Abstract The Madeira River basin is an example of an important portion of the Amazon region that is characterized by a high rate of conversion of forest into pastures and urban centers, evidencing an accelerated transformation in land cover and use with significant anthropic activity over the last three decades, which configures a potential impact in terms of modifying the climate behavior of the region. The present work seeks to analyze, in the Madeira River basin, the hydroclimatic impacts through the study of the variability of the two main components of the water balance and the energy balance at the scale of a watershed, namely precipitation and evapotranspiration, with additional emphasis on the temperature, which has served as a world reference to specify and demarcate changes in climate, given its space-time dynamics of anthropic occupation. More specifically, the occupancy history was initially analyzed using MODIS images for the period 2001-2013. In addition, precipitation data from the CHIRPS satellite product (1981-2017), evapotranspiration data determined by the SSEBop algorithm (2002-2017) via the sensor that produces the MODIS image and surface temperature of the MODIS satellite product (2001-2017) were examined, being such information treated as geospatial variables distributed in the study area. An extensive evaluation study regarding the identification of the presence or not of linear hydroclimatic trends in the Madeira River basin was carried out using the Mann-Kendall test. Although some trends were captured in the analyzed time series, the results obtained also showed that, given the limited database currently available, there is not necessarily a direct and clear relationship between the effect of human occupation and the climate regime of the basin, in contrast to the scientific framework recommended worldwide warning of climate change in the Anthropocene. In part, the high climate variability in the study region imposes limits with respect to clearly understand and separate the signals that can be attributed to the change in land cover and use from the signals associated with climate change that act on broader spatio-temporal scales. In this sense, new studies on monitoring hydrometeorological and hydroclimatic phenomena with corresponding measurements at different scales should be encouraged to better understand the processes of aggregation and disaggregation of the physical mechanisms acting at the scale of a watershed.

Resumo A bacia do rio Madeira constitui um exemplo de porção importante da região amazônica que se caracteriza por alta taxa de conversão de floresta em pastagens e núcleos urbanos, evidenciando transformação acelerada na cobertura e uso do solo com atividade antrópica significativa ao longo das três últimas décadas, o que configura potencial impacto quanto à modificação do comportamento climático da região. O presente trabalho busca analisar, na bacia do rio Madeira, os impactos hidroclimáticos por meio do estudo da variabilidade dos dois principais componentes do balanço hídrico e do balanço de energia na escala de uma bacia hidrográfica, nomeadamente precipitação e evapotranspiração, com destaque adicional para a temperatura, que tem servido de referência mundial para precisar e demarcar mudanças no clima, perante a sua dinâmica espaço-temporal de ocupação antrópica. Mais especificamente, analisou-se, inicialmente, o histórico de ocupação usando imagens MODIS para o período 2001-2013. Complementarmente, examinaram-se os dados de precipitação do produto satelital CHIRPS (1981-2017), de evapotranspiração determinados por meio do algoritmo SSEBop (2002-2017) via sensor que produz a imagem MODIS e ainda de temperatura de superfície do produto de satélite MODIS (2001-2017), informações tratadas como variáveis geoespaciais distribuídas na área de estudo. Extenso estudo de avaliação no que tange à identificação de existência ou não de tendências hidroclimáticas lineares na bacia do rio Madeira foi conduzido por meio do teste Mann-Kendall. Embora algumas tendências tenham sido captadas nas séries temporais analisadas, os resultados obtidos também mostraram não haver, necessariamente, face à limitada base de dados disponíveis atualmente, uma relação direta e clara entre o efeito da ocupação antrópica e o regime climático da bacia, em contraste com o quadro científico preconizado mundialmente de alerta quanto a mudanças climáticas no Antropoceno. Em parte, a alta variabilidade climática na região de estudo impõe limites para que se consiga claramente apreender e separar os sinais que podem ser atribuídos à alteração na cobertura e uso do solo dos sinais associados a mudanças climáticas que atuam em escalas espaço-temporais mais abrangentes. Nesse sentido, novos estudos sobre monitoramento de fenômenos hidrometeorológicos e hidroclimáticos com correspondentes medições em diferentes escalas devem ser incentivados para melhor compreender os processos de agregação e desagregação dos mecanismos físicos atuantes na escala de uma bacia hidrográfica.

ABSTRACT Rainfall is recognized as the most important driving force of the hydrologic cycle. To accurately represent the spatio-temporal rainfall variability continues to be an enormous hydrological task when using commonly sparse, if available, rain gauges networks. Therefore, the present study devoted a special effort to analyze the robustness of some satellite rainfall products, notably the datasets hereafter named as (i) CHIRP (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation), (ii) CHIRPS (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data), (iii) 3B42, and (iv) 3B42RT of the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM), to adequately represent the pluviometric regime in the Madeira river basin. To assess the accuracy of acquired remotely sensed rainfall products, comparisons to observational available rain gauges usually taken as ground-truth in the literature, despite their well-known limitations, were performed. Wavelet analysis was also used to validate the performance of the referred satellite products by means of extracting the corresponding cycles, frequencies, and tendencies along the available time series across the studied basin. The results showed that the data sources CHIRPS and CHIRP better represent the pluviometric phenomenon by means of their monthly accumulated rainfall in the Madeira river basin when compared to the 3B42 and 3B42RT products taking into account rain gauges as baseline information. The CHIRPS product performed the best among the selected rainfall estimators for the Madeira river basin. Further analysis brought up also another very interesting result related to non-rainfall periods, which is usually not reported. However, such evaluation is quite important in hydrology when examining run sequences of droughts and consequent effects in the water balance at the watershed scale. Highly accurate estimates in the sense of identifying non-rainfall periods by remotely sensed information was achieved, which represents an additional and valuable asset of satellite rainfall products. It is worthwhile to say that this perspective deserves to receive much more attention in the literature in order to deeply discuss the water-energy-food nexus.

RESUMEN La precipitación es el factor más importante del ciclo hidrológico. Representar de manera adecuada la variabilidad espacial y temporal de la precipitación continúa siendo una tarea hidrológica abrumadora cuando se utilizan datos (por lo general escasos, cuando no inexistentes) de redes pluviométricas. Por ello, el presente estudio se enfoca al análisis de la solidez de algunos productos satelitales de precipitación, en especial las bases de datos de: i) Precipitación por Infrarrojos del Grupo de Riesgos Climáticos (CHIRP, por sus siglas en inglés), ii) Precipitación por Infrarrojos del Grupo de Riesgos Climáticos con Datos de Estación (CHIRPS), y iii) 3B42 y iv) 3B42RT, ambos de la Misión para la Medición de Lluvias Tropicales (TRMM), con el fin de representar de forma adecuada el régimen de precipitación de la cuenca del río Madeira. Para valorar la precisión de los productos de precipitación adquiridos por percepción remota, se realizaron comparaciones entre éstos y los datos pluviométricos observacionales disponibles, que por lo general se consideran en la literatura como verdaderos a pesar de sus bien conocidas limitaciones. Se utilizó análisis de ondeletas para validar el desempeño de los productos satelitales mencionados mediante la extracción de los ciclos, frecuencias y tendencias correspondientes de las series de tiempo disponibles en la cuenca en estudio. Los resultados muestran que las bases de datos CHIRPS y CHIRP representan de forma más adecuada el fenómeno pluviométrico en la cuenca del río Madeira mediante sus datos de precipitación acumulada mensual, en comparación con los productos 3B42 y 3B42RT, tomando en cuenta como línea de base la información de pluviómetros. CHIRPS tuvo el mejor desempeño entre los estimadores seleccionados para estudiar la cuenca del río Madeira. Análisis subsiguientes mostraron también otro resultado muy interesante relacionado con periodos sin lluvia, lo cual generalmente no se reporta, a pesar de que dicha evaluación es bastante importante en hidrología cuando se analizan corridas de sequía y sus efectos en el balance hídrico a nivel de cuenca. Se obtuvieron estimaciones de gran precisión para identificar periodos sin lluvia con datos adquiridos mediante percepción remota, lo cual constituye un recurso adicional de gran valor de los productos satelitales de precipitación. Vale la pena destacar que esta perspectiva merece recibir mucha más atención en la literatura con el objeto de analizar a fondo la relación agua-energía-alimentos.

RESUMEN Los mecanismos físicos involucrados en el desarrollo y pronóstico de nubes y precipitación son bastante complejos y dependen del ambiente atmosférico local, especialmente cuando condiciones severas son inminentes. Investigaciones destinadas a comprender los mecanismos favorables para los diferentes escenarios atmosféricos pueden ayudar a los meteorólogos operativos a emitir alertas. Este trabajo proporciona contribuciones cualitativas y cuantitativas a partir de datos de radiosondas y radar y simulaciones numéricas para evaluar la formación de nubes convectivas, estratiformes y no precipitantes sobre el área metropolitana de Río de Janeiro, Brasil. La energía potencial disponible para convección (CAPE) y el índice Liftex (LI) mostraron valores más altos en los días convectivos (CAPE = 2600 J Kg-1 y LI = -4 ºC), seguidos de los días sin precipitación (CAPE = 1500 J Kg-1 y LI = -2 ºC) y días nublados estratiformes (CAPE = 1400 J Kg-1 y LI = -1.5 ºC). Se observó una alta convergencia del viento a niveles bajos (1000-850 hPa) y medios (850-700 hPa) en días convectivos (-16.5 s-1 y -9.6 s-1, respectivamente). En contraste, se observó divergencia del viento a los mismos niveles en días estratiformes (6.4 s-1 y 6.9 s-1) y sin precipitación (9.7 s-1 y 7.3 s-1). Se observó una mayor divergencia del viento (8.3 s-1) en los días convectivos en los niveles superiores (300-200 hPa) en comparación con los días estratiformes (3.2 s-1) y sin precipitación (2.8 s-1). Los resultados muestran un acoplamiento de la convergencia del viento, la humedad y la energía en la troposfera inferior y la divergencia en los niveles superiores en los días convectivos. A pesar de la disponibilidad de humedad en los días estratiformes y de energía termodinámica en los días sin precipitación, no se observó el acoplamiento respectivo entre estas condiciones y los forzantes dinámicos.

RESUMO O projeto e a gestão inadequados da camada de cobertura de um aterro sanitário produzem impactos ambientais prejudiciais ao meio ambiente. Uma alternativa disponível é desenvolver cenários baseados na simulação de modelos físicos e computacionais para representar o balanço hídrico que se espera que ocorra em uma camada de cobertura do aterro por meio de um experimento de campo. O presente trabalho investiga o projeto de cobertura final de um aterro sanitário no município de Seropédica, localizado no estado do Rio de Janeiro - Brasil. Mais especificamente, a cobertura compacta do solo, que é amplamente utilizada para a cobertura final de aterro de resíduos sólidos urbanos, é avaliada em contraste com a cobertura vegetal por gramíneas, cobertura vegetal por braquiária e barreira capilar. Para realização dessa tarefa, forçantes hidrometeorológicas, nomeadamente precipitação e temperatura na escala diária, foram obtidas da estação meteorológica de Anchieta, situada nas proximidades da área de estudo. Os códigos computacionais Hydrus 1D e 2/3 D foram empregados para desenvolver um conjunto de cenários para acompanhar a evolução da pluma de contaminação no interior do aterro ao longo do período de 20 anos com algum grau de confiabilidade. Ressalta-se que a avaliação realizada indica a possibilidade de controlar a liberação de chorume e, consequentemente, de evitar a contaminação do meio ambiente, notadamente para prevenir a poluição do solo e dos recursos hídricos. A cobertura vegetal por gramíneas e braquiárias apresentou importantes mecanismos de controle com relação ao movimento da pluma contaminante. Além disso, deve-se notar que os melhores resultados para a cobertura final do aterro foram alcançados para a barreira capilar, enquanto que os resultados de baixo desempenho foram obtidos para o solo compacto comumente empregado.

ABSTRACT Improper design and management of the cover layer of a sanitary landfill has been proven to produce harmful environmental impacts on the environment. One alternative at hand is to develop scenarios based on simulation of physical and computational models to represent the expected field water balance of a landfill coverage layer. This paper investigates the design of a sanitary landfill final cover in the municipality of Seropédica, which is located at the state of Rio de Janeiro - Brazil. More specifically, the compact soil coverage, which is widely used for landfill final cover of municipal solid waste, is evaluated in contrast to vegetation cover by grass, vegetation cover by brachiaria and capillary barrier. To accomplish such task, hydrometeorological forcing conditions, namely daily rainfall and temperature, were retrieved from the Anchieta weather station, which is situated nearby the study area. The Hydrus 1D and 2/3 D computational codes were employed to develop a set of scenarios to follow the contamination plume evolution within the landfill along the time frame of 20 years with some degree of reliability. It should be noted that the performed evaluation indicates the possibility to control the leachate release and consequently to avoid contaminating the environment, notably to prevent soil and water resources pollution. Vegetation cover by grass and brachiaria showed important control mechanisms with respect to the movement of the contaminant plume. In addition, it should be noticed that the best results for the landfill final cover were achieved for the capillary barrier, while poor performance results were obtained for the commonly employed compact soil.

Resumo A bacia hidrográfica do rio Machadinho é um exemplo de ocupação desordenada presente na região amazônica, na qual foram desmatadas grandes áreas com consequente conversão da floresta em pastagens e em núcleos urbanos. O presente trabalho tem o objetivo de analisar os impactos na hidrologia (vazão, precipitação e evapotranspiração) da bacia do rio Machadinho diante de sua dinâmica de ocupação antrópica. Primeiramente, analisaram-se mudanças na cobertura da terra usando imagens do sensor Landsat 5-TM para os anos 1984, 1997 e 2011. A variável vazão foi avaliada quanto a sua sensibilidade mediante o emprego do modelo SWAT para determinar a descarga líquida fixando-se os padrões climáticos e variando-se os cenários históricos de cobertura da terra. A precipitação, obtida por meio de dados do CHIRPS para o período de 1981 a 2017, e a evapotranspiração, estimada via dados do SSEBop entre os anos de 2002 a 2017, foram tratadas como variáveis geoespaciais distribuídas na bacia, com tendências de comportamento de suas séries históricas aferidas por meio do teste Mann-Kendal. Os resultados obtidos mostraram que a ocupação da bacia deu-se de maneira desordenada, cuja área com pastagem passou de 2,6% no ano de 1984 para 45,9% no ano de 2011, sendo a maior conversão observada na nascente do corpo hídrico principal, o que evidenciou uma maior produção de vazão pelo modelo SWAT, que adequadamente captou a variação dessa variável. Adicionalmente, observou-se tendência de redução pluviométrica nos meses mais chuvosos, enquanto detectou-se elevação da evapotranspiração nos meses mais quentes. Nesse sentido, é importante ressaltar que o desmatamento da região tende a reduzir a disponibilidade hídrica para a bacia.

Abstract The Machadinho river basin is an example of disorderly occupation present in the Amazon region, where large areas were deforested and consequently the forest was converted into pastures and urban centers. The present work has the objective of analyzing the impacts in hydrology (streamflows, precipitation and evapotranspiration) of the Machadinho river basin due to its dynamics of anthropic occupation. First, the land cover change was analyzed using Landsat 5-TM images for the years 1984, 1997 and 2011. The streamflow variable was evaluated for its sensitivity by using the SWAT model to determine net discharge by setting the weather patterns and by varying the historical land cover scenarios. The precipitation, obtained by data from the CHIRPS for the period from 1981 to 2017, and evapotranspiration, estimated by the SSEBop data between 2002 and 2017, were treated as distributed geospatial variables in the basin, with behavioral trends of their corresponding historical series measured by means of the Mann-Kendal test. The results showed that the occupation of the basin occurred in a disorderly way, where the pasture area increased from 2.6% in 1984 to 45.9% in 2011, with the highest conversion observed at the spring of the main water body, which accounted for a higher flow production by the SWAT model that adequately described the variable. In addition, trends of rainfall reduction were observed in wetter months, while trends of evapotranspiration elevation were detected in warmer months. Therefore, it is noteworthy to register that deforestation in the region tends to reduce water availability to the basin.

RESUMO Este estudo avaliou o potencial poluidor da bacia de contribuição do reservatório de Funil (BCRF), localizado na bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul, considerando a geração da carga de nutrientes, nitrogênio (N) e fósforo (P), por fontes pontuais e difusas, a partir de uma modelagem distribuída utilizando Sistema de Informação Geográfica (SIG). As cargas e concentrações médias anuais desses nutrientes foram geradas a partir do acoplamento de equações empíricas, em SIG, considerando informações espaciais de uso e cobertura do solo, população residente na bacia e vazão média anual de longo período, obtida por equações do tipo chuva vazão. Os resultados indicaram que 80% da carga total de nitrogênio foram provenientes de fontes pontuais e 20% de fontes difusas, enquanto que, da carga total de fósforo, 89,1% foram originadas de fontes pontuais e 10,9% de fontes difusas. As concentrações de nutrientes estimadas pelo modelo empírico apresentaram bons ajustes em relação aos valores observados de fósforo e de nitrogênio no rio Paraíba do Sul, com R²=0,96 (p<0,01) e R²=0,70 (p<0,01), respectivamente. Dessa forma, o modelo foi capaz de detectar, de forma significativa, a tendência das variações nas concentrações de nutrientes ao longo de diferentes trechos da BCRF.

ABSTRACT This study evaluated the potential polluter of the Funil Reservoir Contribution Basin (BCRF), located in the Paraíba do Sul River basin, considering the generation of nutrient loading, nitrogen (N) and phosphorus (P), due to point and diffuse sources from a distributed modeling using Geographic Information System (GIS). Loads and annual average concentrations of these nutrients were generated from the coupling of empirical equations, in GIS, considering spatial information such as land use/cover, population living in the basin and long period average annual flow obtained by equations of rainfall runoff. The results indicated that 80% of the total load of nitrogen was generated from point sources and 20% from diffuse sources, while 89.1% were originated from point sources and 10.9% from diffuse sources for the corresponding total load of phosphorus. The model estimated adequately the concentration when compared to the observed values and it was able to detect the trend of changes in nutrient concentrations along different sections of the BCRF highlighting significant correlations between the observed and simulated concentrations of phosphorus and nitrogen with R²=0.96 (p<0.01) and R²=0.70 (p<0.01), respectively.

A evapotranspiração é um dos componentes do balanço hídrico que representa grande desafio em sua quantificação. Os processos físicos complexos envolvidos na sua determinação em larga escala têm estimulado cientistas a fazer o uso, muitas vezes, de equações empíricas, que apresentam intrínseca limitação no que concerne à aplicabilidade como descritores do comportamento da evapotranspiração em diferentes regiões do mundo. Este estudo foi realizado para a região de Campos dos Goytacazes, no estado do Rio de Janeiro, e propõe-se a investigar e avaliar o desempenho de seis equações empíricas em contraste com a equação FAO56-Penman-Monteith. Os resultados indicaram que as diferenças observadas entre os valores obtidos com os modelos empíricos aplicados neste estudo e os valores calculados pela equação de FAO56-Penman-Monteith foram maiores que 10%, o que significa um erro em torno de 0,5 mm.dia-1.

The evapotranspiration is a component of the water balance constituting a major challenge in its quantification. The complex physical processes involved in its effective determination on a large scale have spurred scientists to often make use of empirical equations, which have inherent limitations with regard to their applicability as descriptors of the evapotranspiration behavior in different regions across the world. This study was performed for the Campos dos Goytacazes region, in Rio de Janeiro state. It is proposed to investigate and to evaluate the performance of six empirical equations in contrast to FAO56-Penman-Monteith equation. The results indicated that the differences observed between the values obtained using the empirical models applied in this study and the values calculated by the FAO56-Penman-Monteith equation were greater than 10%, which means an error of about 0.5 mm.day-1.