Apresentação do modelo SWIM

O modelo SWIM foi desenvolvido para o uso, principalmente na Europa e em áreas temperadas. Entretanto, existe a possibilidade da sua adaptação para outras regiões (KRYSANOVA et al., 2000). Criado utilizando os melhores recursos do SWAT e MATSALU, o código do modelo foi baseado principalmente no SWAT, já o esquema de desagregação espacial mais abrangente, de três níveis, foi retirado do MATSALU. O próximo passo foi ajustar o modelo para o uso em condições europeias, onde a disponibilidade de dados é diferente. Isso exigiu alguns esforços para modificar a entrada de dados. Além disso, segundo Krysanova et al., (2000), vários módulos foram excluídos do SWAT a fim de evitar a superparametrização, como: pesticidas e qualidade da água do lago.

O SWAT é um modelo de bacias hidrográficas de simulação distribuída em tempo contínuo, desenvolvido para prever os efeitos de decisões de gestão alternativas sobre a água, sedimentos e defensivos agrícolas. A simulação hidrológica com este modelo, conforme abordado na pesquisa de Teixeira, (2017), é dividida em duas etapas, sendo que a primeira representa o ciclo hidrológico terrestre, que calcula a quantidade de água, sedimento, nutriente e de pesticida que o canal de drenagem principal contribui em cada sub-bacia. E a segunda etapa que controla o direcionamento do ciclo hidrológico, desses mesmos componentes, da rede de drenagem até o exutório. O cálculo desses processos é dividido nas fases de precipitação- intercepção, escoamento superficial, infiltração na zona de solo e raiz, e do fluxo de águas subterrâneas.

O MATSALU foi desenvolvido na Estônia para a bacia agrícola da Baía de Matsalu, com a área de cerca de 3.500 km2, a fim de avaliar diferentes cenários de gestão para controlar a eutrofização da baía (KRYSANOVA et al., 2000). O modelo consiste em quatro submodelos acoplados, que simulam: a hidrologia das bacias hidrográficas, a geoquímica das bacias hidrográficas, o transporte fluvial de água e nutrientes, e a dinâmica de nutrientes no ecossistema da Baía. Semelhante ao SWRRB (ARNOLD et al., 1990), os componentes foram essencialmente baseados na abordagem CREAMS. A desagregação espacial em MATSALU é baseada na sobreposição de três camadas de mapa: um mapa de bacias hidrográficas elementares com uma área média de 10 km2, um mapa de uso da terra e um mapa de solos, para obter as chamadas Áreas Elementares de Poluição (EAP). Conceitualmente, os EAPs são semelhantes às Unidades de Resposta Hidrológica (HRU) ou hidrótopes, que foi acoplado ao modelo SWIM. A evolução do modelo SWIM está ilustrada na Figura 2.

Figura 2 – Evolução do desenvolvimento do modelo SWIM.

Fonte: Adaptado de Krysanova et al. (2000).

O modelo SWIM visa proporcionar a modelagem hidrológica e da qualidade da água, em mesoescala, para grandes bacias hidrográficas (de 1.000 a mais de 1.000.000 km2). Trata- se de um modelo semi-distribuído, baseado no Sistema Informação Geográfica (SIG), com esquema de desagregação em três níveis: bacia, sub-bacias, e hidrotopes (KRYSANOVA et al., 2005), (Figura 3).

Os domínios dos modelos semi-distribuídos não são representados em forma de quadrícula, mas por manchas na paisagem com comportamento hidrológico uniforme, chamados hidrotopes (CONRADT et al., 2013). Estes são subáreas quase uniformes,

configurando unidades de resposta hidrológicas (MONTEIRO; VIADANA, 2009). Monteiro e Viadana (2009)

Figura 3 – Nível de desagregação implementado no SWIM.

Fonte: Silva (2014).

Além disso, este modelo integra a dinâmica hidrológica, vegetação, erosão e fluxo de nutrientes. Baseado na equação do balanço hídrico, que utiliza dados de precipitação, evapotranspiração, percolação, escoamento superficial e escoamento subsuperficial para a coluna de solo (Figura 4).

Figura 4 – Estrutura do SWIM.

Fonte: Adaptado de Silva (2014).

A dinâmica hidrológica é representada no módulo hidrológico, baseado na equação do balanço hídrico. Koch et al., (2015) afirmam que este sistema de simulação hidrológica se divide em quatro volumes de controle: a superfície do solo, a zona radicular do solo, o

aquífero raso, e o aquífero profundo. A zona radicular do solo é subdividida em várias camadas de acordo com a base de dados dos solos.

O balanço de água para o aquífero raso inclui recarga de águas subterrâneas, a ascensão capilar para o perfil do solo, o fluxo lateral e a percolação para o aquífero profundo. O balanço hídrico para a superfície do solo e coluna de solo, no modelo, inclui a precipitação, o escoamento superficial, evapotranspiração, o escoamento subsuperficial e a percolação (CONRADT et al., 2013).

Koch et al., (2013) destacam que o módulo de reservatórios foi desenvolvido para o SWIM com o objetivo de contribuir para os estudos de impacto em bacias hidrográficas e a representação adequada de processos naturais e dos processos influenciados pela gestão da terra e da água. Esse módulo tem a finalidade de simular os impactos da operação dos reservatórios, e possui três opções de gerenciamento: (i) volume mínimo e máximo do reservatório, vazões mínimas (Qmin); (ii) descarga para geração de eletricidade; (iii) e descarga variando com o nível da água (volume); podendo ser ―negativos‖ ou ―positivos‖.

Além do módulo de reservatórios, Lobanova et al. (2017) destacam o desenvolvimento do módulo de alocação da água, que permite a retirada de volumes de água de seções de rios ou reservatórios. A demanda de água pode ser incluída com dados diários ou mensais. Volumes abstratos podem ser alocados para usuários de água, tais como esquemas de irrigação ou abastecimento público, fora do sistema (bacia hidrográfica) ou para usuários de água dentro do sistema.

A representação das culturas agrícolas e vegetação natural se apresenta como uma interface importante entre o clima, a hidrologia e os nutrientes, este permite simular todas as culturas como: trigo, cevada, milho, batata, alfafa, e outros, utilizando os valores dos parâmetros únicos para cada cultura, que foram obtidos em diferentes estudos de campo. Permite também simular o crescimento da cultura em uma estrutura distribuída para modelar grandes bacias e regiões (KOCH et al., 2015).

O módulo de nitrogênio inclui as seguintes opções: nitrato, nitrogênio orgânico ativo e estável, nitrogênio orgânico no resíduo vegetal, enquanto o módulo de fósforo inclui: fósforo instável, fósforo mineral estável e ativo, fósforo orgânico e fósforo no resíduo vegetal. A saída de nutrientes para as águas superficiais e lixiviação para as águas subterrâneas são mais importantes para o nitrogênio, ao passo que o fósforo é transportado principalmente com a erosão (KRYSANOVA et al., 2015).