Bruna Daniela de Araujo Taveira 1 * & Irani dos Santos 2

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1 USO DO MODELO SWAT PARA AVALIAR O IMPACTO DO USO DA TERRA NO TRANSPORTE DE SEDIMENTOS NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO NHUNDIAQUARA, SERRA DO MAR PARANAENSE Bruna Daniela de Araujo Taveira 1 * & Irani dos Santos 2 Resumo O objetivo do presente trabalho foi avaliar o impacto do cenário atual de uso da terra na bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara em relação a um cenário de conservação da vegetação de floresta, sem a presença de atividade antrópica. A avaliação foi realizada utilizando o modelo hidrológico SWAT. O modelo foi calibrado para o período de janeiro de 1997 a dezembro de 2005, com índice de eficiência COE calculado no valor de 0,78 e 0,70 para escoamento e transporte de sedimentos, respectivamente. A validação foi realizada no período de janeiro de 2006 a dezembro de 2014, com COE de 0,75 e 0,60 para escoamento e transporte de sedimentos, respectivamente, caracterizando uma representação satisfatória dos processos. Os resultados apontam uma redução de 17,7% na produção de sedimentos no cenário de conservação da vegetação de floresta em relação ao cenário atual. Os resultados salientam a importância da preservação de áreas de vegetação natural na prevenção de possíveis problemas causados pela produção de sedimentos acelerada por atividades antrópicas. Palavras-Chave Uso da terra, SWAT, produção de sedimentos USE OF THE SWAT MODEL TO EVALUATE THE IMPACT OF THE LAND USE IN THE NHUNDIAQUARA RIVER WATERSHED, SERRA DO MAR PARANAENSE. Resumo This research aims to evaluate the effect of the present land use in sediment transportation in the Nhundiaquara river watershed in relation to a forest conservation scenario, without the presence of agricultural or urban areas. The evaluation was done using the SWAT model. The model was calibrated for the period of January 1997 to December 2005, with Nash-Sutcliffe efficiency (COE) of 0,78 and 0,70 for streamflow and sediment yield respectively. Model validation was conducted for the period of January 2006 to December 2014, with COE of 0,75 and 0,60 for streamflow and sediment yield, respectively, showing a god fit for both processes when compared to observed values. The results point reduction of 17,7% in the sediment transport when compared to the present land use. Overall the results highlight the importance of native forest preservation to prevent possible problems caused by accelerated sediment production due to anthropogenic activities. Keywords Land use, SWAT, sediment producion. INTRODUÇÃO O transporte de sedimentos em bacias hidrográficas é um processo que depende da erosão que ocorre nas vertentes e no leito do rio e da conectividade hidrogeomorfológica entre as vertentes e os canais de drenagem, ambos com grande variação no tempo e no espaço. A partir do conhecimento 1 Afiliação: Universidade Federal do Paraná, brunattaveira@gmail.com 2 Afiliação: Universidade Federal do Paraná, irani@ufpr.br * Autor Correspondente. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 dos fatores principais que influenciam esse processo é possível modelar a erosão e o transporte de sedimentos em canais de drenagem de forma espacialmente distribuída em bacias hidrográficas (Santos et al., 2010). Este trabalho visa avaliar a resposta da bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara a diferentes cenários de uso da terra. A bacia localiza-se na região da Serra do Mar paranaense e está inserida no bioma Mata Atlântica, e é predominantemente ocupada por Floresta Ombrófila Densa em estágio inicial, médio e avançado de sucessão e ecossistemas associados como restingas, mangues e campos de altitude. Há também a presença de áreas agrícolas e urbanas em áreas de relevo plano e suave ondulado, e áreas de pastagem em áreas de relevo plano até moderadamente ondulado. Considerando que a vegetação é um importante elemento na estabilização da paisagem (Gibertoni et al., 2009), a utilização de modelagem para avaliação dos efeitos das mudanças no uso da terra sobre a dinâmica hidrogeomorfológica tem sido bastante usual. Na literatura é possível encontrar uma diversidade de trabalhos que avaliam o efeito de diferentes usos da terra no transporte de sedimentos e que encontram redução na produção de sedimentos em cenários de conservação de floresta a exemplo de Machado et al., (2003); Silva et al., (2011); Gibertoni et al., (2013) e Santos et al., (2010). Nesse sentido o presente trabalho tem o objetivo de avaliar o impacto do uso da terra atual na produção de sedimentos na bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara, para o período de 1997 a 2014, em comparação com a condição anterior da bacia, representada por um cenário de preservação da vegetação de floresta sem interferências antrópicas, utilizando o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool - SWAT (Neitsch et al., 2002). A calibração do modelo foi realizada com ajuste de parâmetros e comparação com dados hidrológicos disponíveis. MATERIAL E MÉTODOS Área de Estudo A bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara localiza-se nos municípios de Morretes, Piraquara e Quatro Barras-PR e está inserida na bacia Litorânea, drenando para a Baía de Antonina e Paranaguá (Figura 1). Neste trabalho foi considerada a área da bacia até a estação de monitoramento Morretes, localizada a S e O, totalizando uma área de drenagem de aproximadamente 215 km². Na bacia a ocupação é diversificada, dividindo-se entre áreas de vegetação natural (predominante) e áreas urbanizadas e agrícolas (Figura 2). No que diz respeito ao clima, a região da Serra do Mar paranaense apresenta altos índices pluviométricos, principalmente nos meses de verão, configurando uma chuva média na bacia entre 2600 a 2700 mm/ano. A configuração do relevo na região caracteriza-se em grandes declividades, com solos pouco profundos e ocorrência de afloramentos rochosos. Os solos que apresentam predominância na bacia hidrográfica são o Neossolo Litólico e o cambissolo sendo que o Neossolo se encontra na região de serra, com relevo declivoso e vales rochosos com configuração vegetal de floresta em estágio médio e avançado, enquanto que os Cambissolos se encontram distribuídos em toda a bacia, em áreas de relevo ondulado até áreas de relevo plano e suave ondulado, com usos diversificados. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Dados Utilizados Figura 1 Localização da bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara Para simulação dos processos a bacia do rio Nhundiaquara foi dividida em 55 sub-bacias (Figura 2) a partir do MDT com área média de 3,5 km². O Modelo Digital do Terreno foi produzido a partir dos dados de altimetria (AGUASPARANA, 2011) em escala 1: As classes de declividade foram geradas com base em quebras naturais (jenks), com classes variando de 0 a 72%. O mapeamento de uso e vegetação utilizado neste trabalho foi elaborado por Britez et al. (2015) em escala 1: A classificação e mapeamento dos solos foram elaborados por Paula (2010). A série histórica de variáveis climáticas utilizadas é proveniente do Instituto das Águas do Paraná (AGUASPARANÁ), do Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR) e Instituto Agronômico do Paraná (IAPAR). A rede selecionada compreende três estações de monitoramento, sendo uma meteorológica e três pluviométricas com dados em escala diária (Tabela 1). Por estar situada em região de serra, a área de estudo apresenta efeito orográfico, que não é bem representado pela rede de monitoramento devido à falta de dados pluviométricos em altitudes elevadas dentro dos limites da bacia. Assim dados da estação Véu da Noiva (extinta em 1996) foram utilizados para correção e melhor representação das chuvas na estação Mananciais da Serra, conforme explicitado em Taveira (2016). Tabela 1 Estações climatológicas utilizadas na modelagem Nome Código Localização Altitude Instalação Fonte Mananciais da Serra (P) São João da Graciosa (P) Véu de Noiva Antonina I (M) Antonina II (M) S O S O S O S O S O 979 m 1916 AGUASPARANÁ 88 m 1975 AGUASPARANÁ 680 m 1940 AGUASPARANÁ 60 m 1975 IAPAR 60 m 1999 SIMEPAR XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Modelo SWAT Figura 2 Cenários de uso da terra da bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara O modelo SWAT foi desenvolvido pelo Agricultural Research Service em parceria com a Texas A&M University, no objetivo de prever o impacto do uso e manejo do solo e de variáveis climáticas sobre o ciclo hidrológico, produção de sedimentos e qualidade da água para bacias hidrográficas grandes e complexas (Neitsch et al., 2002). Neste trabalho foi utilizada a versão ARCSWAT , integrada ao software ArcGIs Primeiramente a série foi dividida em dois períodos: janeiro de 1997 a dezembro de 2005 para calibração e janeiro de 2006 a dezembro de 2014 para validação. Posteriormente todo o período foi simulado ( ) sob a influência de dois diferentes cenários de uso, visando avaliar o impacto de diferentes configurações de uso da terra nos valores médios de vazão e transporte de sedimentos. A performance do modelo em simular adequadamente a tendência hidrossedimentológica sob o cenário atual foi avaliada comparando os dados simulados com dados observados em séries históricas por meio do coeficiente de Nash-Sutcliffe (COE): XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 NSE n ( Yi i1 ( Y Obs obs Y n Y i1 sim i med ) ) (1) sendo: y obs = valor do evento observado no dia i, Y sim valor do evento simulado no dia i e Y med média dos eventos observados. Os dados monitorados de vazão utilizados para calibração do modelo são da estação Morretes ( ). Os dados relativos à descarga sólida foram calculados com base em 119 medições no período de 1982 a 2014, resultando em curva de descarga sólida com coeficiente de determinação de 0,9. RESULTADOS E DISCUSSÕES Calibração e Validação Com relação ao escoamento total (Figura 3) os valores de COE foram de 0,78 para o período de calibração e 0,75 para validação em escala de tempo mensal. Os valores médios dos dados observados e simulados foram, respectivamente, 15,6 m³ s -1 e 15,5 m³ s -1, caracterizando diferença de 0,6%. Para o transporte de sedimentos (Figura 4) os valores de COE foram de 0,70 para calibração e 0,70 para validação. Os valores médios dos dados observados e simulados foram, respectivamente 149 ton dia -1 e 171 ton dia -1, caracterizando uma diferença de 14%. Os índices indicam boa performance do modelo para representação dos processos de acordo com os intervalos de valores para mensuração da eficiência do modelo em escala mensal, propostos por Moriasi et al., (2007). Comumente encontra-se na literatura melhores resultados para simulação da vazão líquida do que para transporte de sedimentos, tendo em vista a complexidade do processo e a subjetividade no processo de calibração. Santos et al., (2010) e Banaman et al., (2005) também encontraram melhor eficiência do modelo para simulação de escoamento do que para transporte de sedimentos. Figura 3 - Vazão observada e simulada na bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara para o período de 1997 a 2014 XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 4 Transporte de sedimentos observado e simulado na bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara para o período de 1997 a 2014 Impacto do uso da terra O objetivo da simulação foi avaliar o efeito do uso atual da terra nos valores médios de vazão e transporte de sedimentos, comparando com as condições originais da bacia, representadas pelo cenário de vegetação natural, sem interferência de atividades antrópicas. Tabela 2 Uso da terra para os cenários simulados Uso da terra Uso da terra em relação à da área total da bacia (%) Atual* Cenário 1** Agricultura 0,3 Áreas Urbanas 0,5 Floresta densa 82,6 92,2 Floresta aluvial 3,3 3,3 Pastagem 7,9 Floresta com campos de altitude 4,5 4,5 * Condições atuais de uso e ocupação da terra ** Sem interferência antrópica Os resultados apontaram que nas condições de vegetação natural na bacia a produção de sedimento é 17,5% menor do que na situação de uso atual. O valor médio de transporte de sedimentos simulado na bacia para o período de 1997 a 2014 foi de 171,4 ton dia -1. Com a substituição de áreas agrícolas e urbanizadas por vegetação natural para o mesmo período o valor foi de 141,3 ton dia -1. Trabalhos de Santos et al. (2010); Gibertoni et al. (2009) e Perazzoli et al. (2013) encontraram aumento da produção média de sedimentos com o incremento de áreas agrícolas em bacias hidrográficas. Os mesmos autores encontraram redução na produção de sedimentos em cenários com predomínio ou reconstituição de áreas de floresta. CONSIDERAÇÕES FINAIS O modelo SWAT representou de maneira adequada os processos na bacia hidrográfica do rio Nhundiaquara, com índice de eficiência COE de 0,78 e 0,75, para calibração e validação da vazão e 0,70 e 0,60 para calibração e validação do transporte de sedimentos, respectivamente. O cenário de conservação da floresta apresentou produção de sedimentos 17,5% menor do que a simulada para o uso da terra atual. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Dados os resultados, salienta-se a importância da vegetação como elemento estabilizador da paisagem, e a importância da preservação de mata nativa para prevenção de desequilíbrios ambientais causados pela produção de sedimentos em demasia. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao SIMEPAR, IAPAR, ÁGUASPARANÁ, Paula (2010) e Britez et al., (2015) pela disponibilização dos dados que possibilitaram o trabalho e a CAPES pela bolsa de mestrado. REFERÊNCIAS BENAMAN, J., SHOEMAKER, C. A., & HAITH, D. A. (2005). Calibration and validation of soil and water assessment tool on an agricultural watershed in upstate New York. Journal of Hydrologic Engineering, 10(5), BRITEZ, R.M.; PRESTES, M. MACHADO, M. A. (2015) Mapeamento da vegetação do litoral do Paraná. Anais do VII Congresso Brasileiro de Unidades de Conservação. Curitiba, PR GIBERTONI, R. F. C., SANTOS, I., MÜLLER, I. I., & PEREIRA, P. S. (2009). Modelagem da produção e transporte de sedimentos em bacias hidrográficas do litoral paranaense: o caso da bacia do rio Nhundiaquara. XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. MACHADO, R. E., VETORAZZI, C. A., & XAVIER, A. C. (2003). Simulação de cenários alternativos de uso da terra em uma microbacia utilizando técnicas de modelagem e geoprocessamento. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 27(4), NEITSCH, S. L., ARNOLD, J. G., KINIRY, J. R., & WILLIAMS, J. R. (2011). Soil and water assessment tool theoretical documentation version Texas Water Resources Institute. PAULA, E. V. Análise da Produção de Sedimentos na Área de Drenagem da Baía de Antonina/PR: uma abordagem geopedológica. Tese (Doutorado em Geografia) Programa de Pós-Graduação em Geografia UFPR, 168 p SANTOS, I., ANDRIOLO, M. V., GIBERTONI, R. C., & KOBIYAMA, M. (2010). Use of the SWAT model to evaluate the impact of different land use scenarios on discharge and sediment transport in the Apucaraninha River watershed, southern Brazil. IAHS-AISH publication, SILVA, V. D. A., MOREAU, M. S., MOREAU, A. M. S. S., & REGO, N. A. (2011). Uso da terra e perda de solo na Bacia Hidrográfica do Rio Colônia, Bahia. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 15(3), TAVEIRA, B. D. A. (2016). Processos hidrossedimentológicos em cenários climáticos na bacia hidrográfica do Rio Nhundiaquara, Serra do Mar Paranaense. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Geografia UFPR, 96 p XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7