Submitted by Pedro Barros (pedro.silvabarros@ufpe.br) on 2018-08-08T18:27:43Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Rodolfo Marcone Silva Souza.pdf: 3134895 bytes, checksum: a00817e8dfd7bd060ee1bf4d5dcdbdc9 (MD5) / Approved for entry into archive by Alice Araujo (alice.caraujo@ufpe.br) on 2018-08-16T22:31:45Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Rodolfo Marcone Silva Souza.pdf: 3134895 bytes, checksum: a00817e8dfd7bd060ee1bf4d5dcdbdc9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-16T22:31:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) TESE Rodolfo Marcone Silva Souza.pdf: 3134895 bytes, checksum: a00817e8dfd7bd060ee1bf4d5dcdbdc9 (MD5) Previous issue date: 2017-04-07 / FACEPE / Os cenários de mudanças climáticas apontam para alterações no regime de chuva com tendência de escassez de água nas regiões semiáridas. As projeções de mudanças na sazonalidade e na variabilidade interanual das chuvas indicam impactos severos na vegetação das regiões tropicais áridas e semiáridas. Além disso, mudanças no uso da terra podem impactar nos fluxos de energia e carbono nessas regiões. Nesse sentido, essa pesquisa teve dois principais objetivos: i) avaliar a variabilidade sazonal e interanual dos fluxos de energia e carbono em área de pastagem degradada e caatinga no semiárido pernambucano; ii) avaliar os efeitos da sazonalidade e variabilidade interanual da chuva na caatinga e modelar as respostas da caatinga às futuras mudanças no regime de chuva. Para atender o primeiro objetivo, foram instaladas torres micrometeorológicas para medições contínuas de variáveis meteorológicas, fluxos de energia, carbono e do conteúdo de água no solo, realizados em uma área de pastagem degradada (PA) e de caatinga (CA) no município de Serra Talhada-PE. Os fluxos de energia e carbono foram medidos com um sistema de correlação dos vórtices turbulentos à 2,0 e 10 m de altura na PA e CA, respectivamente. A maior parte da energia disponível foi convertida em fluxo de calor sensível tanto na PA como na CA, no entanto, o calor latente e a evapotranspiração na CA foi maior do que na PA. Após os eventos de chuva, principalmente no começo da estação chuvosa, foram registrados fluxos positivos de CO₂ em ambas as áreas, que em seguida passaram a ter fluxo de CO₂ negativo devido à fotossíntese das plantas. Durante a estação chuvosa, a respiração na CA foi cerca de 2,8 vezes maior do que na PA. Apesar do baixo regime pluviométrico, ambas as áreas atuaram como sumidouro de carbono, retirando em média 3,25 e 3,42 Mg de C ha⁻¹ ano⁻¹ respectivamente para a PA e a CA. No segundo principal objetivo, foram calculadas estatísticas da sazonalidade e da variabilidade interanual da chuva e do NDVI que descrevem a duração, o tempo e a intensidade das estações úmida e seca em quatro locais de estudo no Estado de Pernambuco (São João, Araripina, Serra Talhada e Petrolina). Os resultados mostraram que a caatinga tende a ter uma resposta mais estável com a estação de crescimento mais longa (3,1±0,1 meses) comparada com a duração da estação chuvosa (2,0±0,5 meses). O formato e o tamanho das curvas de histerese da relação chuva-NDVI estão relacionadas aos efeitos tampão da dinâmica da água no solo e do crescimento das plantas. Por fim, as simulações da resposta da vegetação para diferentes cenários de chuva revelaram a existência de uma produtividade máxima do ecossistema em níveis intermediários da sazonalidade da chuva, o que sugere uma possível compensação nos efeitos da intensidade e da duração da estação úmida no crescimento da vegetação, relacionado com a dinâmica da água no solo e a taxa de transpiração. / Climate change scenarios point to changes in the rainfall regime with a tendency for water scarcity in semi-arid regions. Projections of changes in seasonality and interannual rainfall variability indicate severe impacts on the vegetation of arid and semi-arid tropical regions. In addition, changes in land use can impact energy and carbon flows in these regions. In this sense, this research had two main objectives: i) evaluate the seasonal and interannual variability of flows of energy and carbon in degraded pasture area and in the semi-arid caatinga of Pernambuco; ii) assess the effects of seasonality and interannual variability of rain in caatinga and model the responses of the caatinga to future changes in rainfall regime. In order to meet the first objective,micrometeorological towers were installed for continuous measurements of meteorological variables, energy fluxes, carbon and soil water content in a degraded pasture (PA) and caatinga (CA) area in the municipality of Serra Talhada-PE. The energy and carbon fluxes were measured with a correlation system of turbulent vortices at 2.0 and 10 m height in PA and CA, respectively. Most of the available energy was converted into sensible heat flux in both PA and CA, however, latent heat and evapotranspiration in CA were higher than in PA. After the events of rain, especially at the beginning of the rainy season, have registered positive CO₂ flows in both areas, which then started to have negative CO₂ flux due to photosynthesis. During the rainy season, the respiration in CA was about 2.8 times higher than in PA. Despite the low rainfall regime, both areas acted as a carbon sink by an average of 3.9 and 3.4 Mg C ha⁻¹ year⁻¹ respectively to the PA and CA. In the second main objective, we calculated statistics of seasonality and interannual variability of rainfall and NDVI that describing the duration, timing, and intensity of wet and dry seasons for four sites in State of Pernambuco (São João, Araripina, Serra Talhada e Petrolina). The results showed that the caatinga tends to have a more stable response with the longest growing season (3.1±0.1 months) compared with the duration of the rainy season (2.0±0.5 months). The format and the size of the hysteresis loops of the rain-NDVI relations are linked to the buffering effects of soil moisture and plant growth dynamics. Finally, the simulations of the response of vegetation to different scenarios of rain have revealed the existence of a maximum productivity of the ecosystem at intermediate levels of seasonality of rain, which suggests a possible compensation effects of intensity (e.g. quantity) and the duration of the wet season in the growth of vegetation related to the dynamics of the water in the soil and the rate of transpiration.

Water quantity, availability and, particularly, quality of Brazilian freshwater is under progessive degradation due to Anthropocene\'s environmental changing conditions. Strategies of Ecosystem-based Adaptation (EbA) are essential to mitigate these impacts. This Ph.D. thesis proposes a new model of water resources management, thereby integrating selfpurification and ecohydrologic processes to evaluate ecosystem services from watershed under change. In Chapter 2, this thesis examinates the payment for hydrologic cosystem services (Water-PES) in Brazilian Atlantic Forest and points ecohydrologic variables useful for assessing and further valuing hydrologic services. In Chapter 3, this thesis discusses proposals for freshwater monitoring plan which integrate quali-quantitative aspects for EbA and Water-PES projects. Therefore, in Chapter 4 experimental quali-quantative freshwater data from in-situ field observations are investigated according land-use/land-cover (LULC) in headwaters of water supply systems. In Chapter 5, through simulated impacts on freshwater yield from scenarios of LULC change, the grey water footprint (greyWF) is assessed, as well as environmental sustainability of sub-basins is depicted from a new ecohydrologic index for assessing hydrologic services. The methodology is performed using through field sampling and lab-analysing of physico-chemical, biologic and hydraulic variables in nested sub-basins draining to the Cantareira Water Supply System, in Sao Paulo and Minas Gerais states, Brazil. These areas participate in the Water-PES projects Water Producer/PCJ and Water Conservator at headwaters of Piracicaba watershed, during recent severe drought conditions between years 2013-15. The greyWF is estimated from outputs of time series simulated through ecohydrologic model Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Under assumption of continuity of Water-PES projects, and using the same series of hydrometorological records for a common period (2008-2014), freshwater quali-quantitative impacts are performed through three LULC scenarios: past situation \"S1\" (year 1990), current situation \"S2\" (year 2010) and future situation \"S2+EbA\" (year 2035). From these scenarios, flow and load duration curves, mean water yields, greyWF and seasonal variabilities, were simulated. Through this research, continuous-monitoring Data Collecting Stations were installed in public-private partnership encompassing EESC/USP, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC, WWF and local mayors. This continuous monitoring is addressed to increase the system resilience, based on better decision-making for water security, in strategic headwaters not only for water supply, but also for environmental conservation. This doctoral thesis brings contributions to a better comprehension of anthropic impacts on water resources and for strategies of EbA in front of progressive rates of losses of ecosystem services. This PhD. thesis was part of three research initiatives which partly granted activities: (1) Thematic Project FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil and Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP Núcleo de Apoio às Pesquisas em Mudanças Climáticas) and (3) \"Água Brasil\" Project, Banco do Brasil Foundation, WWF Brazil, ANA & FIPAI/EESC-USP. / A quantidade, a disponibilidade e, em particular, a qualidade da água doce está em degradação progressiva devido às mudanças ambientais no Antropoceno. Estratégias de adaptação baseadas em ecossistemas (EbA) são essenciais para reduzir estes impactos. Propõe-se um novo modelo de gerenciamento de recursos hídricos que integre a pegada hídrica cinza e processos ecohidrológicos para avaliação dos serviços hidrológicos em bacias hidrográficas sob mudanças. As etapas da pesquisa são: Capítulo 2 – análise dos projetos de pagamentos por serviços ambientais de proteção às bacias hidrográficas na Mata Atlântica brasileira e, no contexto de EbA, indicação de variáveis ecohidrológicas úteis na quantificação e futura valoração dos serviços hidrológicos; Capítulo 3 – desenvolvimento de plano de monitoramento ecohidrológico que integra aspectos qualitativos e quantitativos dos recursos hídricos para projetos de EbA; Capítulo 4 – provisão de dados experimentais de qualidade e quantidade da água, além de observações in-situ, para investigação das influências das mudanças de uso e ocupação do solo nas cabeceiras de mananciais, estratégicos para o abastecimento público e a conservação ambiental; Capítulo 5 – estimativas da pegada hídrica cinza para nitrato, fósforo total e sedimentos a partir do monitoramento de variáveis quali-quantitativas em bacias com diferentes condições de uso e ocupação de solo. Foi realizada a instalação de três Plataformas de Coleta de Dados, por meio de parceria entre EESC, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC e WWF, visando aumentar a resiliência do sistema, decorrente de futuro aprimoramento da gestão, para a segurança hídrica. A metodologia incluiu coletas em seis diferentes períodos, durante dois anos, e análises das variáveis condutividade elétrica, cor, DQO, DBO5,20, nitrato, nitrito, nitrogênio amoniacal, fosfato, pH, turbidez, sólidos totais, coliformes termotolerantes, Escherichia coli, medidas de vazões e velocidades médias em seções transversais. O método foi aplicado em microbacias participantes dos projetos Produtor de Água/PCJ e Conservador das Águas, dentre outras, com áreas de drenagem entre 7 e 1.000 km2, que contribuem para a bacia do rio Piracicaba (12.530 km2). Dados primários, medidos em recente período de severa estiagem no Sistema Cantareira (2013-14), foram integrados aos bancos de dados de órgãos gestores federais e estaduais. A produção de água foi maior em sub-bacias menos florestadas. Foi possível aprimorar a regionalização de cargas poluidoras por área de drenagem na região do Cantareira. A pegada hídrica cinza (WF) foi estimada a partir de simulações no modelo ecohidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Curvas de permanência de vazões e carga poluidora por área de drenagem foram elaboradas. Supondo-se a continuidade dos projetos \"Produtor de Água/PCJ\" e \"Conservador das Águas\", foram investigados os impactos de cenário futuro de uso do solo. Finalmente, foi desenvolvido novo índice ecohidrológico para quantificação dos serviços hidrológicos e avaliação a sustentabilidade das sub-bacias, a partir da pegada hídrica cinza composta. Assim, usando ferramentas de vanguarda tecnológica (SWAT e WF), a tese fornece subsídios para uma melhor compreensão dos impactos antropogênicos sobre os recursos hídricos e novas estratégias de adaptação baseada em ecossistemas, frente às progressivas taxas de perda de serviços ambientais. Esta tese esteve vinculada a três projetos de pesquisa, dos quais obteve apoio financeiro: (1) Projeto Temático FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil & Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP) e (3) Projeto \"Água Brasil\", Fundação Banco do Brasil, WWF Brasil, ANA e FIPAI/EESC-USP.

Water quantity, availability and, particularly, quality of Brazilian freshwater is under progessive degradation due to Anthropocene\'s environmental changing conditions. Strategies of Ecosystem-based Adaptation (EbA) are essential to mitigate these impacts. This Ph.D. thesis proposes a new model of water resources management, thereby integrating selfpurification and ecohydrologic processes to evaluate ecosystem services from watershed under change. In Chapter 2, this thesis examinates the payment for hydrologic cosystem services (Water-PES) in Brazilian Atlantic Forest and points ecohydrologic variables useful for assessing and further valuing hydrologic services. In Chapter 3, this thesis discusses proposals for freshwater monitoring plan which integrate quali-quantitative aspects for EbA and Water-PES projects. Therefore, in Chapter 4 experimental quali-quantative freshwater data from in-situ field observations are investigated according land-use/land-cover (LULC) in headwaters of water supply systems. In Chapter 5, through simulated impacts on freshwater yield from scenarios of LULC change, the grey water footprint (greyWF) is assessed, as well as environmental sustainability of sub-basins is depicted from a new ecohydrologic index for assessing hydrologic services. The methodology is performed using through field sampling and lab-analysing of physico-chemical, biologic and hydraulic variables in nested sub-basins draining to the Cantareira Water Supply System, in Sao Paulo and Minas Gerais states, Brazil. These areas participate in the Water-PES projects Water Producer/PCJ and Water Conservator at headwaters of Piracicaba watershed, during recent severe drought conditions between years 2013-15. The greyWF is estimated from outputs of time series simulated through ecohydrologic model Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Under assumption of continuity of Water-PES projects, and using the same series of hydrometorological records for a common period (2008-2014), freshwater quali-quantitative impacts are performed through three LULC scenarios: past situation \"S1\" (year 1990), current situation \"S2\" (year 2010) and future situation \"S2+EbA\" (year 2035). From these scenarios, flow and load duration curves, mean water yields, greyWF and seasonal variabilities, were simulated. Through this research, continuous-monitoring Data Collecting Stations were installed in public-private partnership encompassing EESC/USP, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC, WWF and local mayors. This continuous monitoring is addressed to increase the system resilience, based on better decision-making for water security, in strategic headwaters not only for water supply, but also for environmental conservation. This doctoral thesis brings contributions to a better comprehension of anthropic impacts on water resources and for strategies of EbA in front of progressive rates of losses of ecosystem services. This PhD. thesis was part of three research initiatives which partly granted activities: (1) Thematic Project FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil and Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP Núcleo de Apoio às Pesquisas em Mudanças Climáticas) and (3) \"Água Brasil\" Project, Banco do Brasil Foundation, WWF Brazil, ANA & FIPAI/EESC-USP. / A quantidade, a disponibilidade e, em particular, a qualidade da água doce está em degradação progressiva devido às mudanças ambientais no Antropoceno. Estratégias de adaptação baseadas em ecossistemas (EbA) são essenciais para reduzir estes impactos. Propõe-se um novo modelo de gerenciamento de recursos hídricos que integre a pegada hídrica cinza e processos ecohidrológicos para avaliação dos serviços hidrológicos em bacias hidrográficas sob mudanças. As etapas da pesquisa são: Capítulo 2 – análise dos projetos de pagamentos por serviços ambientais de proteção às bacias hidrográficas na Mata Atlântica brasileira e, no contexto de EbA, indicação de variáveis ecohidrológicas úteis na quantificação e futura valoração dos serviços hidrológicos; Capítulo 3 – desenvolvimento de plano de monitoramento ecohidrológico que integra aspectos qualitativos e quantitativos dos recursos hídricos para projetos de EbA; Capítulo 4 – provisão de dados experimentais de qualidade e quantidade da água, além de observações in-situ, para investigação das influências das mudanças de uso e ocupação do solo nas cabeceiras de mananciais, estratégicos para o abastecimento público e a conservação ambiental; Capítulo 5 – estimativas da pegada hídrica cinza para nitrato, fósforo total e sedimentos a partir do monitoramento de variáveis quali-quantitativas em bacias com diferentes condições de uso e ocupação de solo. Foi realizada a instalação de três Plataformas de Coleta de Dados, por meio de parceria entre EESC, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC e WWF, visando aumentar a resiliência do sistema, decorrente de futuro aprimoramento da gestão, para a segurança hídrica. A metodologia incluiu coletas em seis diferentes períodos, durante dois anos, e análises das variáveis condutividade elétrica, cor, DQO, DBO5,20, nitrato, nitrito, nitrogênio amoniacal, fosfato, pH, turbidez, sólidos totais, coliformes termotolerantes, Escherichia coli, medidas de vazões e velocidades médias em seções transversais. O método foi aplicado em microbacias participantes dos projetos Produtor de Água/PCJ e Conservador das Águas, dentre outras, com áreas de drenagem entre 7 e 1.000 km2, que contribuem para a bacia do rio Piracicaba (12.530 km2). Dados primários, medidos em recente período de severa estiagem no Sistema Cantareira (2013-14), foram integrados aos bancos de dados de órgãos gestores federais e estaduais. A produção de água foi maior em sub-bacias menos florestadas. Foi possível aprimorar a regionalização de cargas poluidoras por área de drenagem na região do Cantareira. A pegada hídrica cinza (WF) foi estimada a partir de simulações no modelo ecohidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Curvas de permanência de vazões e carga poluidora por área de drenagem foram elaboradas. Supondo-se a continuidade dos projetos \"Produtor de Água/PCJ\" e \"Conservador das Águas\", foram investigados os impactos de cenário futuro de uso do solo. Finalmente, foi desenvolvido novo índice ecohidrológico para quantificação dos serviços hidrológicos e avaliação a sustentabilidade das sub-bacias, a partir da pegada hídrica cinza composta. Assim, usando ferramentas de vanguarda tecnológica (SWAT e WF), a tese fornece subsídios para uma melhor compreensão dos impactos antropogênicos sobre os recursos hídricos e novas estratégias de adaptação baseada em ecossistemas, frente às progressivas taxas de perda de serviços ambientais. Esta tese esteve vinculada a três projetos de pesquisa, dos quais obteve apoio financeiro: (1) Projeto Temático FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil & Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP) e (3) Projeto \"Água Brasil\", Fundação Banco do Brasil, WWF Brasil, ANA e FIPAI/EESC-USP.