SPATIAL AND TEMPORAL ANALYSIS OF DROUGHT EVENTS IN UPPER PARANÁ RIVER HYDROGRAPHIC REGION (BRAZIL) FROM 1990 TO 2020

Abstract

The Paraná River Hydrographic Region is of great socioeconomic relevance for Brazil. Therefore, due to the history of droughts in the region, the aims of the current study were to assess rainfall spatial and temporal variability, as well as to analyze drought features based on using the Normalized Percentage Index (NPI) to contribute to water management processes in Upper Paraná River (UPR). The study area encompasses 14
Planning and Management Units, distributed in Goiás, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais and São Paulo states. Climate data were obtained from the National Hydrometeorological Network database. A geostatistical analysis of rainfall was carried out, based on the annual series of 408 stations, and subsequently the calculation of NPI for classifying the droughts severity. All periods analyzed (1990-2020) showed spatial dependence (moderate to high), allowing the elaboration of droughts maps. The dry and rainy periods and areas did not indicate direct influence of El Niño-Southern Oscillation (ENSO). Mato Grosso do Sul and São Paulo units were the main contributors to the identified droughts. The data showed that 2010-2020 was the driest decade of the period, with a greater contribution from the 2019/2020 period, where droughts exceeded 60% of the area for two consecutive years, an event never identified in the last 3 decades. The NPI curves referring to “initial drought” and “mild” allowed verifying years of water crisis when their summed percentages reached at least 50% of the region. The methodology used is versatile, allowing its use in any
watershed.

Keywords: Rains. Water management. NPI. Kriging.

Author Biographies

Eduarda Noriko Tokuda, São Paulo State University Júlio de Mesquita Filho, São Paulo (SP), Brazil

Master in Civil Engineering from Universidade Estadual Paulista (UNESP/FEIS) in the area of Water Resources and Environmental Technologies (Scholarship funded by the Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel - CAPES). He worked as a Teaching Fellow (Disciplines: Building installations: hydraulic, sanitary and gas; and Water supply and sewage collection systems), and teaching internship (Discipline: Hydrology) at UNESP/FEIS. Taught the subjects: Hydrology and Hydraulics in the extension course at the Fernandópolis Educational Foundation (FEF). Specialist in Structures from UNIFEV (2019). He has experience in the area of Civil Engineering, with an emphasis on Hydrology, working mainly on the topics: urban hydrology, climate change, statistical hydrology, experimental statistics, geostatistics and river basin management. She is currently co-owner of BIM Construtora & Incorporadora, leading the preparation and coordination of studies and projects.

César Gustavo da Rocha Lima, São Paulo State University Júlio de Mesquita Filho, São Paulo (SP), Brazil

PhD in Agronomy from the Faculty of Engineering of Ilha Solteira (FEIS/UNESP). He completed a Post-Doctorate in Geography (UFMS) in the Area of Geoenvironmental Analysis (Environmental Dynamics and Planning). He was Environmental Director of the Municipality of Pereira Barreto-SP between 2010-2013 where he developed actions of the Município Verde-Azul Strategic Program (SEMA-SP). Since 2014, he has worked as an Assistant Professor in the Area of Geotechnics at the Department of Civil Engineering of the Faculty of Engineering of Ilha Solteira (FEIS-UNESP) and works in the Postgraduate Program in Civil Engineering (PPGEC - Water Resources and Environmental Technologies) and in the Professional Master's Degree in Water Resources Management and Regulation (ProfÁgua/ANA) where he works with the application of Geotechnologies in Environmental Analysis. It is also part of the UNESP Thematic Water Extension Network. He has experience in Soil Science with an emphasis on Soil Physics / Soil Mechanics, Soil and Water Management / Conservation, Environment, Watersheds, Geoprocessing, Remote Sensing and Geostatistical Analysis.

Jefferson Nascimento de Oliveira, São Paulo State University Júlio de Mesquita Filho, São Paulo (SP), Brazil

PhD in Hydraulic Engineering and Sanitation from the University of São Paulo (2002), having completed a sandwich doctorate at Stanford University (2000). Full professor at UNESP, Ilha Solteira Campus (2019). He was coordinator of the Postgraduate Program in Civil Engineering at Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira campus from 2013 to 2017. He has experience in the area of Sanitary Engineering, with an emphasis on Water Resources, working mainly on the following topics: water underground, water resources management, urban drainage. He was president of the Technical Chamber of Science and Technology-CTCT, of the National Water Resources Council-CNRH, for three consecutive terms. He was a representative of UNESP on the Technical Committee of Public Universities (state and federal) in the State of São Paulo, from February 2015 to 2016. Advisor to the National Water Resources Council - CNRH, representing Educational Institutions, together with Technical Educational Organizations and Research - OTEP, where he represents UNESP, elected for the 2015-2018, 2018-2021, 2019 to 2023 terms and is currently President of the CNRH Ethics Committee. He has coordinated the Technical Chamber of Education, Information, Science and Technology of the CNRH since 2019. Since 2016, he has been the General Coordinator of the Postgraduate Program - Professional Master's Degree in the National Network in Management and Regulation of Water Resources - ProfÁgua, stricto sensu program, noto 4 at CAPES, a program that brings together 14 Public Universities, distributed across the 5 regions of Brazil, having graduated more than 520 masters throughout the national territory. He has held the Presidency of the São José dos Dourados-SP River Basin Committee since January 2023.

References

ABOU RAFEE, S.A.; UVO, C.B.; MARTINS, J.A.; DOMINGUES, L.M.; RUDKE, A.P.; FUJITA, T.; FREITAS, E.D. Large-Scale Hydrological Modelling of the Upper Paraná River Basin. Water, v. 11, 882. 2019. 1-20 p. DOI: https://doi.org/10.3390/w11050882

ALMEIDA, A. T. Impactos do fenômeno El Niño Oscilação Sul na variabilidade climática e seus efeitos na produtividade da cultura da cana-de-açúcar em diferentes regiões brasileiras. 2014. 101 f. Dissertação (Mestrado em Ciências – Engenharia de Sistemas Agrícolas) – Universidade de São Paulo, Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Piracicaba, 2014.

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS E SANEAMENTO BÁSICO - ANA. Catálogos de Metadados. Unidade Hidrográfica, Região Hidrográfica, Gestão, Comitê de Bacia, 2014. GEOFT_UNIDADE_HIDRO_ESTADUAL. Disponível em: https://metadados.snirh.gov.br/geonetwork/srv/por/catalog.search#/home. Acesso em: 10 fev. 2022.

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS E SANEAMENTO BÁSICO - ANA. Conjuntura dos recursos hídricos no Brasil: regiões hidrográficas brasileiras – Edição Especial. Brasília: ANA, 163 p, 2015.

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS E SANEAMENTO BÁSICO – ANA. Conjuntura dos recursos hídricos no Brasil 2019: informe anual. Brasília: ANA, 100 p, 2019.

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS E SANEAMENTO BÁSICO – ANA. Resolução n° 77, de 1 de junho de 2021, da gência Nacional de Águas e Saneamento Básico – ANA, “Declara situação crítica de escassez quantitativa dos recursos hídricos na Região Hidrográfica do Paraná”, Diário Oficial da União em 01/06/2021, Brasília, DF. 2021.

ARYAL, Y. N.; VILLARINI, G.; ZHANG, W.; VECCHI, G. A. Long term changes in flooding and heavy rainfall associated with North Atlantic tropical cyclones: Roles of the North Atlantic Oscillation and El Niño-Southern Oscillation. Journal of Hydrology, Amsterdam, v. 559, p. 698-710. 2018. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.02.072. Acesso em: 10 fev. 2022.

AZEVEDO, A. L. La Niña e desequilíbrio na Amazônia dificultam saída da crise hídrica. O Globo. São Paulo, 2021. isponível em: https://infoglobo.pressreader.com/o-globo. Acesso em: 10 fev. 2022.

BASSO, R. E. Estimativa de chuvas intensas em locais sem dados no Rio Grande do Sul. 2019. 190 f. Tese Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) - Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Santa Maria, 2019.

BERNDT, C.; HABERLANDT, U. Spatial interpolation of climate variables in Northern Germany - Influence of temporal resolution and network density. Journal of Hydrology, v.15, 184-202 p. 2018. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2018.02.002.


BHATTI, A. M.; KOIKE, T.; SHRESTHA, M. Climate change impact assessment on mountain snow hydrology by water and energy budget-based distributed hydrological model. Journal of Hydrology, v.543, B, p. 523-541, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.10.025


BRAGA, H. A.; MOLION, L. C. B. A seca de 2013/2014 na região Sudeste do Brasil. Anuário do Instituto de Geociências. v. 41, n. 1. 2018. DOI: https://doi.org/10.11137/2018_1_100_107.


BRITO, S. S. B. et al. Frequency, duration and severity of drought in the Semiarid Northeast Brazil region. International Journal of Climatology, v.38, n.2, p. 517- 529, 2018.
CAMARA, G.; SOUZA, R. C. M.; FREITAS, U. M.; GARRIDO, J. SPRING: Integrating remote sensing and GIS by object-oriented data modelling. Computers & Graphics, v. 20, n. 3, p. 395-403, 1996.


CARAM, R. O. Reconstrução de séries e análise geoestatística da precipitação no estado de Minas Gerais. 2007. 107 f. Dissertação (Mestrado em Meteorologia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, 2007.


CARDOSO, M. R. D.; MARCUZZO, F. F. N.; BARROS, J. R. Classificação climática de Köppen-Geiger para o estado de Goiás e o Distrito Federal. Acta Geográfica, v. 8, n. 16, 2014, 40-55 p. DOI: https://doi.org/10.18227/2177-4307.acta.v8i16.1384


CARVALHO, J. R. P.; ASSAD, E. D.; PINTO, H. S. Interpoladores geoestatísticos na análise da distribuição espacial da precipitação anual e de sua relação com altitude. Pesquisa Agropecuária Brasileira, Brasília, DF, v. 47, n. 9. 2012. DOI: https://doi.org/10.1590/S0100-204X2012000900008.


COELHO, C. A. S.; CARDOSO, D. H. F.; FIRPO, M. A. F. A seca de 2013 a 2015 na região sudeste do Brasil. Revista Climanálise. 2016.


DAI, A. Drought under global warming: a review. WIREs Clim Change, 2011, v. 2, p. 45-65, 2011. DOI: https://doi.org/10.1002/wcc.81


DUTTA, R.; MAITY, R. Time-varying network-based approach for capturing hydrological extremes under climate change with application on drought. Journal of Hydrology, v. 603, part B, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126958.


FERNANDES, D. S.; HEINEMANN, A. B.; PAZ, R. L.; AMORIM, A. O.;CARDOSO, A. S. Índices para a quantificação da seca. Santo Antônio de Goiás: Embrapa Arroz e Feijão, 48 p, 2009.


GOIS, G. Caracterização da seca e seus efeitos na produção da cultura do milho para as diferentes regiões do estado de Minas Gerais. 2005. 81 f. Dissertação (Mestrado em Meteorologia Agrícola) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, 2005.


HAYES, M. J. 2006. Drought Indices. Van Nostrand’s Scientific Encyclopedia. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. .


HU, Q.; LI, Z.; WANG, L.; HUANG, Y.; WANG, Y.; LI, L. Rainfall Spatial Estimations: A Review from Spatial Interpolation to Multi-Source Data Merging. Water, London, v. 11, n. 579, p. 1-30, 2019. DOI: doi:10.3390/w11030579.


JARDIM, C. H. A crise hídrica no sudeste do Brasil: aspectos climáticos e repercussões ambientais. Revista Tamoios, São Gonçalo, v. 11, n. 2, 67-83 p. 2015. DOI: 10.12957/tamoios.2015.16517.


JOURNEL, A. G.; HUIJBREGTS, C. J. Mining Geostatistics. New York: Academic Press. 1993.


KRIGE, D. G. A statistical approach to some basic mine evaluation problems on the Witwatersrand. Journal South African. Institute. Minning Metttal, n. 52, p. 119-139, 1951.


KUMAR, P.; LIU, W.; CHU, X.; ZHANG, Y.; LI, ZHIHUI. Integrated water resources management for an inland river basin in China. Watershed Ecology and the Environment, B
eijing, v. 1, 2019, p. 33-38, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wsee.2019.10.002.
LIMA, R. P. C. Avaliação de Índices de severidade de seca na bacia do rio Doce visando ao desenvolvimento de sistema de classificação de secas. 2016. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) – Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2016.


LIMA, C.G.R.; LOLLO, J. A.; BACANI, V. M.; COSTA, N. R. Variabilidade espaço-temporal das águas subterrâneas do aquífero Bauru impróprias para o consumo humano: concentrações de Bário, Crômio Total e Vanádio. Pesquisa em Geociências, v. 47, n. 2, 2020. DOI: doi.org/10.22456/1807-9806.108582


MALFATTI, M. G. L.; CARDOSO, A. O.; HAMBURGER, D. S. Identificação de regiões pluviométricas homogêneas na Bacia do Rio Paraná. Geociências, v. 37, n. 2, 409-421 p. São Paulo, 2018.


MALLAKPOUR, I.; AGHAKOUCHAK, A.; SADEGH, M. (2019). Climate-induced changes in the risk of hydrological failure of major dams in California. Geophysical Research Letters, v. 46, 2130-2139. DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL081888


MALLAKPOUR, I.; SADEGH, M.; AGHAKOUCHAK, A. (2018). A new normal for streamflow in California in a warming climate: Wetter wet seasons and drier dry seasons. Journal of Hydrology, 567, 203-211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.10.023


MARCUZZO, F. F. N.; ROMERO, V. Influência do El Niño e La Niña na precipitação máxima diária do estado de Goiás. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 28, n. 4, p. 429-440, 2013. DOI: https://doi.org/10.1590/S0102-77862013000400009.


MARENGO, J. A.; ALVES, L. M.; SOARES W. R.; RODRIGUEZ, D. A.; CAMARGO, H.; RIVEROS, M. P.; PABLÓ, A. D. Two contrasting severe seasonal extremes in tropical South America in 2012: flood in Amazonia and drought in northeast Brazil. Journal of Climate, v. 26, p. 9137-9154, 2013. DOI: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00642.1


MARENGO, J. A.; NOBRE, C. A.; SELUCHI, M. E.; CUARTAS, A.; ALVES, L. M.; MENDIONDO, E. M.; OBREGÓN, G.; SAMPAIO, G. A SECA E A CRISE HÍDRICA DE 2014-2015 EM SÃO PAULO. REDE CLIMA. INCT. MUDANÇAS CLIMÁTICAS. 2015. DOI: https://doi.org/10.11606/issn.2316-9036.v0i106p31-44


MARENGO, J. A.; ALVES, L. M. Crise hídrica em São Paulo em 2014: seca e desmatamento. Geousp - Espaço e Tempo, v. 19, n. 3, p. 485-494, 2016.


MATHERON, G. Traité de Géostatistique Appliquée - Tome I. Paris, Editions Technip. 333 p. 1962.


MEDEIROS, E. S.; LIMA, R. R.; OLINDA, R. A.; SANTOS, C. A. C. Modeling spatiotemporal rainfall variability in Paraíba, Brazil. Water, Switzerland, v. 11, P. 1843. 2019. DOI: https://doi.org/10.3390/w11091843


MELO, D. C. D. Propagação de secas na bacia do rio Paraná: do evento climático ao impacto hidrológico. 2017. 182 f. Tese (Doutorado em Engenharia Hidráulica e Saneamento) - Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos, 2017.


MENDONÇA, F.; DANNI-OLIVEIRA, I. M. Climatologia: noções básicas e climas do Brasil. Oficina de Textos, São Paulo, 2007.


MINUZZI, R. B. et al. Influência do fenômeno climático El Niño no período chuvoso da região Sudeste do Brasil. Geografia, [s. l.], v. 15, n. 2, jul./dez. 2006. 5-19 p.

MUTHUSAMY, M.; SCHELLART, A.; TAIT, S.; HEUVELINK, G. B. M. Geostatistical upscaling of rain gauge data to support uncertainty analysis of lumped urban hydrological models. Hydrology and Earth System Sciences, v. 21, p. 1077-1091, 2017. DOI: https://doi.org/10.5194/hess-21-1077-2017


ORGANIZAÇÃO METEOROLÓGICA MUNDIAL - OMM. Methods of observation. In: Guide to Hydrological Practices: hydrology from measurement to hydrological information. 6. ed. Geneva, Switzerland, 2008. v. 1, cap. 2, p. 24-27. (WMO - n. 168). Disponível em: http://www.whycos.org/chy/guide/168_Vol_I_en.pdf. Acesso em: 10 fev. 2022.


PEDREIRA JUNIOR, A. L.; QUERINO, C. A. S.; BIUDES, M. S.; MACHADO, N. G.; SANTOS, L. O. F.; IVO, I. O. Influence of El Niño and La Niña phenomena on seasonality of the relative frequency of rainfall in southern Amazonas mesoregion. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 25, e. 24, p. 1-8, 2020. DOI: https://doi.org/10.1590/2318-0331.252020190152


PIMENTEL-GOMES, F.; GARCIA, C.H. Estatística aplicada a experimentos agronômicos e florestais: exposição com exemplos e orientações para uso de aplicativos. Piracicaba: Fealq, 2002. 309 p.


PRUSKI, F. F.; NUNES, A. A.; REGO, F. S.; SOUZA, M. F. Extrapolação de equações de regionalização de vazões mínimas: Alternativas para atenuar os riscos. Water Sources and Irrigation Management, v. 1, n. 1, p. 51-59, 2012.


QGIS. Equipe de Desenvolvimento, 2021. Sistema de Informação Geográfica QGIS. Fundação Geoespacial de Código Aberto. http://qgis.org.


RICARDI, A. M.; LIMA, C. G. R. Variabilidade espacial e temporal da erosividade das chuvas (EI30) no estado de São Paulo, Brasil. Geociências, v. 40, n. 4, p. 965 - 985, 2021. DOI: https://doi.org/10.5016/geociencias.v40i04.15492


ROBERTSON, G. P. GS+: geostatistics for environmental sciences. 7.ed. Michigan: Gamma Desing Software, 2004. 159 p.


ROCHA, P. C.; SANTOS, A. A. Hydrological analysis in water basins. Mercator, v. 17, e17025, 2018. 1-18 p. DOI: https://doi.org/10.4215/rm2018.e17025.


SALEHNIA, N.; ALIZADEH, A.; SANAEINEJAD, H; BANNAYAN, M.; ZARRIN, A.; HOOGENBOOM, G. Estimation of meteorological drought indices based on AgMERRA precipitation data and station-observed precipitation data. Journal of Arid Land, v. 9, n. 6, p. 797-809, 2017. DOI: https://doi.org/10.1007/s40333-017-0070-y.

SISTEMA NACIONAL DE INFORMAÇÕES SOBRE RECURSOS HÍDRICOS - SNIRH. Hidroweb. v. 3.2.6. Sistema de informações hidrológicas. Disponível em: https://www.snirh.gov.br/hidroweb/serieshistoricas. Acesso em: dez. 2021.


TEIXEIRA, C. F. A.; DAMÉ, R. C. F.; BACELAR, L. C. S.; SILVA, G. M.; COUTO, R. S. Intensidade da seca utilizando índices de precipitação. Ambiente & Água, v. 8, n. 3, p. 203-213, 2013. DOI: doi:10.4136/1980-993X.


THOMAS, J.; PRASANNAKUMAR, V. Temporal analysis of rainfall (1871-2012) and drought characteristics over a tropical monsoon-dominated State (Kerala) of India. Journal of Hydrology, v. 534, 2016, p. 266-280 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.01.013.


WILLEKE, G.; HOSKING, J. R. M.; WALLIS, J. R. The national drought atlas. In: Institute for Water Resources Report 94-NDS-4. U.S Army Corp of Engineers. Norfolk, VA. 1994.


WOLFF, W.; DUARTE, S.N.; MINGOTI, R. Nova metodologia de regionalização de vazões, estudo de caso para o Estado de São Paulo. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre, v. 19, n. 4, p.21-33, 2014.


YAMAMOTO, J. K.; LANDIM, P. M. B. Geoestatística: conceitos e aplicações. São Paulo: Oficina de Textos, 2013. 215 p.


ZAVATTINI, J. A. As chuvas e as massas de ar no estado de Mato Grosso do Sul: estudos geográficos com vista à regionalização climática. São Paulo: Cultura Acadêmica, 2009.


ZIMBACK, C. R. L. Análise espacial de atributos químicos de solos para fins de mapeamento da fertilidade do solo. 2001. 114f. Tese (Livre-Docência) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista, Botucatu, 2001.
Published
12/01/2024
How to Cite
TOKUDA, Eduarda Noriko; LIMA, César Gustavo da Rocha; OLIVEIRA, Jefferson Nascimento de. SPATIAL AND TEMPORAL ANALYSIS OF DROUGHT EVENTS IN UPPER PARANÁ RIVER HYDROGRAPHIC REGION (BRAZIL) FROM 1990 TO 2020. Mercator, Fortaleza, v. 23, jan. 2024. ISSN 1984-2201. Available at: <http://www.mercator.ufc.br/mercator/article/view/e23001>. Date accessed: 21 apr. 2024. doi: https://doi.org/10.4215/rm2024.e23001.
Section
ARTICLES