Avaliação de desempenho do modelo SWAT para estimativa da evapotranspiração potencial para a região de Petrolina, Estado de Pernambuco

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1 Avaliação de desempeho do modelo SWAT para estimativa da evapotraspiração potecial para a região de Petrolia, Estado de Perambuco Teôia Casado da Silva 1 Madso Tavares da Silva 1 Daielle Teixeira Alves da Silva 1 1 Uiversidade Federal do Rio Grade do Norte Caixa Postal Natal/RN Brasil teoia_cds@hotmail.com, madso.geotech@gmail.com, daielle_alves01@yahoo.com.br Abstract. The objective of this paper is to aalyze the estimatives of potetial evapotraspiratio (ETP) resultig from simulatios geerated by the SWAT model through Pema-Moteith ad compare the results foud with the data geerated by usig the Liacre method, usig for that matter statistical criteria of performace evaluatio. Were used data from the Agrometeorological Statio of Bebedouro, which is located i Petrolia, PE, coverig the period from Jauary of 1993 to December of To evaluate the performace of the models we used regressio aalysis ad were obtaied coefficiets of determiatio (R 2 ) coefficiets correlatio (r), the mea percetage error (MPE), mea absolute error (MPE), the square root of the mea square ormalized error (RQMDN). The evaluatio of a method's performace is essetial to kow how close to the actual values will be the results achieved by a give method, allowig its use i providig data for the maagemet of water resources. Activities such as irrigatio, which have high water cosumptio, must coform to the amout of water available ad should use appropriate models ad efficiet irrigatio techiques. Accordig to the results, the R 2 was aroud 83.15%, verifyig a tred of uderestimatio of the simulated values aroud 18%, which represets a average of about 0.9 mm day -1, while the RQMDN was 16.4%. From the statistical criteria used i this study it ca be cocluded that the model SWAT performed by the method of Pema Moteith, is preseted as a appropriate alterative to provide estimated data ETP. Palavras-chave: semi-arid, irrigatio, maagemet, statistical aalysis, semiárido, irrigação, gestão, aálise estatística. 1 INTRODUÇÃO A evapotraspiração é defiida como sedo o processo simultâeo de trasferêcia de água para a atmosfera por evaporação da água do solo e da vegetação úmida e por traspiração das platas (Setelhas eagelocci, 2009).No semi-árido brasileiro as altas taxas de evaporação, geralmete superiores à precipitação, reforçam a ecessidade de moitorameto dos ídices de evapotraspiração. A estimativa de evapotraspiração potecial (ETP) cotribui para desevolver práticas adequadas para a gestão dos recursos hídricos, uma vez que tora possível a previsão de períodos de maior déficit hídrico, sedo possível a adoção de medidas prevetivas para mauteção do abastecimeto e de outras atividades de uso cosutivo da água. A agricultura irrigada se apreseta, atualmete, como grade alterativa ecoômica para o Brasil, em especial para a região Nordeste, assim, é ecessário que os recursos hídricos dispoíveis sejam usados de forma racioal, através da utilização de técicas apropriadas de maejo da água, do solo e de cultivos (Silva et al., 2005). Existem diversos métodos para a estimativa da ETP, podemos citar como exemplo os métodos mais utilizados o Brasil, são eles Thorthwaite, Thorthwaite-Camargo (com temperaturaefetiva), Camargo, Hargreaves e Samai, Taque ClasseA, Priestley-Taylor, Liacre e Pema-Moteith (Setelhas e Agelocci, 2009). O método Pema-Moteith é cosiderado, iteracioalmete, o mais apropriado para a estimativa da ETP, pois além de procurar represetar, de maeira cosistete, o feômeo biofísico da evapotraspiração, é alimetado por quase todos os elemetos meteorológicos 6251

2 observados em estações meteorológicas de superfície (Carvalho et al., 2011). Porém, quado ão tiver dispoível todos os dados é ecessário utilizar um método mais simplificado, como é o caso do método de Liacre. A evapotraspiração (ET) é um compoete essecial tato do clima quato do ciclo hidrológico, e tem sigificativa agrícola, ecológico e implicações hidrológicas. ET utiliza cerca de três quitos da radiação solar aual dispoível globalmete recebido a superfície da Terra (Wag e Dickiso, 2012). Os modelos uméricos aplicados a hidrologia apresetam-se como ferrametas de grade importâcia os estudos do ciclo hidrológico e cietíficos relacioados com a gestão hídrica e problemas práticos. Desde meados dos aos 1960, diversos modelos hidrológicos foram estabelecidos; os modelos têm sido desevolvidos desde bases mais coceituais simples até mais tarde com o desevolvimeto da computação e iserção dos SIG s desevolvedo assim os modelos distribuídos de base física. Detre os modelos distribuídos de base física, o SoiladWaterAssessmet Tool SWAT desevolvido o iício de 1990, é um modelo aplicado em escala de bacia hidrografica (Arold et al., 1999). O objetivo deste trabalho é aalisar as estimativas da evapotraspiração potecial (ETP) resultates das simulações geradas pelo modelo de SWAT, através do método de Pema- Moteith e comparar os resultados obtidos com os gerados a partir do método de Liacre para estação meteorológica de Bebedouro (PE), utilizado-se critérios estatísticos para avaliação do desempeho. 2 MATERIAL E METODOS Para cálculo da ETP foram coletados dados do período de jaeiro de 1993 a dezembro de 2010, forecidos pela Estação Agrometeorológica de Bebedouro (09 09 S; 40º22 W), a Embrapa Semi-Árido, Petrolia-PE. O clima da região segudo a classificação de Köppe é do tipo BSwh, semi-árido com temperaturas médias auais elevadas, da ordem de 26,03ºC e precipitação média de 347,8 mm (EMBRAPA SEMI-ÁRIDO, 2013). 6252

3 Figura 1.Localização da área de estudo Evapotraspiração Potecial (ETP) A evapotraspiração potecial foi calculada pelo modelo SWAT através do método de Pema-Moteith de acordo com a Equação (1). Necessitado, portato, para a sua estimativa de dados médios climáticosdas codicioates termodiâmicas da atmosfera ,408 R G + γ u T ETP = a (e s e a ) + γ (1 + 0,34 u 2 ) R: Saldo de Radiação (Mj m 2 dia 1 ), G: Fluxo de calor o solo (Mj m 2 dia 1 ), Ta: Temperatura média do ar ( C), u2: Velocidade média diária do veto a 2m de altura, es: Pressão de saturação de vapor média diária (kpa), ea: Pressão atual de vapor média diária (kpa), Δ: Declividade da curva de pressão de vapor. Γ: Costate psicrométrica (kpa/ C). A ETP também foi estimada pelo método de Liacre a partir da Equação (2) para a estação meteorológica de Petrolia como critério de cotrole dos valores de saída do modelo. (1) 6253

4 500 T med +(0,006 H) + 15 (T 100 (L) med T O ) ETP = (80 T med ) (2) T med : Temperatura média ( C), H : Altitude (m), para a localidade, L : Latitude (ºS), para a localidade, To: Temperatura de Orvalho ( C). 2.1 Aálise estatística Para se obter dados diários foi realizada a média dos dados horários da estação agrometeorológica de Bebedouro. Os dias que ão possuíam dados foram descartados para que ão afetassem os resultados. Quado se relacioam, pela regressão, valores estimados com valores observados, podem-se obter iformações da precisão e da exatidão, que, cojutamete, idicam a cosistêcia dos dados estimados com os observados. A precisão, ou seja, o grau de dispersão dos valores em toro da média, dada pelo coeficiete de determiação, idica apeas o grau de dispersão dos dados obtidos, o erro aleatório, ão cosiderado o sistemático. Os coeficietes de determiação e de correlação foram obtidos por meio do EXCEL a partir da costrução direta dos gráficos e das respectivas regressões. Para a avaliação do desempeho dos modelos utilizaram-se aálises de regressão e foram obtidos os coeficietes de determiação (R 2 ), coeficietes de correlação (r), o erro médio percetual (EMP), o erro médio absoluto (EMA), a raiz quadrada do quadrado médio do erro ormalizado (RQMDN). Os ídices estatísticos são descritos e formulados a seguir: a) A precisão, ou seja, o grau de dispersão dos valores em toro da média, dada pelo coeficiete de determiação (R 2 ), idica apeas o grau de dispersão dos dados obtidos, o erro aleatório, ão cosiderado o sistemático. Obtido a partir da Equação (3) que represeta as regressões lieares etre os valores observados e os estimados: R 2 = 1 i=1 i=1 E i O i 2 O i O 2 (3) Ei - valor estimado Oi - valor observado Ō - média dos valores observados - úmero de observações b) Raiz quadrada do quadrado médio do erro ormalizado (RQMDN) de acordo com a Equação (4): 6254

5 RQMDN = 1 E i O 2 0,5 i=1 i 1 i=1 O i A RQMDN varia etre 0 a ifiito sedo que, quato meor, melhor a estimativa, etretato, este ídice ão faz distição quato aos dados serem subestimados ou superestimados (Jacovides e Kotoyiais, 1995). c) O erro médio absoluto represeta o módulo da difereça etre o valor observado e o valor estimado. Cosiderado que Oi represeta o valor observado, Eirepreseta o valor estimado a partir dos modelos e represeta o úmero de valores, o EMA foi determiado pela Equação (5): EMA = 1 i=1 O i E i Similar ao RQMDN, quato meor o valor do erro médio absoluto de EMA melhor a estimativa, porém valores positivos idicam a quatidade média de superestimativa dos modelos, e egativa, o cotrário. d) O erro médio percetual EMP(%) diz respeito ao percetual de viés dos valores simulados em relação aos observados. Quato mais próximo de zero for o valor deste coeficiete melhor o modelo represetará a realidade, ou seja, meor a tedêcia as estimativas e, além disso, serve também como idicativo se o modelo é pobre em represetatividade (Moriasiet al., 2007). LIEW et al.(2007)apresetaram a seguite classificação: EMP < 10%, muito bom; 10% < EMP < 15%, bom; 15% < EMP < 25%, satisfatório e EMP > 25%, o modelo é iadequado. O erro médio percetual foi obtido pela Equação (6): EMP % = 1 O i E i 100% (6) E i i=1 Para verificar se, realmete, os valores de ETP estimados pelos modelos diferiram sigificativamete etre os valores de ETP medidos, utilizou-se o teste-t derivado a partir do R 2 (Stoe, 1993; Togrul etogrul, 2002) segudo a Equação (7): (4) (5) t = r 2 1 r 2 (7) úmero de observações 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A sesibilidade do modelo foi abordada em relação à distribuição das compoetes que compõem a superfície (relevo, solos e cobertura do solo) como também as variáveis que codicioam o tempo e clima. A partir da aálise de sesibilidade foi possível verificar que detre os pricipais parâmetros selecioados, a estimativa da ETP com valores coeretes seria de grade importâcia tedo em vista a demada atural do ambiete semiárido; tal forçate atua diretamete os processos de REVAP como também a trasferêcia de água para os 6255

6 caais, fazedo retiradas substaciais do escoameto superficial (Ruoff). Como já mecioado, este estudo foi selecioado o modelo SWAT o método de estimativa da ETP proposto por Pema-Moteith, etretato a idispoibilidade das variáveis de etrada a validação de tal compoete foi também utilizado o método de Liacre. Para aálise do desempeho a estimativa da ETP foi tomado como modelo de referêcia o método de Liacre (ETP Calculada) e ométodo simulado(etp SWAT), os resultados obtidos para os 2 métodos foram comparados utilizado critérios estatísticos, aplicados para o período de validação. O período de validação para as estações possuem séries históricas (ja a dez-2010). A Figura 2 exibe a relação etre as estimativas de ETP pelo modelo SWAT e o método de Liacre para localidade de Bebedouro descrevedo uma explicação da ordem de 83% da variabilidade dos dados de ETP foi possível verificar a tedêcia de subestimativa dos valores simulados em toro de 18%, o que represeta em média cerca de 0,9 mm dia -1, equato o RQMDN foi da ordem de 16,4%. Tabela 1. Aálise estatística dos modelos de evapotraspiração potecial (ETP). ETP ETP SWAT EMA RQMDN Liacre(mm dia -1 (mm dia -1 ) (mm dia -1 EMP (%) ) (%) ) 6,2 5,3 0,9 18,1 16,4 Sabedo-se da importâcia da estimativa da ETP para avaliar os efeitos da mudaça do uso da terra sobre o redimeto de água, avaliação ambietal, e desevolvimeto de melhores práticas de gestão para proteger a qualidade das águas sobre a superfície e subterrâeas (Irmaket al., 2005). Figura 2. Relação etre as estimativas de ETP pelo modelo SWAT e o método de Liacre para o período (ja-1993 a dez-2010), para localidade de Bebedouro. 4 CONCLUSÕES De acordo com os resultados obtidos foi verificado que as estimativas de ETP gerados a partir das simulações do SWAT represetaram em toro de 83% a estimativas da ETP pelo método de Liacre, o qual utilizou apeas dados observados oriudos da estação de 6256

7 Bebedouro(PE). Dessa forma cosidera-se que os valores possuem desempeho satisfatório. Pode-se cocluir que o modelo de SWAT, através do método de Pema-Moteith, apresetase como alterativa adequado para forecer dados estimativos de ETP. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arold, J. G.; Alle, P. M. Automated methods for estimatig baseflow ad groud water recharge from streamflow records. J. America Water Resources Assoc. vol. 35, pp , Carvalho, L. G.; Rios, G. F. A.; Mirada,W. L.; NETO, P. C. Evapotraspiração de referêcia: uma abordagem atual de diferetes métodos de estimativa. Pesq. Agropec. Trop., Goiâia, v. 41,. 3, p , jul./set e-issn Irmak, A. Evapotraspiratio - Remote sesig ad modelig. Published by ITech, DOI: /725, Croatia. Dec., Jacovides C. P.; Kotoyiais, H. Statistical procedures for the evaluatio of evapotraspiratio computig models.agricultural Water Maagemet, vol. 27, p , Liew, M. W.; Veith, T. L.; Bosch, D. D.; Arold, J. G. Suitability of SWAT for the Coservatio effects assessmet project: A compariso o USDA ARS watersheds. Joural of Hydrological Research, v.12, p , Moriasi, D. N.; Arold, J. G.; Liew, M. W. va; Biger, R. L.; Harmel, R. D.; Veith, T. L.Model evaluatio guidelies for systematic quatificatio of accuracy i watershed simulatios.trasactiosofthe ASABE, v.50, p , Setelhas, P. C.; Agelocci, L. R. Evapotraspiração Defiições e coceitos. ESALQ/USP, Dispoível em: < Acesso em 06 out Silva, V. de P. R. da.o climate variability i Northeast of Brazil. Joural of Arid Eviromets, v.58, p , Silva, V. P. R.; Filho, Adelgicio F. B.; Silva, B. B.; Campos, J. H. B. C.Desevolvimeto de um sistema de estimativa da evapotraspiração de referêcia.rev. bras. eg. agríc. ambiet. [olie]. 2005, vol.9,.4, pp ISSN Souza, C. B.; Silva, B. B.; Azevedo, P. V,; Silva, V. P. R.Fluxos de eergia e desevolvimeto da cultura do abacaxizeiro. Revista Brasileira deegeharia Agrícola e Ambietalv.12,.4, p , Stoe, R. J. Improved statistical procedure for the evaluatio of solar radiatio estimatio models.solar eergy, v.51, p , TogrulI, T.; Togrul, H. Global solar radiatio over Turkey: compariso of predicted ad Measured date.reewable Eergy, v.25, p.55-67, Wag, K., Dickiso, R.E. A review of global terrestrial evapotraspiratio: observa-tio, modelig, climatology, ad climatic variability. Rev. Geophys. 50, 2012.Dispoívelem: < acessoem 12 out