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The determination of the hydraulic and hydrodispersive properties of soil is necessary for the understanding of water dynamics and soil solute transport, and they are used as input data in several models. Determinations of soil hydraulic and hydrodispersive parameters are usually obtained by separate methodologies. Axisymmetric infiltration tests using a single ring infiltrometer with a conservative tracer (KBr) in the field (Beerkan-Solute) lead to the determination of the most realistic hydraulic and hydrodispersive properties of the study area. The objective of this work was the hydrodynamic and hydrodispersive characterization of an irrigated soil, classified as Fluvic Cambisol, from the lowland areas of the northeastern semi-arid region, located in the backwoods of the state of Pernambuco, in the municipality of Serra Talhada-PE. The hydrodispersive parameters were determined with the CXTFIT 2.0 program, using the CDE and MIM models. The studied soil presented hydrodynamic characteristics with high values of sorptivity (S) that were associated with high values of saturated hydraulic conductivity (Ks), indicating that the soil has good permeability and resistance to surface crumbling caused by rain drops or soil management. It was observed the predominance of the convective process, being the CDE model the one that presented the best performance in the transport of the KBr tracer under field conditions, indicating the absence of two water regions mobile and immobile in the studied soil. RESUMO A determinação das propriedades hidráulicas e hidrodispersivas do solo é necessária para o entendimento da dinâmica da água e do transporte de solutos no solo, sendo utilizadas como dado de entrada em diversos modelos. As determinações dos parâmetros hidráulicos e hidrodispersivos do solo são normalmente obtidas por metodologias separadas. A realização de ensaios de infiltração axissimétrica utilizando um infiltrômetro de anel simples com um traçador conservativo (KBr) em campo (Beerkan-Soluto) conduz a determinações das propriedades hidráulicas e hidrodispersivas mais realistas da área em estudo. Este trabalho teve como objetivo a caracterização hidrodinâmica e hidrodispersiva de um solo irrigado, classificado como Cambissolo Flúvico, em áreas de baixios da região do Semiárido nordestino, situado na microrregião do Sertão Pernambucano, no município de Serra Talhada-PE. As determinações dos parâmetros hidrodispersivos foram realizadas com o programa CXTFIT 2.0, com uso dos modelos CDE e MIM. O solo estudado apresentou característica hidrodinâmica retratada em altos valores de sorvidade (S) associados a altos valores de condutividade hidráulica saturada (Ks), indicando que o solo apresenta boa permeabilidade e resistência ao encrostamento superficial, provocado por gotas de chuva ou manejo do solo. Observou-se o predomínio do processo convectivo, sendo o modelo CDE o que apresentou melhor desempenho no transporte do traçador KBr em condições de campo, indicando a ausência de duas regiões água móvel e imóvel no solo estudado.

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 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. ZUSAMMENFASSUNG 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. 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. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD) Deutsche Forschungsgemeinschaf (DFG) Financiadora de Estudos e Projetos - Finep Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado da Paraíba - FAPESQ 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 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.

A determinação da condutividade hidráulica de um Podzólico Amarelo foi obtida a partir de experimento montado em uma parcela de 3,5 m x 3,5 m, localizada na Estação Experimental da Empresa Pernambucana de Pesquisa Agropecuária (IPA), de Itapirema, Goiana, PE. Foi utilizado o método de drenagem interna para calcular a condutividade hidráulica (K(q)) como função da umidade do solo, nos três horizontes característicos do solo. Os perfis de umidade e de potencial matricial, em função do tempo, obtidos no experimento de drenagem interna mostram claramente a existência de um joelho que marca a transição entre as fases de drenagem rápida e lenta. Várias funções do tipo potência, soma de duas e três exponenciais, foram usadas para modelar essa transição entre a fase rápida e a fase lenta de drenagem. O horizonte A, arenoso, com poros maiores, é um horizonte de elevada condutividade hidráulica, enquanto o horizonte BA, de estrutura maciça com poros pouco visíveis, é um horizonte de impedimento para a infiltração. A dinâmica hídrica do horizonte Bt é mais complexa em virtude de sua heterogeneidade. A caracterização dos horizontes A e BA pode trazer subsídios significativos para a elaboração de modelos de simulação numérica dos processos de transferência de água nos horizontes superficiais, que são os mais condicionantes para a exploração agrícola e a conservação dos solos. The determination of the hydraulic conductivity of a Yellow Podzolic soil was carried out during an experiment in a plot measuring 3.5 m x 3.5 m, at the Estação Experimental de Itapirema, Goiana, in the State of Pernambuco, Brazil. The internal drainage method was used to obtain the hydraulic conductivity (K(q)) as a function of soil water content, in the three main horizons of the soil. In relation to the methodological aspects, processing of data from internal drainage experiments, including the initial phase of fast drainage, the adjustment of the required parameters, it is necessary to use functions that reproduce the distinct transition between the fast and slow phases of drainage. From all five tested functions, those of power, sum of two exponentials and sum of three exponentials, especially this last one, adjusted well to this distinct transition. Three main horizons of the Yellow Podzolic soil were investigated for hydraulic conductivity. The sandy A horizon, with large pores, has a high conductivity while the BA horizon, with massive structure and few visible pores, has a low infiltration rate. The hydraulic dynamics of the Bt horizon is more complex due to its heterogeneity. The precise characterization of the A and BA horizons, which are the most important to agriculture and soil conservation, makes it possible to elaborate numeric simulation models of the water transference process in the surface horizons of this type of soil.

Técnicas que envolvem a utilização da instrumentação agronômica com vistas em determinar o conteúdo de água no solo são de grande importância para a pesquisa científica. Independentemente da técnica utilizada, é importante que, na determinação da função K(teta), por exemplo, a umidade volumétrica seja determinada de forma precisa e, de preferência, que haja facilidade na sua obtenção. Com o objetivo de comparar a performance da sonda de nêutrons e do TDR com o tensiômetro, buscando verificar a sensibilidade destes equipamentos na obtenção da umidade do solo e da função condutividade hidráulica K(teta), a partir dos dados da curva de retenção de água no solo, foi instalado um experimento no município de Piracicaba (SP), em um Nitossolo Vermelho distrófico latossólico. Para tanto, foram instalados numa área de 7,07 m², 30 tensiômetros, três tubos de acesso para sonda de nêutrons e 15 sensores de TDR. Foi utilizado o procedimento do perfil instantâneo, analisando as profundidades de 0,70 e 1,00 m e considerando, no presente estudo, o tensiômetro como equipamento-padrão. Os resultados de umidade e de condutividade hidráulica não saturada obtidos na profundidade de 0,70 m mostraram que o TDR apresentou um comportamento mais próximo ao obtido pelo tensiômetro, quando comparado à sonda de nêutrons e, na profundidade de 1,00 m, a sonda de nêutrons mostrou-se mais eficiente na determinação da umidade e da condutividade hidráulica não saturada.

Técnicas que envolvem a utilização da instrumentação agronômica com vistas em determinar o conteúdo de água no solo são de grande importância para a pesquisa científica. Independentemente da técnica utilizada, é importante que, na determinação da função K(teta), por exemplo, a umidade volumétrica seja determinada de forma precisa e, de preferência, que haja facilidade na sua obtenção. Com o objetivo de comparar a performance da sonda de nêutrons e do TDR com o tensiômetro, buscando verificar a sensibilidade destes equipamentos na obtenção da umidade do solo e da função condutividade hidráulica K(teta), a partir dos dados da curva de retenção de água no solo, foi instalado um experimento no município de Piracicaba (SP), em um Nitossolo Vermelho distrófico latossólico. Para tanto, foram instalados numa área de 7,07 m², 30 tensiômetros, três tubos de acesso para sonda de nêutrons e 15 sensores de TDR. Foi utilizado o procedimento do perfil instantâneo, analisando as profundidades de 0,70 e 1,00 m e considerando, no presente estudo, o tensiômetro como equipamento-padrão. Os resultados de umidade e de condutividade hidráulica não saturada obtidos na profundidade de 0,70 m mostraram que o TDR apresentou um comportamento mais próximo ao obtido pelo tensiômetro, quando comparado à sonda de nêutrons e, na profundidade de 1,00 m, a sonda de nêutrons mostrou-se mais eficiente na determinação da umidade e da condutividade hidráulica não saturada. The evaluation of agronomic instrumentation to determine soil water content is very important for scientific research. Regardless of the technique in use, it is important that the soil water content is determined easily and quickly for the determination of the function K(theta), e.g. With the objective of comparing the performance of the equipments neutron probe and TDR with a tensiometer at determining variations in the soil water content and the values of soil hydraulic conductivity obtained from the soil water retention curve, an experiment was installed on an Udox (Oxisol) in Piracicaba, state of São Paulo, Brazil. Thirty tensiometers, three access tubes for neutron probes and 15 TDR sensors were installed in a 7.07 m² area for this purpose. The instantaneous profile procedure was used, analyzing depths of 0.70 and 1.00 m, considering the tensiometer as standard equipment. The obtained data showed that the TDR presented the most similar data performance to the one obtained by the tensiometer at a depth of 0.70 m, while the neutron probe proved to be more efficient to determinate the soil water content and unsaturated hydraulic conductivity at a depth of 1.00 m.