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Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA E
AMBIENTAL
APLICAÇÃO DO MODELO SWAT NA BACIA DO RIO
NEGRINHO – SC
Simone Malutta
FLORIANÓPOLIS (SC)
MARÇO/2010
1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA E
AMBIENTAL
APLICAÇÃO DO MODELO SWAT NA BACIA DO RIO
NEGRINHO – SC
Simone Malutta
Trabalho apresentado à Universidade
Federal de Santa Catarina para Conclusão
do Curso de Graduação em Engenharia
Sanitária e Ambiental
Orientador
Prof. Dr. Masato Kobiyama
Co-orientadora:
Prof. Dra. Cláudia Weber Corseuil
FLORIANÓPOLIS, (SC)
MARÇO/2010
2
3
RESUMO
O município de Rio Negrinho vem sofrendo com mudanças na
quantidade e qualidade da água devido a substituição da Floresta
Ombrófila Mista por reflorestamento de pinus, e por uma acelerada
urbanização. O presente estudo teve como objetivo analisar
espacialmente os processos hidrossedimentológica na bacia do Rio
Negrinho – SC através do modelo SWAT. Foram inseridos no modelo o
modelo numérico do terreno, mapa de uso e cobertura vegetal e mapa de
classificação dos solos, além de uma série de dados meteorológicos e de
parâmetros de solos. O modelo dividiu a bacia em 31 sub-bacias. Os
dados simulados foram calibrados com dados observados diários de
vazão (de maio a novembro de 2008). O desempenho do modelo foi
analisado a partir do NASH. A modelagem hidrossedimentológica
mostrou que os meses que apresentaram maior precipitação, escoamento
total e produção de sedimento foram os meses de outubro e novembro.
O mês de julho foi o mês mais seco, e com produção de sedimento
praticamente zero.
PALAVRAS CHAVES: processos hidrossedimentológicos, modelagem,
SWAT
4
ABSTRACT
Rio Negrinho city - SC has suffered from changes of the quantity and
quality of water due to the replacement of native forest with pine
reforestation and the accelerated urbanization. The objective of the
present study was, therefore, to spatially analyze hydrosedimentological
processes in the Rio Negrinho basin with the SWAT model. Were
entered into the model the numerical model of terrain, map use and land
cover map and soil classification, and a series of meteorological and soil
parameters. The model divided the basin into 31 sub-basins. The
simulated data were calibrated with data observed daily flow (from May
to November 2008). Model performance was analyzed from NASH. The
modeling showed that the hydrosedimentological months had higher
rainfall, runoff and sediment yield were the months of October and
November. The month of July was the driest month, and sediment yield
virtually zero.
KEY WORDS: hydrosedimentological processes, modeling, SWAT
5
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Bacia Hidrográfica do Rio Negrinho....................................21
Figura 2 – Ciclo Hidrológico..................................................................30
Figura 3 – Fluxograma...........................................................................31
Figura 4 – Modelo digital do terreno da BHRN.....................................43
Figura 5 – Mapa de uso e cobertura vegetal da BHRN..........................44
Figura 6 – Mapa de solos da BHRN (Fonte: EMBRAPA 2004)...........46
Figura 7 – Delimitação das sub-bacias na BHRN..................................47
Figura 8 – Dados medidos de vazão no período de maio a novembro de
2008........................................................................................................52
Figura 9 – Comparação entre dados observados e simulados de vazão no
cenário 1 (maio a novembro de 2008)....................................................52
Figura 10 - Comparação entre dados observados e simulados de vazão
no cenário 2 (maio a novembro de 2008)...............................................53
Figura 11 - Comparação entre dados observados e calibrados
manualmente de vazão no cenário 1 (maio a novembro de 2008).........55
manualmente de vazão no cenário 2 (maio a novembro de 2008).........55
Figura 13 – Distribuição espacial de maio de 2008 – Caso 1:Escoamento
total.........................................................................................................58
Figura 14 – Distribuição espacial de maio de 2008 – Caso 1: produção
de sedimento...........................................................................................59
Figura 15 – Distribuição espacial de junho de 2008 – Caso 1:
Escoamento total....................................................................................60
Figura 16 – Distribuição espacial de junho de 2008 – Caso 1: produção
de sedimento...........................................................................................61
Figura 17 – Distribuição espacial de julho de 2008 – Caso 1:
Figura 18 – Distribuição espacial de julho de 2008 – Caso 1: produção
de sedimento. .........................................................................................63
Figura 19 – Distribuição espacial de agosto de 2008 – Caso 1:
Figura 20 – Distribuição espacial de agosto de 2008 – Caso 1: produção
de sedimento. ........................................................................................65
Figura 21 – Distribuição espacial de setembro de 2008 – Caso 1:
Escoamento total. . ...............................................................................66
produção de sedimento...........................................................................67
6
Figura 23 – Distribuição espacial de outubro de 2008 – Caso 1: a)
Escoamento total. ..................................................................................68
Figura 24 – Distribuição espacial de outubro de 2008 – Caso 1:
produção de sedimento. .........................................................................69
Figura 25 – Distribuição espacial de novembro de 2008 – Caso 1:
Figura 27 – Distribuição espacial de maio de 2008 – Caso 2:
de sedimento. .........................................................................................73
Figura 30 – Distribuição espacial de junho de 2008 – Caso 2: produção
de sedimento. .........................................................................................75
Figura 32 – Distribuição espacial de julho de 2008 – Caso 2: produção
de sedimento. .........................................................................................77
Figura 34 – Distribuição espacial de agosto de 2008 – Caso 2: produção
de sedimento. .........................................................................................79
Figura 35 – Distribuição espacial de setembro de 2008 – Caso 2: a)
Figura 36 – Distribuição espacial de setembro de 2008 – Caso 2: b)
Figura 37 – Distribuição espacial de outubro de 2008 – Caso 2: a)
Figura 39 – Distribuição espacial de novembro de 2008 – Caso 2: a)
produção de sedimento. ........................................................................85
Figura 31 – Correlação de Escoamento total (mm/mês) e Produção de
sedimento (t/ha.mês): a) Caso 1; e b) Caso 2.........................................86
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Lista de aplicações do SWAT no Brasil e no Mundo..........19
Tabela 2 – Parâmetros mensais requeridos para criação dos parâmetros
estatísticos da estação meteorológica no modelo SWAT......................27
Tabela 3 – Descrição dos quatro grupos hidrológicos do solo. Fonte:
modificado de USDA-NRCS (2007)......................................................28
Tabela 4 – Classes de Csoiltr....................................................................37
Tabela 5 - Classes de Cperm....................................................................37
Tabela 6 - Relação entre declividade do solo e valores de PUSLE...........38
Tabela 7 – Distribuição de classes de solo inserida no modelo.............41
Tabela 8 – Distribuição de classes de solo adotada no modelo..............42
Tabela 9 - Distribuição das classes de uso e cobertura vegetal na BHRH
Tabela 10 – Dados climáticos requeridos para o gerador climático.......49
Tabela 11 – Dados de solos utilizados no modelo.................................50
Tabela 12 – Valores modificados na calibração manual (*valores
alterados apenas em um dos casos)........................................................55
Tabela 13 – Valores da análise do desempenho do modelo...................56
Tabela 14 – Dados de precipitação de maio a novembro de 2008........ 57
Tabela 15 – Valores médios de escoamento total e produção de
sedimento de maio a novembro de 2008................................................86
Tabela 16 – Escoamento total (mm/mês) para as sub-bacias que
apresentaram diferentes usos e cobertura vegetal. ................................88
8
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo
A
Áreaurh
C
Descrição
Área da bacia
Área da unidade de resposta hidrológica
é o fator de cobertura e manejo
Csoilstr
cp
CUSLE
CULSE,aa
Código de estrutura do solo utilizado na classificação
dos solos,
Classe de permeabilidade do solo
Fator de fragmento grosseiro
Curva Número
Curva Número - condição seca (ponto de murcha)
Curva Número - condição de umidade média
Curva Número - condição úmida (capacidade de
campo)
Calor especifico a pressão constante
Fator de cobertura e manejo
Fator manual médio para fator cobertura e manejo
CUSLE,MN e
E
E*
Valor mínimo para o fator de cobertura e manejo
Altura da taxa de evaporação
Média do evento observado no período da simulação
Em
Es
ETi
ez
ezo
FCly
Evento monitorado
Evento simulado
Evapotranspiração
Pressão de vapor da água no ar na altitude z
Pressão de saturação do vapor no ar na altitude z
Conteúdo de água na camada de solo na capacidade de
campo
Densidade de fluxo de calor do chão
Radiação líquida
Altura do lençol freático
Passo de tempo
Intensidade da precipitação
Abstração inicial
fator de erodibilidade do solo
Condutividade hidráulica saturada
Comprimento do curso d’ água
Cperm
CFRG
CN
CN1
CN2
CN3
G
Hnet
hwtbl
i
i*
Ia
K
Ksat
l
9
Lgw
Lhill
Distância do divisor da bacia do sistema subterrâneo
para o canal principal
Comprimento do declive
LS
fator topográfico
lslp
Comprimento da encosta
M
parâmetro tamanho das partículas
mareia
Porcentagem de areia muito fina;
mc
Porcentagem de argila
MO
Porcentagem matéria orgânica
msilte
Porcentagem de silte
n
Coeficiente de Manning
n*
Número de eventos
NASH
Coeficiente de Nash e Sutcliffe
orgC
Porcentagem de carbono orgânico
P
Fator de praticas conservacionistas
Pi
Peri
Qi
Qlat
Precipitação total
Precipitação diária
Escoamento superficial
Quantidade de água que escoa sub-superficialmente
qlat.i
Qpico
qret.i
Qsurf
Qw
ra
Escoamento lateral
Vazão de pico
Escoamento de retorno
Escoamento superficial total
escoamento subterrâneo no canal principal
Resistência aerodinâmica
rc
Resistência de interceptação vegetal
rsdsurf
S
SATly
quantidade de resíduo no solo
Parâmetro de retenção
Quantidade de água na camada de solo quando
completamente saturado
Produção de sedimento
SED
10
slp
slpch
Declividade média da bacia
Declividade média do curso d água
SW
SWly
Quantidade inicial de água no solo
Conteúdo de água na camada do solo
SWly,excess
SWt
t
tconc
tcs
tcc
TTperc
wperc,ly
Volume drenável de água na camada de solo
Quantidade final de água no solo
Tempo
Tempo de concentração na bacia
Tempo de concentração do escoamento terrestre
Tempo de concentração do escoamento no canal
Tempo de propagação na camada do solo
Quantidade de água que percola para a próxima
camada
Duração do passo de tempo
Declividade da curva de saturação da pressão de vapor
com a temperatura
Fluxo de densidade do calor latente
Porosidade drenável da camada de solo
Constante psicromátrica
Densidade do ar
∆t
∆
λE
∅ௗ
γ
ρar
11
Índice
1.
INTRODUÇÃO.....................................................14
2.
OBJETIVOS ..........................................................15
2.1
Objetivo Geral ...................................................................15
2.2
Objetivos Específicos ........................................................15
3.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..............................16
3.1
Processos Hidrossedimentológicos ..................................16
3.2
Modelagem Hidrossedimentológica.................................17
3.3
SWAT.................................................................................18
4.
ÁREA DE ESTUDO .............................................22
4.1
Localização da bacia hidrográfica .....................................22
4.2
Clima .................................................................................22
4.3
Geologia e Geomorfologia ................................................23
4.4
Solos..................................................................................23
4.5
Uso e cobertura vegetal ...................................................25
5.
MATERIAIS E MÉTODOS .................................26
5.1
Estação meteorológica e fluviométrica. ...........................26
5.2
Softwares ..........................................................................26
5.3
Material Cartográfico e Imagens de Satélite ....................26
5.4
Análise dos Dados Espaciais .............................................27
12
5.4.1
Modelo Numérico do Terreno.................................. 27
5.4.2
Solos ......................................................................... 27
5.4.3
Uso e cobertura Vegetal ........................................... 27
5.5
Dados Tabulares ............................................................... 28
5.5.1
Clima ......................................................................... 28
5.5.2
Solos ......................................................................... 29
5.6
Descrição do modelo SWAT ............................................. 31
5.6.1
Fase terrestre do ciclo hidrológico ........................... 31
5.6.2
Fase de propagação do ciclo hidrológico ................. 40
5.7
Aplicação do SWAT ........................................................... 41
5.8
Calibração e validação do modelo.................................... 43
6.
6.1
RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................... 44
Dados de Entrada ............................................................. 44
6.1.1
Dados Espaciais ........................................................ 44
6.1.2
Dados Tabulares: ...................................................... 48
6.2
Calibração e Análise do desempenho do modelo ............ 54
6.3
Análise espacial da dinâmica da água e sedimento na
BHRN 58
7.
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............ 92
8.
ANEXO................................................................. 94
9.
REFERÊNCIAS .................................................... 95
13
1.
INTRODUÇÃO
A produção, transporte, deposição e compactação de sedimento
são processos erosivos ou hidrossedimentológicos que ocorrem
naturalmente. O manejo inadequado do solo pode acentuar tais
processos, aumentando a quantidade acumulada no exutório de uma
bacia e gerando problemas sócio,econômicos e ambientais, por exemplo
dificuldade no tratamento de água e assoreamento de rios. A
compreensão desses processos, portanto, é fundamental para analisar a
dinâmica da água e de sedimentos na bacia hidrográfica e verificar como
as transformações realizadas no ambiente podem causar impactos
socioeconômicos e ambientais.
O Laboratório de Hidrologia (LabHidro) do Departamento de
Engenharia Sanitária e Ambiental (ENS) da Universidade Federal de
Santa Catarina (UFSC) vem desenvolvendo pesquisas na região norte
catarinense, analisando o balanço hídrico e sedimentológico em bacias
experimentais. Uma dessas bacias é a bacia do Rio Negrinho (BHRN)
localizada no município que tem o mesmo nome.
Nos últimos anos a cidade de Rio Negrinho tem sofrido com
eventos hidrológicos extremos, principalmente pela urbanização
acelerada, impermeabilização do solo e ocupação das áreas de risco. A
BHRN é o manancial da cidade, onde está localizada a estação de
tratamento de água se da cidade de Rio Negrinho. Outro aspecto
importante da região é que a mata nativa vem sendo substituído pela
principal atividade econômica da região, o reflorestamento de pinus.
O modelo SWAT tem como objetivo de analisar os impactos das
alterações no uso do solo sobre o escoamento, produção de sedimento e
qualidade de água em bacias hidrográficas. MACHADO (2002) aplicou
o SWAT para simular o escoamento e a produção de sedimentos
produzidos para os anos de 1999 e 2000 na bacia hidrográfica do
Ribeirão dos Marins, afluente do rio Piracicaba, localizado no estado de
São Paulo.
O presente estudo teve o intuito de realizar a modelagem
hidrossedimentológica através do modelo SWAT para analisar
espacialmente os processos dentro da bacia hidrográfica.
14
2.
OBJETIVOS
Objetivo Geral
Analisar dinâmica da água e sedimento por meio do uso do
modelo SWAT na bacia do Rio Negrinho – SC.
2.2 Objetivos Específicos
• Construir banco de dados da bacia hidrográfica em termo de
topografia, uso e classificação do solo, séries temporais de
chuva, vazão e sedimentos;
• Calibrar o SWAT para a bacia hidrográfica;
• Analisar espacialmente e temporamente dinâmica da água e
sedimento na bacia hidrográfica.
2.1
15
3.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Processos Hidrossedimentológicos
A hidrologia é a ciência que trata das águas da terra, sua
ocorrência, circulação e distribuição, suas propriedades químicas e
físicas e sua reação com meio ambiente, incluindo sua relação com os
seres vivos. Estuda também as variações dos recursos hídricos naturais
da terra em função das diferentes fases do ciclo hidrológico (CHOW,
1964).
A bacia hidrográfica é tomada como a unidade de controle do
ciclo hidrológico. Os principais processos hidrológicos, que compõem o
ciclo hidrológico em uma bacia hidrográfica são precipitação,
evapotranspiração, interceptação, infiltração, vazão, percolação e o
armazenamento de água no solo.
Segundo LOPES (2008) os processos hidrossedimentológicos são
resultados da interação entre os processos hidrológicos e
sedimentológicos. Sendo a água um dos principais geradores do
desprendimento de partículas de rochas e solos que irão contribuir para a
produção de sedimentos da bacia. VESTENA (2008) explica que os
processos hidrossedimentológicos estão intimamente vinculados ao
ciclo hidrológico e compreendem o deslocamento, o transporte e o
depósito de partículas sólidas presentes na superfície da bacia
hidrográfica.
A desagregação, movimento e deposição das partículas sólidas
ocorrem devido à água, ao vento, à declividade da encosta e às correntes
dos cursos d’água. Segundo CARVALHO (1994), a erosão hídrica é
causada pelo escoamento superficial.
O deslocamento dos sedimentos carregados pelo escoamento
superficial e outros processos, embora esporádicos, “acabam
provocando o remanejo e a redistribuição pela bacia de ponderáveis
massas de partículas sólidas, a ponto de poderem, eventualmente, alterar
o ciclo hidrológico e, certamente, afetar o uso, a conservação e a gestão
dos recursos hídricos” (BORDAS e SEMMELMANN, 2000).
A erosão é um processo natural que pode ser intensificada
devido, principalmente, a agentes antrópicos. Segundo MOTA (1995),
as práticas agrícolas inadequadas, a ocupação incorreta das áreas,
alterações no escoamento natural das águas, movimentos de terra e
impermeabilizações de terrenos são as principais causas da erosão
acelerada.
3.1
16
3.2
Modelagem Hidrossedimentológica
A complexidade na dinâmica hidrossedimentológica de uma
bacia
hidrográfica
torna
a
previsão
dos
processos
hidrossedimentológicos impraticável. Porém através do monitoramento
desses processos e adotando algumas leis empíricas e hipóteses e com o
auxilio da modelagem é possível simular cenários reais da dinâmica na
bacia.
Os modelos podem ser definidos como uma apresentação do
sistema (ou objeto) tanto estático quanto dinâmico (KOBIYAMA e
MANFROI 1999b). Para Ford (1999) os modelos substituem um
sistema real quando se tornam mais fáceil que o sistema real.
De acordo com CHRISTOFOLETTI (1999) a modelagem
envolve um conjunto de técnicas com a finalidade de simplificar a
complexidade do mundo. Este conjunto de técnicas é teórico e compõem
uma abstração da realidade a qual ajusta e orienta para experiências
empíricas.
Segundo TUCCI (1998) os modelos podem ser classificados:
• Continuos e discretos – Os modelos contínuos são
caracterizados por fenômenos contínuos no tempo, e os
discretos se dão em intervalos. Os sistemas
hidrológicos são contínuos e são representados por
modelos discretos.
• Concentrado e distribuído – Um modelo distribuído
apresenta suas variáveis variando no espaço e no
tempo, já um modelo concentrado não leva em conta a
variabilidade espacial.
• Estocástico e determinístico - a principal diferença
entre estocástico e determinístico é o conceito de
probabilidade. Se na formulação do modelo existe a lei
da probabilidade o modelo é dito estocástico, se não é
determinístico.
• Conceitual e empírico - quando um modelo considera
os processos físicos é dito conceitual. Os modelos
empíricos são aqueles que ajustam os valores
simulados aos observados não considerando os
processos físicos.
17
Conforme TUCCI (1998) a ciência desenvolveu modelos
hidrológicos como ferramenta para melhorar o entendimento do
comportamento em uma bacia hidrográfica e prever condições diferentes
das observadas.
Segundo KOBIYAMA e MANFROI (1999b) a modelagem e o
monitoramento são métodos científicos complementares, e o sucesso da
modelagem depende da qualidade dos fenômenos monitorados.
3.3 SWAT
O modelo Soil and Water Assessement Tool (SWAT) foi
desenvolvido por Dr. Jeff Arnold da Agricultural Research Service ARS do United States Department of Agriculture - USDA. Ele é um
modelo matemático de parâmetro semi-distribuído (variando no espaço
e/ou no tempo) que permite simular diferentes processos físicos que
ocorrem em bacias hidrográficas. O objetivo do modelo é analisar os
impactos das alterações no uso do solo sobre o escoamento superficial e
subterrâneo, produção de sedimentos e qualidade da água em bacias
hidrográficas agrícolas não instrumentadas (SRINIVASAN e ARNOLD,
1994). Para verificar o desempenho do modelo na calibração e
validação, o coeficiente de Nash e Sutcliffe (NASH) e o desvio padrão
(Dv) são usualmente utilizados. O NASH apresenta satisfatório variando
de 0,39 a 0,94.
JACOBS et al. (2007) aplicou o modelo para a bacia hidrografia
do Alto do Rio Tana (9752,82 km2) que está localizada no nordeste de
Nairóbi – capital do Quênia. O estudo consistiu em aplicar o modelo
para a condição de uso e cobertura vegetal existente e simular alterações
de cenários do uso do solo para reflorestamento na montante da bacia.
Com a divisão em três sub-bacias os autores constataram uma
quantidade desproporcional de sedimento na bacia Thiba. A produção de
44% sedimento com apenas 4% da precipitação total, deve ser ao uso e
cobertura vegetal do local, que apresenta principalmente pequenos
produtos e grandes áreas de pastagem. Nas simulações de
reflorestamento nesta bacia, os autores evidenciaram que as áreas com
solo exposto podem ser designadas para reflorestamento a favor da
diminuição da produção de sedimento. Porém existem áreas com plantio
de chá, por exemplo, que apresentam maior proteção do solo do que
reflorestamento.
ABBASPOUR et al. (2007) comparou o modelo SWAT com
outros modelos de simulação de vazão, os sedimentos e a descarga de
nutrientes na bacia hidrográfica do Rio Thur (1.700 km2) localizada ao
18
nordeste da Suíça. Apresentando resultados satisfatórios para vazão,
fósforo, nitrato e sedimento. Assim, os autores concluíram que o modelo
pode ser usado para estudos de qualidade e quantidade de água na bacia
Thur.
MACHADO (2002) aplicou o SWAT para simular o escoamento
e a produção de sedimentos produzidos para os anos de 1999 e 2000 na
bacia hidrográfica do Ribeirão dos Marins, afluente do rio Piracicaba,
localizado no estado de São Paulo. O autor adotou dois cenários para as
simulações: 1) uso atual e considerando mata ciliar de 30 metros em
toda extensão dos cursos d’água e 50 metros ao redor das nascentes; e 2)
substituição das pastagens nas encostas mais íngremes por vegetação
florestal. Os valores de NASH e Dv obtidos foram satisfatórios. Após a
calibração do NASH obtido foi de 0,92 e 0,83 e o Dv 0,7 e -3,2% para
escoamento e sedimento, respectivamente.
LOPES (2008) aplicou o SWAT em sete bacias experimentais na
região do Alto do Rio Negro – SC. Na bacia Nativa 1 (N1) evidenciou
melhora no coeficiente de NASH de -0,59 para 0,42 realizando a
calibração manual seguida da automática. A mesma autora comparou
duas bacias com o mesmo tamanho, porém com diferentes manejos do
solo (agricultura e vegetação nativa), e mostrou o menor escoamento
superficial na bacia de vegetação nativa.
Na aplicação do SWAT na bacia do Rio Preto no norte do estado
de Santa Catarina, LINO (2009) realizou a calibração manual seguida da
automática e o valor do NASH variou de -0,375 para 0,505 e o Dv de 33,7 para -4,96. Simulando cenários de agricultura e comparando com
mata nativa no mês de julho de 2006 para essa bacia, obteve-se a
variação de escoamento superficial mensal de 40% entre estes cenários.
A Tabela 1 apresenta uma lista de resumo das pesquisas que
aplicaram o SWAT no Brasil e no mundo.
19
Autor
País
Machado
(2002)
Brasil
Área da
bacia
59,73 km2
Tabela 1 – Lista de aplicações do SWAT no Brasil e no Mundo
Tipo de aplicação
Eficiência
Resolução
Água
Sedimentos
Água
Sedimentos
Nash = 0,83
Nash = 0,90
x
x
Dv = -0,7
Dv = -3,2
20 m
R2 = 0,94
R2 = 0,96*
2
Minoti
(2006)
Brasil
78,3 km
47,21 km2
x
Baldissera
(2005)
Brasil
28.922 km2
x
Armas
(2006)
Brasil
1710 km2
x
Brasil
223 km2
Brasil
120,15 km2
Neves
(2005)
Prado
(2005)
Abu ElNars et al.
(2005)
Green &
Van
Griensven
(2008)
Govender e
Everson
(2005)
Eckhardt et
al. (2005)
1. APP nas margens dos rios e nas encostas
1. vegetação natural ocupando toda a bacia
2. cana-de-açúcar por toda a bacia
x
(pesticidas)
Cenário
Nash = 0,69*
Dv = -8,15*
R2 = 0,75*
Nash = 0,94
R2 = 0,94
Dv= 19,53
150m
1. Vegetação natural ocupando toda a bacia
25m
1. Cultivo de cana-de-açúcar
20 m
1. Vegetação natural ocupando toda a bacia
x
(nutrientes)
x
Nash = 0,39
R2 = 0,45
Bélgica
465 km2
x
EUA
5,95 ha*
x
África do
Sul
0,677 km2
x
R2 = 0,68
Alemanha
134 km2
x
Nash = 0,86
x
Nash = 0,65*
R2 = 0,66*
Dv = -5,20*
250m
Nash = -0,05*
R2 = 0,61*
10 m
20
* = valores médios. Fonte LOPES e KOBIYAMA (2009)
21
4.
ÁREA DE ESTUDO
Localização da bacia hidrográfica
A BHRN (195 km2) está inserida dentro da bacia do Alto Rio
Negro (Figura 1). Abrange os municípios de Rio Negrinho e São Bento
do Sul no planalto norte do Estado de Santa Catarina, e localiza-se entre
as longitudes de 49°20’ e 49°31’W, e latitudes 26°15’ e 26°25’S.
4.1
4.2
Figura 1 – Bacia Hidrografica do Rio Negrinho
Clima
22
Na classificação de Köeppen o clima do planalto norte
Catarinense é Cfb (clima temperado constantemente úmido, sem estação
seca, com verão fresco). A temperatura média anual varia entre 15,5 a
17,0°C, sendo que as temperaturas médias das máximas variam de 26,6
a 24°C e mínimas de 10,8 a 11,8°C. A precipitação anual vária de 1.370
a 1.670 mm, sendo os dias com chuva variando entre 138 e 164. A
umidade relativa do ar pode variar de 80,0 a 86,2% (EPAGRI/CIRAM,
2009).
4.3
Geologia e Geomorfologia
O substrato da BHRN é formado por rochas sedimentares
pertencentes aos Grupos Itararé, do Sub-Grupo Tubarão. As formações
pertencentes a este grupo são: Formação Campo do Tenente, Mafra e
Rio do Sul (SANTA CATARINA, 1986).
• A formação Campo do Tenente representa uma seqüência
glacial e fluvio-glacial, constituída predominantemente de
argilitos castanho-avermelhados, ritmitos e diamicitos com
matriz arenosa e arenitos finos e médios. A área aflorante
restringe-se a uma pequena faixa do município de São Bento.
• A formação Mafra, é uma seqüência flúvio-marinha com
influência glacial, composta predominantemente por arenitos
finos a grosseiros, de coloração esbranquiçada, amarelada e
avermelhada e, secundariamente por diamictitos de matriz
arenosa e argilosa, conglomerados, ritmitos, argilitos e varvitos.
• A Formação Rio do Sul é constituída na parte inferior por
folhelhos e argilitos cinza-escuros. Na parte superior aparecem
diamicitos acinzentados, com matriz arenosa, intercalados com
arenitos. Estes estão recobertos por argilitos, folhelhos várvicos,
ritmitos e siltitos.
A BHRN está inserida no Patamar Oriental da Bacia do Paraná,
mais especificamente dentro do Patamar de Mafra. As características
geomorfológicas são relevo com superfície regular, quase plana, de
baixa energia. De modo generalizado, o relevo é individualizado como
um patamar intermediário, constituído, predominantemente, por uma
superfície colinosa. (SANTA CATARINA, 1986).
4.4 Solos
Na BHRN predominam os Camibissolos em quase toda a sua
extensão, apresentando a pequena porção com Gleissolos nas nascentes
da parte oeste da bacia.
23
Os Cambissolos compreendem os solos minerais, não
hidromórficos, com horizonte B incipiente bastante heterogêneo, em
relação à cor, espessura e textura, e em respeito à atividade química da
fração argila e saturação por bases. Este horizonte é caracterizado pelo
baixo gradiente textural, pela média a alta relação silte/argila e pela
presença de minerais primários de fácil decomposição. Está situado
imediatamente abaixo de qualquer tipo de horizonte A, ou sob horizonte
H turfoso, possuindo seqüência A, Bi, C ou H, Bi, C. Estes são
derivados de materiais relacionados a rochas de composição e possuem
natureza
muito
variável
(EMBRAPA,
2004;
SANTA
CATARINA1986).
Os cambissolos são solos com certo grau de evolução, porém, não
o suficiente para decompor completamente minerais primários de mais
fácil intemperização, como feldspato, mica, hornblenda, augita e outros.
Estes solos não possuem acumulações significativas de óxidos de ferro,
húmus e argilas que permitam identificá-los como possuindo horizonte
B textural (EMBRAPA, 2004).
Os Cambissolos característicos da região são (i) Cambissolo
hálico Tb A moderado, textura argilosa; (ii) Cambissolo hálico Tb A
moderado, textura média; (iii) Cambissolo Háplico Tb A proeminente
com texturas muito argilosa. O resumo desses de EMBRAPA (2004) são
a seguir:
(i)
Cambissolo hálico Tb A moderado, textura
argilosa: alta saturação por alumínio trocável,
argila de baixa atividade (Tb), horizonte A do tipo
moderado com textura argilosa. O horizonte A tem
espessura de 15 a 25 cm de bruno-amarelo escuro.
A porcentagem de argila na camada superficial é
41%, sendo 46% na subsuperficial. Os teores de
slite são elevados apresentando média de 42% na
camada superficial e 35% na subsuperficial. A
areia é menos significativa com aproximadamente
17% na superficial e 12% na subsuperficial.
(ii)
Cambissolo hálico Tb A moderado, textura média:
alta saturação por alumínio, argila de baixa
atividade, horizonte A do tipo moderado com
textura média. O horizonte A tem expessura de 30
cm. A procentagem de argila é alta 19% na camada
superficial e na 23% na subsuperficial. A fração da
24
(iii)
areia é significativa com 51% na superficial e 48%
na subsuperficial.
Cambissolo Háplico Tb A proeminente com
texturas muito argilosa: alta saturação por
alumínio, argila de baixa atividade, horizonte A do
tipo moderado com textura muito argilosa. O
horizonte A tem espessura de 35 a 40 cm. A fração
de argila é de 67% no horizonte A e 70% no B. As
frações de slite variam 19 a 41% em A e 17% a
35% em B. O teor de areia é baixo e normalmente
inferior a 10%.
4.5
Uso e cobertura vegetal
A bacia é caracterizada pela presença de Floresta Ombrófila
Mista, reflorestamento de pinus e agricultura (KOBIYAMA et al.,
2008).
A Floresta Ombrófila Mista é característica de regiões com
altitudes superiores a 500 m. A espécie dominante na região, e de maior
porte, é o pinheiro brasileiro (Araucaria angustifolia). No estrato
emergente é comumente encontrada a imbuia (Ocotea porosa) e a
Sapopema (Sloanea lasicoma). Já no estrato inferior das árvores
predomina a erva-mate (Ilex paraguriensis). (SANTA CATARINA,
1986; EMBRAPA, 2004).
A paisagem natural foi degradada pelo modelo econômico da
cidade, que é baseada no reflorestamento de pinus. Hoje há apenas
vestígios da floresta nativa. Outra atividade da região é a agricultura de
milho, soja, feijão e fumo. Há também áreas de pastagem para a
pecuária de bonivos, suínos, caprinos e aves (PREFEITURA DE RIO
NEGRINHO, 2009).
25
5.
MATERIAIS E MÉTODOS
Estação meteorológica e fluviométrica.
Este trabalho utilizou os dados obtidos na estação meteorológica
da Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa
Catarina S.A. (EPAGRI) localizada nas coordenadas 26°14’52”S e
49°34’48”W, com altitude de 862 m.
Para a calibração do modelo foram utilizados os dados obtidos na
estação fluviométrica Rio Negrinho Montante (65093000). Os dados de
nível foram transformados em dados de vazão pela curva-chave da
seção. Os dados foram adquiridos por meio do site da Agência Nacional
de Águas (ANA) – www.ana.gov.br – no Sistema de Informações
Hidrológicas (HIDROWEB).
5.1
5.2
Softwares
Para a realização deste estudo foram utilizados os seguintes
softwares:
• ArcGIS 9.3.1. Extensões: Spatial Analyst v. 1.1 e 3D
Analyst v. 1.0 desenvolvidos pela Environmental Systems
Research Institute (ESRI), Redlands, California, EUA;
• Interface ArcGIS - Soil and Water Assessment Tool v.
1.2.4 (ArcSWAT), desenvolvido pelo Blackland Research
Center Texas Agricultural Experiment Station e USDA
Agricultural Research Service;
• ENVI 4.3 (Environment for Visualizing Images), para o
processamento digital de imagens.
5.3 Material Cartográfico e Imagens de Satélite
Foram utilizadas as cartas topográficas digitais do Instituto
Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) para delimitar a bacia, gerar
o Modelo Numérico do Terreno (MNT) e determinar a rede de
drenagem. Os nomes das cartas utilizadas foram Rio Negrinho e São
Bento do Sul na escala 1:50.000, editadas e disponibilizadas em meio
digital no site da (EPAGRI).
Para o mapa de usos e cobertura do solo da região foram
utilizados imagens do satélite LANDSAT-TM5 220/79, 220/78 e
221/78, datas de julho de 2009.O mapa de solos na escala 1:250.000, foi
elaborado a partir dos dados de Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária (EMBRAPA 2004).
26
5.4
Análise dos Dados Espaciais
5.4.1 Modelo Numérico do Terreno
O MNT é uma representação matemática computacional da
distribuição de um fenômeno espacial que ocorre dentro de uma região
da superfície terrestre. Para gerar o MNT é necessária a aquisição das
amostras, geração do modelo (modelagem) e aplicações.
As amostras utilizadas no presente estudo foram às curvas de
nível e os pontos tridimensionais (ponto cotados) presentes nas cartas
topográficas de Rio Negrinho e São Bento do Sul. Na modelagem foi
utilizado o método de TIN – Triangular Irregular Network pela
triangulação de Delaunay. A partir do TIN foi gerado o Modelo Digital
de Elevação (MDE) com uma resolução de células de 30 m no ArcGIS
9.3.1.
5.4.2 Solos
O mapa de solos da BHRN foi elaborado com base no
levantamento de solos realizado em 2004 pelo Centro de Informações de
Recursos Ambientais e de Hidrometeorologia de Santa Catarina
(CIRAM/EPAGRI, 2004) em escala 1:250.000.
5.4.3 Uso e cobertura Vegetal
Para a elaboração do mapa de uso do solo BHRN foram
utilizadas imagens do satélite Landsat/TM-5, referentes às órbitas/ponto
220/78, 221/78 e 220/79, com data de julho de 2009.
A etapa seguinte consistiu na classificação automática das
imagens, objetivando a elaboração do mapa de uso e cobertura do solo
da bacia. Para esse estudo foram definidas seis classes de uso do solo:
i)
Pinus: essa classe corresponde às áreas com
reflorestamento de espécies exóticas como, pinus e
eucalipto;
ii) Pinus novo: essa classe corresponde às áreas
com reflorestamento de espécies exóticas como, pinus e
eucalipto com menos de 6 anos
iii) Vegetação nativa: nessa classe estão
representadas as áreas com Floresta Ombrófila Mista nos
diferentes estágios de crescimento e de regeneração;
iv) Pastagem: a classe de pastagem contempla
áreas de pastagem natural e plantada;
v) Água: representa os corpos de água em geral,
como rios, córregos, lagos naturais e artificiais;
27
vi) Solo Exposto: essa classe abrange áreas de solo
exposto, em época de preparo para o plantio e estradas.
vii) Agricultura: corresponde às áreas com
diferentes tipos de culturas anuais cultivadas na região;
viii) Área Urbana: corresponde às áreas com
presença de urbanização.
Foram realizados levantamentos de campo com GPS, onde foram
coletados pontos de amostragem em cada uso do solo. Posteriormente
foi realizada a conferência dos dados de uso do solo obtidos no campo
com os determinados pelo algoritmo de classificação das imagens.
5.5 Dados Tabulares
5.5.1 Clima
O modelo SWAT requer dados médios mensais de parâmetros
meteorológicos para o gerador climático (Tabela 2).
Tabela 2 – Parâmetros mensais requeridos para criação dos
parâmetros estatísticos da estação meteorológica no modelo SWAT.
Parâmetros
WLATITUDE
Latitude da estação meteorológica (graus)
WLONGITUDE Longitude da estação meteorológica (graus)
WELEV
Altitude da estação meteorológica (metros)
RAIN_YRS
Número de anos dos dados meteorológicos
observados que foram utilizados para calcular o
RAIN_HHMAX
TMPMX
Temperatura máxima nos diferentes meses do ano
(°C)
TMPMN
Temperatura mínima nos diferentes meses do ano
(°C)
TMPSTDMX
Desvio padrão da máxima temperatura no mês.
TMPSTDMN
Desvio padrão da mínima temperatura no mês.
PCPMM
Média da precipitação no mês (mm)
PCPSTD
Desvio padrão da precipitação no mês (mm.dia-1)
PCPSKW
Coeficiente Skew para a precipitação diária no mês
PR_W(1)
Probabilidade de dia úmido (com chuva) seguido de
um dia seco no mês
PR_W(2)
Probabilidade de dia úmido seguido de outro dia
úmido no mês
PCPD
Número médio de dias chuvosos no mês
RAINHHMX
Precipitação máxima no período de 30 minutos no
mês (mm)
28
SOLARAV
DEWPT
WNDAV
Radiação solar média diária no mês (MJ.m-2.dia-1)
Ponto de orvalho médio diário no mês (°C)
Velocidade do vento médio diário no mês (m.s-1)
Para este trabalho foi utilizado o método de Penman-Monteith
para estimar a ETP.
5.5.2
Solos
Os dados tabulares de solos requeridos pelo modelo SWAT são
divididos em duas partes: i) parâmetros do tipo de solo; e ii) parâmetros
da camada do solo.
i)
Parâmetros do tipo de solo são os seguintes: a) nome do
solo; b) número de camadas; c) grupo hidrológico do solo;
d) profundidade total; e) porosidade do solo.
ii)
Parâmetros de cada camada são os seguintes: a)
profundidade da camada; b) densidade do solo seco na
camada; c) capacidade de água disponível na camada; d)
carbono orgânico; e) condutividade hidráulica saturada da
camada; f) porcentagem de argila; g) porcentagem de silte;
h) porcentagem de areia; i) porcentagem de rocha; j)
albedo; e k) fator de erodibilidade da camada (K).
NRCS (2007) classificou os solos em 4 grupos hidrológicos (A,
B, C e D) (Tabela 3).
Tabela 3 – Descrição dos quatro grupos hidrológicos do solo
Grupos
Características
hidrológicos
A
Pouco potencial de escoamento superficial. O
solo apresenta alta taxa de infiltração quando está
completamente úmido e alta taxa de
transmissividade da água. O solo é composto por
menos que 10% de argila e mais que 90% de
areia ou cascalho.
B
O solo tem moderada taxa de infiltração quando
completamente úmido e moderada taxa de
transmissividade da água. O solo apresenta argila
variando entre 10 e 20% e areia variando entre 50
e 90%.
C
O solo tem baixa taxa de infiltração quando
29
completamente úmido e baixa taxa de
transmissividade da água. O solo apresenta argila
variando entre 20 e 40% e areia menos que 50%.
D
Alto potencial de escoamento superficial. O solo
apresenta taxa de infiltração muito baixo quando
completamente úmido o que torna o movimento
da água no solo restrito ou muito restrito e
apresenta taxa de transmissividade da água muito
baixo. O solo é constituído com mais de 40% de
argila e menos que 50% de areia.
Fonte: modificado de USDA-NRCS (2007).
Os dados utilizados neste trabalho foram obtidos através de
trabalhos realizados em uma das bacias experimentais do Labhidro
(GRANDO et al. 2009). Está bacia experimental está localizada
próximo as limites da BHRN.
Os parâmetros do tipo de solo de cada camada de solo foram
definidos: a) profundidade da camada – adotada apenas uma camada; b)
densidade do solo na camada - método do anel volumétrico; c)
capacidade de água disponível na camada - estimada com base nos
trabalhos realizados por Assad et al. (2001); d) carbono orgânico – pelo
ensaio de matéria orgânica; e) condutividade hidráulica da camada método do permeâmetro de carga variável; j) albedo – verificado na
literatura (Pereira et al. 2002); e k) fator de erodibilidade da camada (K)
– Equação de Wischmeier (1971) (Equação 1).
Para o cálculo do fator de erodibilidade para cada tipo de solo foi
utilizada a equação apresentada por Wischmeier, ou seja:
KUSLE =
0,0021 ⋅ M 1,14 ⋅ (12 − MO) + 3,25 ⋅ (Csoilstr − 2 ) + 2,5 ⋅ (C perm − 3) (1)
100
onde M é a um valor que depende da quantidade de argila; silte e areia é
calculada pela NBR 7181; MO é a porcentagem de matéria orgânica do
solo; Csoilstr é o código de estrutura do solo utilizado na classificação do
solo; e Cperm é a classe de permeabilidade do perfil.
O cálculo de M foi feita com:
M = (mSILTE + mAMF ) ⋅ (100 − mC )
(2)
onde mSILTE é a porcentagem de silte; mAMF é a porcentagem de areia
muito fina; e mc é a porcentagem de argila.
30
5.6
Descrição do modelo SWAT
As simulações hidrológicas na bacia hidrográfica realizadas
pelo modelo SWAT podem ser separadas em duas partes: fase terrestre e
fase de propagação do ciclo hidrológico.
5.6.1 Fase terrestre do ciclo hidrológico
A fase terrestre do ciclo hidrológico é ainda dividida em sete
componentes: i) hidrologia; ii) clima; iii) sedimentos; iv) crescimento
vegetal; v) manejo agrícola; vi) nutrientes; e vii) pesticidas. Abaixo
estão descritos os componentes do modelo que foram utilizados neste
trabalho. (i, ii, iii, iv, v).
A Figura 2 apresenta uma esquematização da fase terrestre do
ciclo hidrológico.
Figura 2 – Ciclo hidrológico (Fonte: Apostila de Hidrometria,
UFSC 2009)
i)
Hidrologia
O clico hidrológico utilizado nas simulações do SWAT
é baseado na equação do balanço hídrico:
t
SWt = SW + ∑ ( Peri − Qi − ETi − qlat.i − qret.i )
i =1
(3)
31
onde SWt é a quantidade final de água no solo (mm); SW é a quantidade
inicial de água no solo (mm) no t tempo (dias); Peri é a precipitação
diária (mm); Q
é o escoamento superficial (mm); ET é a
evapotranspiração (mm); qlat.i é o escoamento lateral (mm); qret.i é o
escoamento de retorno (mm); e i é o passo de tempo (dias).
As subdivisões da bacia hidrográfica em Unidades de Respostas
Hidrológicas (URH) permitem que o modelo calcule diferentes
evapotranspiração para cada tipo de uso e cobertura vegetal e solo. As
URH são caracterizadas conterem o mesmo uso e cobertura vegetal, tipo
de solo e declividade assim o escoamento superficial estimado
separadamente para cada URH é mais preciso e melhora a descrição do
balanço hídrico da bacia.
Escoamento Superficial
O escoamento Superficial no modelo SWAT é calculado pelos
valores de precipitação diária e pelo método da Curva Número (CN). O
método CN (Equação 4) é um produto empírico de mais de vinte anos
de estudo em pequenas bacias hidrográficas nos Estados Unidos. O
método CN foi desenvolvido para determinar o escoamento superficial
em diferentes uso e coberturas vegetal e tipo de solo.
Qsurf
( Pi − I a )2
=
( Pi − Ia + S )
(4)
onde Qsurf é o escoamento superficial total (mm); Pi é a precipitação
total (mm); Ia é a abstração inicial (o armazenamento no terreno, a
interceptação e a infiltração no solo antes de iniciar o escoamento
superficial em mm) e S é o parâmetro de retenção (mm) o qual varia
com o uso e cobertura vegetal, tipo de solo e declividade e é expressa
como:
100
(5)
S = 25,4 ⋅
− 10
CN
O método CN (NRCS, 2007) define três condições de umidade
antecedente: (i) CN1 - condição seca (ponto de murcha); (ii) CN2 –
condição de umidade média, e (iii) CN3 – condição úmida (capacidade
de campo). Os valores tabelados de CN encontram-se na condição CN2,
as Equações (6) e (7) são utilizadas para transformar em CN1 e CN3,
respectivamente.
32
CN1 =
CN 2 − 20 × (100 − CN 2 )
100 − CN 2 + exp(2,533 − 0,0636 × 100 − CN 2 )
(6)
CN3 = CN 2 ⋅ [0,00673⋅ (100 − CN2 )]
(7)
A condição inicial para que o escoamento superficial ocorra é
que P seja maior que Ia. Conforme NRCS (2007), a abstração inicial (Ia)
é adotada como sendo 0,2S, portanto a equação do escoamento
superficial pode ser apresentada como:
Qsurf =
( Pi − 0,2S )2
( Pi − 0,8S )
Qsurf = 0
P > 0, 2 S
P ≤ 0, 2 S
(8)
(9)
Vazão de Pico
A vazão de pico é a máxima vazão provoca por um
evento de chuva. A vazão de pico é um indicador da intensidade da
erosão e é utilizada para calcular a perda de sedimento. O modelo
SWAT calcula a vazão de pico pelo método racional (Equação 10).
Q pico =
C ⋅ i * ⋅A
3,6
(10)
Onde Qpico é a vazão de pico (m3/s); C é coeficiente de deflúvio;
i* é a intensidade da precipitação (mm/h); A é a área da bacia (km2) e
3,6 é um fator de conversão de unidades.
Tempo de concentração
O tempo de concentração (Equação 11) é o tempo decorrido
para que a água que precipita no local mais distante da bacia escoa até o
exutório.
tconc = tcs + tcc
(11)
onde tconc é o tempo de concentração na bacia (horas); tcs é o tempo de
concentração do escoamento terrestre (horas); e tcc é o tempo de
concentração do escoamento no canal (horas).
33
tcs =
l 0,6 slp ⋅ n0,6
18 ⋅ slp
(12)
onde lslp é o comprimento da encosta (m); n é o coeficiente de Manning;
e slp é a declividade média da bacia (m/m)
tcc =
0,62 ⋅ l ⋅ n 0, 75
0 , 375
A0,125 ⋅ slpch
(13)
onde l é o comprimento do curso d’ água – do ponto mais longe da bacia
até a exutoria em km, A é a área da bacia (km2), slpch é a declividade
média do curso d água (m/m)
Escoamento lateral
O escoamento lateral é significativo em solos com uma camada
superficial com alta condutividade hidráulica seguido de uma camada
semi-impermeável ou impermeável.
O modelo SWAT incorpora um modelo de armazenamento
cinemático para o escoamento sub-superficial desenvolvido por Sloan et
al. (1983) e resumido por Sloan e Moore (1984). Este modelo de
armazenamento cinemático é baseado na equação do balanço de massa
(balanço de massa líquida) onde o segmento em declive é utilizado
como volume de controle:
 2 ⋅ SWly ,excess⋅Ksat ⋅ slp 

Qlat = 0,024⋅ 
φ
⋅
L
d
hill


(14)
onde Qlat é a quantidade de água que escoa sub-superficialmente (mm);
SWly,excess é o volume drenável de água na camada de solo (mm); Ksat é a
condutividade hidráulica saturada (mm.h-1); slp é a declividade média da
sub-bacia (m.m-1); ∅ௗ é a porosidade drenável da camada de solo
(mm.mm-1); e Lhill é o comprimento do declive (m).
Escoamento Subterrâneo
O escoamento de base ou subterrâneo somente entra no canal se a
quantidade de água armazenada no aqüífero exceder um valor limiar
34
especificado pelo usuário (ܽ‫ݍ‬௦௛௧௛௥,௤ ). A resposta do estado estacionário
do escoamento subterrâneo até a recarga é descrito como:
Qgw =
8000⋅ K sat
⋅ hwtbl
( Lgw )2
(15)
onde Qw é o escoamento subterrâneo no canal principal no dia i (mm);
Ksat é a condutividade hidráulica saturada do aqüífero (mm.dia-1); Lgw é
a distância do divisor da bacia do sistema subterrâneo para o canal
principal (m); e hwtbl é o altura do lençol freático (m).
Percolação
A percolação é calculada para camada do perfil do solo:

 − ∆t 

Wperc,ly = SWly,excesso ⋅ 1 - exp
 TT 

perc


(16)
onde wperc,ly é a quantidade de água que percola para a próxima camada
(mm); SWly,excess é o volume drenável de água na camada de solo (mm);
∆‫ ݐ‬é a duração do passo de tempo (horas) e TTperc é o tempo de
propagação na camada do solo (horas). Água percola somente quando o
teor de água exceder a capacidade de campo para aquela camada.
O volume de água disponível para a percolação nas camadas do
solo é calculado como:
SWly ,excesso = SWly − FC ly se SWly>FCly
(17)
SWly , excesso = 0
se SWly<FCly
(18)
onde SWly é o conteúdo de água na camada do solo (mm); e FCly é o
conteúdo de água na camada de solo na capacidade de campo (mm).
O tempo de percolação é único para cada camada do solo e é
calculado:
35
TTperc =
SATly − FCly
ksat
(19)
onde, ܶܶ௣௘௥௖ é o tempo de percolação (h); SATly é a quantidade de água
na camada de solo quando completamente saturado (mm); e Ksat é a
condutividade hidráulica saturada na camada (mm.h-1).
Evapotranspiração
A evapotranspiração compreende todos os processos de
transformação da água da superfície da terra para vapor (evaporação,
transpiração e sublimação). A evapotranspiração é um dos principais
meios de saída de água da bacia, aproximadamente 62% da precipitação
é evapotranspirada.
A evapotranspiração potencial foi um conceito inserido por
Thornthwaite (1948) na classificação climático sendo o total de água
transferida para a atmosfera por evaporação e transpiração, de uma
superfície extensa e coberta de vegetação e bem suprida de água.
Existem vários métodos de determinação da evapotranspiração,
o SWAT disponibiliza três métodos de calcular a evopranspiração:
Penman-Monteith (Monteith, 1965; Allen, 1986; Allen et al., 1989), the
Priestley-Taylor method (PRIESTLEY AND TAYLOR, 1972) and the
Hargreaves method (HARGREAVES et al., 1985).
O método utilizado para calculo da evapotranspiração foi o de
Penman-Monteith (Equação 20). Este método requer a radiação solar,
temperatura do ar, umidade relativa e velocidade do vento.
λE =
[ezo − ez ]
ra
 r 
∆ + γ ⋅ 1 + c 
 ra 
∆(H net − G ) + ρ ar ⋅ c p
(20)
onde λ E é o fluxo de densidade do calor latente (MJ.m ·d ); E é a
altura da taxa de evaporação (mm.d-1); ∆ é a declividade da curva de
saturação da pressão de vapor com a temperatura; Hnet é a radiação
líquida (MJ.m-2·d-1); G é a densidade de fluxo de calor do chão (MJ.m-2
-1
36
·d-1); ρ ar é a densidade do ar (kg.m-3); cp é o calor especifico a pressão
constante (MJ.kg-1.°C-1); ezo é a pressão de saturação do vapor no ar na
altitude z (kPa), ez é a pressão de vapor da água no ar na altitude z (kPa);
γ é a constante psicromátrica (kPa.°C-1); rc é a resistência de
interceptação vegetal (s.m-1) e ra é a resistência aerodinâmica (s.m-1).
ii) Clima
Os parâmetros de clima utilizados pelo gerador climático
SWAT estão descritos na Tabela 1 do item 5.4.1.
iii) Sedimento
2
A erosão causada pela chuva e pelo escoamento total na bacia
hidrográfica é calculada com a Equação Universal de Perda de Solos
Modificada (Modified Universal Soil Loss Equation – MUSLE). A
MUSLE é uma versão modificada da Equação Universal de Perda de
Solo (Universal Soil Loss Equation - USLE) desenvolvida por
Wischmeier e Smith (1965, 1978).
A diferença entre a USLE e a MUSLE é que a primeira estima a
erosão média anual bruta em função da energia da precipitação, e a
segunda estima em função do escoamento. A MUSLE é definida por
Willians (1995):
0,56
SED = 11,8 ⋅ (Qsurf ⋅ Qpeak ⋅ Areaurh ) ⋅ KUSLE ⋅ CUSLE ⋅ PUSLE ⋅ LSUSLE ⋅ CFRG
(15)
onde SED é a produção de sedimento (ton.dia-1), Qsurf é o volume de
escoamento superficial (mm.ha-1), Qpico é a vazão de pico (m3s-1),
Areaurh é a área da unidade de resposta hidrológica (ha), K é o fator de
erodibilidade do solo, C é o fator de cobertura e manejo, P é o fator de
praticas conservacionistas, LS é o fator topográfico e CFRG é o fator de
fragmento grosseiro.
Wichmeir et al. (1971) desenvolveu uma equação geral para o
fator erodibilidade (K) descrita como:
0,00021⋅ M 1,14 ⋅ (12 − MO) + 3,25 ⋅ (Csoilstr − 2) + 2,5 ⋅ (C perm − 3)
KUSLE =
100
(16)
onde M é o parâmetro tamanho das partículas, MO é a porcentagem
matéria orgânica (%), Csoilstr é o código de estrutura do solo utilizado na
classificação dos solos, e Cperm é a classe de permeabilidade do solo.
O parâmetro tamanho das partículas (M) é calculado:
37
M = (msilte + mareia ) ⋅ (100 − mc )
(17)
onde msilte é a porcentagem de silte; mareia é a porcentagem de areia
muito fina; e mc é a porcentagem de argila. A porcentagem matéria
orgânica (MO) é calculado:
MO = 1,72 ⋅ orgC
(18)
onde orgC é a porcentagem de carbono orgânico.
Os valores de Csoilstr e Cperm são adotados a partir das Tabelas 4
e 5, respectivamente. O Cperm é baseado na condutividade hidráulica
saturada.
Csoilstr
1
2
3
4
Cperm
1
Tabela 4 – Classes de Csoiltr
Definição para casa solo
Grânulos muito finos
Grânulos finos
Grânulos médios ou grossos
Grânulos em blocos, placas,
prismáticos ou maçicos
Tabela 5 - Classes de Cperm
Condutividade hidráulica
Saturada (mm.h-1)
Rápido (> 150)
2
Moderado a rápido (50 - 150)
3
Moderado (50 - 150)
4
Lento a moderado (50 - 150)
5
Lento (1 – 5)
6
Muito lento ( <1)
38
O fator de cobertura e manejo (CUSLE) é definido como a taxa de
perda do solo em condições especifica num determinado estagio da
cultura. O SWAT calcula o valor diário de CUSLE dependendo da
variação da cobertura vegetal durante o ciclo de crescimento da planta:
CUSLE = exp ln (0,8 ) − ln (CUSLE ,MN )] ⋅ exp − 0,00115 ⋅ rsd surf + ln (CUSLE , M
{[
(
)
(19)
onde CUSLE é o fator cobertura e manejo; CUSLE,MN é o valor mínimo
para o fator de cobertura e manejo; e rsdsurf é a quantidade de resíduo no
solo (kg.ha-1). O CUSLE,MN é calculado como:
(
)
CUSLE ,MN = 1,463 ⋅ ln CUSLE , aa + 0,1034
(20)
onde CULSE,aa é o fator manual médio para fator cobertura e manejo.
O fator de práticas conservacionistas (PUSLE) é definido como a
taxa de perda do solo com uma especifica prática. Os valores de PUSLE
são definidos a partir da declividade (%) (Tabela 6).
Tabela 6 – Relação entre declividade do solo e valores de PUSLE
Declividade do Solo (%)
PUSLE
1–2
0,6
3–5
0,5
6–8
0,5
9 – 12
0,6
13 – 16
0,7
17 – 20
0,8
21 – 25
0,9
O fator topográfico (LSUSLE) é a taxa de perda de solo esperada
para um terreno uniforme de 22,1 metros de comprimento e 9% de
declividade e é expresso como:
m
LSUSLE
[
]
L 
=  hill  ⋅ 65,41⋅ sen 2 (α hill ) + 5,46 ⋅ sen(α hill ) + 0,065
 22,1 
(21)
onde Lhill e o comprimento da encosta (m), m é o ângulo da declividade
da encosta e é expresso como:
m = 0,6 ⋅ [1 − exp(− 35,835 ⋅ slp)]
(22)
39
onde slp é a declividade média da URH e é calculado como:
slp = tan(α hill )
(23)
O fator fragmento grosseiro (CFRG) é determinado como:
CFRG = exp(− 0,053 ⋅ rock )
(24)
onde CFRG e o fator de fragmento grosseiro e rock e a porcentagem de
cascalho na primeira camada do solo (%).
iv)
Crescimento Vegetal
As condições de crescimento vegetal são estimadas diariamente
pelo modelo de crescimento de planta EPIC (Williams et al., 1984). O
modelo EPIC diferencia entre culturas anuais e perenes.
v)
Manejo Agrícola
O manejo agrícola é um importante tópico na modelagem
ambiental, pois os seus impactos interferem diretamente na dinâmica de
água e sedimento em uma bacia hidrográfica. O modelo SWAT utiliza
vários modelos que simulam plantio, colheita, irrigação, propagação de
nutrientes e pesticidas.
5.6.2
Fase de propagação do ciclo hidrológico
A propagação no canal principal consiste nos componentes: (i)
propagação da vazão liquida; (ii) propagação da vazão solida; e (iii)
propagação química. Neste estudo somente foram abordados a
propagação da vazão líquida e sólida
(i)
Propagação da Vazão Líquida no Curso d’Água
A propagação da água pelo curso d’água é realizada pelo
método do armazenamento variável que foi desenvolvido por Williams
(1969). Os dados requeridos pelo modelo incluem comprimento,
declividade, profundidade, declividade lateral e o parâmetro de
rugosidade de Manning do curso d’água
(ii)
Propagação da Vazão Sólida no Curso d’Água
40
O transporte de sedimentos nos cursos d’água é função de dos
processos de deposição e degradação. A deposição no curso d’água
através das sub-bacias e baseada na velocidade de queda das partículas
de sedimentos e a degradação e determinada pela forca de escoamento.
Nas ultimas versão do SWAT estas equações foram mais
simplificadas e a máxima quantidade de sedimentos que pode ser
transportada a partir de um segmento do curso d’agua e uma função da
velocidade da vazão de pico.
5.7
Aplicação do SWAT
Delimitação das sub-bacias
Na aplicação do modelo, primeiramente foram inserido o MDE.
A partir do MDE o modelo calculou as sub-bacias com a área mínima de
350 ha. A escolha desta dimensão foi feita pela análise visual,
comparando a drenagem gerada pelo modelo e a drenagem das cartas
topográficas. A partir do MDE o modelo delimitou 31 sub-bacia.
Definição das URH
Após o delineamento das sub-bacias, foram sobrepostos os
mapas de solos, uso e cobertura vegetal e declividade para definição das
URH. Nesta etapa o modelo dispõe de três opções:
i.
Uma única URH para a sub-bacia caracterizada pelo
uso e cobertura vegetal, solo e declividade dominante;
ii.
Uma única URH para a sub-bacia que será a URH
dominante;
iii.
Múltiplas URH – com considerações de mínima
porcentagem de uso e cobertura vegetal, solo e
declividade.
Como as classes de uso e cobertura vegetal utilizados no estudo,
demonstrou que a BHRN apresenta pequenas proporções de classes
espalhadas pela bacia, com este tipo de distribuição seriam necessária
muitas URH para cada sub-bacia, não sendo aceito pelo modelo. Visto
isto foram feitos dois cenários e algumas considerações:
Caso 1 – Múltiplas URH com mínimo de 30% de uso, solo e
declividade
41
Neste cenário a classe de uso e cobertura vegetal do solo
exposto foi considerada pastagem, afim de que o modelo se aceita mais
uma classe de uso e cobertura vegetal.
Caso 2 – Única URH com uso e cobertura vegetal, tipo de solo
e declividade dominante.
Dados Climáticos
Foram inseridos os parâmetros necessários para o gerador
climático do modelo (apresentado na Tabela 10), e a série de dados
históricos diários de precipitação, temperatura máxima e mínima,
umidade relativa, vento e radiação solar. A série histórica contém os
dados de agosto de 1990 a agosto de 2009.
Simulação
As simulações foram feitas apenas com o período de 2000 a
2009 devido ao tempo operacional do modelo nas etapas subseqüentes.
As simulações com os casos 1 e 2 utilizaram a mesmo dados de entrada,
a diferença entre o caso 1 e 2 é distribuição inserida e adotada pelo
modelo de do uso e cobertura vegetal (Tabela 7 e 8).
Tabela 7 – Distribuição de classes de solo inserida no modelo
Classe de uso e
cobertura vegetal
Caso 1
Área em %
Pastagem
Agricultura
Água
Reflorestamento
(pinus)
Solos Exposto
Urbano
Mata Nativa
Caso 2
13,25
4,27
19,7
Área em
km2
25,9
8,4
38,5
Área em
%
9,02
4,03
0,27
19,7
Área em
km2
17,62
8,4
0,53
38,58
4,04
58,3
7,9
114,8
4,3
4,04
58,3
8,4
7,9
114,8
42
Tabela 8 – Distribuição de classes de solo adotada no modelo
Classe de uso e
cobertura vegetal
Pastagem
Agricultura
Água
Reflorestamento
(pinus)
Solos Exposto
Urbano
Mata Nativa
Caso 1
Caso 2
Área em
%
2,1
3,7
Área em
km2
4,1
7,2
Área em
%
4,1
Área em
km2
8,1
94,2
184,1
2,1
93,8
4,1
183,2
As Tabelas 7 e 8 mostram a distribuição do uso e cobertura
vegetal do solo inserida no modelo, e adotada pelo modelo. Conclui-se
que a distribuição adotada pelo modelo se torna muito diferente da
realidade. Se analisando sub-bacias nota-se que dependendo do cenário
adotado a seu uso e cobertura vegetal são completamente diferentes.
Como exemplo a sub-bacia um no caso 1 é classificada como sendo
totalmente floresta nativa, já no cenário 2 é totalmente urbanizada
(anexo 1)
5.8 Calibração e validação do modelo
Para a calibração do SWAT foram selecionados períodos de
dados de vazão das estações que se apresentem contínuos e consistentes.
A consistência dos dados foi analisada com hidrogramas e comparação
dos dados das estações próximas.
O desempenho do modelo foi analisado pelo coeficiente de Nash
e Sutcliffe e o coeficiente de correlação R2. O coeficiente de Nash e
Sutcliffe é definido como:
∑ in=1 (Em − E s )
*
NASH = 1 −
∑ in=1 (E m − E *)
*
(25)
onde NASH é o coeficiente de Nash e Sutcliffe; Em é o evento
monitorado; Es é o evento simulado; E* é a média do evento observado
no período da simulação; e n* é o número de eventos.
43
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO
6.1 Dados de Entrada
6.1.1 Dados Espaciais
6.1.1.1 Modelo Digital de Elevação (MDE)
O modelo digital de elevação da BHRN apresentou altitude
média 800 m, sendo a altitude máxima de 983 m e mínima de 729 m
(Figura 4).
Figura 4 – Modelo digital do terreno da BHRN
44
6.1.1.2
Mapa de uso e cobertura vegetal
A classificação do uso do solo permitiu identificar 7 classes de
uso e cobertura do solo: 1) Reflorestamento; 2) Vegetação Nativa; 3)
Pastagem; 4) Água; 5) Solo Exposto; e 6) Agricultura, 7) Área Urbana
(Figura 5).
Figura 5 – Mapa de uso e cobertura vegetal da BHRN
Analisando a distribuição das classes de uso e cobertura vegetal,
foi possível estimar as áreas (km2) e porcentagens de casa uso e
45
cobertura vegetal na BHRN. A Tabela 6 mostra a distribuição das
classes de uso e cobertura vegetal na BHRN.
Tabela 9 - Distribuição das classes de uso e cobertura vegetal na BHRN
Classe de uso e
Porcentagem (%)
Área (km2)
cobertura vegetal
Pastagem
9,02
17,6
Agricultura
4,03
8,4
Água
0,27
0,5
Pinus Novo
3,08
6,0
Solos Exposto
4,32
8,4
Urbano
4,04
7,5
Mata Nativa
58,3
114,1
Pinus
16,6
32,5
Total
100,0
195
Analisando a Figura 5 e a Tabela 6 observa-se que na bacia o
uso atual predominante é de vegetação nativa, perfazendo 58,52% da
área total, seguido de pastagem (16,69%) e de pastagem (8,92%)
considerando que a tomada da imagem do satélite Landsat TM-5 foi
realizada no mês de julho de 2009. A área de solo exposto é 4,34%, área
urbana de 3,87%, pinus novo com 3,08%, os corpos de água com 0,24%
e nuvens com 0,07%.
Apesar das nove classes de uso e cobertura vegetal, foram
feitas algumas considerações afim de simplificar os usos e cobertura
vegetal para a entrada no modelo.
• As classes pinus e pinus novo foram consideradas
reflorestamento;
• As nuvens presentes aparecem principalmente na área urbana e
foram consideradas áreas urbanas.
• O solo exposto foi considerado em umas das simulações
pastagem (simulação caso 1) e considerado solo exposto na
simulação caso 2.
46
6.1.1.3
Mapa de classificação dos solos
O mapa de classificação dos solos da BHRN foi elaborado com
base no levantamento do da EMBRAPA (2004) (Figura 6).
Figura 6 – Mapa de solos da BHRN (Fonte: EMBRAPA 2004)
6.1.1.4
Sub-bacias da BHRN
O modelo SWAT delimitou a sub-bacia automaticamente com
base na drenagem, MDE e a área mínima estipulada de 350 ha. Foram
gerados em ambos os cenários 31 sub-bacias (Figura 7).
47
Figura 7 – Delimitação das sub-bacias na BHRN
6.1.2 Dados Tabulares:
6.1.2.1 Dados Climáticos
A partir dos dados da estação meteorológica da EPAGRI,
situada nas coordenadas -26,5 e -49,5 foram calculados os parâmetros
48
requeridos pelo gerador climático do SWAT e apresentados na Tabela 7
(descritas na Tabela 1 do item 5.4.1).
49
Tabela 10 – dados climáticos requeridos para o gerador climático
Parâmetro
TMPMX
TMPMN
TMPSTDM
X
TMPSTDM
N
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
31,8
12,6
1,6
31,2
12,5
0,8
31,1
11,4
1,5
29,1
6,2
1,1
26,9
1,6
1,5
25,1
0,8
1,3
25,9
-1,58
1,5
28,8
-0,2
1,9
29,9
2,5
2,8
30,8
7,6
1,4
31,3
8,7
2,0
32,4
10,3
1,7
2,1
2,0
2,2
3,3
3,3
3,3
2,4
2,9
3,2
2,2
1,6
2,3
PCPMM
PCPSTD
223,6
99,2
149,7
48,4
133,9
67,0
105,8
76,8
124,2
136,4
123,7
57,7
138,5
73,6
109,1
87,5
180,2
103,9
196,6
80,6
142,7
61,7
164,7
78,8
PCPSKW
PR_W1
PR_W2
PCPD
RAINHHM
X
SOLARAV
DEWPT
WMDAV
0,2
0,17
0,65
18
50
0,2
0,94
0,59
16
50
1,2
0,73
0,6
15
50
1,3
0,56
0,43
10
50
2,4
0,47
0,47
10
50
0,3
0,45
0,45
9
50
0,2
0,48
0,46
10
50
1,1
0,33
0,43
7
50
0,2
0,62
0,62
13
50
-0,3
0,57
0,57
15
50
0,4
0,52
0,52
13
50
0,6
0,59
0,59
14
50
16
13,6
2,6
18,5
12,8
2,5
10,8
10,7
2,5
9,9
7,3
2,3
10,3
6,5
2,2
10
4,8
2,0
9,9
4,6
0,3
14,3
7
2,2
14,8
9,5
2,9
17,3
10,1
3,2
19,8
12
3,2
13,5
13,4
2,9
50
6.1.2.2
Dados de solos
Os dados requeridos pelo SWAT foram obtidos segundo o item 5.3.2 e estão apresentados na Tabela 8.
Tabela 11 – Dados de solos utilizados no modelo
Nome
Cambissolo 9
Cambissolo 54
Número de Camadas
1
1
Grupo Hidrológico
C
C
Profundidade Total (cm)
2000
2000
Profundidade da camada (cm)
2000
2000
Densidade do solo (g/cm3)
2,61
2,78
Água Disponível
0,13
0,13
(mmagua/mmsolo)
Carbono Orgânico (%)
1,74
2,03
Condutividade hidráulica (mm/h)
1,8
1,5
Argila (%)
50,50
44
Silte (%)
22,50
31
Areia (%)
18,50
25
Rocha (%)
0
0
Albedo
0,2
0,2
Fator K (USLE)
0,25
0,41
Condutividade Elétrica (dS/m)
1
1
51
52
Apenas duas amostras foram utilizando, assim o 11 cambissolos
foram generalizados nas duas amostras da Tabela 11. As porções
correspondentes ao cambissolos 47 e 51 foram classificadas como
cambissolos 54 e o restante das como cambissolo 9. O HGPa6 foi
desconsiderado pelo modelo.
6.1.2.3 Declividade
As faixas de declividade adotada neste estudo foi classificada
pelo modelo apartir do MNT. As faixas adotadas foram 0-3%, 38%, 8-20%, 20-99%.
53
6.2
Calibração e Análise do desempenho do modelo
Na etapa de calibração do modelo, foram selecionados os dados
de vazão de maio a novembro de 2008. Esse intervalo de dados foi
selecionado por ser uma série de dados continuo, e pela análise do
hidrograma (Figura 8) foi possível identificar a consistência razoável
dos dados.
Figura 8 – Dados medidos de vazão no período de maio a novembro de
2008
Foram realizadas as simulações iniciais (sem calibração) com os
dois casos e foram comparadas para com os dados observados (Figura 9
e 10). As Figuras 9 e 10 mostram que as simulações dos dois casos
ajustaram bem aos dados observados.
54
Figura 9 – Comparação entre dados observados e
simulados de vazão no caso 1 (maio a novembro de 2008)
Figura 10 - Comparação entre dados observados e
simulados de vazão no caso 2 (maio a novembro de 2008)
Antes de iniciar a calibração manual e automática, foi realizada a
análise de sensibilidade com parâmetros de vazão mais sensíveis e que
influenciariam mais a dinâmica hidrossedimentológica no modelo. Os
parâmetros encontrados pela análise de sensibilidade para os dois casos
foram hierarquizados por ordem de influência e estão apresentados a
seguir:
i)
Alpha_BF – Fator de resposta à variações na recarga do
aqüífero (dias);
55
ii)
iii)
iv)
v)
vi)
vii)
viii)
ix)
x)
xi)
xii)
xiii)
xiv)
xv)
ESCO – Fator de compensação de evaporação do solo
(adimensional)
CN2 – Curva número;
Canmx – Armazenamento de água máximo na copa das
árvores (mm);
Blai – Índice de área foliar potencial máxima
(adimensional);
GWqmn – Profundidade mínima do aqüífero superficial
para que ocorra escoamento subterrâneo;
Revapmn – Profundidade do aqüífero superficial para
que ocorra percolação ao aqüífero profundo;
GW_Revap – Coeficiente de escoamento (movimento)
de água do aqüífero superficial para a zona insaturada.
Sol_z – Profundidade da camada de solo (mm);
Sol_AWC – Quantidade de água disponível na camada
do solo (mmAGUA.mm-1SOLO)
Ch_K2 – Condutividade hidráulica efetiva no canal
principal (mm.h-1);
Sol_K – erodibilidade
Surlag – Coeficiente de resposta do escoamento
superficial (adimensional);
GW_Delay – Período de tempo que a água se move da
camada de solo mais profunda até o aqüífero superficial;
Biomix – Eficiência de mistura dos nutrientes do solo
Durante calibração manual foram realizada alterações nos
parâmetros citados acima e verificando mudanças significativas no
escoamento total. Os parâmetros que mudaram significativamente o
escoamento total estão listados nas tabelas 12 e 13, e foram realizados
para os dois casos.
Durante a calibração para os dois casos foram analisandos as
alterações no escoamento total pela análise visual do hidrograma (Figura
11 e Figura 12) e através análise de desempenho - NASH e R2 (tabela
13).
56
manualmente de vazão no caso 1 (maio a novembro de 2008)
manualmente de vazão no caso 2 (maio a novembro de 2008)
Tabela 12 – Valores modificados na calibração manual (*valores
alterados apenas em um dos cenários)
Parâmetro
Valor Inicial
Calibração Manual
Alpha_Bf
0,048
0,69
ESCO
0
0,34
CN2
Urbano
72
72*
Pinus
70
55
Mata Nativa
73
60
Pastagem
79
69*
57
Canmx
Gwqmn
Revapmn
Gwq_Revap
Surlag
0
0
1
0,02
4
0,23
0,19
0,19
0,04
1
A Tabela 12 mostra que vários parâmetros de vazão foram
ajustados. Isto foi realizado, pois o modelo adota muitos parâmetros
default. Os valores de CN2 foram alterados de grupo hidrológico C para
B.
Tabela 13 – Valores da análise do desempenho do modelo
Caso 1
Caso 2
Parâmetro
Simulação
Calibração
Simulação
Calibração
Inicial
Manual
Inicial
Manual
NASH
-1,03
0,48
-1,11
0,45
R2
0,28
0,63
0,26
0,71
A Tabela 13 mostra uma melhora significativa no desempenho
através da calibração. O NASH variou do caso 1 de -1,03 para 0,48 e no
caso 2 de -1,11 para 0,45. O R2 também variou significativamente da
simulação para a calibração manual
6.3 Análise espacial da dinâmica da água e sedimento na BHRN
Nesta etapa do trabalho foi analisada a dinâmica da água e
sedimento na BHRN espacialmente. Dando ênfase principalmente i) as
sub-bacias que durante a aplicação do modelo não apresentaram mesma
classificações de uso e cobertura vegetal igual, ii) devido ao regime de
chuva na região (tabela 14), com inverno seco e verão úmido, a análise
da dinâmica da água e sedimento foi analisando separadamente para
cada mês do período de calibração.
58
Tabela 14 – Dados de precipitação de maio a novembro de 2008
Mês
Precipitação
(mm)
Maio
58,70
Junho
120,50
Julho
29,00
Agosto
111,80
Setembro
92,00
Outubro
431,90
Novembro
157,00
As Figuras 13 a 26 mostram a distribuição espacial do
escoamento total e produção de sedimento na BHRN para os casos 1 e 2
e os meses de maio a novembro de 2008.
59
Escoamento total.
60
produção de sedimento.
61
Escoamento total.
62
63
Escoamento total.
64
65
Escoamento total.
66
67
Escoamento total.
68
69
a) Escoamento total.
70
71
Figura 25 – Distribuição espacial de novembro de 2008 – Caso
1: Escoamento total.
72
1: Escoamento total.
73
Escoamento total.
74
de sedimento.
75
Figura 29 – Distribuição espacial de junho de 2008 – Caso 2: a)
Escoamento total.
76
77
Escoamento total.
78
79
Escoamento total.
80
81
82
b) produção de sedimento.
83
84
85
2: a) Escoamento total.
86
2: produção de sedimento.
A análise dos meses de junho, julho, agosto e setembro (Figura
14a a 17a e 21a a 24a) apresentam o escoamento total praticamente
constante entre as sub-bacias, o qual varia de 60 a 80 mm. Os meses que
apresentaram o maior escoamento total (Figura 18a, 19a, 25a e 26a)
foram os meses de outubro e novembro os quais também apresentam
maior precipitação.
A produção de sedimento também foi mais
87
significativa nos meses de maior chuva, como outubro e novembro. No
mês de julho a precipitação não chegou a 30 mm no mês e com apenas
cinco dias de ocorrência tornando a produção de sedimento na maioria
das sub-bacias da BHRN praticamente nula (Figura 15b e 22b).
Analisando os dados médios mensais de vazão e produção de
sedimento (tabela 15) foi possível estabelecer uma relação entre
produção de sedimento e escoamento total (Figura 27a e 27b).
Tabela 15 – Valores médios de escoamento total e produção de
sedimento de maio a novembro de 2008.
Mês
Caso 1
Caso 2
Escoamento
Produção
Escoamento
Produção
total
de
total
de
(mm/mês)
Sedimento
(mm/mês)
Sedimento
(t/ha.mês)
(t/ha.mês)
Maio
97,53
0,009
96,14
0,030
Junho
80,75
0,002
80,93
0,012
Julho
44,95
0,001
44,14
0,001
Agosto
44,86
0,007
44,57
0,014
Setembro
38,28
0,004
37,96
0,008
Outubro
138,56
0,069
139,55
0,176
Novembro
100,10
0,010
99,41
0,045
88
Figura 31 – Correlação de Escoamento total (mm/mês) e Produção de
sedimento (t/ha.mês): a) Caso 1; e b) Caso 2.
As Figuras 27a e 27b apresentam as relações entre produção de
sedimento e escoamento total para os dois casos. O R2 de 0,65 para o
caso 1 e 0,71 para o caso 2 mostra que existe relação entre estas duas
variáveis, quanto maior o escoamento total maior é a produção de
sedimento. Novamente pode se observar os meses de menor escoamento
é também os meses com menor produção de sedimento.
A maioria das sub-bacias da BHRN foram classificadas pela
presença de mata nativa. Visto isso o escoamento total e produção de
sedimento foi praticamente constantes nestas bacias. As sub-bacias que
foram classificadas com uso e cobertura vegetal diferente de mata nativa
(tabela 16), principalmente no mês outubro, não ficaram na mesma faixa
de escoamento total e produção de sedimento que o restantes das bacias.
89
No caso 1 nos meses de maio, junho e outubro as sub-bacias 2
(Mata Nativa e Pinus), sub-bacias 14 (Mata Nativa e Pinus), sub-bacias
25 (Mata Nativa e Pastagem) apresentaram escoamento total inferior
comparado com o restante das sub-bacias. A sub-bacias 24 (Pastagem)
em junho apresentaram escoamento inferior, porém no mês de outubro
superior comparado com a média da sub-bacias.
No caso 2 nos meses de maio, junho e outubro as sub-bacias 1
(Urbana), sub-bacias 2 (Pinus), sub-bacias 14 (Pinus), sub-bacias 27
(Pinus) apresentaram escoamento total inferior comparado com o
restante das sub-bacias.
A Tabela 16 apresenta as sub-bacias que foram classificadas com
diferentes usos e cobertura vegetal.
Tabela 16 – Escoamento total (mm/mês) para as sub-bacias que
apresentaram diferentes usos e cobertura vegetal.
Maio
Junho
Julho
Agosto
Setembro
Outubro
Novembro
Maio
Junho
Julho
Agosto
Setembro
Outubro
Novembro
Escoamento total (mm/mês)
Sub-bacia 1
Sub-bacia 2
Sub-bacia 14
Caso
Caso 2
Caso 1
Caso 2
Caso 1
Caso 2
1
96,17
72,67
69,67
56,37
70,45
53,37
81,51
83,54
67,48
55,36
65,78
55,36
69,50
49,93
62,37
54,26
61,68
54,26
69,56
79,64
62,29
55,27
61,59
55,27
58,87
69,47
50,50
41,49
50,68
41,49
217,27
321,41
194,92
182,62
192,59
182,62
156,57
140,21
147,33
147,24
145,42
147,24
Escoamento total (mm/mês)
Sub-bacia 24
Sub-bacia 25
Sub-bacia 27
Caso
Caso 2
Caso 1
Caso 2
Caso 1
Caso 2
1
82,46
91,36
76,35
97,76
89,66
49,48
78,07
82,17
68,54
82,02
82,11
53,24
66,23
70,98
63,39
70,82
70,99
54,72
74,66
70,30
63,05
70,03
70,35
55,16
67,16
60,67
52,32
60,43
60,40
43,86
252,22
216,45
195,85
214,60
215,95
176,36
149,02
152,53
147,40
154,72
152,70
139,23
90
O escoamento total mensal variou significativamente
principalmente nos mês de maior precipitação e de maior escoamento
(mês de outubro). A sub-bacia que apresentou maior diferença de
escoamento total foi a sub-bacia 1. A sub-bacia 1 apresentou maior
diferença de escoamento total, sendo no Caso 1 (Mata Nativa)
escoamento total de 217 mm e o Caso 2 (Área Urbana) de 321 mm.
A sub-bacia 27 também apresentou grande variação no escoamento
total (aproximadamente 40 mm) nos meses de maio e outubro
comparando os dois casos. A sub-bacia 27 caracteriza no Caso 1 por
cobertura de mata nativa e no Caso 2 por cobertura de pinus.
A produção de sedimento foi acima da média somente no mês de
outubro. As sub-bacias que apresentaram maior produção de sedimento
este mês (sub-bacia 2, 19, 24, 26, 27). A sub-bacia 24 possivelmente
apresentou produção acima da média por ser caracterizada por uso de
pastagem. O restantes das sub-bacias apresentaram declividade entre
acima de 20%.
91
7.
CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Com a aplicação do modelo SWAT na bacia hidrográfica do Rio
Negrinho foi possível avaliar a dinâmica hidrossedimentológica
espacialmente. A partir dos resultados do presente estudo pode-se
ressaltar alguns pontos relevantes.
O modelo foi calibrado nos dois casos considerados. Ambos foram
calibrados com índices satisfatórios no índice de desempenho NASH
(0,48 e 0,45 - Caso 1 e 2, respectivamente). A validação não foi
realizada por falta de dados observados contínuos no mesmo período
das imagens de satélite utilizados.
Com os dois casos (Caso 1 – Múltiplos URH e Caso 2 – URH
dominante) analisados e utilizando dois índices de eficiência foi possível
constatar que o Caso 1 apresentou melhor desempenho, tanto no NASH
porém não ao R2. Porém é valido reavaliar as imagens de satélite
utilizadas para elaboração do mapa de uso e cobertura vegetal, que
apresentaram áreas de pequena extensão espalhadas pela bacia,
principalmente uma verificação detalhada a campo.
Os meses de maior precipitação, também foram as maiores
estimativas de escoamento total e produção de sedimento. Apenas o mês
de maio do período analisado, não apresentou essa tendência. O mês
apresentou relativamente baixa precipitação (58 mm), porém alto
escoamento total e produção de sedimento. Uma justificativa dessa
quebra de tendência é que os meses anteriores são chuvosos, e ainda
contribuem para o escoamento total e a produção de sedimento.
A correlação entre escoamento total e produção de sedimento
foi evidenciada (Tabela 15 e Figura 27a e 27b). Portanto os meses que
ocorrem maior escoamento total (outubro e novembro) também
apresentam maior produção de sedimento. O mês de julho, com menor
escoamento, foi estimado produção de sedimento praticamente nula em
algumas sub-bacias.
Apesar dos dois casos o modelo foi calibrado, analisando as
sub-bacias que foram consideradas diferentes usos e cobertura vegetal
há uma relativa diferença, principalmente na sub-bacia 1 e 27 quanto ao
escoamento total.
Analisando a produção de sedimento, apenas com a média das
sub-bacias dos meses analisados (Tabela 15) pode-se observar uma
grande amplitude nos dados estimados para os dois casos. Deve se
92
ressaltar que nenhum dado observado de sedimento foi utilizado para
calibração ou comparação com os dados simulados.
Algumas recomendações futuras podem ser feitas afim de
melhor o desempenho do modelo na BHRN.
Nas simulações foram utilizadas apenas uma estação
pluviométrica. A distribuição da precipitação seria mais significativa se
houvesse mais estações dentro da bacia.
Elaborar um levantamento de solos da região mais detalhado,
bem como haver amostragem de solos dentro da bacia.
Para a calibração do modelo foram utilizados dado de vazão
somente um ponto de monitoramento. Com mais pontos de
monitoramento dentro da bacia pode verificar a eficiência do modelo em
outros pontos da bacia.
As simulações de produção de sedimento não foram
comparadas com nenhum dado observado. A instalação de um sensor de
sedimento serviria para comparar os dados simulados e observados de
sedimento.
93
8.
ANEXO
Anexo 1
Tabela – Classificação do SWAT de uso e cobertura e vegetal para a
BHRN
Número
Caso 1
Caso 2
1
Mata Nativa
Urbano
2
Mata Nativa/Pinus
Pinus
3
Mata Nativa
Mata Nativa
4
Mata Nativa
Mata Nativa
5
Mata Nativa
Mata Nativa
6
Mata Nativa
Mata Nativa
7
Mata Nativa
Mata Nativa
8
Mata Nativa
Mata Nativa
9
Mata Nativa
Mata Nativa
10
Mata Nativa
Mata Nativa
11
Mata Nativa
Mata Nativa
12
Mata Nativa
Mata Nativa
13
Mata Nativa
Mata Nativa
14
Mata Nativa/Pinus
Pinus
15
Mata Nativa
Mata Nativa
16
Mata Nativa
Mata Nativa
17
Mata Nativa
Mata Nativa
18
Mata Nativa
Mata Nativa
19
Mata Nativa
Mata Nativa
20
Mata Nativa
Mata Nativa
21
Mata Nativa
Mata Nativa
22
Mata Nativa
Mata Nativa
23
Mata Nativa
Mata Nativa
24
Pastagem
Mata Nativa
25
Mata Nativa/Pastagem
Mata Nativa
26
Mata Nativa
Mata Nativa
27
Mata Nativa
Pinus
28
Mata Nativa
Mata Nativa
29
Mata Nativa
Mata Nativa
30
Mata Nativa
Mata Nativa
31
Mata Nativa
Mata Nativa
94
9.
REFERÊNCIAS
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97

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