Hydrological modeling of LULC and climate change scenarios in a hydrographic basin in the semiarid region of Brazil.
DOI:
https://doi.org/10.26848/rbgf.v18.2.p1364-1383Palabras clave:
land use and cover, , Pajeú river basin, MGB, hydrological variablesResumen
This study aimed to assess the impact of land use and land cover (LULC) and climate scenarios in the Pajeú River Basin (Pernambuco/Brazil). The climate scenarios RCP 4.5 and 8.5 were simulated with the regional model Eta/CPTEC nested within global circulation models. The future LULC scenarios were defined using the Land Change Modeler in TerrSet and LULC maps from Mapbiomas. The hydrological simulation for streamflow estimation in the basin was performed using the MGB model. The 1985 LULC map was used to define the hydrologic response units, the period 1973-1982 for calibration, and 1983-1990 for validation. The calibration of the MGB was assessed by comparing the variables streamflow, evapotranspiration, and soil moisture. The simulations showed the impacts of the changes considering the LULC scenarios individually and the combination with the climate change scenarios. The increment of streamflow after the replacement of caatinga by agriculture and pasture can intensify or compensate the impacts of climate change, depending on the GCM has a trend to produce more or less precipitation.
Descargas
Citas
Adam, K. N., Collischonn, W., Fan, F., & Martin, J. (2017). Influência da técnica de remoção de viés aplicada em estudos de mudanças climáticas na bacia do rio Uruguai. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Florianópolis.
Alemayehu, S., Ayana, E. K., Dile, Y. T., Demissie, T., Yimam, Y., Girvetz, E., Aynekulu, E., Salomão, D., & Worqlul, A. W. (2020). Evaluating land suitability and potential climate change impacts on alfalfa (Medicago sativa) production in Ethiopia. Atmosphere, 11(10), 1124. https://doi.org/10.3390/atmos11101124
Andrade, C. W. L., Montenegro, S. M. G. L., Montenegro, A. A. D. A., Lima, J. R. S., Srinivasan, R., & Jones, C. A. (2020). Climate change impact assessment on water resources under RCP scenarios: A case study in Mundaú River Basin, Northeastern Brazil. International Journal of Climatology, 1–17.
Andrade, M. P., & Ribeiro, C. B. M. (2020). Impacts of land use and cover change on Paraíba do Sul watershed streamflow using the SWAT model. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 25, e12. https://doi.org/10.1590/2318-0331.252020190034
Andréassian, V. (2004). Water and forests: From historical controversy to scientific debate. Journal of Hydrology, 291(1–2), 1–27. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2003.12.015
Arroio Junior, P. P., & Mauad, F. F. (2015). Simulação dos impactos das mudanças climáticas na vazão da Bacia do Ribeirão do Feijão – SP. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 20(3), 741–751.
Assis, J. M. A., Sousa, W. M., & Sobral, M. C. (2015). Análise climática da precipitação no submédio da bacia do rio São Francisco a partir do índice de anomalias de chuva. Revista Brasileira de Ciências Ambientais, (36), 115–127.
Bárdossy, A., & Pegram, G. (2011). Downscaling precipitation using regional climate models and circulation patterns toward hydrology. Water Resources Research, 47, 1–18.
Bates, B. C., Zbigniew, W. K., Wu, S., & Palutikof, J. P. (2008). El cambio climático y el agua. Secretaría del IPCC, Ginebra.
Blainski, E., Dortzbach, D., Pereira, A. P. E., & Farias, M. G. (2014). Uso de modelo hidrossedimentológico para a simulação de cenários de uso da terra na microbacia Ribeirão Gustavo, Santa Catarina. Revista de Gestão de Água da América Latina, 11(1), 21–32.
Blainski, E., Porras, E. A. A., Garbosa, L. H. P., & Pinheiro, A. (2017). Simulation of land use scenarios in the Camboriú River Basin using the SWAT model. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 22, e33. https://doi.org/10.1590/2318-0331.011716110
Brito Neto, R. L., Tagliaferre, C., Lemos, O. L., Rocha, F. A., & Paula, A. (2021). Application of the MGB-IPH model in the Pardo River hydrographic basin in different scenarios of use and occupation of the soil. Ciência Florestal, 31(1), 191–213.
Brito, A. L., Veiga, J. A. P., Correia, F. W., & Capistrano, V. B. (2019). Avaliação do desempenho dos modelos HadGEM2-ES e Eta a partir de indicadores de extremos climáticos de precipitação para a Bacia Amazônica. Revista Brasileira de Meteorologia, 34(2), 165–177. https://doi.org/10.1590/0102-77863340003
Chou, S. C., Lyra, A., Mourão, C., Dereczynski, C., Pilotto, I., Gomes, J., ... & Marengo, J. (2014a). Evaluation of the Eta simulations nested in three global climate models. American Journal of Climate Change, 3(5), 438–454.
Chou, S. C., Lyra, A., Mourão, C., Dereczynski, C., Pilotto, I., Gomes, J., ... & Marengo, J. (2014b). Assessment of climate change over South America under RCP 4.5 and 8.5 downscaling scenarios. American Journal of Climate Change, 3, 512–527. https://doi.org/10.4236/ajcc.2014.35043
Christian, J. R., Arora, V. K., Boer, G. J., Curry, C. L., Zaharieva, K., Denman, K. L., ... & Scinocca, J. F. (2010). The global carbon cycle in the CCCma Earth System Model CanESM1: Preindustrial control simulation. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 115, G03014. https://doi.org/10.1029/2008JG000920
Chung, D., Dorigo, W., de Jeu, R., Kidd, R., & Wagner, W. (2018). NESA Climate Change Initiative Phase II - Soil Moisture: Product Specification Document (PSD) D1.2.1 Version 4.2. ESA.
Collins, W. J., Bellouin, N., Doutriaux-Boucher, M., Gedney, N., Halloran, P., Hinton, T., ... & Woodward, S. (2011). Development and evaluation of an Earth-System Model—HadGEM2. Geoscientific Model Development, 4, 1051–1075. https://doi.org/10.5194/gmd-4-1051-2011
Collischonn, W., Allasia, D., Silva, B. C., & Tucci, C. E. M. (2007). The MGB model for large-scale rainfall-runoff modelling. Hydrological Sciences Journal, 52(5), 878–895. https://doi.org/10.1623/hysj.52.5.878
Costa, F. P. D., Buarque, D. C., Brêda, J. P. L. F., & Föeger, L. B. (2022). Impact of climate change on the flow of the Doce River Basin. Brazilian Journal of Water Resources, 27, e34. https://doi.org/10.1590/2318-0331.272220220069
Diki, V. N., Shimizu, H. M., Lin, Z., Nwofor, O. K., & Chineke, T. C. (2015). Modelling present and future African climate using CMIP5 scenarios in HADGEM2-ES. International Journal of Climatology, 35, 899–918. https://doi.org/10.1002/joc.4084
Eastman, J. R. (2016). TerrSet: Geospatial Monitoring and Modeling System - Manual. Clark Labs - Clark University.
Escarião, R. D., Montenegro, S. M. G. L., Azevedo, J. R. G., & Ribeiro Neto, A. (2012). Influência do modelo hidrológico na avaliação da sensibilidade dos recursos hídricos a cenários de mudanças climáticas em região semiárida. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 17(3), 81–91. https://doi.org/10.21168/rbrh.v17n3.p81-91
Estoque, R. C., Ooba, M., Avitabile, V., Hijioka, Y., Dasgupta, R., Togawa, T., & Murayama, Y. (2019). The future of Southeast Asia’s forests. Nature Communications, 10, Article 1829.
Felix, V. S., & Paz, A. R. (2016). Representação dos processos hidrológicos em bacia hidrográfica do semiárido paraibano com modelagem hidrológica distribuída. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 21(3), 556–569. https://doi.org/10.1590/2318-0331.011616009
Fernandes, R. O., Silveira, C. S., Studart, T. M. C., & Souza Filho, F. A. (2017). Reservoir yield intercomparison of large dams in Jaguaribe Basin-CE in climate change scenarios. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 22, e11. https://doi.org/10.1590/2318-0331.011716033
Ferreira, F. L. V., Rodrigues, L. N., & Silva, F. B. (2024). Avaliação de desempenho de modelos climáticos na simulação de precipitação e temperatura média no Cerrado brasileiro. Theoretical and Applied Climatology, 155, 845–857. https://doi.org/10.1007/s00704-023-04665-0
Ferreira, P. S., Gomes, V. P., Santos, A. M., Morais, Y. C. B., Miranda, R. Q., Ferreira, J. M. S., & Galvíncio, J. D. (2014). Análise do cenário de suscetibilidade à desertificação na bacia hidrográfica do rio Pajeú – Estado de Pernambuco. Scientia Plena, 10(10).
Folharini, S., & Oliveira, R. (2020). Utilização do Land Change Modeler® na modelação prospetiva do uso e cobertura do solo na microrregião de Santos, Brasil para o ano de 2022. Revista de Geografia e Ordenamento do Território (GOT), (19), 57–73. https://doi.org/10.17127/got/2020.19.003
Frone, D., & Frone, S. (2015). The importance of water security for sustainable development in the Romanian agri-food sector. Agriculture and Agricultural Science Procedia, 6, 674–681.
Godin, R. S., Fuck Junior, S. C. F., & Evangelista, S. R. M. (2011). Impacto das mudanças climáticas na evapotranspiração em nível de bacia hidrográfica utilizando um sistema de informações geográficas. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 16(2), 5–12.
Gomes, W. B., Correia, F. W. S., Capistrano, V., Veiga, J. A. P., Vergasta, L. A., Chou, S. C., ... & Rocha, V. M. (2020). Avaliação dos impactos das mudanças na cobertura da terra e cenário de emissões (RCP 8.5) no balanço de água na Bacia do Rio Madeira. Revista Brasileira de Meteorologia, 35(4), 689–702. https://doi.org/10.1590/0102-7786354007
Haylock, M. R., Peterson, T., Alves, L. M., Ambrizzi, T., & Anunciação, Y. M. T. (2006). Trends in total and extreme South American rainfall 1960–2000 and links with sea surface temperature. Journal of Climate, 19(12), 1490–1512. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-05-00374.1
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2012). Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation: A special report of working groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change (C. B. Field, V. Barros, T. F. Stocker, D. Qin, D. J. Dokken, K. L. Ebi, ... P. M. Midgley, Eds.). Cambridge University Press.
Jati, D. A., & Silva, J. T. (2017). Estudos geo-hidrológicos da bacia do rio Curuá-Una, Santarém, Pará: Aplicação do modelo hidrológico de grandes bacias (MGB-IPH). Revista Brasileira de Geografia Física, 10(4), 1296–1311. https://doi.org/10.26848/rbgf.v10.4.p1296-1311
Kimura, R. (2020). Global detection of aridification or increasing wetness in arid regions from 2001 to 2013. Natural Hazards, 103(2), 2261–2276. https://doi.org/10.1007/s11069-020-04097-3
Koch, H., Silva, A. L. C., Liesch, S., Azevedo, J. R. G., & Hattermann, F. F. (2020). Effects of model calibration on hydrological and water resources management simulations under climate change in a semiarid watershed. Climatic Change, 163(3), 1247–1266. https://doi.org/10.1007/s10584-020-02917-w Kovaleski, L., Freitag, J. F., & Reginatto, C. (2023). Análise da influência do uso e ocupação do solo nas vazões da Bacia do Rio Carreiro. Caderno Pedagógico, 20(6), 1800–1820. https://doi.org/10.54033/cadpedv20n6-007
Leta, M. K., Demissie, T. A., & Tränckner, J. (2021). Modelagem e previsão da dinâmica de mudança de uso e cobertura da terra com base no Land Change Modeler (LCM) na Bacia Hidrográfica de Nashe, Bacia do Alto Nilo Azul, Etiópia. Sustainability, 13(7), 3740. https://doi.org/10.3390/su13073740
Lins, F. A. C., Montenegro, A. A. A., Farias, C. W. L. A., Silva, M. V., Souza, W. M., Moura, G. B. A., Silva, T. G. F., & Montenegro, S. M. G. L. (2024). Soil moisture and hydrological processes dynamics under climate and land use changes in a semiarid experimental basin, Brazil. Ecohydrology & Hydrobiology, 24(3), 681–697. https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2024.02.001
Lyra, A., Tavares, P., Chou, S. C., Sueiro, G., Dereczynski, C. P., Sondermann, M., Silva, A., Marengo, J., & Giarolla, A. (2017). Climate change projections over three metropolitan regions in Southeast Brazil using the non-hydrostatic Eta regional climate model at 5-km resolution. Theoretical and Applied Climatology, 128(1), 1–15. https://doi.org/10.1007/s00704-017-2067-z
Magalhães, A. G., Montenegro, A. A. A., Andrade, C. W. L., Montenegro, S. M. G. L., & Fontes Júnior, R. V. P. (2018). Hydrological modeling of an experimental basin in the semiarid region of the Brazilian State of Pernambuco. Revista Ambiente e Água, 13(6), e2204. https://doi.org/10.4136/ambi-água.2204
Magrin, G., et al. (2007). Latin America. In M. L. Parry et al. (Eds.), Climate change: Impacts, adaptation and vulnerability (pp. 581–615). Cambridge University Press.
Marengo, J. A. (2004). Interdecadal variability and trends of rainfall across the Amazon basin. Theoretical and Applied Climatology, 78(1–3), 79–96.
Marengo, J. A., Cunha, A. P. M. A., Nobre, C. A., Ribeiro Neto, G. G., Magalhaes, A. R., Torres, R. R., Sampaio, G., Alexandre, F., Alves, L. M., Cuartas, L. A., Deusdará, K. R. L., & Álvala, R. C. S. (2020). Assessing drought in the drylands of northeast Brazil under regional warming exceeding 4 °C. Natural Hazards, 103, 2589–2611. https://doi.org/10.1007/s11069-020-04097-3
Masullo, Y. A. G., & Rangel, M. E. S. (2012). Uso e ocupação do solo e alterações climáticas na ilha do Maranhão. Revista Geonorte, 2(5), 663–674.
Mutti, P. R., Dubreuil, V., Bezerra, G. B., Damien, A., Oliveira, C. P., & Santos e Silva, C. M. (2020). Assessment of gridded CRU TS data for long-term climatic water balance monitoring over the São Francisco watershed, Brazil. Atmosphere, 11(11), 1207.
Negreiros, B. M. F., & Medeiros, J. D. F. (2007). Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Florianópolis, Brasil.
Nobre, P., Siqueira, L., de Almeida, R., Malagutti, M., Giarolla, E., Castelão, G., Bottino, M., Kubota, P., Figueroa, S., Costa, M., Baptista, M., Irber, L., & Marcondes, G. (2013). Climate simulation and change in the Brazilian climate model. Journal of Climate, 26(17), 6716–6732. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00580.1
Nóbrega, M. R. R., Silva, M. V. M. da., Lima, C. E. S., Silva, G. K. da., Gonçalves, S. T. N., & Silveira, C. da S. (2022). Impacto das mudanças climáticas na aridez da Bacia Estendida do rio São Francisco, Brasil. Revista Brasileira de Meteorologia, 37(2), 185–197. https://doi.org/10.1590/0102-77863710032
Nunes, L. H., & Lombardo, M. A. (1995). A questão da variabilidade climática: uma reflexão crítica. Revista do Instituto Geológico, 16(1/2), 21–31.
Perazzoli, M., Pinheiro, A., & Kaufmann, V. (2013). Effects of scenarios of land use on water regime and sediment transport in the Concórdia River Basin, SC. Revista Árvore, 37(5), 859–869.
Porto, A. V. S., Viana, J. F. S., Miranda, R. Q., Montenegro, S. M. G. L., Souza, W. S., Araújo, D. C. S., Gusmão, A. V. L., & Silva, S. F. (2022). Analysis of future climate projections for the Pajeú River basin simulated by the regional model EtaHadgem2-ES. Journal of Hyperspectral Remote Sensing, 12(1), 1–9.
Ribeiro Neto, A., Scott, C. A., Lima, E. A., & Cirilo, J. A. (2014). Infrastructure sufficiency in meeting water demand under climate-induced socio-hydrological transition in the urbanizing Capibaribe River basin, Brazil. Hydrology and Earth System Sciences, 18, 3449–3459.
Santos, J. S., & Santos, G. D. (2013). Estudo microclimático em pontos representativos da malha urbana da cidade de João Pessoa/PB: Uma avaliação do campo térmico. Revista Brasileira de Geografia Física, 6(5), 1430–1448.
Santos, J. Y. G., Montenegro, S. M. G. L., Silva, R. M., Santos, C. A. G., Quinn, N. W., Dantas, A. P. X., & Ribeiro Neto, A. (2021). Modeling the impacts of future LULC and climate change on runoff and sediment yield in a strategic basin in the Caatinga/Atlantic forest ecotone of Brazil. Catena, 203, 105308. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105308
Schuster, R. C., Fan, F. M., & Collischonn, W. (2020). Scenarios of climate change effects in water availability within the Patos Lagoon’s Basin. Brazilian Journal of Water Resources, 25, e9. https://doi.org/10.1590/2318-0331.252020190061
Secretaria de Recursos Hídricos e de Saneamento (SRHS). (1998). Plano estadual de recursos hídricos. Recife, PE. Disponível em: http://www.sectma.pe.gov.br/perh-pe/index.html
Silva, A. M., Silva, R. M., Santos, C. A. G., Linhares, F. M., & Xavier, P. C. (2022). Modeling the effects of future climate and land use changes on streamflow in a headwater basin in the Brazilian Caatinga biome. Geocarto International. https://doi.org/10.1080/10106049.2022.2068672
Silva, D. S., & Medeiros, J. D. F. (2018). Aplicação do modelo hidrológico MGB na bacia hidrográfica do rio Piranhas-Açu. XIV Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, Maceió, Alagoas.
Silva, G. K., Marcos Júnior, A. D., Lima, C. E. S., Silva, M. V. M., & Silveira, C. S. (2023). Eta model and CMIP5 climate change projections for the São Francisco and Paraíba do Sul river basins, Brazil. Revista Brasileira de Meteorologia, 38, e38210072. https://doi.org/10.1590/0102-77863810072
Silva, L. P., Santos, P. R. A., Ribeiro, G. M., Medeiros, S. E. L., & Abrahão, R. (2021). Tendências e projeções de temperatura do ar e precipitação para os municípios de Monteiro e Patos (Paraíba). Cadernos de Ciência & Tecnologia, 38(3), e26767. https://doi.org/10.35977/0104-1096.cct2021.v38.26767
Sirqueira, P. C., Pons, N. A. D., Silva, B. C., Sirqueira Junior, J. L., Moreira, L. A., & Martins, A. M. (2022). Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH para simulação de cenários de uso do solo na bacia do rio Sapucaí (MG). Revista Brasileira de Geografia Física, 15(5), 2414–2429.
Siska, E. M., & Takara, K. (2015). Achieving water security in global change: dealing with associated risk in water investment. Procedia Environmental Sciences, 28, 743–749.
Souza, C. M., Jr., Shimbo, Z., Rosa, M. R., Parente, L. L., Alencar, A., Rudorff, B. F. T., Hasenack, H., Matsumoto, M., Ferreira, L. G., Souza-Filho, P. W. M., Oliveira, S. W., Rocha, W. F., Fonseca, A. V., Marques, C. B., Diniz, C. G., Costa, D., Monteiro, D., Rosa, E. R., Vélez-Martin, E., Weber, E. J., et al. (2020). Reconstructing three decades of land use and land cover changes in Brazilian biomes with Landsat archive and Earth Engine. Remote Sensing, 12(17). https://doi.org/10.3390/rs12172735
Souza, N. C. R., Fontes, A. S., Luz, L. D., & Pinheiro, S. M. C. (2017). Identification of the degree of impact of dams on the hydrologic regime of semi-arid rivers: An evaluation of the DHRAM method. RBRH, 22. https://doi.org/10.1590/2318-0331.011716093
Tibúrcio, I. M., Silveira, N. T., Santos, T. O., Miranda, R. Q., & Galvíncio, J. D. (2023). Balanço hídrico e mudanças climáticas no semiárido pernambucano: Aplicabilidade do sistema de unidades de respostas hidrológicas para Pernambuco (SUPer). Revista Brasileira de Geografia Física, 16(3), 1657–1670.
Uddin, K., Chaudhary, S., Chettri, N., Kotru, R., Murthy, M., Chaudhary, R. P., Ning, W., Shrestha, S. M., & Gautam, S. K. (2015). The changing land cover and fragmenting forest on the Roof of the World: A case study in Nepal's Kailash Sacred Landscape. Landscape and Urban Planning, 141, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2015.04.003
Valverde, M. C., & Marengo, J. A. (2014). Extreme rainfall indices in the hydrographic basins of Brazil. Open Journal of Modern Hydrology, 4(1), 10.
Virães, V. M., & Cirilo, J. A. (2019). Regionalization of hydrological model parameters for the semi-arid region of Northeast Brazil. RBRH, 24. https://doi.org/10.1590/2318-0331.241920180114
Watanabe, M., Suzuki, T., O’ishI, R., Komuro, Y., Watanabe, S., EmorI, S., Takemura, T., Chikira, M., Ogura, T., Sekiguchi, M., Takata, K., Yamazaki, D., Yokohata, T., Nozawa, T., Hasumi, H., Tatebe, H., Kimoto, M. (2010). Improved Climate Simulation by MIROC5: Mean States, Variability, and Climate Sensitivity. Journal of Climate, 23(23), 6312-6335. https://doi.org/10.1175/2010JCLI3679.1
Wierik, S. A., Cammeraat, E. L. H., Gupta, J., Artzy-randrup, Y.A. (2021). Reviewing the Impact of Land Use and Land-Use Change on Moisture Recycling and Precipitation Patterns. Water Resources Research, 57, e2020WR029234. https://doi.org/10.1029/2020WR029234
Wu, L., Zhang, X. FRanghua, H., Wu, Y., Li, C. Xu, L. (2020). Evaluating the contributions of climate change and human activities to runoff in typical semiarid area, China. Journal of Hydrology, 590 125555. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125555
Xavier, A. P. C., Silva, R. M. (2018). Modelagem Temporal Dinâmica do Uso e Ocupação do Solo Baseado em SIG para a Bacia do Rio Tapacurá (PE). São Paulo, UNESP, Geociências, 37, 193 - 210, 193.
Zákhia, E. M. S., Alvarenga, L. A., Tomasella, J., Martins, M. A., Santos, A. C. N., Melo, P. A.. (2021). Impactos das Mudanças Climáticas em uma Bacia Hidrográfica no Sul do Estado de Minas Gerais. Revista Brasileira De Meteorologia, 36(4), 667–681. https://doi.org/10.1590/0102-7786360002
Descargas
Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2025 Vagner Souza Felix, Alfredo Ribeiro Neto
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Material protegido por derechos de autor y plagio. En caso de material protegido por derechos de autor reproducido en el manuscrito, la atribución completa debe ser informada en el texto; un documento de respaldo de la autorización debe enviarse al Consejo Editorial como documento complementario. Es responsabilidad de los autores, no de la revista o de los editores y revisores, informar en el artículo la autoría de los textos, datos, figuras, imágenes y / o mapas publicados anteriormente en otros lugares. Si existe alguna sospecha sobre la originalidad del material, el Comité Editorial puede verificar el manuscrito en busca de plagio. En los casos en que se confirme el plagio, el manuscrito será devuelto sin más revisión y sin la posibilidad de volver a enviarlo. El autoplagio (es decir, el uso de frases idénticas de documentos previamente publicados por el mismo autor) tampoco es aceptable.
