística entre os dados. Assim, as diferenças entre as distribuições acumuladas dos dados observados e simulados não são relevantes para comprometer a equivalência entre as séries. Esses resultados determinam a confiabilidade dos produtos de precipitação analisados na reprodução das vazões observadas na BHRP, destacando seu potencial para aplicações em estudos hidrológicos e no planejamento de recursos hídricos. No terceiro artigo foi avaliado o comportamento da vazão em cenários futuros de mudanças climáticas no posto fluviométrico Porto Extrema, utilizando o modelo SWAT a partir de dados de índice climáticos extremos do modelo climático MIROC6 CLIMBRA sob dois cenários SSP2-4.5 e SSP5- 8.5. A curva de permanência indicou um período significativo, entre 99% e 66% do tempo, em que a vazão atingiu valores nulos (0 m³/s), para o cenário SSP2-4.5 para o modelo MIROC6, enquanto para o cenário SSP5-8.5, a situação foi menos crítica em termos de vazões mínimas, sem registro de valores nulos ao longo do período analisado, apresentando vazão de 17,2 m³/s em 95% do tempo, o que indica uma maior resiliência hídrica comparada ao cenário SSP2-4.5. Além disso, o cenário SSP5-8.5 atingiu valores 31% para Q95 e 62,7% para Q90 abaixo quando comparados aos dados observados que possuem valores de 18,7 m³/s e 46,1 m³/s respectivamente. Ao verificar o resultado do p_valor para o cenário SSP2-4.5, foi encontrado um valor de 0,03994, valor que ficou abaixo de 0,05, indicando que as vazões simuladas não são estatisticamente equivalentes às vazões observadas, ou seja, havendo diferença estatística entre os dados. Enquanto, ao verificar o resultado do p_valor para o cenário SSP5-8.5, foi encontrado um valor de 0,514746, valor acima de 0,05, indicando que as vazões simuladas são estatisticamente equivalentes às vazões observadas, ou seja, não há diferença estatística entre os dados. Palavras-chave: Agricultura irrigada; Recursos Hídricos; Hidrologia; Cerrado; SWAT; Produtos de Precipitação; Escassez HídricaThe Cerrado, representing 24% of Brazil's territory, is the country's second-largest biome. This region accounts for approximately 60% of Brazil's agricultural production. Over recent years, an increasing trend of disputes over water resource use has been observed in various areas of the Cerrado, highlighting the need for strategic development planning to ensure equitable water allocation in the region. However, the lack of hydrometeorological data in the Cerrado has limited the use of mathematical models and, consequently, hindered the inclusion of scenarios in development plans, often leading to simplified decision-making processes. The primary objective of this thesis, structured as a series of articles, was to evaluate the current and future water availability in the Paracatu River Basin (BHRP) through hydrological modeling. The BHRP is strategically important for agricultural production in the Cerrado and for contributing to the flow of the São Francisco River. In the first article, the water availability of the Paracatu River Basin was evaluated using hydrological modeling. The annual average flow was found to be 278.53 m³/s. The results showed good performance in calibration (NSE = 0.6874) and validation (NSE = 0.8206). The flow duration curve revealed that, 95% of the time, flows were equal to or greater than 26.61 m³/s and 36.77 m³/s for Q90. The highest maximum and minimum flows occurred in January, with 1422 m³/s in 2007 and 65.94 m³/s in 2015, respectively. A trend of increasing minimum flows and decreasing maximum flows was observed, indicating potential for agricultural irrigation during dry periods. In the second article, the accuracy of different precipitation products in estimating water availability was evaluated through hydrological modeling. The best-performing precipitation products were GPCC, followed by ERA5 and CHIRPS. The PERSIANN- CDR product showed satisfactory performance, while MSWEP was deemed unsatisfactory, highlighting significant variations in the precision of the analyzed products. The Mann-Whitney statistical test indicated that all products achieved p- values above 0.05, suggesting that the flows simulated by the precipitation products were statistically equivalent to the observed flows, with no significant statistical differences between the datasets. Thus, the differences between the cumulative distributions of observed and simulated data are not relevant to compromise the equivalence between the series. These results confirm the reliability of the analyzed precipitation products in reproducing observed flows in the BHRP, emphasizing their potential for applications in hydrological studies and water resource planning. In the third article, streamflow behavior under future climate change scenarios was assessed at the Porto Extrema gauging station using the SWAT model, based on extreme climate index data derived from the MIROC6 climate model (CLIMBRA project), under two Shared Socioeconomic Pathways: SSP2-4.5 and SSP5-8.5. The flow duration curve indicated a critical period—between 99% and 66% of the time—when the streamflow reached zero values (0 m³/s) for the SSP2-4.5 scenario using the MIROC6 model. In contrast, under the SSP5-8.5 scenario, the situation was less severe in terms of low flows, with no records of zero streamflow throughout the evaluated period. Instead, a flow of 17.2 m³/s was maintained 95% of the time, indicating greater hydrological resilience compared to the SSP2-4.5 scenario. Additionally, under the SSP5-8.5 scenario, the Q95 and Q90 flows were 31% and 62.7% lower, respectively, when compared to the observed values of 18.7 m³/s and 46.1 m³/s. When analyzing the p-value for the SSP2-4.5 scenario, a result of 0.03994 was obtained, which is below the 0.05 significance threshold. This indicates that the simulated streamflows are not statistically equivalent to the observed flows, suggesting a significant difference between them. Conversely, the p-value for the SSP5-8.5 scenario was 0.514746, which is above 0.05, indicating that the simulated flows are statistically equivalent to the observed ones—i.e., no significant difference was found between the datasets. Keywords: Irrigated agriculture; Water resources; Hydrology; Cerrado; SWAT; Precipitation products; Water scarcityCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq
Proposição de metodologia baseada em indicadores de qualidade do solo para sustentabilidade da produção agrícola
Get PDFThe global expectation concerning the population growth leds to an increase of food production needs around the world. Furthermore, sources of stress has been created over the environment, especially related to soil degradation and water scarcity, which has been raising concern of soil quality and sustainability of agricultural production over the last decades. In Brazil, it is necessary to develop strategies for land use planning in order to minimize the impacts of erosion processes and to ensure sustainable agricultural production. In this sense, conservation methodologies using soil quality indicators that can be applied at a basin scale have been widely used. So, this work proposes a methodology to evaluate the impacts associated to land use and occupation and agricultural management using the "TPS-PS" indicator, estimated by subtracting the soil loss rate (TP) from the soil loss tolerance (TPS), wich was applied to a region of interest of the pilot hydrographic basin (Córrego do Sossego in Itarana/ES - 65 km²). Using the Soil and Water Assessment Tools (SWAT) model to simulate alternative scenarios of land use / agricultural management / type of crop for the basin, it was possible to: diagnose the current levels of soil loss (PS) and its associated TPS-PS indicator for each part of the basin; verify the resultant soil loss (PS) levels and its associated TPS-PS indicator for each region of the basin in which an alternative land use / agricultural management / crop type scenario was adopted. The scenarios was participatively defined in a workshop involving regional rural producers and experts from the State Agricultural Agency, as well as information on the natural susceptibility to soil erosion. The use of the proposed methodology alowed a significant reduction of the soil loss rate, contributing to achieve the goal established in this study that was to reduce sediment production in the basin. The performance of the proposed methodology was satisfactory since, through the TPSPS indicator, it was possible to diagnose the critical condition of the studied basin concerning the erosive processes, to propose alternatives for soil conservation, enabling the involvement of the local community and the integration of knowledge.As perspectivas mundiais acerca do crescimento populacional ampliam as
necessidades de produção de alimentos em todo o mundo. Aliado a isso, tem-se criado focos de tensão no meio ambiente, sobretudo em relação à degradação dos solos e escassez hídrica, que vem despertando nas últimas décadas preocupação com a qualidade do solo e sustentabilidade da produção agrícola. No Brasil, observa-se a necessidade de elaboração de estratégias de planejamento do uso dos solos de forma a minimizar os impactos decorrentes dos processos erosivos e assegurar uma produção agrícola sustentável. Metodologias de conservação utilizando indicadores de qualidade do solo possíveis de serem aplicados em escala de bacias hidrográficas têm sido bastante utilizadas. Nesse trabalho, propôs-se a elaboração de uma metodologia de avaliação dos impactos associados
ao uso e ocupação dos solos e manejo agrícola utilizando o indicador “TPS-PS”, obtido através da subtração entre a taxa de perda de solo (TP) e a tolerância à perda de solo (TPS) na região de interesse da bacia hidrográfica piloto (do córrego do Sossego, em Itarana/ES – 65 Km2
). Utilizando-se de modelos de simulação hidrossedimentológica, considerando cenários alternativos de uso do solo/manejo agrícola/tipo de cultura para a bacia, definidos de forma participativa em oficina de
trabalho envolvendo produtores rurais da região e extensionistas de órgão agrícola estadual, bem como informações sobre suscetibilidade natural à erosão, foi possível: para cada porção de toda a bacia - diagnosticar os níveis atuais de perda de solos (PS) e de criticidade associado a essa perda (TPS-PS); para cada região da bacia em que se adotou algum cenário alternativo de uso do solo/manejo agrícola/tipo de cultura – verificar os níveis resultantes de perda de solos (PS) e de criticidade associado a essa perda (TPS-PS). O emprego da metodologia proposta resultou em significativa redução na taxa de perda de solo, contribuindo para o
alcance da meta estabelecida neste estudo, de redução de produção de
sedimentos na bacia. A metodologia proposta apresentou desempenho satisfatório uma vez que, por meio do indicador TPS-PS foi possível diagnosticar a bacia quanto a sua condição de criticidade em relação aos processos erosivos, propor alternativas visando à conservação dos solos, por meio de usos e manejos do solo alternativos, possibilitando o envolvimento da comunidade local e integração dos saberes
Development of pedotransfer functions to estimate soil hydraulic parameters to the brazilian savannah
No full textO Cerrado é a principal região agrícola do Brasil, sendo responsável por uma grande parte da produção de alimentos no país. A falta de dados na escala apropriada sobre os solos da região tem trazido incertezas aos processos de gestão dos recursos hídricos. A obtenção de determinadas propriedades físico-hídricas do solo, como, por exemplo, a condutividade hidráulica do solo saturado (Ks) e a curva de retenção de água, são trabalhosas e custosas, abrindo oportunidade para o uso das Funções de Pedotransferência (FPTs). O objetivo desta dissertação foi desenvolver para o Bioma Cerrado, FPTs para estimar a Ks, as umidades do solo nas tensões de 0, 6, 10, 33, 100 e 1500 kPa e os parâmetros de ajuste da curva de retenção. A partir de diferentes combinações de dados pedológicos, teores de areia, silte e argila, densidade do solo, densidade de partícula, porosidade, microporosidade, macroporosidade, umidade do solo na capacidade de campo (CC) e umidade do solo no ponto de murcha permanente (PMP), as FPTs foram desenvolvidas incorporando tais conjuntos em cinco modelos de aprendizado de máquina: Regressão Linear Múltipla (RLM), Multivariate Adaptative Regression Splines (MARS), Random Forest (RF), Support Vector Regression (SVR) e K Nearest Neightbors (KNN). As FPTs desenvolvidas para Ks apresentaram capacidade preditiva mediana, já para as umidades do solo, os modelos apresentaram valores de RMSE e ME próximos de zero e valores de R² superiores a 0,8. No ajuste da curva de retenção, o modelo de van Genuchten (1980) apresentou o melhor desempenho e as FPTs desenvolvidas para os parâmetros, umidade de saturação e umidade residual, apresentaram R² iguais a 0,76 e 0,42, respectivamente, e baixos valores de RMSE e ME. Já para os parâmetros, α e n, observou-se baixa capacidade preditiva das FPTs. Os algoritmos RF e SVR apresentaram os melhores desempenhos dentre os modelos avaliados e as variáveis preditoras CC e PMP demostraram importância no desenvolvimento das FPTs. Palavras-chave: Recursos Hídricos. Hidrologia. Irrigação. Aprendizado de máquina.The Cerrado Biome is the main agricultural region in Brazil, being responsible for a large part of the country's food production. The lack of soil data on the appropriate scale has brought uncertainty to the water resources process in the region. Obtaining certain soil hydraulic parameters, such as the saturated hydraulic conductivity (Ks) and the water retention curve are laborious and costly, opening up opportunities for the use of Pedotransfer Functions (PTFs). The objective of this dissertation was to develop, for the Brazilian Savannah, FPTs to estimate Ks, soil moistures at tensions of 0, 6, 10, 33, 100 and 1500 kPa and the adjustment parameters of the retention curve. From different combinations of pedological data, sand, silt and clay contents, soil density, particle density, porosity, microporosity, macroporosity, soil moisture at field capacity (FC) and soil moisture at permanent wilting point (PWP), PTFs were developed by incorporating such sets into five machine learning models: Multiple Linear Regression (MLR), Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS), Random Forest (RF), Support Vector Regression (SVR) and K Nearest Neighbors (KNN). The PTFs developed for Ks showed median predictive capacity, whereas for soil moisture, the models presented RMSE and ME values close to zero and R² values above 0.8. In the adjustment of the retention curve, the model by van Genuchten (1980) showed the best performance and the PTFs developed for the parameters, saturation moisture and residual moisture, presented R² equal to 0.76 and 0.42, respectively, and low RMSE and ME values. As for the parameters, α and n, a low predictive capacity was observed. The RF and SVR algorithms showed the best performance among the evaluated models and the predictor variables FC and PWP showed importance in the development of PTFs. Keywords: Water resources. Hydrology. Irrigation. Machine learning.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio
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