UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ - UNIVALI
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR – CTTMAR CURSO DE OCEANOGRAFIA
APLICAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO SWAT PARA A BACIA HIDROGRÁFICA
DO RIO ITAJAÍ-AÇU (SC, BRASIL).
MARINA GARCIA PACHECO
Itajaí 2011
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ - UNIVALI
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR – CTTMAR CURSO DE OCEANOGRAFIA
APLICAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO SWAT PARA A BACIA HIDROGRÁFICA
DO RIO ITAJAÍ-AÇU (SC, BRASIL).
MARINA GARCIA PACHECO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Oceanógrafo.
Orientador: João Thadeu de Menezes
Itajaí 2011
i
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Zoraide e Leonardo, pelo carinho, apoio e
compreensão que tornaram
possível a realização de mais uma etapa da minha vida. Amo vocês.
ii
AGRADECIMENTOS
Ao meu irmão, Felipe, pela amizade e pelos incentivos.
À minha avó, Maria Amélia, pelo carinho e pela incansável preocupação comigo.
Ao Professor João Thadeu, pela orientação, amizade e sugestão do tema do presente trabalho.
Ao Jimmy e à Paula, pelas inúmeras ajudas com o modelo SWAT.
Aos colegas do Laboratório de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto, pelas ajudas, incentivos e experiências compartilhadas.
Aos colegas de turma pela amizade e convivência no decorrer desses cinco anos. À CIRAM/EPAGRI, pela disponibilização de dados climáticos.
iii SUMÁRIO DEDICATÓRIA ... i AGRADECIMENTOS ... ii LISTA DE TABELAS ... v LISTA DE FIGURAS ... vi
LISTA DE SÍMBOLOS ... vii
RESUMO ... viii 1 INTRODUÇÃO ... 1 2 OBJETIVOS... 2 2.1 Objetivo Geral ... 2 2.2 Objetivos Específicos ... 2 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 3 3.1 Bacias Hidrográficas ... 3 3.2 Ciclo Hidrológico ... 3 3.3 Erosão... 4 3.4 Hidrologia e Hidrossedimentologia ... 7 3.5 Modelagem Hidrológica ... 8 3.6 O modelo SWAT ... 10 3.6.1 Ciclo Hidrológico ... 11 3.6.2 Escoamento Superficial ... 12 3.6.3 Evapotranspiração ... 13 3.7 Geoprocessamento e SIG ... 14 4 METODOLOGIA ... 15 4.1 Área de Estudo ... 15 4.1.1 Clima ... 16 4.1.2 Hidrografia ... 16
iv
4.2 Processo de Funcionamento do modelo SWAT ... 19
4.3 Dados de entrada para a delimitação e caracterização da bacia hidrográfica no modelo SWAT ... 20
4.3.1 Modelo Numérico de Terreno... 20
4.3.2 Classificação de uso e ocupação do solo ... 21
4.3.3 Classificação do tipo de solo ... 21
4.3.4 Hidrografia ... 22
4.3.5 Estações Fluviométricas ... 22
4.3.6 Estações Climatológicas ... 23
4.3.7 Estações Pluviométricas ... 24
4.4 Calibração do Modelo SWAT ... 26
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 28
5.1 Modelo Numérico de Terreno ... 28
5.2 Sub-bacias e Cursos de Água ... 29
5.3 Classificação do Tipo de Solo ... 31
5.4 Classificação de Uso e Ocupação do Solo ... 32
5.5 Simulação do Modelo SWAT ... 33
5.5.1 Análise de Sensibilidade e Calibração ... 33
5.6 Vazão e Produção de Sedimentos ... 39
5.6.1 Avaliação Espacial ... 39
5.6.2 Avaliação Temporal ... 43
6. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 46
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 48
8. ANEXOS ... 53
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Estações fluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 23
Tabela 2: Estações climatológicas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 23
Tabela 3: Estações pluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 25
Tabela 4: Sub-bacias geradas pelo SWAT com suas respectivas áreas e elevações médias. ... 30
Tabela 5: Tipos de solo para a bacia do rio Itajaí-Açu e suas áreas correspondentes. ... 31
Tabela 6: Tipos de uso e ocupação do solo para a bacia do rio Itajaí-Açu e suas áreas correspondentes. ... 32
Tabela 7: Parâmetros modificados na calibração e sua descrição. ... 34
Tabela 8: Valores originais e ajustados dos parâmetros modificados na calibração. ... 35
Tabela 9: Valores de COE e R² obtidos com a calibração. ... 35
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Componentes do ciclo hidrológico. Modificado de Neitsch et al., 2002. ... 4 Figura 2: Área de estudo: bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 15 Figura 3: Principais cursos de água da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 17 Figura 4: Divisão da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu em Alto Vale, Médio Vale e Baixo Vale. ... 18 Figura 5: Processo de funcionamento do modelo SWAT.(Machado, 2002). ... 19 Figura 6: Localização geográfica das estações climatológicas, fluviométricas e pluviométricas na área de estudo. ... 26 Figura 7: Modelo numérico de terreno obtido para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. .... 28 Figura 8: Sub-bacias e malha hidrográfica geradas pelo modelo SWAT e outlets inseridos manualmente. ... 29 Figura 9: Classificação do tipo de solo para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 32 Figura 10: Classificação de uso e ocupação do solo para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. ... 33 Figura 11: Ranking dos parâmetros obtido com a análise de sensibilidade do modelo SWAT. ... 34 Figura 12: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 4. ... 36 Figura 13: Valor de R² encontrado para a sub-bacia 4. ... 36 Figura 14: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 26. ... 37 Figura 15: Valor de R² encontrado para a sub-bacia 26. ... 37 Figura 16: Distribuição espacial da média diária de vazão por sub-bacia (m³/s). ... 39 Figura 17: Distribuição espacial da média diária de produção de sedimentos por sub-bacia (ton/ha). ... 41 Figura 18: Distribuição espacial da média diária de precipitação por sub-bacia (mm). ... 42 Figura 19: Médias diárias por mês de precipitação, vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de simulação. ... 43 Figura 20: Médias diárias por ano de precipitação, vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de simulação. ... 44
vii
LISTA DE SÍMBOLOS
Sol_Awc: Capacidade de água disponível no solo.
Canmx: Armazenamento máximo de água no dossel vegetativo (mm H2O).
Esco: Fator de compensação da evaporação do solo. Blai: Índice de potencial máximo de área foliar da planta.
Gwqmn: Profundidade de água subterrânea requerida para que o retorno do fluxo ocorra (mm H2O).
Revapmn: Profundidade da água limite no aqüífero raso para ocorrer o retorno do fluxo (mm).
Sol_Z: Profundidade de cada horizonte do solo (mm).
Alpha_Bf: Fator do fluxo de base, ou constante de recessão. Define-se como a taxa na qual a água subterrânea retorna ao rio (dias).
Sol_K: Condutividade hidráulica saturada (mm/h). Slope: Declividade média (m/m).
Cn2: Valor da curva número inicial do Soil Conservation Service (SCS). Gw_Revap: Coeficiente de re-evaporação da água subterrânea.
Epco: Fator de compensação de retirada das plantas.
Ch_K2: Condutividade hidráulica efetiva em aluviões do canal principal (mm/h). Sol_Alb: Albedo do solo.
Biomix: Eficiência de mistura biológica.
Gw_Delay: Tempo de retardo para recarga do aqüífero (dias). Surlag: Tempo de retardo do escoamento superficial. Ch_N2: Valor de "n"para o canal principal (mm/h). Slsubbsn: Comprimento da declividade média (m).
viii
RESUMO
Modelos hidrológicos são importantes ferramentas para avaliar o impacto que diferentes práticas de agricultura e de uso e ocupação do solo causam na erosão do solo e sua influência na vazão dos rios em função das condições climáticas do local. O presente trabalho teve como objetivo aplicar o modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment
Tool) para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu (SC, Brasil), para o período de 1995 a 2005, e
testar a eficiência do modelo para a área de estudo. Foi realizado um levantamento de dados climáticos diários tais como precipitação, temperatura máxima e mínima, velocidade média de vento, umidade relativa do ar e de dados geocartográficos, como uso e ocupação do solo, tipo de solo e modelo numérico de terreno, que serviram para caracterização e delimitação da área da bacia hidrográfica. Com os resultados obtidos com a simulação inicial do modelo SWAT observou-se que os valores de vazão simulados não estavam de acordo com os dados medidos, portanto foi realizada a calibração para as sub-bacias 4 e 26. Após o ajuste dos parâmetros, foi utilizado o valor de COE (Coeficiente de Eficiência de
Nasch-Sutcliffe) para testar a eficiência da simulação, sendo obtido o valor de 0,53 para a sub-bacia
4, e o valor de -0,92 para a sub-bacia 26, valores insuficientes para se considerar a simulação realizada pelo modelo satisfatória para ambas sub-bacias, visto que o valor de COE deve ser de no mínimo 0,7; portanto optou-se em considerar os valores de vazão e produção de sedimentos para cada sub-bacia apenas de forma qualitativa e não de forma quantitativa. Para a avaliação espacial observou-se que as maiores contribuições sedimentares encontradas para a área da bacia hidrográfica estiveram principalmente relacionadas com o tipo de solo encontrado para as sub-bacias correspondentes, pois são solos que apresentam um alto índice erosivo. Já na avaliação temporal, os meses que apresentaram as maiores vazões e produção de sedimentos foram os meses compreendidos entre outubro e fevereiro devido às fortes chuvas características dessa época do ano. Para as médias diárias por ano, 1997 e 1998 tiveram os maiores valores de vazão e produção de sedimentos para todo o período estudado e está relacionado com o evento de El Niño que ocorreu neste período e aumentou significantemente os valores de precipitação para o sul do Brasil.
1 INTRODUÇÃO
O intenso desenvolvimento urbano e a degradação de áreas florestais para práticas de agricultura em áreas de bacias hidrográficas afetam substancialmente o escoamento superficial no solo acarretando na erosão de expressivas cargas sedimentares que serão destinadas ao exutório.
A erosão do solo pode causar diversos problemas ambientais e sociais tais como assoreamento de rios com consequentes inundações, turbidez da água, diminuindo assim sua qualidade para abastecimento público, redução da capacidade de reservatórios, entre outros.
A gestão integrada dos recursos hídricos, os riscos de degradação dos solos, dos leitos dos rios e dos ecossistemas fluviais e estuarinos, ou de contaminação dos sedimentos por produtos químicos, levaram a dar maior atenção aos problemas que podem decorrer das alterações dos ciclos hidrossedimentológicos naturais (TUCCI, 1993).
Devido à complexidade dos eventos que ocorrem numa bacia hidrográfica, a modelagem se torna de extrema importância para a simulação dos ciclos hidrológico e sedimentar que ocorrem na mesma. A dinâmica da natureza e a interação com os processos hidráulicos e hidrológicos que governam as condições de fluxo em bacias hidrográficas necessitam a utilização de modelos hidrológicos que permitam a interação desses processos para melhores simulações (GUL & ROSBJERG, 2010).
O modelo hidrológico SWAT é um modelo matemático que permite integrar e simular os diversos eventos climáticos e processos físicos que ocorrem em bacias hidrográficas, tais como evaporação, infiltração, escoamento superficial, entre outros, possibilitando que o modelador observe os diferentes comportamentos da bacia hidrográfica em relação à vazão e produção de sedimentos sob diferentes condições de gestão.
A aplicação de modelos hidrológicos é muito utilizada em associação com interfaces de SIG (Sistema de Informação Geográfica), devido às facilidades que estas interfaces apresentam para a compilação de dados espacialmente localizados por toda a extensão da área de estudo e pela facilidade de inserção dos diferentes requisitos de entrada exigidos pelos
2 modelos, tais como mapas de tipo de solo, uso e ocupação do solo, e ainda possibilitam uma melhor visualização e interpretação dos resultados obtidos com as simulações.
Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo testar a aplicabilidade do modelo SWAT para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu integrando os diversos processos que ocorrem na mesma.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Aplicar o modelo hidrológico SWAT para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu. 2.2 Objetivos Específicos
Realizar o levantamento de dados climáticos disponíveis para a área da bacia hidrográfica para o período estudado;
Executar a calibração do modelo a partir de dados de vazão disponíveis para a área de estudo;
Avaliar espacialmente a produção de água e sedimentos para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu para o período de simulação;
Avaliar temporalmente a produção de água e sedimentos para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu para o período de simulação.
3 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Bacias Hidrográficas
A bacia hidrográfica pode ser definida como uma unidade física, caracterizada como uma área de terra drenada por um determinado curso d’água e limitada, perifericamente, pelo chamado divisor de águas (MACHADO, 2002).
Segundo Santos (2000 apud SANTOS & RIZZI, 2010), a bacia hidrográfica é a melhor unidade territorial de investigação, pesquisa e planejamento, devido à possibilidade de observação de fenômenos naturais ou antrópicos que refletem seus resultados diretamente em determinado limite observável da paisagem.
Guerra et al.(1999) definem a bacia hidrográfica como sendo a unidade ideal de análise da superfície terrestre, na qual é possível reconhecer e estudar as inter-relações existentes entre os diversos elementos da paisagem e os processos que atuam na sua esculturação, sendo dessa forma a melhor unidade de planejamento de uso de terras, levando vantagens em relação a outras unidades delimitadas segundo outros critérios, como climáticos ou políticos, por exemplo.
De acordo com Garcez & Alvarez (1988) também pode-se conceituar bacia hidrográfica como sendo uma área definida e fechada topograficamente num ponto do curso de água, de forma que toda a vazão afluente possa ser medida ou descarregada através desse ponto; e ainda pode se considerar sinônimo de bacia hidrográfica os seguintes termos: bacia de captação, bacia imbrífera, bacia coletora, bacia de drenagem superficial, bacia hidrológica, bacia de contribuição.
3.2 Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico (Figura 1) é o fenômeno global de circulação fechada da água entre a
superfície terrestre e a atmosfera (TUCCI, 1997). Os fatores que impulsionam o ciclo hidrológico são a energia térmica solar, a força dos ventos, que transportam vapor d’água para os continentes, a força da gravidade responsável pelos fenômenos da precipitação, da infiltração e deslocamento das massas de água. Os principais componentes do ciclo hidrológico são a precipitação, a evaporação, a transpiração das plantas, a percolação, infiltração e a drenagem (TUNDISI, 2003).
4
Figura 1: Componentes do ciclo hidrológico. Modificado de Neitsch et al., 2002.
Entende-se por precipitação a água proveniente do vapor de água da atmosfera depositada na superfície terrestre de qualquer forma, como chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada (PINTO et al., 1976).
Evaporação é o conjunto dos fenômenos de natureza física que transformam em vapor a água da superfície do solo, a dos cursos de água, lagos reservatórios de acumulação e mares. A água que atinge o solo segue diversos caminhos. Como o solo é um meio poroso, há infiltração de toda precipitação que chega ao solo, enquanto a superfície do solo não se satura. A partir do momento da saturação superficial, à medida que o solo vai sendo saturado a maiores profundidades, a infiltração decresce até uma taxa residual, com o excesso não infiltrado da precipitação gerando escoamento superficial (TUCCI, 1997).
3.3 Erosão
A erosão é o fenômeno da desagregação e remoção das partículas do solo, sendo que esta pode ocorrer devido aos agentes ativos, principalmente a água e o vento, e passivos, os quais se destacam a topografia, o tipo de solo e a cobertura vegetal, ou ainda ter seu
5 processo acelerado devido às ações humanas de práticas de uso do solo (LIMA, 2003; LOPES, 2008).
A erosão ocorre em três etapas, sendo a primeira a desagregação, posteriormente, o transporte e, finalmente, a sedimentação das partículas (LOPES, 2008).
Já Galeti (1972), ainda descreve as etapas acima citadas da seguinte maneira:
1ª Fase: Desagregação
A desagregação constitui-se numa fase de choque, de impacto, de batida contra a superfície do solo. A natureza do solo (textura, estrutura, cultivo, etc.) e a cobertura (quantidade e tipo) influem na intensidade da desagregação. Esta fase é tão importante, que é considerada, por alguns especialistas, como um tipo de erosão.
2ª Fase: Transporte
Depois de soltas, as partículas minerais e orgânicas são transportadas. É preciso considerar, no transporte, o tamanho das partículas, a força do agente, a topografia do terreno e a presença ou ausência de obstáculos (vegetação, pedras, etc.)
3ª Fase: Deposição
A deposição é a parada do material e consequentemente o fim do transporte. Isto se verifica quando o agente perde a sua força, diminuindo sua velocidade ou volume; ou porque encontra um obstáculo que o faça mudar de direção ou que se coloque à frente do material transportado retardando o seu movimento ou mesmo forçando a sua parada.
De acordo com Lima (2003); Guerra et al. (1999), os elementos de maior influência no processo erosivo são as chuvas, e o consequente escoamento superficial, o relevo, cobertura vegetal/uso do solo e a natureza do solo.
Chuva: é um elemento climático que exerce a principal influência na erosão hídrica do solo, principalmente através de sua intensidade, volume e frequência, características estas que são fundamentais no que se refere ao impacto das gotas da chuva no solo e em relação ao volume e velocidade da enxurrada.
6 A erosão do solo responde tanto à quantidade total de chuva e às diferenças na intensidade da chuva, no entanto, a variável dominante é a intensidade e energia da precipitação, ao invés apenas da quantidade de precipitação (NEARING et al., 2005)
O escoamento superficial, como complemento da ação erosiva das chuvas, exerce as ações de remoção, transporte e deposição das partículas do solo. O volume de escoamento, que determina o poder erosivo, depende da quantidade de chuva precipitada, da capacidade de infiltração do solo e da capacidade de retenção do fluxo d’água na superfície do solo (DUNE & LEOPOLD, 1978 apud LIMA, 2003).
Relevo: O relevo representa significativa importância na erosão hídrica devido a sua característica de potencializar o processo de erosão, pelo fato de exercer influência sobre o volume e a velocidade da enxurrada.
Cobertura vegetal e uso do solo: A cobertura vegetal natural ou alterada pelo homem constitui-se em agente protetor do solo contra a erosão e varia conforme o tipo de cobertura e, principalmente, sua densidade.
Bertoni & Lombardi Neto (1993) afirmam que o efeito que a vegetação exerce na proteção do solo, pode ser das seguintes formas: a) proteção direta contra o impacto das gotas de chuva; b) dispersão da água, interceptando-a e evaporando-a antes que atinja o solo; c) decomposição das raízes das plantas que, formando pequenos canais no solo, aumentam a infiltração da água; d) melhoramento da estrutura do solo pela adição de matéria orgânica, aumentando assim sua capacidade de retenção de água; e) diminuição da velocidade de escoamento da enxurrada pelo aumento do atrito na superfície.
Natureza do solo: As características físicas, químicas, mineralógicas e biológicas dos solos lhes proporcionam comportamentos diferentes diante dos agentes erosivos. Esse comportamento é traduzido pela suscetibilidade do solo à erosão, que indica a sua maior ou menor resistência a esse fenômeno.
Segundo Guerra et al. (1999), a erosão do solo deve-se às suas propriedades físicas, principalmente textura, estrutura, permeabilidade e densidade, e às suas propriedades químicas, biológicas e mineralógicas, propriedades estas que serão descritas a seguir.
7 A textura e a estrutura das partículas do solo influem na capacidade de infiltração e de absorção da água da chuva, interferindo no potencial de enxurradas, e em relação à maior ou menor coesão entre as partículas. Já a permeabilidade determina a maior ou menor capacidade de infiltração das águas de chuva, estando diretamente relacionada com a porosidade do solo.
A densidade do solo, relação entre a sua massa total e volume, é inversamente proporcional à porosidade e permeabilidade. Por efeito de compactação do solo, observa-se um aumento de densidade, como resultado da diminuição dos macroporos e, em função disso, o solo torna-se mais erodível.
As propriedades químicas, biológicas e mineralógicas do solo influem no estado de agregação entre as partículas, aumentando ou diminuindo a resistência do solo à erosão.
Já segundo Tucci (2004); Lino (2009), a ação conjunta desses fatores (chuva, relevo, natureza do solo e cobertura vegetal e uso do solo) que irão ocasionar a erosão pode resultar também em diversos problemas referentes aos ambientes aquáticos, tais como:
Perdas de produção agrícola decorrentes do reconhecimento de áreas agricultadas por sedimentos estéreis e do encharcamento das mesmas, resultantes da obstrução de drenos naturais;
Assoreamento de reservatórios, com prejuízos para o abastecimento público e industrial, a recreação e outros usos;
Manutenção de sistemas de irrigação e de drenagem;
Dragagem de vias navegáveis e portos;
Tratamento de água para uso industrial e doméstico, devido ao aumento da turbidez destas águas;
Remoção de sedimentos das zonas atingidas pelas inundações.
3.4 Hidrologia e Hidrossedimentologia
A hidrologia leva em conta todos os parâmetros que entram no fenômeno do ciclo da água dentro do meio ambiente terrestre, os quais são divididos basicamente em três categorias: parâmetros climáticos (precipitação, evapotranspiração e parâmetros secundários ligados
8 aos primeiros, tais como radiações solares, temperaturas, umidade do ar, vento, etc.), parâmetros do escoamento (descargas líquida e sólida e parâmetros secundários ligados aos primeiros como nível da água, características da rede de drenagem, área da bacia delimitada pela rede de drenagem, velocidade, qualidade da água e dos sedimentos transportados, reservatórios naturais e artificiais, etc.), e parâmetros característicos do meio receptor (geologia, topografia, solos, vegetação, urbanização, etc.) (TUCCI, 1993).
Ainda segundo o mesmo autor, em seu movimento rumo à saída de uma bacia hidrográfica, a água por esta interceptada flui sobre (ou dentro) as rochas e os solos que formam ou revestem as vertentes e as calhas da rede de drenagem. Os obstáculos que então encontra determinam os caminhos que ela vai seguir e a velocidade com que se deslocará, e dissipam boa parte de energia de que está provida, ao propiciar que partículas sólidas sejam removidas e transportadas vertente ou rio abaixo, pelo fluxo líquido.
3.5 Modelagem Hidrológica
A modelagem é aplicada devido à complexidade dos processos naturais (LOPES, 2008). Grandes áreas de desenvolvimento e gestão de recursos hídricos requerem uma compreensão dos processos hidrológicos básicos e de simulações da capacidade das bacias hidrográficas (ARNOLD & FOHRER, 2005).
Segundo Kobiyama & Manfroi (1999), os fenômenos naturais são complexos, por isso é necessária uma abordagem básica para compreendê-los fisicamente e de forma genérica, com a utilização de leis empíricas e de hipóteses, o que requer a aplicação da modelagem. Qualquer modelo é uma aproximação à realidade, por isso para que ele tenha um resultado satisfatório é preciso aquisição de dados do fenômeno, que são obtidos com o monitoramento.
Um modelo hidrológico pode ser definido como uma representação matemática do fluxo de água e seus constituintes sobre alguma parte da superfície e/ou subsuperfície terrestre (RENNÓ & SOARES, 2000). Modelos hidrológicos têm sido desenvolvidos a partir da necessidade de entender melhor o comportamento dos fenômenos hidrológicos que ocorrem na bacia hidrográfica, facilitando dessa forma, uma análise quantitativa e qualitativa dos processos do ciclo hidrológico, tais como, precipitação, evaporação,
9 interceptação, infiltração, produção de sedimentos, escoamento superficial e subterrâneo (SANTOS, 2009).
A bacia hidrográfica é o objeto de estudo da maioria dos modelos hidrológicos, reunindo as superfícies que captam e despejam água sobre um ou mais canais de escoamento que desembocam numa única saída (RENNÓ & SOARES, 2000).
Assim como é possível distinguir os principais fenômenos que compõem o ciclo hidrológico (interceptação, evaporação, infiltração, etc), é também possível identificar os processos que regem os deslocamentos das partículas sólidas, cujo conjunto constitui o ciclo hidrossedimentológico. Esses processos são desagregação, extração ou erosão, transporte, decantação (ou sedimentação), depósito e consolidação (TUCCI,1993).
A simulação hidrológica é limitada pela heterogeneidade física da bacia e dos processos envolvidos, o que tem propiciado o desenvolvimento de um grande número de modelos que se diferenciam em função dos dados utilizados, discretização, das prioridades da representação dos processos e dos objetivos a serem alcançados (CHRISTOFOLETTI, 1999
apud LINO, 2009).
A modelagem hidrológica permite verificar a consistência das informações disponíveis (dados observados), que são em geral muito curtas, obtidas a partir das observações hidrológicas nas bacias hidrográficas, e com base nesses dados, os modelos hidrológicos podem ser calibrados, permitindo, por exemplo, a geração de séries sintéticas e a utilização dos modelos como ferramenta de obtenção de dados em bacias não monitoradas (SANTOS, 2009)
Segundo Kobiyama & Manfroi (1999) a simulação é o processo de execução do modelo. Nesta execução, a calibração do modelo é indispensável. Pela natureza da simulação, quanto mais sofisticado o modelo, mais calibrações são necessárias. A calibração do modelo é sempre feita com dados obtidos pelo monitoramento.
Calibração de modelos em escala de bacias hidrográficas é uma tarefa desafiadora por causa das incertezas possíveis que possam existir na forma de simplificação de processos, os processos não contabilizados pelo modelo e ainda processos na bacia que são desconhecidos para o modelador (ABBASPOUR et al., 2007).
10 3.6 O modelo SWAT
O modelo Soil and Water Assessement Tool (SWAT) foi desenvolvido por Jeff Arnold do Serviço de Pesquisas Agrícolas (Agricultural Research Service - ARS) do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA - United States Department of Agriculture).
The Soil and Water Assessmento Tool (SWAT), é um modelo de domínio público e de fonte
aberta e integrada que permite aos usuários inferir modificações para aplicações sob medida, e tem sido amplamente utilizado nos últimos anos para uma série de recursos hídricos e estudos de modelagem de poluição em bacias de tamanhos diferentes (GUL & ROSBJERG, 2010).
SWAT é um modelo computacionalmente eficiente e capaz de realizar contínuas simulações em escalas de longos períodos de tempo (ARNOLD & FOHRER, 2005; GASSMAN et al., 2007) O objetivo do desenvolvimento do modelo foi poder prever o impacto da gestão sobre a água, produção de sedimentos e produtos químicos agrícolas em grandes bacias não monitoradas. Para satisfazer o objetivo, o modelo (a) não requer calibração, visto que a calibração não é possível em bacias não monitoradas; (b) utiliza insumos disponíveis para grandes áreas; (c) é computacionalmente eficiente para operar em grandes bacias em um tempo razoável e (d) é de tempo contínuo e capaz de simular longos períodos, sendo possível a observação dos efeitos das mudanças de gestão (ARNOLD et al., 1998).
O modelo foi desenvolvido para simular processos que envolvem uso e classificação do solo, chuvas e vazão com um elevado nível de detalhamento espacial, permitindo que a bacia hidrográfica seja dividida em sub-bacias que posteriormente serão divididas em função de diversas combinações entre características de uso da terra e solo, que serão então chamadas de unidades de resposta hidrológicas (HRU). O processo de simulação inclui os principais componentes referentes à hidrologia, clima, erosão, temperatura de solo, crescimento da vegetação e práticas de agricultura (JIE et al., 2010).
A subdivisão da bacia permite que o modelo identifique diferenças de evapotranspiração para diferentes práticas de agricultura e solos. O escoamento é previsto separadamente para cada HRU e posteriormente somado para obter o escoamento total da bacia. Isso
11 aumenta a precisão e dá uma descrição física muito melhor do balanço hídrico para a bacia (NEITSCH et al., 2005).
Os dados de entrada no modelo consistem em dados meteorológicos diários tais como temperatura máxima e mínima, velocidade do vento, umidade relativa, evapotranspiração, precipitação e radiação solar. Na ocasião de não existirem alguns desses dados medidos, pode-se solicitar que o modelo simule os mesmos através do gerador climático WGEN pertencente ao modelo.
Ainda se faz necessária a entrada de dados geocartográficos como um modelo numérico de terreno, classificação de uso e ocupação do solo e tipo de solo para a área de estudo.
3.6.1 Ciclo Hidrológico
O ciclo hidrológico simulado pelo SWAT é baseado na equação do balanço hídrico:
Onde:
SWt: é o conteúdo final de água no solo (mm H2O);
SW0: é o conteúdo inicial de água no solo no dia i (mm H2O);
t: é o tempo (dias);
Rday: é a precipitação total no dia i (mm H2O);
Qsurf: é o escoamento superficial total no dia i (mm H20); Ea: é a evapotranspiração total no dia i (mm H2O);
Wseep: é a quantidade de água que entra solo e é armazenada no dia i (mm H2O);
12 3.6.2 Escoamento Superficial
Escoamento superficial ocorre sempre que a taxa de incidência de água à superfície do solo excede a taxa de infiltração. Quando a água inicialmente incide em um solo seco, a taxa de incidência e as taxas de infiltração podem ser semelhantes. No entanto, a taxa de infiltração diminuirá à medida que o solo se torna mais úmido. Quando a taxa de incidência é maior do que a taxa de infiltração, as depressões da superfície começam a preencher e, se a taxa de incidência continuar a ser superior à taxa de infiltração de uma vez, quando todas as depressões da superfície tiverem sido preenchidas, o escoamento superficial começará (NEITSCH et al., 2005).
A equação de escoamento superficial Método SCS de Curva de Número é um modelo empírico que entrou em uso comum na década de 1950. Foi o produto de mais de 20 anos de estudos envolvendo relações chuva-vazão de pequenas bacias hidrográficas rurais em todos os EUA. O modelo foi desenvolvido para fornecer uma base consistente para estimar a quantidade de escoamento sob diferentes condições de uso da terra e tipos de solo.
A equação de escoamento do Método SCS de Curva de Número é (SCS, 1972):
Onde:
Qsurf: é o escoamento superficial total (mm H2O) Rday: é a precipitação total diária (mm H2O)
Ia: é a abstração inicial que inclui armazenamento de superfície, interceptação e infiltração
antes do escoamento superficial (mm H20)
13 Onde CN é a curva de número para o dia, a qual é uma função da permeabilidade do solo, uso do solo e condições antecedentes de água no solo. Os valores para CN estão compreendidos entre 0 e 100, sendo 0 para uma bacia com permeabilidade infinita e 100 para uma bacia totalmente impermeável.
A abstração inicial é, geralmente, aproximadamente 0,2S, portanto a equação inicial se torna:
E o escoamento inicial irá acontecer somente quando Rday > Ia. 3.6.3 Evapotranspiração
Evapotranspiração é um termo coletivo que inclui todos os processos pelos quais a água na superfície da Terra é convertida em vapor d'água. Ele inclui a evaporação do dossel da planta, transpiração, sublimação e evaporação pelo solo (NEITSCH et al., 2005).
3.6.4 Erosão
A erosão e a produção de sedimentos são estimadas para cada HRU através da Equação Universal da Perda de Solo Modificada (MUSLE) descrita inicialmente por Williams em 1975.
Enquanto a USLE, equação anteriormente utilizada para cálculo de produção de sedimentos, utiliza precipitação como um indicador de energia erosiva, a MUSLE usa a quantidade de escoamento para simular a erosão e a produção de sedimentos. A substituição resultou em uma série de benefícios, tais como um aumento na precisão da previsão do modelo e as estimativas de produção de sedimentos para eventos únicos de tempestades podem ser calculadas (NEITSCH et al., 2005).
O SWAT simula a produção de sedimentos utilizando a Equação Universal da Perda de Solo Modificada (MUSLE, Modified Universal Soil Loss Equation):
14 Onde:
Sed: é a produção de sedimentos por dia (toneladas métricas); Qsurf: é o escoamento superficial total (mm H2O/ha);
qpeak: é taxa do escoamento de pico (m³/s); areahru: é a área da HRU (ha);
KUSLE: é o fator USLE de erodibilidade do solo (0.013 toneladas métricas m² hr/(m3 toneladas métricas cm));
CUSLE: é o fator USLE de cobertura e gestão;
PUSLE: é o fator USLE de práticas conservacionistas; LSUSLE: é o fator USLE de declividade;
CFRG: é o fator de fragmentos grossos.
Fórmulas para cada uma dessas variáveis descritas acima podem ser encontradas no manual do modelo SWAT.
3.7 Geoprocessamento e SIG
Modelos de simulação são ferramentas úteis para análise dos processos de bacias hidrográficas e suas interações, e para o desenvolvimento e avaliação de cenários de gestão de bacias hidrográficas. Implementação destes modelos, no entanto, muitas vezes exige a integração de sistemas de informação geográfica (SIG), sensoriamento remoto, e vários bancos de dados para o desenvolvimento dos parâmetros de entrada do modelo e para a análise e visualização dos resultados da simulação (HE, 2001).
De acordo com Gassman et al., (2007), o processo de configuração do SWAT para bacias hidrográficas foi muito facilitado pelo desenvolvimento de interfaces baseadas em SIG, que fornecem um meio simples de traduzir digitalmente dados de usos da terra, topografia e de solo para entradas exigidas pelo modelo.
O sistema SWAT ArcView desenvolvido por DiLuzio et al., (1998), consiste em três componentes principais: (1) pré-processamento gerando parâmetros topográficos para as sub-bacias e parâmetros de entrada do modelo, (2) edição de dados de entrada e execução da simulação; e (3) pós-processamento de visualização gráfica e tabular dos resultados (ARNOLD & FOHRER, 2005).
15 4 METODOLOGIA
4.1 Área de Estudo
O Estado de Santa Catarina está situado nas regiões hidrográficas do Paraná, Uruguai e do Atlântico Sul. É constituído por dois sistemas de drenagem: a Vertente do Interior, que abrange todos os cursos de água que têm suas nascentes localizadas a oeste da Serra Geral e que integram as regiões hidrográficas do Uruguai e do Paraná, e a Vertente Atlântica que abrange todas as bacias hidrográficas dos rios que nascem a leste da Serra Geral e tem sua foz no oceano Atlântico, incluindo a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu (Figura 2).
Figura 2: Área de estudo: bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
A bacia do rio Itajaí-Açu está entre as outras duas maiores bacias da VA (Vertente Atlântica): a bacia do rio Itapocu ao norte, com 2.930 km², e a bacia do rio Tijucas ao sul, com 2.420 km² (SCHETTINI, 2002). Esta bacia é uma das mais expressivas do Estado, tanto nos aspectos de hidrografia quanto nos aspectos socioeconômicos, e possui uma área de drenagem de aproximadamente 15.000 km², sendo composta por sete sub-bacias: Itajaí do Norte,
16 Benedito, Luiz Alves, Itajaí-Açu, Itajaí-Mirim, Itajaí do Sul e Itajaí do Oeste e por 47 municípios (SANTA CATARINA, 1997).
4.1.1 Clima
O clima da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu é mesotérmico úmido, grupo climático Cfa subtropical úmido, com distribuição quase uniforme das chuvas por todos os meses, devido à superposição de três regimes pluviométricos que se confrontam na região sul do Brasil (COMITE DO ITAJAÍ, 2005):
(a) o tropical, com máximas no verão, provenientes das continuidades tropicais; (b) o de frente polar de percurso oceânico, apresentando máximas no outono; e (c) o da frente polar de percurso continental, provocando as chuvas de inverno e de primavera.
A região possui uma temperatura média anual de 20,1° C (Blumenau) e 18,4°C (Ituporanga), temperatura média máxima de 27,2°C (Blumenau), temperatura média mínima de 15,8°C (Blumenau) e temperatura máxima absoluta no verão de 43°C (Blumenau) (FURB, 2011). Do total de chuvas no ano, 15% é de chuvas fracas (0,1 a 1,0 mm); 55% é de chuvas consideradas como regulares (1,0 a 10 mm) e 30% é de chuvas fortes (acima de 10mm). As chuvas mais intensas ocorrem, geralmente, durante a época chuvosa (verão/primavera) e as mais fracas, normalmente no inverno. Os grandes aguaceiros não chegam a atingir 200 mm por dia (Blumenau, 183 mm) durante o verão, já no inverno, estes declinam até 50 mm em 24 horas (SANTA CATARINA, 1999).
4.1.2 Hidrografia
Os rios da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu apresentam um perfil longitudinal bastante irregular no curso superior, onde a topografia é acidentada. No curso inferior, os rios formam meandros, apresentando perfis longitudinais de baixas declividades, caracterizando-se como rios de planície.
O maior curso d'água desta bacia é o rio Itajaí-Açu, suprido por 54 rios e ribeirões, sendo os principais formadores os rios Itajaí do Oeste e Itajaí do Sul como ilustrado na Figura 3. Estes
17 rios se encontram em Rio do Sul, onde, juntos, passam a se chamar rio Itajaí-Açu. Os principais tributários são o rio Itajaí do Norte, que desemboca no rio Itajaí-Açu no município de Ibirama, o rio Benedito e o rio Itajaí-Mirim, que desemboca em Itajaí. O rio Itajaí-Açu percorre cerca de 200 km desde suas nascentes até a foz no Oceano Atlântico, localizada entre as cidades de Itajaí e Navegantes (COMITÊ DO ITAJAÍ, 2005).
Figura 3: Principais cursos de água da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
4.1.3 Geomorfologia
As altitudes na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu variam de 0 (zero) a aproximadamente 1500 metros, sendo esta dividida em função de suas características físicas e morfológicas em 3 regiões: Alto Vale, Médio Vale e Baixo Vale (Figura 4).
18
Figura 4: Divisão da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu em Alto Vale, Médio Vale e Baixo Vale.
O Alto Vale inicia nas nascentes dos rios Itajaí do Sul e Itajaí do Oeste, até Salto dos Pilões, a montante da foz do rio Itajaí do Norte. Com 26 km de extensão, neste trecho, o rio Itajaí apresenta pequena declividade e curso sinuoso (FURB, 2011). Estas características geomorfológicas devem-se por esta região situar-se no Domínio Geomorfológico Cobertura Sedimentar Gondwânica que está inserido na Bacia do Paraná (COMITÊ DO ITAJAÍ, 2010). A região do Médio Vale inicia em Salto dos Pilões, o rio Itajaí-Açu percorre, neste trecho, 83 km até o Salto Weissbach, nas proximidades de Blumenau. Os 12 km iniciais apresentam forte declividade, que posteriormente vai diminuindo gradativamente; em toda a sua extensão apresenta-se sinuoso (FURB, 2011). Nesta região o desgaste do rio é menor, pois as rochas sedimentares existentes já foram erodidas, aflorando nas suas margens as rochas metamórficas do Complexo Granulítico de Santa Catarina e também as rochas efusivas do Grupo Itajaí.
No Baixo Vale do Itajaí, onde ocorre o alargamento da planície sedimentar, as cotas altimétricas muitas vezes são inferiores a 100 metros e o escoamento é menor, sendo que o rio transporta apenas material mais selecionado de granulação mais fina, principalmente
19 areia, silte e argila, iniciando o processo de deposição e surgindo as várzeas e as planícies de aluvião (COMITÊ DO ITAJAÍ, 2010).
4.2 Processo de Funcionamento do modelo SWAT
O procedimento para a simulação no modelo SWAT, ilustrado na Figura 5, está basicamente
divididos em dois processos: inicialmente a delimitação da bacia hidrográfica, a partir de um modelo numérico de terreno, e posteriormente a entrada de dados que caracterizem esta bacia, como dados climáticos, características do solo e de uso e ocupação do solo. Estes dados são tratados e inseridos no modelo através da utilização de um SIG.
20 4.3 Dados de entrada para a delimitação e caracterização da bacia hidrográfica no modelo SWAT
4.3.1 Modelo Numérico de Terreno
Como a topografia é o principal fator determinante nos processos de transporte de materiais, os modelos que tratam da distribuição espacial da água na bacia hidrográfica requerem dados baseados nas características topográficas desta bacia tais como, limites das bacias e sub-bacias, inclinação do terreno, comprimento de rampa, forma do declive, aspecto, canais de drenagem e conexões entre áreas que definirão como a água se move através da paisagem. Estes atributos topográficos podem ser computados a partir de um Modelo Numérico de Terreno (MNT) usando-se uma variedade de técnicas. A estrutura ideal para um MNT depende do objetivo do uso do dado e de como este pode se relacionar com a estrutura de um modelo (MOORE et al., 1993).
Inicialmente, para a delimitação da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu no modelo SWAT, deve-se inserir um modelo numérico de terreno, o qual será o princípio para que, através das altitudes contidas nesse modelo, sejam determinados os caminhos dos cursos de água que se destinarão ao exutório como destino final.
Como arquivos de entrada podem ser inseridos diversos Modelos Numéricos de Terreno e Modelos Digitais de Elevação disponibilizados por diferentes missões, tais como os arquivos da missão SRTM (The Shuttle Radar Topography Mission) e ASTER (Advanced Spaceborn
Thermal Emission and Reflection Radiometer), ambos da NASA. Porém, para a área de
estudo deste trabalho ocorreram falhas na utilização destes modelos no momento em que a bacia hidrográfica era delimitada pelo SWAT, portanto verificou-se a necessidade de uma diferente metodologia para criação de um Modelo Numérico de Terreno.
A metodologia então adotada para a geração de um MNT foi a união das curvas de níveis de 31 cartas digitais, disponibilizadas online pela EPAGRI/CIRAM (Centro de Informações de Recursos Ambientais e de Hidrometeorologia de Santa Catarina / Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina) através da Mapoteca Topográfica Digital de Santa Catarina, referentes aos municípios da área da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
21 Após ter sido realizada a união e algumas correções nestas cartas, foi realizada uma interpolação TIN (Triangular Irregular Network) no software ArcGIS® e gerado então um arquivo de imagem (raster) para que pudesse ser introduzido e corretamente lido pelo modelo.
4.3.2 Classificação de uso e ocupação do solo
Para a realização da classificação de uso e ocupação do solo foram obtidas quatro imagens do satélite LANDSAT-5 TM, obtidas do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) disponibilizadas online através do site do DGI (Direção e Geração de Imagens), duas delas referentes à Órbita/Ponto 220/78 e 220/79 de 04 de fevereiro de 2010, e as outras duas referentes à Órbita/Ponto 221/79 e 221/78 de 16 de abril de 2010.
Após a obtenção das imagens estas foram inseridas no software ArcGIS® 9.2 para georreferenciamento, nesta etapa deve-se atentar que é recomendado que o erro obtido com este processo, o EQM (Erro Quadrático Médio), seja inferior a resolução do pixel da imagem, que no caso era de 30 metros.
Posteriormente, foi realizada a criação de um mosaico das imagens obtidas que englobasse toda a área da bacia hidrográfica e então realizada a metodologia de Classificação Supervisionada, que consiste na criação de polígonos que caracterizem cada classe de uso e ocupação do solo e então criadas assinaturas para estas classes.
Foram ainda realizados procedimentos posteriores para que esta classificação representasse melhor a área de estudo e eliminasse possíveis falhas de caracterização. Áreas que possuíam a presença de nuvens também foram reclassificadas pela classe de uso e ocupação de solo predominante abaixo das mesmas.
4.3.3 Classificação do tipo de solo
O mapa de solo para a área de estudo foi obtido a partir do mapa de solo de Santa Catarina referente ao projeto de “Levantamento e Reconhecimento dos Solos do Estado de Santa Catarina” disponibilizado pela EMBRAPA.
22 Após ser inserido no ArcGIS® e recortado para caracterizar apenas a área de estudo, os solos pertencentes à bacia foram reclassificados para que restassem apenas os solos com maior representatividade na região.
O modelo SWAT possui em seu banco de dados apenas informações referentes aos solos dos Estados Unidos, portanto foi necessário que os dados dos solos pertencentes à área de estudo fossem inseridos manualmente no modelo. As características para cada classe de solo tais como as características de cada camada de cada classe de solo, foram obtidas de Baldissera (2005) e estão apresentadas na Tabela 10 (Anexo A).
4.3.4 Hidrografia
A malha hidrográfica utilizada durante todo o processo da modelagem é automaticamente delimitada pelo modelo SWAT a partir do MNT inserido, por isso a necessidade que este não apresente falhas para a área de estudo.
O modelo reconhece as áreas de maiores e menores altitudes e, a partir disso, determina o percurso dos cursos de água, gerando assim uma malha hidrográfica para toda a bacia. Procedimentos de ajuste desta malha, bem como a determinação do exutório e demais
outlets, podem ser manejados pelo executor para uma melhor representação da área em
questão.
4.3.5 Estações Fluviométricas
Foi realizado um levantamento das estações fluviométricas (Tabela 1, Figura 6) monitoradas pela ANA (Agência Nacional de Águas) disponibilizadas online através do endereço eletrônico http://hidroweb.ana.gov.br/, que continham dados para o período de 1995 a 2005 e que se localizavam por toda extensão da bacia hidrográfica.
Estas estações foram então introduzidas no modelo com suas respectivas localizações para que estes locais fossem determinados como outlets de cada subbacia gerada pelo modelo, podendo-se assim realizar a comparação de dados de vazão medidos e simulados para posterior calibração da simulação inicial.
23
Tabela 1: Estações fluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
Código Estação (ANA) Município Coordenadas UTM Altitude XPR (E) YPR (N) 83029900 Taió 586.184,35 7.008.784,97 0 83050000 Taió 599.669,70 7.000.634,00 360 83069900 Trombudo Central 618.825,48 6.979.361,97 0 83105000 Alfredo Wagner 661.121,04 6.937.526,15 454 83250000 Ituporanga 637.214,86 6.969.707,55 370 83300200 Rio do Sul 634.916,19 6.989.935,86 350 83440000 Ibirama 646.869,28 7.007.865,50 151 83520000 Indaial 669.396,26 7.018.899,12 72 83660000 Benedito Novo 662.617,30 7.036.044,00 90 83675000 Rio dos Cedros 671.694,93 7.040.966,37 80
83677000 Timbó 671.235,20 7.031.771,68 0 83690000 Indaial 674.913,07 7.024.875,67 60 83892990 Vidal Ramos 664.798,92 6.976.603,56 0 83892998 Botuverá 689.164,83 6.990.855,33 0 83900000 Brusque 706.431,50 7.000.707,50 35 4.3.6 Estações Climatológicas
Como dados climáticos de entrada no modelo são necessários dados diários de temperatura máxima e mínima, velocidade média de vento, evapotranspiração, umidade relativa, radiação solar e precipitação.
Os dados referentes a todos esses parâmetros foram cedidos pela EPAGRI/CIRAM e foram obtidos através das estações listadas na Tabela 2 e ilustradas na Figura 6, localizadas nos municípios de Indaial, Itajaí e Ituporanga para os anos de 1995 a 2005. Para a variável radiação solar optou-se pela simulação automática disponível no modelo devido a inúmeros intervalos sem dados para este o período.
Tabela 2: Estações climatológicas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
Código Estação Município Coordenadas (m) (Epagri/Ciram) XPR YPR 167 Indaial 669.863,000 7.018.390,000 183 Itajaí 733.840,000 7.022.490,000 191 Ituporanga 642.943,000 6.957.120,000
24 Para os dias em que os valores destes dados medidos eram inexistentes, estes foram substituídos pelo valor de -99 para que o modelo realizasse uma simulação apenas destes valores e em função dos valores dos dias anteriores e dos dias seguintes.
A partir destes dados ajustados foram calculados os valores necessários para entrada no gerador climático acoplado ao modelo, tais parâmetros são:
TMPMX: Média da temperatura máxima diária do mês (°C) TMPMN: Média da temperatura mínima diária do mês (°C)
TMPSTDMX: Desvio padrão da temperatura máxima diária do mês (°C) TMPSTDMN: Desvio padrão da temperatura mínima diária do mês (°C) PCPMM: Média da precipitação total mensal (mm)
PCPSTD: Desvio padrão para precipitação diária no mês (mm) PR_W1: Probabilidade de um dia úmido seguir um dia seco no mês PR_W2: Probabilidade de um dia úmido seguir um dia úmido no mês PCPD: Número médio de dias de precipitação no mês
WNDAV: Média da velocidade do vento diária no mês (m/s)
Os parâmetros PCPMM, PCPSTD, PR_W1, PR_W2, PCPD, referente aos dados de precipitação, foram calculados com o auxílio do programa pcpSTAT desenvolvido por Liersch (2003).
4.3.7 Estações Pluviométricas
O levantamento dos dados pluviométricos disponibilizados pela ANA resultou nas estações listadas na Tabela 3 e ilustradas na Figura 6, pois foram as estações que possuíam uma maior quantidade de dados diários de chuva no período de 1995 a 2005, necessários para entrada no modelo.
25
Tabela 3: Estações pluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
Código Estação (ANA) Município Coordenadas (m) Elevação
(m) XPR YPR 2648019 Piçarras 729.016,011 7.038.937,736 10 2649001 Indaial 669.863,193 7.018.393,644 72 2649002 Pomerode 681.906,282 7.041.417,196 46 2649005 Indaial 671.634,235 7.022.644,146 60 2649007 Blumenau 691.469,911 7.021.935,729 12
2649008 Rio dos Cedros 671.988,444 7.041.062,987 80
2649009 Blumenau 691.115,703 7.014.851,559 40 2649010 Blumenau 690.761,494 7.034.333,026 65 2649017 Benedito Novo 651.090,143 7.043.542,447 250 2649058 Vitor Meireles 617.440,336 7.046.021,906 450 2650014 Rio do Campo 585.074,535 7.019.367,717 600 2650022 Papanduva 601.146,748 7.073.295,960 1000 2650023 Papanduva 584.853,154 7.047.792,949 800 2749001 Ibirama 647.193,849 7.007.058,972 151 2749002 Ituporanga 637.630,220 6.969.512,871 370 2749005 Ibirama 639.755,471 7.009.538,431 252 2749006 Pouso Redondo 604.334,621 6.985.098,045 353 2749007 Alfredo Wagner 659.591,147 6.931.966,771 550 2749013 Trombudo Central 621.690,838 6.981.201,752 350 2749016 Apiuna 660.299,564 7.008.121,597 200 2749017 Ituporanga 642.943,347 6.957.115,574 370 2749037 Alfredo Wagner 661.007,981 6.937.279,898 454 2749039 Rio do Sul 635.150,760 6.990.411,173 350 2749045 Botuvera 688.990,452 6.990.765,381 0 2749046 Vidal Ramos 665.258,482 6.975.888,624 0 2750014 Taió 595.479,409 7.002.454,261 370 2750021 Taió 572.445,857 6.998.557,968 900
26
Figura 6: Localização geográfica das estações climatológicas, fluviométricas e pluviométricas na área de estudo.
4.4 Calibração do Modelo SWAT
Para avaliar o desempenho do modelo devem ser realizadas análises estatísticas para comparar dados observados com dados simulados. Estas análises são de extrema importância, pois é uma forma de verificar a eficiência da simulação.
Um dos critérios estatísticos mais utilizados para avaliar o desempenho do modelo SWAT é o COE – Coeficiente de Eficiência de Nash e Sutcliffe, o qual é dado pela seguinte equação:
27 Onde:
Em: é o evento observado; Es: é o evento simulado;
Ē: é a média do evento observado no período de simulação; n: é o número de eventos.
O valor calculado para este coeficiente pode variar de infinito negativo a 1, sendo 1 o valor que indica um ajuste perfeito da simulação.
Outro critério que também foi utilizado para análise estatística dos resultados neste trabalho foi o coeficiente de correlação R², que indica o grau de correlação entre os dados observados e os dados simulados, e varia de 0 (zero) a 1, sendo que o valor de 1 indica a mais forte correlação entre os valores.
28 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Modelo Numérico de Terreno
O modelo numérico de terreno gerado para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu (Figura 7) teve suas altitudes variando de 0 (zero) a 1740 metros, sendo as regiões mais baixas nas proximidades da foz do rio Itajaí-Açu e em toda a região do baixo vale do Itajaí, e as maiores altitudes encontradas no médio e alto vale do Itajaí.
Observa-se que, apesar da elevada altitude máxima encontrada para a área de estudo, a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu encontra-se, em sua maioria, em área de altitudes que variam de 0 (zero) a aproximadamente 800 metros.
29 5.2 Sub-bacias e Cursos de Água
A divisão da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu realizada pelo SWAT resultou em 38 sub-bacias apresentadas na Tabela 4, com suas respectivas áreas e elevações médias.
Os outlets, ou seja, os pontos que definem o final de cada sub-bacia foram determinados a partir dos pontos fluviométricos inseridos manualmente no modelo, para que fosse possível realizar a comparação dos dados medidos e simulados para pontos de uma mesma localização. As localizações de cada sub-bacia, bem como os outlets e a malha hidrográfica determinada pelo SWAT estão ilustrados na Figura 8.
Figura 8: Sub-bacias e malha hidrográfica geradas pelo modelo SWAT e outlets inseridos manualmente.
30
Tabela 4: Sub-bacias geradas pelo SWAT com suas respectivas áreas e elevações médias.
Sub-bacia Elevação (m) Área (km²)
1 700 1387 2 823,14 499 3 620 349 4 655,45 714 5 80 58 6 113,8 11 7 598,3 98 8 60 93 9 65,83 26 10 40 1167 11 20 8 12 360,27 188 13 60 259 14 556,94 468 15 479,31 331 16 395,18 912 17 260 433 18 401,84 295 19 240 21 20 308,9 160 21 429,95 438 22 40 431 23 433,07 20 24 460 374 25 550 439 26 166 432 27 740 436 28 446,47 9 29 438,63 112 30 340 14 31 412,02 384 32 441,71 279 33 565,84 473 34 840 283 35 603,29 330 36 424,33 242 37 444,7 1319 38 867,2 426
31 5.3 Classificação do Tipo de Solo
Depois de realizada a reclassificação do tipo de solo para a área de estudo, obteve-se sete classes de solo para toda a área da bacia hidrográfica (Figura 9).
Na Tabela 5 observa-se a área correspondente a cada tipo de solo e nota-se uma predominância do solo Cambissolo para a área de estudo, que correspondeu a 46,63% de toda a bacia hidrográfica, seguido da classe de solos Litólicos, com 25,15%, e da classe Podzólico Vermelho Amarelo, com 20,63% e dos demais solos com menor representatividade para a região.
Tabela 5: Tipos de solo para a bacia do rio Itajaí-Açu e suas áreas correspondentes.
Tipo de Solo Área (km²) Área (%)
Areias Quartzosas Marinhas (AQ) 49,75 0,3252
Solos Aluviais (AE) 11,66 0,0762
Cambissolo (C) 7.134,03 46,6344
Glei Pouco Húmico (HGP) 1.001,41 6,5461 Podzólico Vermelho Amarelo (PV) 3.157,32 20,6391
Solos Litólicos (R) 3.847,43 25,1502
Cursos de Água 96,16 0,6285
32
Figura 9: Classificação do tipo de solo para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
5.4 Classificação de Uso e Ocupação do Solo
A bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu foi classificada por cinco classes de uso e ocupação do solo, sendo que a classe predominante encontrada para a área de estudo foi a classe de floresta, com aproximadamente 63% da área de toda a bacia hidrográfica, seguida da classe de agricultura com 27,05% de cobertura, como descrito na Tabela 6 e ilustrado na Figura 10.
Tabela 6: Tipos de uso e ocupação do solo para a bacia do rio Itajaí-Açu e suas áreas correspondentes.
Uso e Ocupação do Solo Área (km²) Área (%)
Urbanização 828,98 5,41 Cursos de água 60,6 0,39 Floresta 9620,42 62,88 Agricutura 4139,1 27,05 Solo Exposto 648,61 4,23 Total 15297,76 100
33
Figura 10: Classificação de uso e ocupação do solo para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
5.5 Simulação do Modelo SWAT
5.5.1 Análise de Sensibilidade e Calibração
Previamente ao ajuste dos parâmetros do modelo para a calibração, foi realizada a análise de sensibilidade das variáveis, a qual determina quais parâmetros que mais influenciaram na simulação inicial e que podem ser utilizados como ponto de partida para a calibração do modelo. O ranking de influência destas variáveis está ilustrado na Figura 11.
34
Figura 11: Ranking dos parâmetros obtido com a análise de sensibilidade do modelo SWAT.
A calibração foi realizada com o ajuste dos parâmetros descritos na Tabela 7, que foram escolhidos em função de parâmetros que tiveram uma influência significativa na simulação inicial e que estão relacionados com o fluxo, visto que as séries utilizadas para calibração do modelo foram séries de vazão.
Tabela 7: Parâmetros modificados na calibração e sua descrição.
Parâmetro Descrição
Canmx Armazenamento máximo de água no dossel vegetativo (mm/H2O) Alpha_bf Fator do fluxo de base, ou constante de recessão. Define-se como a
taxa na qual a água subterrânea retorna ao rio (dias)
Sol_Awc Capacidade de água disponível (mmH2O/solo)
CN2 Valor da Curva Número inicial do Soil Conservation Service (SCS)
Lat_Time Tempo de retorno do fluxo lateral (dias)
Na Tabela 8 a seguir estão ilustrados os valores iniciais para cada parâmetro e os seus valores ajustados, que foram modificados de acordo com sugestões contidas no manual do modelo SWAT com o intuito de adequar os valores de vazão simulada para que ficassem
0 5 10 15 20 25 Sol_Awc Canmx Esco Blai Gwqmn Revapmn Sol_Z Alpha_Bf Sol_K Slope Cn2 Gw_Revap Epco Ch_K2 Sol_Alb Biomix Gw_Delay Surlag Ch_N2 Slsubbsn Influência (%) P ar âm etro
35 mais próximos dos valores medidos, neste caso, visando diminuir os valores de vazão líquida simulados.
Após a modificação de cada parâmetro eram comparadas as vazões medidas e simuladas para a sub-bacia, com a intenção de avaliar a influência do parâmetro individualmente. Com isto era realizado o cálculo do COE (Coeficiente de Eficiência de Nash e Sutcliffe) para testar a eficiência da calibração e analisar a melhora do coeficiente a cada simulação com cada parâmetro ajustado, com o intuito de se obter um valor superior a 0,7 para se considerar a calibração satisfatória.
Tabela 8: Valores originais e ajustados dos parâmetros modificados na calibração.
Parâmetros Valor COE (Sub-bacia 4) COE (Sub-bacia 26) Original Ajustado
Inicial (sem ajuste) - - -2,95852771 -8,946987209
Canmx 0 100 -0,10546 -3,43014
Alpha_bf 0,048 0 0,189035 -1,35604
Sol_Awc 0,15 1 0,395627 -1,3615
CN2 60 35 0,460604 -1,06543
Lat_Time 0 11 0,534724 -0,92787
Foram realizadas as calibrações apenas para as sub-bacias 4 e 26 para o ano de 2002 pois eram as únicas sub-bacias e o único período que se tinham dados de vazão observados suficientes.
A seguir (Tabela 9), estão descritos os valores de COE e do coeficiente de correlação linear (R²) encontrado para as sub-bacias após o final da calibração.
Tabela 9: Valores de COE e R² obtidos com a calibração.
COE Inicial COE Ajustado R² Sub-bacia 4 -2,95852771 0,534724 0,7471 Sub-bacia 26 -8,946987209 -0,92787 0,3592
Nas Figura 12 e Figura 14 a seguir são apresentados os valores plotados de vazão observada, simulada ajustada e sem ajuste, e os gráficos (Figura 13 e Figura 15) utilizados para a obtenção dos valores de coeficiente de correlação linear (R²) encontrados para cada sub-bacia.
36
Figura 12: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 4.
Figura 13: Valor de R² encontrado para a sub-bacia 4.
1 2 3 4 5 6 7 8 0 10 20 30 40 50 60
Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Pr e ci p it aç ão (m m) V az ão (m ³/ s) Datas (Ano de 2002)
Vazão Observada x Simulada (Sub-bacia 4)
Precipitação Vazão Observada
Vazão Simulada sem Ajuste Vazão Simulada Ajustada
y = 0,6647x + 4,3882 R² = 0,7471 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 35 V az ão O b serv ad a (m³ /s) Vazão Simulada (m³/s)
37
Figura 14: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 26.
Figura 15: Valor de R² encontrado para a sub-bacia 26.
Para a sub-bacia 4, apesar de o COE não atingir um valor satisfatório, considerado por diversos autores (Gul & rosbjerg, 2010, Moriasi et al., 2007) como sendo maior que 0,7, nota-se uma melhora significativa no valor encontrado após a calibração, de -2,95852771 para 0,534724, fato que também pode ser observado graficamente para a sub-bacia, onde,
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Pr e ci p it aç ão (m m /di a) V az ão (m ³/ s) Data (Ano de 2002)
Vazão Observada x Simulada (Sub-bacia 26)
Precipitação Vazão Observada
Vazão Simulada sem Ajuste Vazão Simulada Ajustada
y = 0,3647x + 16,356 R² = 0,3592 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V az ão Ob se rv ad a (m³ /s ) Vazão Simulada (m³/s)
38 anteriormente à calibração, praticamente todos os valores de vazão foram superestimados, e após a calibração estes estiveram bem mais próximos dos valores observados. O valor de R² para vazão simulada ajustada e para vazão observada foi de 0,7471, indicando uma correlação média entre elas.
Já para a sub-bacia 26 os valores de COE e R² estiveram bem abaixo dos valores satisfatórios, sendo que o COE atingiu um valor máximo de -0,92787 e o R² de 0,3592, representando uma fraca correlação entre as vazões simulada ajustada e observada. Ainda assim, apesar de os valores não atingirem níveis satisfatórios a calibração representou uma melhora significativa do COE e graficamente também nota-se uma proximidade bem maior entra os valores observados e simulados ajustados.
Para ambas as sub-bacias nas quais foram feitas a calibração notou-se uma forte tendência em o modelo superestimar os valores de vazão nos meses com as maiores médias diárias de precipitação, já para os meses com as menores médias de precipitação, a vazão simulada sem ajuste esteve muito próxima da vazão observada.
39 5.6 Vazão e Produção de Sedimentos
5.6.1 Avaliação Espacial
Observando-se o mapa com a distribuição espacial da vazão para a área de estudo (Figura 16), nota-se que os maiores valores de média diária de vazão foram encontrados para as sub-bacias do baixo vale do Itajaí. O fato de que as maiores vazões foram encontradas nesta região está diretamente relacionada com o acúmulo de água de toda bacia hidrográfica, ou seja, a precipitação incidente nas áreas mais elevadas da bacia hidrográfica é parcialmente escoada para as sub-bacias seguintes, que se localizam em seu exutório, tornando assim a vazão acumulativa até o exutório final no estuário do rio Itajaí-Açu.
Figura 16: Distribuição espacial da média diária de vazão por sub-bacia (m³/s).
Nesta região encontram-se também grandes áreas onde há ocorrência de solo Glei pouco húmico, que, segundo Coutinho (2005), são solos mal ou muito mal drenados com presença de lençol freático alto, estando assim encharcados prejudicando a infiltração de água no solo e favorecendo o escoamento superficial e o consequente aumento da vazão.
