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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81142
Type: | Tese |
Title: | Modeling hydrological dynamics in a dryland catchment with dense reservoir networks |
Title in English: | Modeling hydrological dynamics in a dryland catchment with dense reservoir networks |
Authors: | Rabelo, Udinart Prata |
Advisor: | Lima Neto, Iran Eduardo |
Co-advisor: | Costa, Alexandre Cunha |
Keywords in Brazilian Portuguese : | Conectividade hidrológica;Modelagem de terras secas;Secas;Modelo SWAT.;Redes densas de reservatórios.;Reservatórios |
Keywords in English : | Hydrological connectivity;Dryland modeling;Droughts;SWAT Model;High-density reservoir network;Reservoirs |
Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS |
Issue Date: | 2025 |
Citation: | RABELO, Udinart Prata. Modeling hydrological dynamics in a dryland catchment with dense reservoir networks. 2025. 189 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Recursos Hídricos) - Centro de Tencologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | As regiões áridas e semiáridas representam alguns dos ecossistemas mais vulneráveis às mudanças climáticas e às atividades antropogênicas. A modelagem hidrológica, especialmente por meio de ferramentas como o SWAT (Soil and Water Assessment Tool), serve como um instrumento essencial para enfrentar desafios práticos, como a previsão hidrológica e o suporte à tomada de decisões no gerenciamento dos recursos hídricos nessas regiões. No entanto, importantes questões científicas ainda são alvo de estudos, relativos ao desempenho desses modelos em bacias hidrográficas de regiões áridas e semiáridas, especialmente aquelas caracterizadas por redes densas de reservatórios, sendo analisado ainda o comportamento dos modelos durante anos consecutivos de seca e em anos com eventos extremos de precipitação. Além disso, durante períodos de secas severas, os modelos enfrentam desafios na representação de processos importantes nas regiões áridas e semiáridas, como perdas por transmissão, taxas de evapotranspiração e a inclusão das influências antropogênicas. Esta tese tem como objetivo avançar no entendimento da modelagem em bacias hidrográficas de regiões secas, abordando a capacidade do modelo SWAT em simular os processos hidrológicos dessas regiões, especialmente no contexto de redes densas de reservatórios e seu impacto na retenção de água em cenários interanuais de secas e enchentes. Adicionalmente, os estudos buscam avaliar o desempenho do modelo na representação de secas prolongadas e período posterior de recuperação hidrológica, ambas em uma década mais seca e quente, subsequente a uma série temporal previamente calibrada. O estudo foi realizado na bacia hidrográfica do Rio Conceição (3.347 km2), localizada no Ceará, nordeste do Brasil. Essa bacia contém 230 reservatórios (0,068 reservatórios por km2), com capacidades de armazenamento variando de menos de 0,01 hm3 a 52 hm3. A análise foi baseada em uma série de 40 anos de dados climáticos e de vazão observada, sendo 30 anos utilizados para a calibração do modelo e 10 anos adicionais para a extensão da série, incluindo um período de seca extrema. Os principais resultados desta pesquisa são os seguintes: (i) O desempenho diário do modelo foi considerado aceitável (Nash- Sutcliffe Efficiency = 0,63, Kling-Gupta Efficiency = 0,81 and Percent BIAS = 0,53%), demonstrando confiabilidade na previsão de picos de vazão durante anos úmidos, na previsão de períodos sem vazão e no aspecto de subida dos hidrogramas de cheia. Embora os pequenos reservatórios (menores que 0,01 hm3) tenham atuado na retenção das vazões, seu impacto geral foi pequeno, com taxas médias de retenção de água de 2% em anos úmidos e 9% em anos secos; (ii) A redução no escoamento devido ao aumento do número de pequenos reservatórios foi mais acentuada durante anos secos (até 30%) em comparação aos anos úmidos (até 8%). Essa retenção também se intensificou ao longo de anos consecutivos de seca, um resultado obtido na análise de cenários, considerando densidades de reservatórios variando de 0 a 3 reservatórios por km2 na bacia hidrográfica, sugerindo um aumento potencial de retenção devido aos pequenos reservatórios durante secas prolongadas; (iii) Apesar do bom desempenho do modelo ao longo de uma série climática de 30 anos, que incluiu períodos de seca severa, ele apresentou dificuldades para prever com precisão o escoamento durante uma posterior seca extrema (prolongada) e sua subsequente recuperação hidrológica, mostrando uma queda acentuada no desempenho durante esses períodos críticos. Mesmo após ajustes nos parâmetros mais sensíveis relacionados aos processos hidrológicos chave o desempenho do modelo não foi considerado aceitável. O modelo SWAT se provou como um modelo aceitável para modelagem de regiões secas com densas redes de reservatórios e as metodologias aplicadas nessse trabalho podem ser replicadas para diferentes bacias hidrográficas em outras regiões secas ao redor do mundo. De modo geral, esta tese oferece valiosas contribuições para o aprimoramento da modelagem de regiões áridas e semiáridas, conectando a pesquisa científica, a modelagem e o gerenciamento de recursos hídricos. Esses avanços são fundamentais para melhorar a precisão das previsões de cenários e, consequentemente, para fortalecer as estratégias de gestão dos recursos hídricos em regiões vulneráveis à escassez de água. |
Abstract: | Drylands represent some of the most vulnerable ecosystems to climate change and anthropogenic activities. Hydrological modeling, particularly through tools like the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), serves as an essential instrument for addressing practical challenges such as supporting decision-making in water resource management and hydrological forecasting for drylands. However, there remains substantial scope for evaluating the performance of such models in dryland watersheds, especially those characterized by dense reservoir networks, and assessing their behavior during consecutive years of drought as well as during years with extreme rainfall events. Furthermore, during periods of extreme aridity, particularly severe droughts, the models face significant challenges in accurately representing crucial processes, including runoff transmission losses, evapotranspiration rates, and anthropogenic influences. This thesis aims to advance the application of the SWAT model in dryland catchments by addressing its ability to simulate the hydrological processes of these regions, particularly in the context of dense reservoir networks and their impact on water retention across interannual drought and flood scenarios. Additionally, the thesis evaluates the model's performance during an extended drought and their hydrological recovery period in a more arid and warmer climate decade, subsequent to a previously calibrated time series. The study was conducted in the Conceição River Catchment (3,347 km2), located in Ceará, northeastern Brazil. This catchment contains 230 reservoirs (0.068 reservoirs per km2), with storage capacities ranging from less than 0.01 hm3 to 52 hm3. The analysis was based on a 40- year dataset of climate and observed runoff, with 30 years used for model calibration and an additional 10 years for extending the time series to include an extreme drought period. The key findings of this research are as follows: (i) The model's daily performance was found to be acceptable (Nash-Sutcliffe Efficiency = 0.63, Kling-Gupta Efficiency = 0.81 and Percent BIAS = 0.53%), demonstrating reliability in representing peak flows during wet years, periods of no flow, and the rising limb of the hydrograph. While small reservoirs (less than 0.01 hm3) were found to reduce streamflow, their overall impact on catchment retention was minimal, with water retention rates of 2% in wet years and 9% in dry years; (ii) The reduction in runoff due to the increased number of small reservoirs was more pronounced during dry years (up to 30%) compared to wet years (up to 8%). This reduction also escalated over consecutive years of drought, a result obtained in the scenario analysis, considering reservoir densities ranging from 0 to 3 reservoirs per km2 within the catchment, potentially exacerbating the effects of prolonged droughts; (iii) Despite the model's strong performance over a 30-year climatic series, which included periods of severe drought, it struggled to accurately predict streamflow during the extreme drought and the subsequent recovery phase, showing a marked decline in performance during these critical periods. Even after adjusting the most sensitive parameters related to key hydrological processes, the model's performance did not significantly improve. The SWAT model proves to be an acceptable model in dryland modeling for non-extreme drought events, and the methodology proposed in this study is highly transferable for different catchments worldwide. Overall, this thesis provides valuable insights into enhancing dryland modeling, bridging the gap between scientific research, modeling, and water resource management. These advancements are critical for improving the accuracy of scenario predictions and, consequently, for enhancing strategies to manage water resources in regions vulnerable to scarcity. |
Description in Brazilian Portuguese: | Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81142 |
Author's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-2441-3008 |
Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/4563258564384605 |
Advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0001-8612-5848 |
Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/2172710817636278 |
Co-advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/9241372014553970 |
Access Rights: | Acesso Aberto |
Appears in Collections: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
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