RUNOFF-EROSION MODELING FOR UPPER PARAÍBA RIVER BASIN

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1 MODELAGEM HIDROSSEDIMENTOLÓGICA PARA A BACIA DO ALTO RIO PARAÍBA José Carlos Dantas 1 *; Isabella Carvalho de Medeiros 2 ; Nádja Melo de Oliveira 3 ; Richarde Marques da Silva 4 Resumo Este trabalho tem como objetivo simular o escoamento superficial e a produção de sedimentos na bacia do Alto Rio Paraíba mediante a aplicação do modelo hidrossedimentológico SWAT. Essa bacia está localizada no semiárido paraibano, entre as coordenadas 36 10'0''W, 37 25'0''W e 7 15'0''S, 8 20'0''S e possui uma área de km². Para a realização do estudo foram utilizados o Modelo Digital de Elevação (MDE) com resolução espacial de 30 m, mapa de uso e ocupação do solo e tipos de solo da bacia, além de dados diários de precipitação e de vazão entre o período de 1973 a Para a calibração entre as vazões observadas e as calculadas no modelo foi utilizado o programa SWAT-CUP. Os resultados obtidos foram considerados aceitáveis, de acordo com as estatísticas utilizadas, apresentando NSE = 0,58 e R² = 0,59 para os valores de vazão média mensal. O SWAT estimou uma vazão média mensal de 7,11 m³/s, que se aproximou consideravelmente da vazão média mensal observada, registrando 7,41 m³/s. Para a produção de sedimentos o modelo calculou um valor de 2,14 t/ha/ano. Palavras-Chave Semiárido Paraibano, Modelo SWAT, SWAT-CUP. RUNOFF-EROSION MODELING FOR UPPER PARAÍBA RIVER BASIN Abstract This study aims to simulate the runoff and sediment yield in the Upper Paraíba River basin using the hydrosedimentological SWAT model. The basin is located in the semiarid of Paraíba, between coordinates 36 10' 00''W, 37 25' 00'' W and 7 15' 00" S, 8 20' 00" S and has an area of about 6,650 km². For this study data about the basin as the digital elevation model (DEM), the land use and the soil types maps were used, as well as daily data of precipitation and flow between the period of 1970 to 1990 and 1973 to 1990 respectively. The results after automatic calibration of the model were considered acceptable, according to the statistics used by presenting NSE = 0.58 and R² = 0.59 for average monthly flow values. The SWAT estimated an average monthly flow of 7.11 m³/s, which showed a large similarity comparing with the average monthly flow observed, that registered 7.41 m³/s. For the sediment yield the model calculated an average of 2.14 t / ha / year. Keywords Semiarid of Paraiba, SWAT Model, SWAT-CUP. 1 Bolsista de Iniciação Científica do CNPq. Graduando em Geografia pela UFPB, Cidade Universitária, s/n - Castelo Branco, João Pessoa PB. j_c_dantas@hotmail.com 2 Bolsista de Mestrado da CAPES. Aluna do Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental da UFPB, Cidade Universitária, s/n - Castelo Branco, João Pessoa PB. isabellacmedeiros@gmail.com 3 Bolsista de Iniciação Científica do CNPq. Graduanda em Geografia pela UFPB, Cidade Universitária, s/n - Castelo Branco, João Pessoa PB. nadjamelloliver@hotmail.com 4 Professor Doutor do Departamento de Geociências da UFPB, Cidade Universitária, s/n - Castelo Branco, João Pessoa PB. richarde@geociencias.ufpb.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO A integração dos modelos matemáticos aos Sistemas de Informações Geográficas SIG possibilita um grande avanço nas pesquisas acerca dos sistemas ambientais e seus diversos fenômenos. Dentre estes fenômenos o da vazão e da produção de sedimentos merecem destaque, tendo em vista que, seu estudo é muito importante sob os aspectos sociais e econômicos, uma vez que analisa as perdas de solo em terras agricultáveis e em outras áreas de interesse imediato, bem como pelos efeitos indiretos, como no assoreamento dos rios e lagos. Sob esta ótica, modelos integrados a SIG que abordam os aspectos do ciclo hidrossedimentológico, isto é, o ciclo hidrológico juntamente com o ciclo sedimentológico, estão sendo cada vez mais utilizados, tendo em vista que estes permitem detectar mudanças no uso do solo e analisar a variabilidade espacial e temporal dos impactos causados pela ação antrópica no escoamento superficial e na produção de sedimentos (BRAGA et al., 2013), além da análise do comportamento das vazões nos rios mediante a inserção de dados climatológicos. Ferrigo et al. (2014) comentam que a modelagem de bacias hidrográficas é extremamente importante para qualquer programa de planejamento e gerenciamento de recursos hídricos. No entanto, para que os resultados gerados possam ser utilizados com maior confiança pelos diferentes níveis de tomada de decisão, torna-se fundamental que o processo de modelagem seja realizado de maneira criteriosa. Os autores destacam ainda que os modelos devem ser eficientemente calibrados e posteriormente submetidos à análise de incerteza para que, dessa forma, se tenham garantias de que os resultados sejam coerentes. O Soil and Water Assessment Tool (SWAT) tem se destacado dentre os modelos hidrossedimentológicos, pois, de acordo com Santos et al. (2014), esse modelo destaca-se pela robustez, capacidade de análise e correlação de diferentes elementos físicos de uma bacia hidrográfica. Esse modelo possui aplicações a nível mundial e seus resultados têm se mostrado satisfatórios (SANTOS et al., 2014; SILVA e MEDEIROS, 2014), motivo pelo qual esta ferramenta está sendo amplamente disseminada nas mais diversas localidades. Analisar os processos hidrossedimentológicos na região Nordeste do Brasil, sobretudo na porção semiárida, mostra-se uma tarefa bastante importante, tendo em vista que esta região possui características físicas e climatológicas bem peculiares, trazendo a necessidade do desenvolvimento de pesquisas que busquem a resolução de problemas de ordem ambiental e social. De acordo com Carvalho Neto (2011), nesta região a baixa precipitação anual é concentrada, em geral, em um único quadrimestre e, ainda, apresenta solos rasos, com uma camada de nutrientes fina, tornando o processo erosivo associado às chuvas bastante preocupante. Nesta perspectiva, o presente trabalho teve por objetivo analisar o escoamento superficial e a produção de sedimentos na bacia do Alto Rio Paraíba, localizada na região semiárida do Estado da Paraíba, no período entre 1973 e 1990 utilizando o modelo SWAT por meio de calibração automática. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Localização e caracterização da área de estudo A bacia do Alto Rio Paraíba compreende uma área de aproximadamente km² e está inserida inteiramente no Estado da Paraíba, entre as coordenadas 36 10'0''W, 37 25'0''W e 7 15'0''S, 8 20'0''S (Figura 1). O clima dessa bacia é do tipo tropical equatorial 2d, com ocorrência de 9 a 11 meses secos e concentração do período chuvoso entre os meses de fevereiro e abril, registrando temperaturas elevadas com média acima de 28 C. O relevo é ondulado a fortemente ondulado, com variações hipsométricas que atingem cotas acima de 1000 m (MARINHO, 2011). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1 Localização da bacia do Alto Rio Paraíba no Estado da Paraíba. O uso e ocupação do solo da área são constituídos pela vegetação arbustiva, que é a vegetação característica do bioma da Caatinga. Os demais usos encontrados na bacia estão destacados no mapa de uso e ocupação do solo (Figura 2c), que foi constituído a partir do mosaico de três imagens adquiridas junto ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Imagem 1: sensor MSS, órbita 230, ponto 65, data: 02/08/1980, Imagem 2: sensor MSS, órbita 231, ponto 65, data: 21/08/1980 e Imagem 3: sensor MSS, órbita 231, ponto 66, data: 21/08/1980), provenientes do satélite Landsat-2. A classificação não supervisionada evidenciou as seguintes classes: Corpo Hídrico (0,79%), Vegetação Arbórea (20,62%), Vegetação Arbustiva (47,85%), Vegetação Rasteira (21,92%) e Solo Exposto (8,81%). Quanto aos tipos de solo encontrados na bacia, foram identificados os seguintes: Argissolo Vermelho (1,03%), Luvissolo (43,18%), Neossolo Flúvico (3,49%), Neossolo Litólico (38,15%), Neossolo Regolítico (2,31%), Planossolo (1,24%) e Vertissolo (10,59%), com base no Plano Estadual de Recursos Hídricos PERH da Agência Executiva de Gestão de Águas do Estado da Paraíba AESA. Estes tipos de solo compuseram as classes do mapa de tipos de solo da sub-bacia (Figura 2b). Essa bacia apresenta declividades de até 56%, sendo estas constatadas com base no Modelo Digital de Elevação MDE, que foi adquirido no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, no endereço A partir do MDE foi originado o mapa de declividades da sub-bacia (Figura 2d), apresentando quatro classes com intervalos variando em percentual de 0 3, de 3 7, de 7 15 e de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Figura 2 (a) Mapa de sub-bacias geradas pelo modelo SWAT, (b) Mapa dos tipos de solos, (c) Mapa de uso e ocupação do solo, e (d) Mapa de declividades da bacia do Alto Rio Paraíba Breve descrição do modelo SWAT e dados de entrada O SWAT (ARNOLD et al., 1998) é um modelo matemático que simula o efeito das ações de uso e manejo do solo sobre o escoamento superficial, produção de sedimentos, perdas diárias de nutrientes, entre outros, requerendo como dados de entrada informações sobre chuva, temperatura, umidade relativa do ar, solos, relevo e mapas de uso do solo (SILVA et al., 2011). Para o presente trabalho, foram analisadas as respostas geradas para produção de sedimentos e vazão. Para a realização deste estudo foram utilizados dados climáticos da estação climatológica de Monteiro, obtida no Instituto Nacional de Meteorologia INMET, do posto fluviométrico (Caraúbas), e de 12 postos pluviométricos, ambos administrados pela Agência Nacional de Águas ANA (Figura 1). O período de simulação foi de janeiro de 1973 a dezembro de Com relação ao uso e ocupação do solo o modelo SWAT possui um banco de dados com diversos parâmetros para cada tipo de uso e ocupação do solo. Para tanto, torna-se necessário realizar associações/adaptações entre os tipos de uso do solo do SWAT e os usos existentes na bacia. Assim, as classes Corpo Hídrico, Vegetação Arbórea, Vegetação Arbustiva, Vegetação Rasteira e Solo Exposto foram associadas, respectivamente, à Water, Range Brush, Range Grasses, Southwestern US (Arid) Range e Barren. Quanto aos tipos de solo foi necessário definir informações acerca das características físicohídricas do solo, tais como: a profundidade da raiz (SOL_ZMX), a profundidade da camada XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 (SOL_Z), o fator de erodibilidade (USLE_K), a composição do solo (porcentagem de argila, silte, areia), entre outros. Estas informações foram inseridas no modelo de acordo com Bressiani et. al. (2015), que aplicaram o modelo SWAT para a bacia do Rio Jaguaribe, CE, a qual possui características hidrológicas semelhantes à bacia em estudo. Desta forma foi possível inserir novos tipos de solo no banco de dados do modelo que representassem melhor a região estudada Aplicação e calibração do Modelo SWAT A aplicação do SWAT seguiu as seguintes etapas: (a) delimitação da bacia hidrográfica a partir do MDE, (b) definição das HRU usando os mapas de uso e ocupação do solo e tipos de solo, (c) inserção dos dados climáticos, e (d) execução do modelo. A partir da aplicação do SWAT, o modelo subdividiu a área de estudo em 31 sub-bacias, isto é, 31 áreas hidrologicamente homogêneas, que são responsáveis por controlar os processos de produção de sedimentos e escoamento superficial na bacia. Dentre estas a sub-bacia 16 (Figura 2a) foi selecionada para o estudo devido o posto fluviométrico estar localizado na mesma. Ao se executar o modelo SWAT, frequentemente ocorre que a primeira simulação gerada não é coerente com os dados observados, desta forma torna-se necessário a calibração do modelo, ajustando os parâmetros de modo que se obtenha uma resposta satisfatória. Para a estimativa da vazão na sub-bacia do alto curso do Rio Paraíba, o modelo SWAT foi calibrado a partir da comparação da vazão calculada (pelo modelo) com a vazão observada, sendo esta série de dados observados correspondente ao período de 1973 a O método de calibração adotado neste trabalho foi o automático, onde se utilizou a ferramenta SWAT-CUP 2012 v , desenvolvida por Abbaspour et al. (2013), aplicando-se o algoritmo de autocalibração Sequential Uncertainty FItting Algorithm (SUFI-2) com 300 iterações. O período utilizado para a calibração foi de 1973 a 1990, onde os três primeiros anos foram descartados, funcionando como um período de aquecimento para que o modelo estabilizasse as suas condições iniciais. Foram selecionados, para a execução do SWAT-CUP 19 parâmetros, que, de acordo com Santos et al. (2014) influenciam a vazão para as condições das bacias brasileiras. Após as 300 interações o SWAT-CUP forneceu os valores otimizados para os 19 parâmetros utilizados na calibração (Tabela 1). Dentre estes os que apresentaram maior sensibilidade foram Cn2, Sol_awc, Esco, CH_N2, Alpha_Bf, Revapmn, Canmx, Sol_K e Gw_delay, nesta ordem. Tabela 1 Valores otimizados para os parâmetros utilizados na calibração da vazão Parâmetro Valor Parâmetro Valor Parâmetro Valor Alpha_Bf 0, Esco 0, Slsubbsn 0, Biomix 0, Gw_delay -14,85 Sol_alb -0,24583 Canmx 4,215 Gw_revap 0,0593 Sol_awc -0,08917 Ch_K2 3,625 Gwqmn 208,3333 Sol_K -0,0275 Ch_N2 0,2255 Rchrg_dp -0,02965 Sol_Z -0,0825 Cn2-0,09633 Revapmn 3, Surlag 9, Epco 0, Avaliação do desempenho do modelo SWAT Os resultados foram analisados com base nos hidrogramas observados e simulados usando o coeficiente de determinação (R²) e o índice de Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE). O NSE é uma estatística normalizada que determina a magnitude relativa da variância residual quando comparado com a variação dos dados de medição (NASH e SUTCLIFFE, 1970). Já o R² mostra o grau de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Vazão (m³/s) colinearidade entre os valores observados e simulados, descrevendo a proporção da variância entre esses valores, variando entre 0 e 1, onde valores mais próximos a 1 indicam menor variância do erro. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 3 apresenta os valores mensais dos dados observados e simulados de vazão para o período de 1973 a 1990 após a calibração do modelo SWAT. No que tange a comparação dos resultados obtidos, a vazão média observada foi de 7,41 m³/s, enquanto o simulado foi de 7,11 m³/s. Mesmo o SWAT tendo subestimado a vazão média observada nesse período, os índices de desempenho entre os dados observados e simulados (NSE = 0,58 e R² = 0,59) são classificados segundo Moriasi et al. (2007) como aceitáveis. Os resultados mostram que o modelo subestimou a maioria dos picos de vazão, mesmo tendo acompanhado o comportamento destes. Esses resultados podem ser atribuídos a complexidade para se obter um melhor ajuste entre os dados observados e simulados devido ao fato de possíveis inconsistências nos dados observados, como por exemplo, a construção de barragens ao longo do percurso da rede de drenagem, e também pela bacia do Alto Rio Paraíba possuir regime hidrológico de uma típica bacia do semiárido, ou seja, com escoamento somente após a ocorrência de eventos de chuva. Observa-se que a partir do ano de 1982 os picos de vazão apresentaram considerável diminuição, ficando concentrados apenas nos anos de 1984, 1985 e Como resultado disso a vazão média registrada no posto de Caraúbas também diminuiu, passando de 7,62 m 3 /s até o ano de 1981 para 7,12 m 3 /s a partir de Vazão Observada Vazão Simulada Figura 3 Vazão média observada em relação à vazão média simulada para o período de 1973 a 1990 A Figura 4 mostra a relação entre o comportamento da precipitação média anual para a bacia e a produção de sedimentos simulada para o período de 1973 a 1990, correspondente a sub-bacia 16. Nota-se que há uma estreita relação entre a distribuição das chuvas e a produção de sedimentos quando se analisa os anos com maiores valores de precipitação e os anos com maiores taxas de produção de sedimentos. Assim, vê-se que os anos de 1974 e 1985 são os anos mais chuvosos e consequentemente os anos que apresentaram maiores taxas de produção de sedimentos. Anos XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Produção de Sedimentos (t/ha/ano) Precipitação (mm) Anos Produção de Sedimentos Precipitação Figura 4 Comportamento da precipitação média anual em relação à produção de sedimentos estimada para o período entre 1973 a 1990 A produção de sedimentos média anual foi estimada pelo modelo em 2,14 t/ha/ano entre 1973 e 1990 para a área de contribuição da sub-bacia 16. Os anos de 1974 e 1985 foram aqueles que apresentaram as maiores taxas de produção de sedimentos, correspondendo aos anos onde foram registrados os maiores totais pluviométricos. As áreas que apresentaram maiores taxas de produção de sedimentos são aquelas onde ocorrem os Neossolos Litólicos em associação com altos graus de declividade, favorecendo a ação dos processos erosivos. Esse quadro se acentua ainda mais quando nessas áreas o uso do solo apresenta pouca ou nenhuma cobertura vegetal, o que se torna comum em diversas áreas da bacia, uma vez que a atividade pecuária (criação de caprinos) é uma atividade que caracteriza a região do Cariri Paraibano, onde a bacia está inserida. Nesses casos deve-se ter muita atenção quanto aos impactos nos quais o terreno está submetido em relação à erosão, pois estes danos sendo ocasionados ao longo dos anos podem levar a perda da produtividade do solo e até mesmo ao processo de desertificação que também está presente em algumas áreas dessa região. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base no exposto constatou-se que o modelo SWAT apresentou um desempenho aceitável para a estimativa da vazão na bacia do Alto Rio Paraíba, de acordo com os valores obtidos de NSE = 0,59 e R² = 0,58. Vale ressaltar que o SWAT-CUP mostrou-se uma ferramenta eficaz para o ajuste dos parâmetros utilizados no processo de calibração automática, possibilitando a obtenção de resultados consistentes para a área de estudo. O modelo subestimou os picos de vazão média mensal observada, porém acompanhou o comportamento da série e forneceu uma vazão média para o período entre 1973 e 1990 de 7,11 m³/s, que se mostrou próxima à vazão média observada para o mesmo período (7,41 m³/s). A produção de sedimentos média anual para a bacia foi de 2,14 t/ha/ano, para o período de 1973 a XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 5. REFERÊNCIAS ABBASPOUR, K.C. SWAT-CUP2012: SWAT Calibration and Uncertainty Programs a user manual. Department of Systems Analysis, Integrated Assessment and Modelling (SIAM), Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Duebendorf, Switzerland, 103 p ARNOLD, J. G., R. SRINIVASAN, R. S. MUTTIAH, AND J. R. WILLIAMS. Large area hydrologic modeling and assessment: Part I. model development. Journal American Water Resources Association. v. 34, n.1, p , BRAGA, A. C. F. M.; SILVA, R. M.; SANTOS, C. A. G.; GALVÃO, C. O.; NOBRE, P. Downscaling of a global climate model for estimation of runoff, sediment yield and dam storage: a case study of Pirapama Basin, Brazil. Journal of Hydrology, v. 498, n. 1, p , BRESSIANI, D.A.; SRINIVASAN, R.; JONES, C.A.; MENDIONDO, E.M. (2015). Effects of different spatial and temporal weather data resolutions on the streamflow modeling of a semi-arid basin, Northeast Brazil. International Journal of Agricultural & Biological Engineering, 8(3), CARVALHO NETO, J. G. Simulação hidrossedimentológica da bacia do Riacho dos Namorados com o Modelo SWAT. 201 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) Universidade Federal de Campina Grande. Campina Grande, FERRIGO, S. Análise de consistência dos parâmetros do modelo SWAT obtidos por calibração automática Estudo de caso da bacia do lago Descoberto DF. 164 f. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos) Universidade de Brasília, Brasília, DF, MARINHO, C. F. C. E. Caracterização hídrica e morfométrica do Alto Curso da Bacia Hidrográfica do Rio Paraíba. 67 f. Monografia (Especialização em GeoAmbiência e Recursos Hídricos do Semiárido) Universidade Estadual da Paraíba, Campina Grande, PB, MORIASI, D. N; ARNOLD J. G; VAN LIEW M. W; BINGER R. L; HARMEL R. D; VEITH T. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE, v. 50, p , NASH, J. E., AND J. V. SUTCLIFFE. River flow forecasting through conceptual models: Part 1. A discussion of principles. Journal of Hydrology. v. 10, n. 3, p , SANTOS, J. Y. G.; SILVA, R. M.; CARVALHO NETO, J. G.; MONTENEGRO, S. M. G. L.; SANTOS, C. A. G.; SILVA, A. M.. Assessment of land use change on the streamflow using GIS, remote sensing and physically-based model. Proceedings of the International Association of Hydrological Sciences, v. 364, p , SANTOS, J. Y. G.; SILVA, R. M.; MONTENEGRO, S. M. G. L.; SANTOS, C. A. G. Aplicação do modelo SWAT para a estimativa da produção de sedimentos na bacia do Rio Tapacurá, Pernambuco. XI Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos, João Pessoa, ABRH SILVA, M. A.; DANTAS, J. C.; SILVA, R. M. Simulação da Vazão e Produção de Sedimentos Usando o Modelo SWAT para a Bacia Do Rio Taperoá-PB. XI Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos, João Pessoa, ABRH SILVA, R. M.; MEDEIROS, I. C. Análise hidrossedimentológica em ambiente SIG usando o modelo SWAT. GeoFocus, v. 14, n. 2, p , SILVA, V.C.L.; SILVA, L.P.; SILVA, R.M.; SANTOS, C.A.G. Delimitação automatizada e aplicação do modelo AVSWAT para a Bacia do Rio Mamuaba, XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Maceió, ABRH, p. 1-17, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8