Modelagem hidrológica de bacias hidrográficas com predominância de irrigação utilizando produtos de precipitação

Abstract

O 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 scarcity