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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-22122021-102301
Documento
Autor
Nome completo
Lívia Malacarne Pinheiro Rosalem
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Wendland, Edson Cezar (Presidente)
Durigan, Giselda
Koide, Sergio
Oliveira, Paulo Tarso Sanches de
Tonello, Kelly Cristina
Título em português
Monitoramento e modelagem do processo de interceptação em área de Cerrado stricto sensu
Palavras-chave em português
Balanço hídrico
Evaporação
Modelo de Gash
Modelo de Rutter
Orvalho
Serrapilheira
Resumo em português
A interceptação da chuva pela floresta e sua subsequente evaporação constitui uma parte importante do ciclo hidrológico. Entretanto, devido principalmente a dificuldade em realizar o monitoramento direto, o processo de interceptação pela serrapilheira tem sido geralmente desconsiderado nos balanços hídricos. Por isso, os modelos de interceptação mais aplicados concentram-se apenas no processo de interceptação do dossel e do caule, e desconsideram a interceptação pela serrapilheira, o que resulta em valores subestimados de evaporação total. O objetivo principal deste trabalho foi analisar os processos de interceptação através da quantificação da interceptação pelo dossel, troncos e pela serrapilheira de uma área experimental de Cerrado stricto sensu a fim de aprimorar o balanço hídrico local. Para isso foram monitorados entre Junho de 2017 a Fevereiro de 2020 algumas variáveis meteorológicas, a precipitação total e interna, a infiltração e o escoamento dos troncos através de uma rede de equipamentos manuais e automáticos, além do monitoramento direto e automático da interceptação pela serrapilheira e evaporação do solo. Ainda, entre outubro de 2018 e setembro 2019 foi realizado o monitoramento da produção mensal de serrapilheira a partir de 37 coletores dispostos em 9 transectos na área de estudo. Como foram observados acréscimos no armazenamento da serrapilheira durante alguns períodos noturnos, foi verificada a possibilidade de interceptação de orvalho pela serrapilheira. Para uma melhor análise dos processos de interceptação nos eventos de precipitação, foram desenvolvidas versões adaptadas dos modelos de interceptação de Rutter e de Gash, denominadas RA e GA, afim de que a interceptação pela serrapilheira fosse incluída. Como resultados do monitoramento, a precipitação interna, a infiltração e o escoamento dos troncos corresponderam a 72%, 60% e <1% da precipitação total, respectivamente. A produção média mensal de serrapilheira foi de 0,065 (±0,030) kg.m-2, correspondendo ao total de 7,810 ton.ha-1.ano-1, com pico de produção entre os meses de agosto e setembro. A análise da interceptação de orvalho indicou que esse processo representou em volume a apenas 0,4% da precipitação total no período entre junho de 2017 a maio de 2019, que corresponde a 4,3% do total de interceptação pela serrapilheira. A interceptação pela vegetação, isto é, dossel e troncos, correspondeu a 28% da precipitação, sendo a interceptação pela serrapilheira 12% da precipitação ou 29% da interceptação total. Os modelos apresentaram bom desempenho na simulação dos processos de precipitação interna e infiltração, independente se as respostas são analisadas em escala diária, quinzenal ou mensal. Os modelos, principalmente o modelo RA, apresentaram baixa eficiência na simulação dos processos de interceptação em escala diária, mas eficiência satisfatória na modelagem da interceptação total em escalas quinzenal ou mensal para o período de calibração (NSE ≥ 0,76). A modelagem com coeficientes sazonais não ocasionou grandes diferenças nas respostas mensais do modelo RA, exceto em relação a significativa melhora nas estimativas de interceptação da copa, enquanto que o modelo GA apresentou desempenho em escala mensal pior com o uso dos coeficientes sazonais, com significativa melhora na estimativa dos totais de evaporação pela serrapilheira tanto na calibração quanto na validação. Os resultados mostraram que o processo de interceptação apresenta grande variabilidade temporal e espacial, e que ambos os modelos, independentemente se coeficientes gerais ou sazonais são usados, apresentaram eficiência menor para a simulação dos processos durante o verão. Os resultados sugerem que a evaporação durante a chuva deve ser maior do que as estimativas de evaporação potencial usadas no modelo RA, que ocasionou por vezes períodos de residência hidráulica mais longos na copa do que os geralmente reportados na Literatura. No geral, os modelos adaptados se mostraram válidos para a modelagem e estudo dos processos de interceptação em áreas florestais como as áreas de Cerrado s.s. Ambos os modelos resultam em estimativas satisfatórias da interceptação total em escala mensal e podem ser usados para análises interanuais, entretanto para simulações com foco nas respostas sazonais para o Cerrado s.s., o modelo RA parece ser mais apropriado.
Título em inglês
Monitoring and modeling of the interception process in a Cerrado stricto sensu area
Palavras-chave em inglês
Dew
Evaporation
Forest floor
Gash model
Rutter model
Water balance
Resumo em inglês
The rainfall interception on forests is an important part of the hydrologic cycle. However, due mainly to difficulties on carry out direct measurements, the forest floor interception has been usually disregarded on water budgets. Thus, the most applied interception models focus only on the canopy and trunks interception, leading to underestimated values of total evaporation. The main goal of this thesis was to analyze the interception processes through the quantification of the canopy, the trunks and the forest floor interception of a study area of Cerrado stricto sensu forest to improve the local water balance. For that, some meteorological variables, precipitation, throughfall, infiltration and stemflow were monitored through manual and automatic sensors between June 2017 and February 2020. Moreover, the forest floor interception and the soil evaporation were directly monitored. In addition, the monitoring of monthly forest litter production was carried out between October 2018 and September 2019 through 37 collectors arranged in 9 transects in the study area. As some increasing storage on the forest floor occurred during night time, the possibility of dew interception by the forest floor was analyzed. To better assess the processes of rainfall interception, adapted versions of the Rutter and the Gash interception models (called RA and GA models) were developed to include the forest floor interception. As monitoring results, the total throughfall, infiltration, and stemflow corresponded to 72%, 60% and <1% of total precipitation, respectively. The monthly forest litter production was on average 0.065 (±0.030) kg.m-2, with peak production between August and September, and reaching to 7.810 ton.ha-1.year-1. The dew analysis indicated that the dew intercepted by the forest floor corresponds to a small portion, comparatively just 0.4% of total precipitation and 4.3% of total forest floor interception for the period of June 2017 and May 2019. The total interception by vegetation, which means canopy and trunks interception, was 28% of total precipitation and the total forest floor interception corresponded to 12% of total precipitation or 29% of total interception of the study area. The adapted models presented good performances to simulate throughfall and infiltration, even on daily or biweekly time scale. Both models, mainly the RA model, had low efficiency to estimate each interception processes on daily basis, but presented better efficiency to model the total interception on biweekly or monthly basis during the calibration period. The modeled results with seasonal coefficients were not much different to RA model, except to the improved results obtained to canopy interception estimations. On the other hand, the GA model generally presented worst estimations and performance on monthly basis when seasonal coefficients were used, but it had significant improvement on total estimation of the forest floor interception on both calibration and validation. The results confirmed the high temporal and spatial variability of the interception process, and both adapted models had bad efficiency to model the total interception during the summer, regardless if general or seasonal coefficients were applied. The results suggest that evaporation during the rainfall events should be bigger than the potential evaporation estimations used on RA model, which leaded to hydraulic residence times of water on the canopy longer than the reported on the Literature. In general, the adapted models showed to be useful tools to analyze the interception processes, mainly the total interception process on monthly basis. These models can be used to inter-annual analysis, but the applications with focus on seasonal interception responses of Cerrado s.s., the RA model seems to be more suitable.
 
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Data de Publicação
2022-01-03
 
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