Luís Romero Barbosa

• Studies on the unsustainable use of groundwater resources are still considered incipient since it is frequently a poorly understood and managed, devalued and inadequately protected natural resource. Groundwater Recharge (GWR) is one of the most challenging elements to estimate since it can rarely be measured directly and cannot easily be derived from existing data. To overcome these limitations, many hydro(geo)logists have combined different approaches to estimate large-scale GWR, namely: remote sensing products, such as IMERG product; Water Budget Equation, also in combination with hydrological models, and; Geographic Information System (GIS), using estimation formulas. For intermediary-scale GWR estimation, there exist: Non-invasive Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS); wireless networks from local soil probes; and soil hydrological models, such as HYDRUS. Accordingly, this PhD thesis aims, on the one hand, to demonstrate a GIS-based model coupling for estimating the GWR distribution on a large scale in tropical wet basins. On theStudies on the unsustainable use of groundwater resources are still considered incipient since it is frequently a poorly understood and managed, devalued and inadequately protected natural resource. Groundwater Recharge (GWR) is one of the most challenging elements to estimate since it can rarely be measured directly and cannot easily be derived from existing data. To overcome these limitations, many hydro(geo)logists have combined different approaches to estimate large-scale GWR, namely: remote sensing products, such as IMERG product; Water Budget Equation, also in combination with hydrological models, and; Geographic Information System (GIS), using estimation formulas. For intermediary-scale GWR estimation, there exist: Non-invasive Cosmic-Ray Neutron Sensing (CRNS); wireless networks from local soil probes; and soil hydrological models, such as HYDRUS. Accordingly, this PhD thesis aims, on the one hand, to demonstrate a GIS-based model coupling for estimating the GWR distribution on a large scale in tropical wet basins. On the other hand, it aims to use the time series from CRNS and invasive soil moisture probes to inversely calibrate the soil hydraulic properties, and based on this, estimating the intermediary-scale GWR using a soil hydrological model. For such purpose, two tropical wet basins located in a complex sedimentary aquifer in the coastal Northeast region of Brazil were selected. These are the João Pessoa Case Study Area and the Guaraíra Experimental Basin. Several satellite products in the first area were used as input to the GIS-based water budget equation model for estimating the water balance components and GWR in 2016 and 2017. In addition, the point-scale measurement and CRNS data were used in the second area to determine the soil hydraulic properties, and to estimate the GWR in the 2017-2018 and 2018-2019 hydrological years. The resulting values of GWR on large- and intermediary-scale were then compared and validated by the estimates obtained by groundwater table fluctuations. The GWR rates for IMERG- and rain-gauge-based scenarios showed similar coefficients between 68% and 89%, similar mean errors between 30% and 34%, and slightly-different bias between -13% and 11%. The results of GWR rates for soil probes and CRNS soil moisture scenarios ranged from -5.87 to -61.81 cm yr-1, which corresponds to 5% and 38% of the precipitation. The calculations of the mean GWR rates on large-scale, based on remote sensing data, and on intermediary-scale, based on CRNS data, held similar results for the Podzol soil type, namely 17.87% and 17% of the precipitation. It is then concluded that the proposed methodologies allowed for estimating realistically the GWR over the study areas, which can be a ground-breaking step towards improving the water management and decision-making in the Northeast of Brazil.…
• Studien über die nicht nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen gelten nach wie vor als am Anfang, da es sich oft um eine schlecht verstandene und unkontrolliert genutzte, geringgeschätzte und unzureichend geschützte natürliche Ressource handelt. Die Grundwasserneubildung (GWR) ist eines der am schwierigsten abzuschätzenden Einflussgrößen, da sie selten direkt gemessen werden kann und nicht einfach aus vorhandenen Daten abzuleiten ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben viele Hydro(geo)logen verschiedene Ansätze kombiniert, um die GWR in großem Maßstab zu ermitteln, darunter sind: Fernerkundungsprodukte, wie das IMERG-Produkt; Wasserbilanz-Abschätzungen, auch in Kombination mit hydrologischen Modellen und; Geographische Informationssysteme (GIS) unter Nutzung von Abschätzungsformeln. Für die Ermittlung von GWR auf mittleren Flächenskalen existieren: Nicht-invasive Messung der Albedoneutronen an der Landoberfläche (CRNS); Drahtlosnetzwerke von lokalen Bodensonden, und bodenhydrologische Modelle, wie bspw. HYDRUS. InStudien über die nicht nachhaltige Nutzung von Grundwasserressourcen gelten nach wie vor als am Anfang, da es sich oft um eine schlecht verstandene und unkontrolliert genutzte, geringgeschätzte und unzureichend geschützte natürliche Ressource handelt. Die Grundwasserneubildung (GWR) ist eines der am schwierigsten abzuschätzenden Einflussgrößen, da sie selten direkt gemessen werden kann und nicht einfach aus vorhandenen Daten abzuleiten ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben viele Hydro(geo)logen verschiedene Ansätze kombiniert, um die GWR in großem Maßstab zu ermitteln, darunter sind: Fernerkundungsprodukte, wie das IMERG-Produkt; Wasserbilanz-Abschätzungen, auch in Kombination mit hydrologischen Modellen und; Geographische Informationssysteme (GIS) unter Nutzung von Abschätzungsformeln. Für die Ermittlung von GWR auf mittleren Flächenskalen existieren: Nicht-invasive Messung der Albedoneutronen an der Landoberfläche (CRNS); Drahtlosnetzwerke von lokalen Bodensonden, und bodenhydrologische Modelle, wie bspw. HYDRUS. In diesem Kontext zielt die Doktorarbeit zum einen darauf ab, eine GIS-basiert Modellkopplung zur Schätzung der GWR-Verteilung im großen Maßstab in tropisch-feuchte Einzugsgebiete aufzuzeigen. Zum anderen verwendet sie CRNS- und invasive Bodenfeuchtesonden-Zeitreihen zur inversen Kalibrierung der hydraulischen Bodeneigenschaften und darauf aufbauend zur Schätzung der GWR im mittleren Maßstab über ein bodenhydrologisches Modell. Zu diesem Zweck wurden zwei tropisch-feuchte Einzugsgebiete ausgewählt, die sich in einem komplexen Sedimentgrundwasserleiter der Küstenregion des Nordosten-Brasilien befinden. Dies sind das João Pessoa-Fallstudiengebiet und das Guaraíra-Flusseinzugsgebiet. Mehrere Satellitenprodukte wurden im ersten Gebiet als Eingangsdaten für das GIS-basierte Wasserbilanz-Modell zur Schätzung der Wasserhaushaltskomponenten und der GWR in den Jahren 2016 und 2017 verwendet. Daneben wurden im zweiten Gebiet die Punktmessungen- und CRNS-Daten verwendet, um über ein bodenhydrologisches HYDRUS-1D-Modell die hydraulischen Bodeneigenschaften zu ermitteln und die GWR in den hydrologischen Jahren 2017-2018 und 2018-2019 abzuschätzen. Die resultierenden GWR-Werte im großen und mittleren Maßstab wurden dann mit den gemessenen Schwankungen der Grundwasserstände verglichen und daran überprüft. Die GWR-Raten aus IMERG- und Niederschlagsmessern-basierten Szenarien zeigten ähnliche Korrelationen zwischen 68% und 89%, mittlere Fehler zwischen 30% und 34%, und leicht unterschiedliche Abweichungen zwischen -13% und 11%. Die berechneten GWR-Raten für Bodensonden- und CRNS-Bodenfeuchtewerte lagen im Bereich von 58,7 bis 618,1 mm im Jahr, was 5% bzw. 38% der Niederschlagsmengen entspricht. Die Berechnung der mittleren GWR-Raten auf großer Landschaftsskala, basierend auf Fernerkundungsdaten, und auf mittlerer Skala, basierend auf CRNS-Daten, ergaben für den Bodentyp Podsol ähnliche Ergebnisse, nämlich 17,87% bzw. 17% der Niederschläge. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass die vorgeschlagenen Methoden eine realistische Schätzung der GWR in den Untersuchungsgebieten ermöglichen, was ein wegweisender Schritt zur Verbesserung des Wassermanagements und Nutzungsentscheidungen im Nordosten Brasiliens sein kann.…
• Estudos sobre o uso insustentável dos recursos hídricos subterrâneos ainda são considerados incipientes, por se tratar de um recurso natural pouco compreendido e gerenciado, desvalorizado e mal protegido. A Recarga de Água Subterrânea (GWR) é um dos elementos mais desafiadores para estimar, pois raramente pode ser medido diretamente e não pode ser facilmente derivado dos dados existentes. Para superar essas limitações, muitos hidro(geo)logistas têm combinado diferentes abordagens para estimar a GWR em larga escala, a saber: produtos de sensoriamento remoto, como o produto IMERG; Equação do Balanço Hídrico, também em combinação com modelos hidrológicos no solo, e; Sistema de Informação Geográfica (GIS), com o uso de fórmulas de estimativa. Para as estimativas de GWR em escala intermediária, existem: Detecção Não-invasiva de Nêutrons de Raios Cósmicos (CRNS); redes sem fio a partir de sondas locais inseridos no solo; e modelos hidrológicos, como o HYDRUS. Neste contexto, a tese de doutorado visa, por um lado, demonstrar um acoplamentoEstudos sobre o uso insustentável dos recursos hídricos subterrâneos ainda são considerados incipientes, por se tratar de um recurso natural pouco compreendido e gerenciado, desvalorizado e mal protegido. A Recarga de Água Subterrânea (GWR) é um dos elementos mais desafiadores para estimar, pois raramente pode ser medido diretamente e não pode ser facilmente derivado dos dados existentes. Para superar essas limitações, muitos hidro(geo)logistas têm combinado diferentes abordagens para estimar a GWR em larga escala, a saber: produtos de sensoriamento remoto, como o produto IMERG; Equação do Balanço Hídrico, também em combinação com modelos hidrológicos no solo, e; Sistema de Informação Geográfica (GIS), com o uso de fórmulas de estimativa. Para as estimativas de GWR em escala intermediária, existem: Detecção Não-invasiva de Nêutrons de Raios Cósmicos (CRNS); redes sem fio a partir de sondas locais inseridos no solo; e modelos hidrológicos, como o HYDRUS. Neste contexto, a tese de doutorado visa, por um lado, demonstrar um acoplamento de modelo baseado em GIS para estimar a distribuição da GWR em larga escala em bacias tropicais úmidas. Por outro lado, visa utilizar as séries temporais de CRNS e de umidade do solo de sondas invasivas para calibrar inversamente as propriedades hidráulicas do solo, e com base nisso, estimar a GWR em escala intermediária usando um modelo hidrológico do solo. Para tanto, foram selecionadas duas bacias hidrográficas úmidas tropicais, localizadas em um aquífero sedimentar complexo na região costeira do Nordeste do Brasil. Estas são a Área de Estudo de Caso de João Pessoa e a Bacia Experimental do Guaraíra. Vários produtos de satélite foram usados na primeira área como entrada no modelo de balanço hídrico baseado em GIS para estimar os componentes do balanço hídrico e a GWR em 2016 e 2017. Além disso, as medições em escala pontual e os dados de CRNS foram usados na segunda área para determinar as propriedades hidráulicas do solo, e estimar GWR nos anos hidrológicos 2017-2018 e 2018-2019. Os valores resultantes de GWR em escala larga e intermediária foram então comparadas e validadas pelas estimativas obtidas pelas flutuações do lençol freático. As taxas de GWR para os cenários baseados no IMERG e em medidores de precipitação mostraram correlações semelhantes entre 68% e 89, erros médios semelhantes entre 30% e 34%, e viés ligeiramente diferentes entre -13% e 11%. Os resultados das taxas de GWR para os cenários de umidade do solo para sensores inseridos no solo e CRNS variaram de -5,87 a -61,81 cm ano-1, o que corresponde a 5% e 38% da precipitação. Os cálculos das taxas médias de GWR em grande escala, com base em dados de sensoriamento remoto, e em média escala, com base em dados de CRNS, apresentaram resultados semelhantes para o tipo de solo Espodossolo, a saber 17,87% e 17% da precipitação. Conclui-se então que as metodologias propostas permitiram estimar realisticamente a GWR nas áreas de estudo, o que pode ser um passo inovador no tocante ao aprimoramento do gerenciamento e tomada de decisão da água no Nordeste do Brasil.…