Estudo observacional e de modelagem hidrológica de uma micro-bacia em floresta não perturbada na Amazônia central

• Ano de defesa: 2008
• Autor(a) principal: Luz Adriana Cuartas Pineda
• Orientador(a): Javier Tomasella, Carlos Afonso Nobre
• Banca de defesa: Eduardo Mario Mendiondo, José Almir Cirilo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Meteorologia
• País: BR
• Resumo em Inglês: The aim of this work was to improve the understanding of the complex interactions among surface and atmospheric processes, at a hydrological micro-catchment in a central Amazonia non-disturbed forest area, seeking the improvement of the representations of these processes and the calculation of the evapotranspiration in models of the interaction of forested-surfaces with the atmosphere. The Igarapé Asu micro-catchment study area is located within the Rio Cuieiras Biological Reservation, 60 km northwest of Manaus. Three sections for discharge measurements were operational, forming a system of nested basins, of first, second and third order (Asu1, Asu2 and Asu3, respectively). Observational analyses were initially performed on the hydrological data: precipitation, interception, evapotranspiration, soil moisture, water table and discharge. Hydrological modeling was the second stage of the work, through the implementation of two models. The first was the physically based Distributed Hydrology Soil Vegetation Model (DHSVM). This model offers a dynamic representation of the spatial distribution of evapotranspiration, soil moisture, water table depth and runoff generation in the spatial scale of the Digital Elevation Model (DEM). The DEM was obtained from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data. The soil maps and vegetation were obtained through the Height Above the Nearest Drainage (HAND) terrain descriptor. The model was calibrated and validated to simulate soil moisture, water table depth and discharge in the Asu2 micro-catchment. The parameters obtained from this calibration were used to apply the DHSVM in the Asu1 and Asu3 micro-catchments. The Probabilistic-distributed Model (PDM), generally used in macro-scale hydrological modelling, was the other one implemented, to test its applicability for the simulation of Amazonian micro-catchments. Finally, starting from the results of the modelling, an exploratory and preliminary scale analysis was conducted. The observational analysis showed how the time variability of the precipitation influenced considerably in the interception, soil moisture in the layer 0 - 1,0 m and in the plateau water table depth. However, variations were neither detected in the evapotranspiration, nor fluctuations observed in the soil moisture in the deepest layers, or in the water table depth in the waterlogged, ecotone and slope areas. Also, variations were not observed in the base flows, showing that base flows are regularized, typical characteristic of systems with great volume aquifers (deep porous underground), as it is the case in the study area. The DHSVM showed a good performance, demonstrating its capacity to be used in areas different from those for which it was developed and tested (temperate zone). The model simulated well the soil moisture and the water table, however it had difficulties in representing the lowest discharges in the dry seasons, and the highest in the wet seasons. It also didn't capture well the temporary variability in the interception as observed in the measurements. The simulated evapotranspiration was quite similar to the series of reference evapotranspiration (measured and estimated). The functional terrain representation, with hydrologic meaning, was demonstrated in the successful application of the HAND descriptor in the DHSVM modeling. The macro-scale PDM model managed to simulate the hydrological processes in the micro-catchment scale. The PDM gave better results than the DHSVM, mainly in the simulation of discharge. The PDM parameters analysis showed that scale effects in the hydrological behavior are related with the topographical characteristics.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m17@80/2008/02.12.19.18

O objetivo deste trabalho foi melhorar o entendimento das complexas interações entre os processos de superfície e atmosféricos, numa micro-bacia em área de floresta não perturbada na Amazônia central, visando a melhoria das representações destes processos e do cálculo da evapotranspiração em modelos de interação superfície vegetada-atmosfera. A área de estudo localiza-se, na Reserva Biológica do Rio Cuieiras, 60 km a noroeste de Manaus, na micro-bacia do Igarapé Asu. Contou-se com três seções de medição de descarga, formando um sistema de bacias aninhadas, de primeira, segunda e terceira ordem (Asu1, Asu2 e Asu3, respectivamente). Inicialmente foi feita uma análise observacional das componentes do ciclo hidrológico monitoradas: precipitação, interceptação, evapotranspiração, umidade do solo, lençol freático e descarga. A segunda etapa do trabalho com a modelagem hidrológica, através da implementação de dois modelos. O primeiro foi o modelo hidrológico físico-distribuído DHSVM (Distributed Hydrology Soil Vegetation Model). Este modelo fornece uma representação dinâmica da distribuição espacial da evapotranspiração, umidade do solo, profundidade do lençol freático e geração de escoamento na escala espacial do MDT (Modelo Digital de Terreno). O MDT foi obtido dos dados de topografia do SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Os mapas de solo e vegetação foram obtidos através do descritor de terreno HAND (Height Above the Nearest Drainage). O modelo foi calibrado e validado para simular a umidade do solo, a profundidade do lençol freático e a descarga na micro-bacia Asu2. Os parâmetros obtidos desta calibração foram usados para aplicar o DHSVM nas micro-bacias Asu1 e Asu3. O outro modelo implementado foi o PDM (Probabilistic-distributed Model), amplamente usado na modelagem hidrológica de macro-escala, para testar sua aplicabilidade em bacias de micro-escala na Amazônia. Finalmente, a partir dos resultados da modelagem realizou-se uma análise de escala exploratória e preliminar. A análise observacional mostrou como a variação temporal da precipitação influenciou consideravelmente na interceptação, umidade do solo na camada 0 - 1,0 m e na profundidade do lençol freático nas áreas de platô. Porém não foram detectadas variações na evapotranspiração, nem observadas flutuações na umidade do solo nas camadas mais profundas, nem na profundidade do lençol freático nas áreas de baixo, ecótono e vertente. Tampouco foram observadas variações no escoamento base, mostrando que as vazões de estiagem são regularizadas, característica típica de sistemas com aquíferos de grande volume (subsolo poroso com grandes profundidades), como é o caso na área de estudo. O DHSVM teve um bom desempenho, mostrando sua capacidade para ser usado em regiões diferentes daquelas para as quais foi desenvolvido e testado. O modelo simulou bem a umidade do solo e o lençol freático, no entanto o modelo teve dificuldades em representar as descargas mínimas nas estações secas, e as máximas nas estações úmidas. Também não conseguiu capturar a variabilidade temporal na interceptação como observada nas medições. A evapotranspiração simulada foi bastante similar à série de evapotranspiração de referência (medida e estimada). A representação funcional dos terrenos, com significado hidrológico, foi demonstrada na aplicação do descritor HAND na modelagem com o DHSVM. O modelo de macro-escala PDM conseguiu simular os processos hidrológicos na micro-escala. Em geral o PDM deu melhores resultados que o DHSVM, principalmente na simulação da descarga. A análise dos parâmetros do PDM mostrou que os efeitos de escala no comportamento hidrológico estão relacionados com as características topográficas.