Avaliação integrada da variação espacial e temporal do balanço hídrico na Caatinga

CAPESNo Nordeste brasileiro, 75% de suas áreas são semiáridas, onde a vegetação dominante é a Caatinga, que contém mais de 1.000 espécies de plantas vasculares distribuídas como um mosaico. No entanto, sua biodiversidade contrasta com altos níveis de degradação, colocando a Caatinga entre os ecossistemas mais degradados, e modelar essas alterações a nível de bacia tem se tornado cada vez mais importante. Um dos modelos atuais mais utilizados no mundo é o SWAT (Soil and Water Assessment Tool). A tese ora apresentada, tem como objetivo elucidar a dinâmica espaço-temporal e o balanço hídrico em áreas de Caatinga utilizando o modelo SWAT. Para alcançar tal objetivo, este trabalho foi dividido em 4 capítulos, dos quais o primeiro trata da análise da dinâmica e distribuição espaço-temporal da Caatinga; o segundo e o terceiro capítulos realizam uma análise de confiabilidade nos dados de evapotranspiração (ET) e Índice de Área Foliar (IAF), que foram utilizados na calibração do modelo SWAT; e o quarto capítulo consiste na calibração e análise de dados do modelo SWAT. Os dados mostraram que a área relativa (RA) da Caatinga diminuiu de 90,25% para 60,98% ao longo de 38 anos, enquanto a fragmentação (PD) apresentou um viés crescente. Além disso, a distribuição espacial de ambos os índices tornou-se mais heterogênea e agrupou-se ao norte da área de estudo. Correlações com os produtos MOD16A2 e SAFER do sensor MODIS produziram valores de r² mensais = 0,92, 8-dias = 0,88 e diários = 0,85 com o algoritmo SAFER. Os dados mensais do MOD16A2 produziram um valor de r² = 0,82. Estimativas de IAF de torre e Accupar para os anos de 2011 a 2016 foram comparadas com MCD15A3/A2, e derivados do MOD09GA. (i) O MCD15A3/A2 apresentou r² na composição de 4 dias = 0,34 e 8-dias = 0,6; (ii) os derivados do MOD09GA: r² variando de 0,59 a 0,65; (iii) iterações utilizando todas as bandas do produto resultaram em três equações: duas com r² = 0,75, e uma com r² = 0,73. A calibração ocorreu a nível de ET e IAF Foram encontrados Nash para ET (0,61 e 0,63: calibração e validação) e LAI (0,67 e 0,78). A análise do balanço hídrico indicou que 85,03% da água da chuva é evapotranspirada contra 2,45% para escoamento superficial, 3,58% para percolação e 0.41% para fluxo de retorno. A compreensão do balanço hídrico, em especial em florestas nativas de regiões semiáridas, é fundamental para a resolução de muitos problemas relacionados à agricultura e ao planejamento municipal, uma vez que estas áreas naturalmente servem de tampão para o escoamento superficial, que está intimamente ligado a perda de safras inteiras e deslizamentos de terra em áreas residenciais.In the Brazilian Northeast, 75% of all region is semi-arid, where the dominant vegetation is the Caatinga, which contains more than 1,000 species of vascular plants distributed as a mosaic. However, such biodiversity contrasts with high levels of degradation, placing the Caatinga among the most degraded ecosystems, and modeling these changes at basin level has become increasingly important. Currently one of the most accurate models is SWAT (Soil and Water Assessment Tool).The thesis presented here, aims to elucidate the spatial-temporal dynamics and water balance of the Caatinga, using SWAT with a minimum of possible parameters measured through direct determination. In order to reach this objective, this study was divided in 4 chapters, of which the first is related to the analysis of the spatial-temporal distribution of the Caatinga; The second and third chapters perform a reliability analysis on evapotranspiration (ET) and Leaf Area Index (LAI) data, which was used in the calibration process of SWAT; And finally, the fourth chapter is the calibration itself and data analysis of the SWAT model. The data showed that the relative area (RA) of Caatinga decreased from 90.25% to 60.98% over 38 years, while fragmentation (PD) presented a growing trend. In addition, the spatial distribution of both indexes became more heterogeneous and grouped at the north. Correlations with MOD16A2 and SAFER products of the MODIS sensor produced values of monthly r² values = 0.92, 8 days = 0.88 and daily = 0.85 for the SAFER algorithm. The monthly data of MOD16A2 yielded a value of r² = 0.82. Estimates of LAI from meteorological tower and Accupar for the years 2011 to 2016 were compared to MCD15A3/A2 products, and derivatives of MOD09GA. (i) MCD15A3/A2 presented r² in the composition of 4 days = 0.34 and 8 days = 0.6; (ii) derivatives of MOD09GA: r² ranging from 0.59 to 0.65; (iii) iterations using all bands resulted in three equations: two with r² = 0.75 and one with r² = 0.73. Calibration occurred at the level of evapotranspiration and Leaf Area Index. Nash-Sutcliffe values for ET (0.61 and 0.63: calibration and validation) and LAI (0.67 and 0.78) were found. The Caatinga water balance analysis showed surface runoff only when precipitation values exceeded 63 mm with a maximum of 20 mm. In the Caatinga, 85.03% of rainwater is evapotranspirated against 2.45% for surface runoff, 3.58% for percolation, and 0.41% for return flow. Understanding the water balance, especially in native forests in arid and semi-arid regions, is fundamental for solving many problems related to agriculture and municipal planning, since these areas naturally serve as a buffer for the surface runoff, which is intimately related to loss of entire harvests and landslides in residential areas