MODELAGEM HIDROLÓGICA DE VAZÕES NA BACIA AMAZÔNICA UTILIZANDO O MODELO SWAT

MODELAGEM HIDROLÓGICA DE VAZÕES NA BACIA AMAZÔNICA

UTILIZANDO O MODELO SWAT

Celso Bandeira de Melo Ribeiro 1_{* & Danielle de Almeida Bressiani} 2_{& Otto Corrêa Rotunno}

Filho 3

Resumo – A região amazônica desperta crescente interesse da comunidade científica mundial

devido aos serviços ambientais prestados pela sua densa floresta para a regulação do clima e suprimento hídrico. Mesmo com diversos esforços de entidades de gestão ambiental e centros de pesquisa, essa região ainda pode ser considerada precariamente monitorada, principalmente tendo em vista sua grande importância regional e global. Modelos chuva-vazão apresentam-se como uma boa alternativa para a estimativa de vazões em locais inacessíveis ou de difícil monitoramento. O objetivo do presente trabalho foi simular o escoamento na bacia amazônica mediante o emprego do modelo hidrológico semidistribuído SWAT (Soil and Water Assessment Tool), adotando-se, como referência, a vazão observada na estação fluviométrica de Óbidos. Destaca-se o preparo de uma base dados com parâmetros físicos, incluindo uso e ocupação do solo, topografia e tipos de solo, e parâmetros climáticos abrangendo o período de 1985 até 2012, com freqüência diária. A abordagem metodológica proposta permitiu simular hidrogramas bastante aderentes aos valores observados de vazão em Óbidos, propiciando melhor entendimento dos processos hidráulico-hidrológicos na bacia amazônica e subsídios para o planejamento e tomada de decisão no que tange ao gerenciamento dos recursos hídricos dessa importante região hidrográfica.

Palavras-Chave – Modelagem Hidrológica, Modelo SWAT, Bacia Amazônica.

STREAMFLOW MODELING IN THE AMAZON BASIN USING SWAT

due to environmental services provided by its dense forest with respect to climate regulation and freshwater. Despite many efforts of environmental management and research organizations, the Amazon basin can still be considered poorly monitored specially taking into account its local, regional and global importance. On the other hand, rainfall-runoff models are presented as a good alternative to estimate streamflows especially for remote locations; inaccessible or difficult to reach. The objective of this work is to simulate streamflows for a representative portion of the Amazon basin using the semidistributed hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool), adopting as reference the observed streamflow at Óbidos gauge station. We emphasize that a database was specially prepared with physical parameters, such as land use, topography and soil types, and weather data encompassing the years from 1985 to 2012, at a daily time step. The proposed methodological approach allowed producing hydrographs quite adherent to the measured data retrieved from Óbidos gauge station, providing better comprehension of the hydraulic-hydrologic processes in the Amazon basin and support for planning and decision making with respect to the management of water resources in this important hydrographic region.

Keywords – Hydrologic Modeling, SWAT model, Amazon basin.

* 1_{Universidade Federal de Juiz de Fora – Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - ESA/UFJF, MG, celso.bandeira@ufjf.edu.br.} 2 _{Universidade de São Paulo – Doutoranda em Hidráulica e Saneamento – EESC/USP, daniebressiani@gmail.com.}

INTRODUÇÃO

Sob a ótica da sustentabilidade ambiental, a bacia amazônica tem despertado interesse da comunidade científica mundial, devido a sua influência nos mecanismos de controle do equilíbrio dos ciclos hidrológico e climatológico em nível local, regional e mundial. Pode-se dizer que o entendimento preciso dos processos ambientais controlados pela Amazônia está atualmente entre os grandes desafios da atualidade.

A precária distribuição de estações hidrometeorológicas na região amazônica põe em evidência o potencial de uso das técnicas de modelagem distribuída e semidistribuída em conjunto com informações oriundas de sensoriamento remoto e de reanálise para obtenção de diversas características hidráulico-hidrológicas e morfométricas, fornecendo, assim, uma quantidade muito grande de informações espacializadas. Essas informações apresentam-se como importante alternativa para obtenção de dados adicionais para compreensão dos processos hidrológicos de grande escala bem como da correspondente dinâmica de manifestação em escalas de diferentes níveis de resolução. Por outro lado, as medições in situ continuam a ser essenciais, tanto para a calibração quanto para a validação dos dados obtidos por meio da modelagem físico-matemática propriamente dita.

Vale ressaltar que, apesar das dificuldades logísticas impostas pela densa floresta para implantação e operação de estações de monitoramento pluviométrico, fluviométrico e climatológico da região amazônica, algumas dezenas de estações encontram-se em operação e são mantidas por instituições brasileiras relacionadas ao gerenciamento dos recursos naturais, tais como: Agência Nacional de Águas – ANA, Serviço Geológico do Brasil – CPRM e Instituto Nacional de Meteorologia – INMET. Por exemplo, o projeto LBA (Large Scale Biosphere Atmosfphere

Experiment) e, mais recentemente, o projeto GOAmazon), ambos envolvendo cooperação científica

internacional, representam esforços importantes na instalação de estações de monitoramento de diversos parâmetros hidrometeorológicos na região.

Entretanto, mesmo diante desses esforços de monitoramento, a região amazônica ainda pode ser considerada precariamente monitorada quando levada em conta a sua grande importância regional e global. Diante desse referencial, este trabalho propõe-se a desenvolver uma modelagem hidrológica de vazões em parte significativa da bacia amazônica, mais especificamente até a estação de Óbidos, a mais próxima ao exutório da bacia com dados observados, utilizando o modelo SWAT (Soil and Water Assesment Tool).

METODOLOGIA O modelo SWAT

O SWAT é um modelo conceitual, semidistribuído, contínuo no tempo e que opera normalmente em um passo de tempo diário (ARNOLD et al., 1998). O SWAT é capaz de simular o escoamento superficial e subsuperficial, erosão do solo e produção de sedimentos, deposição de sedimentos, e movimento de nutrientes através da bacia hidrográfica. Esse modelo foi desenvolvido para simular grandes bacias, sendo capaz de simular longos períodos de tempo de forma a contabilizar os efeitos de mudanças de uso e manejo do solo.

O SWAT subdivide a bacia hidrográfica em sub-bacias, que, por sua vez, são divididas em unidades de resposta hidrológica (HRU’s). As HRU’s são resultantes de uma combinação homogênea de características de tipos de solo, cobertura do solo e declividades do terreno e não são espacialmente identificadas dentro das sub-bacias. O SWAT é aceito internacionalmente como um modelo robusto e versátil de bacias hidrográficas, tendo sido aplicado em diversos estudos mundialmente e em mais de 110 estudos publicados em bacias hidrográficas brasileiras (BRESSIANI et al., 2015). O sistema apresenta uma interface georreferenciada em sistema de informação geográfica ArcGis e requer um conjunto de informações, tais como: modelo digital do

terreno, mapa de uso e ocupação do solo e mapa pedológico. Alguns parâmetros físicos do solo e da cobertura do terreno também são requeridos, tais como informações sobre o grupo hidrológico do solo do método CN-SCS (curva-número do Soil Conservation Service - Estados Unidos), a partir do qual são estimados os valores de CN para cada unidade hidrológica. Além disso, é necessário também alimentar o modelo com dados meteorológicos, tais como: precipitação, radiação solar, velocidade do vento, umidade relativa e temperaturas máximas e mínimas.

Área de Estudo

A bacia amazônica (Figura 1) compreende a maior bacia hidrográfica do mundo, com aproximadamente 6.112.000 km2 _{, ocupando territórios do Brasil, Peru, Equador, Bolívia,}

Colômbia, Venezuela e Guiana. Sua área de drenagem cobre cerca de um terço do continente sul- americano e contribui com um quinto da água doce lançada por rios nos oceanos (UNEP, 2004). As cabeceiras do rio Amazonas encontram-se a cerca de 6.500 km de distância da foz, no Oceano Atlântico, e o rio Amazonas apresenta uma vazão média de 209.000 m3_{/s. Ao longo do seu}

percurso, ele recebe contribuições de inúmeros afluentes, dos quais 14 possuem comprimentos superiores a 1.000 km (MOLINIER et al., 1993).

Uma ampla revisão sobre estudos hidrológicos na região amazônica, ou parte de sua área, pode ser encontrada, por exemplo, nos trabalhos desenvolvidos por Getirana (2009) e por Xavier (2012). Verifica-se que essa região tem motivado o desenvolvimento de pesquisas no mundo inteiro em diversas áreas do conhecimento (CHAPELON et al., 2002; COE et al.; 2002; COSTA e FOLEY, 1997; FRAPPART et al., 2008; HESS et al., 2003; MARENGO et al., 1994).

Figura 1 – Localização da bacia Amazônica no continente sul-americano.

Dados meteorológicos

Os dados meteorológicos foram obtidos através de 40 estações meteorológicas do INMET – Instituto Nacional de Meteorologia, conforme apresenta a Tabela 1. Através dessas estações, foi possível calcular as estatísticas necessárias para o modelo executar a simulação. Cabe ressaltar que foram utilizados, também, dados de precipitação de 204 estações pluviométricas da ANA.

Tabela 1 – Estações meteorológicas utilizadas para alimentar o modelo SWAT

Nome da Estação Latitude (Graus) Longitude (Graus) Elevação (metros)

ALTAMIRA -3,21 -52,21 74,04 ARAGUAINA -7,2 -48,2 228,52 BARCELOS -0,96 -62,91 40 BELEM -1,43 -48,43 10 BELTERRA -2,63 -54,95 175,74 BENJAMIN_CONSTANT -4,38 -70,03 65 BOA_VISTA 2,82 -60,66 83 BREVES -1,68 -50,48 14,74 CAMETA -2,25 -49,5 23.9 CARACARAI 1,83 -61,12 60 COARI -4,08 -63,13 46 CODAJAS -3,83 -62,08 48 CONCEICAO_DO_ARAGUAIA -8,26 -49,26 156,85 CRUZEIRO_DO_SUL -7,6 -72,66 170 EIRUNEPE -6,66 -69,86 104 FONTE_BOA -2,53 -66,16 55,57 IAUARETE 0,61 -69,18 120 ITACOATIARA -3,13 -58,43 40 ITAITUBA -4,28 -55,98 45 LABREA -7,25 -64,83 61 MACAPA -0,05 -51,11 14,46 MANAUS -3,1 -60,01 61,25 MANICORE -5,81 -61,3 50 MARABA -5,36 -49,13 95 MONTE_ALEGRE -2 -54,1 145,85 OBIDOS -1,91 -55,51 37 PARINTINS -2,63 -56,73 29 PEDRO_AFONSO -8,96 -48,18 187 PEIXE -12,01 -48,35 242,49 PORTO_DE_MOZ -1,73 -52,23 15,93 PORTO_NACIONAL -10,71 -48,41 239,2 RIO_BRANCO -9,96 -67,8 160 S_G_DA_CACHOEIRA_UAUPES -0,11 -67 90 SAO_FELIX_DO_XINGU -6,63 -51,96 206 SOURE -0,73 -48,51 10,49 TAGUATINGA -12,4 -46,41 603,59 TARAUACA -8,16 -70,76 190 TEFE -3,83 -64,7 47 TRACUATEUA -1,06 -46,9 36 TUCURUI -3,76 -49,66 40

Dados topográficos, uso e ocupação do solo e dados de solo

O modelo digital de elevação do terreno foi obtido a partir da base de dados mundial TOPODATA, com resolução de 1 km. O mapa de solos, com resolução de 5 km, foi obtido na base de dados mundial ISRIC. O mapa de uso e ocupação do solo foi obtido pelo sensor MODIS, com resolução de 1 km.

RESULTADOS

A Figura 2 apresenta a divisão em 3221 sub-bacias, com área média de 1.800 km2_{. A Figura}

3 ilustra, na cor azul, os exutórios das sub-bacias, gerados automaticamente pelo modelo SWAT, e, na cor vermelha, os exutórios gerados manualmente, para melhor representar a região e manter a mesma ordem de grandeza das áreas das sub-bacias. Nesses pontos, é possível obter dados dos parâmetros hidrológicos simulados.

Figura 2 – Representação da discretização em sub-bacias no projeto do modelo SWAT para a bacia Amazônica.

O resultado da simulação de vazões foi comparado com os valores observados na estação fluviométrica de Óbidos (Figura 4), operada pela Agência Nacional de Águas – ANA. Essa estação foi escolhida por ser a estação localizada mais a jusante do rio Amazonas.

Figura 3 – Representação das seções exutórias no projeto do SWAT, para a bacia Amazônica.

A Figura 5 apresenta o hidrograma de vazões simulado pelo modelo SWAT e o observado na estação fluviométrica de Óbidos, assim como a precipitação observada, em passo de tempo mensal, para o período de janeiro/1987 a maio/2012.

Figura 5 – Comparação entre o hidrograma observado e o hidrograma simulado pelo modelo.

CONCLUSÕES

O presente estudo possibilitou o preparo de uma base de dados com parâmetros físicos e climáticos para a bacia Amazônica para a realização de modelagem semidistribuída com o modelo SWAT. Essa base de dados, por mais que possua suas limitações e incertezas, possibilitou a modelagem hidrológica, assim como permite subsidiar outras aplicações na região.

Os resultados da simulação de vazões pelo modelo SWAT, ainda que não calibrado, apresentaram uma tendência e sazonalidade bastante próxima dos valores de vazões observados na estação fluviométrica de Óbidos. Dessa forma, é possível afirmar que o modelo SWAT com a base de dados desenvolvida, mostra-se potencialmente adequado para simular a vazão na bacia Amazônica.

Ressalta-se que, para uma maior precisão dos valores de vazões simulados, será necessária a condução de futuros estudos de calibração e validação do modelo, no sentido de ajustar alguns parâmetros de entrada, para adequar e avaliar os resultados da simulação em diferentes regiões da bacia, etapa que está em desenvolvimento para apresentação em oportunas publicações.

Acreditamos que o uso do modelo do SWAT para a bacia Amazônica pode propiciar melhor entendimento dos processos hidráulico-hidrológicos e subsídios para o planejamento e tomada de decisão relacionados ao gerenciamento dos recursos hídricos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio concedido pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, através do programa Ciência Sem Fronteiras, pelas Fundações de Amparo à Pesquisa dos Estados de Minas Gerais (FAPEMIG), São Paulo (FAPESP) e Rio de Janeiro (FAPERJ). Agradecem, especialmente, ao apoio do Professor R. Srinivasan e ao Prof. Binayak P, Mohanty, bem como de toda a equipe da Vadose Zone Research Group – VZRG da Texas A&M University.

REFERÊNCIAS

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