O USO DO GERADOR CLIMÁTICO DO SWAT PARA A MICROBACIA DE SANTA MARIA/CAMBIOCÓ Gustavo Carneiro de Noronha 1 * & Luciene Pimentel da Silva 2 & Mônica de Aquino Galeano Massera da Hora 3 Resumo O objetivo principal do presente trabalho é estimar as variáveis da estação climática do modelo computacional Soil and Water Assessment Tool (SWAT) para a microbacia experimental de estudo na Região Noroeste do Estado do Rio de Janeiro. Foram usados os dados climáticos observados do posto código 83695 do Instituto Nacional de Meteorologia, localizado no Município de Itaperuna, para o período de janeiro de 1970 a dezembro de 1978, maior intervalo de dados observados sem falhas, já que os registros pluviométricos na microbacia compreendiam pouco mais de um ano, entre abril de 2005 e agosto de 2006, e seriam insuficientes para garantir boa performance do gerador climático. Para a definição da estação climática, as variáveis radiação solar e temperatura média de ponto de orvalho foram estimadas. A simulação dos resultados foi bem sucedida e as variáveis climáticas perfazem 9 anos consecutivos de dados gerados. Palavras-Chave estação climática, SWAT, Noroeste Fluminense THE USE OF THE SWAT WEATHER GENERATOR IN SANTA MARIA/CAMBIOCÓ CATCHMENT Abstract The main objective of this study is to estimate the variables of weather station s Soil and Water Assessment Tool computer model to study experimental watershed in the Northwest Region of the State of Rio de Janeiro. The observed climate data of the post code 83 695 of the National Meteorology Institute were used, it is located in the city of Itaperuna, for the period January 1970 to December 1978, most flawless observed data range, since precipitation records in the watershed understand just over a year, between April 2005 and August 2006, and would be insufficient to ensure good performance of the climate generator. To construct the weather station, the variable solar radiation and average dew point temperature were estimated.the simulation of the weather station was successful and the results account for 9 consecutive years of generated data. Keywords weather station, SWAT, northwestern region of the State of Rio de Janeiro INTRODUÇÃO A Região Noroeste Fluminense (RNF), Figura 1, caracteriza-se como uma das mais secas e degradadas do estado do Rio de Janeiro. Ela vem sofrendo sérias restrições de abastecimento de água para consumo humano e animal, em função da escassez hídrica dos últimos anos oriunda, 1 * Professor Assistente do Departamento de Engenharia Agrícola e Meio Ambiente UFF. Doutorando em Meio Ambiente PPG/MA UERJ, gcnoronha@vm.uff.br. 2 Professora Adjunta do PPG/MA UERJ, luciene.pimenteldasilva@gmail.com. 3 Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Agrícola e Meio Ambiente UFF, dahora@vm.uff.br. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1
principalmente, do desmatamento excessivo da vegetação natural ao longo das últimas décadas para o plantio de monoculturas sucessivas, erosão dos solos e assoreamento dos cursos d água, como consequência da ocupação não planejada das terras e dos sistemas agrícolas não preservacionistas que tem vigorado até os dias atuais [Moraes, 2007]. Figura 1 - Mapa de localização dos municípios da Região Noroeste Fluminense Fonte: COSTA et al., 2004. A pesquisa sobre os impactos ambientais e seus desdobramentos nas disponibilidades hídricas para os usos múltiplos na RNF desperta a necessidade de ações por parte dos órgãos governamentais e da sociedade civil. Moraes (2007) aponta que este fato tem motivado investimento em estudos e projetos que busquem a melhor compreensão dos fenômenos climáticos e hidrológicos na região que poderão consubstanciar de forma mais efetiva as políticas públicas para a retomada do desenvolvimento sustentável local. Neste contexto, foi selecionada uma área de estudo representada pela microbacia de Santa Maria/Cambiocó, inserida no município de São José de Ubá. A escolha desta microbacia foi norteada por questões físicas e ambientais, mas também pelos arranjos socioeconômicos locais. Diversos estudos foram e estão sendo desenvolvidos na microbacia a partir do uso de modelos hidrológicos, ferramentas importantes no auxílio à gestão dos recursos hídricos. Como não há série de dados climáticos na microbacia para subsidiar a simulação de cenários no modelo computacional Soil and Water Assessment Tool (SWAT), foi realizado, no presente estudo, o cálculo das variáveis de clima utilizando o aplicativo WGN Excel Macro (WGN), disponível no sítio eletrônico swat.tamu.edu/. MATERIAIS E MÉTODOS A microbacia de Santa Maria/Cambiocó está localizada entre as coordenadas 21º22 e 21º25 S, e 41º53 e 41º56 O, na margem direita do rio São Domingos que por sua vez está inserido na RNF, sendo afluente pela margem direita do rio Muriaé. A microbacia possui altitude média de 246 m, apresenta relevo acidentado e os solos são predominantemente do tipo Latossolo. O clima é do tipo tropical semiúmido, com estação chuvosa entre outubro e abril, e estação seca entre maio e setembro, possuindo uma precipitação XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2
pluviométrica de até 1.100 mm.ano -1. Um dos condicionantes climáticos configura-se na baixa altitude dos morros que não favorecem o barramento das nuvens de frentes frias. As temperaturas, similares às da RNF, variam entre 15 C (mínima) e 40 C (máxima), sendo a temperatura média 25 C [Moraes, 2007]. O monitoramento das chuvas foi realizado em intervalos de 15 minutos dentro da microbacia no estirão a jusante da confluência dos córregos Santa Maria e Cambiocó, conhecido como Valão Preto, na seção denominada exutório da microbacia experimental, onde está localizado o posto pluviométrico automático João Linhares. Segundo Moraes (2007), a microbacia experimental possui elevação média de 246,0 m, variando entre 121,3 e 651,3 m, e uma área de 1.350 hectares. A Tabela 1 apresenta os resultados dos valores medidos de precipitação. Tabela 1 - Chuvas totais mensais na bacia de Santa Maria/Cambiocó Meses P (mm) Abril 107,5 Maio 107,2 Junho 54,4 Julho 44,7 2005 Agosto 6,9 Setembro 135,2 Outubro 57,3 Novembro 198,5 Dezembro 281,1 Janeiro 216,7 Fevereiro 180,7 Março 132,1 2006 Abril 136,8 Maio 59,3 Junho 7,1 Julho 11,7 Agosto 20,4 Fonte: MORAES, 2007. O SWAT é um modelo de base conceitual física que permite a análise de diferentes processos em bacias hidrográficas a partir de parâmetros espacialmente distribuídos em nível de sub-bacias e em caráter temporal contínuo operando em um passo de tempo diário. Para os cálculos nas simulações, o modelo necessita de informações de clima que podem estar disponíveis no banco de dados do próprio modelo, no caso de simulações para bacias nos Estados Unidos, ou a partir da inserção de dados de, pelo menos, um posto climatológico com informações do local ou de regiões próximas. As variáveis meteorológicas requeridas pelo modelo SWAT incluem precipitação diária, temperaturas máxima e mínima do ar, radiação solar, velocidade do vento, umidade relativa do ar e altura de chuva máxima de 30 minutos. O SWAT inclui um gerador de condições atmosféricas usado para simular todas variáveis com base em estatísticas mensais climáticas calculadas a partir de dados medidos e preencher as falhas nos registros medidos (NEITSCH, 2005). Além disso, é necessário calcular a temperatura do ponto de orvalho que em conjunto com os demais dados meteorológicos foram organizados na escala diária em formato de texto (.txt), para inserção no WGN. Para o cálculo da temperatura do ponto de orvalho foi utilizado o programa dew02.exe XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3
(DEW02), também disponível no sítio eletrônico do SWAT 4, sendo necessária a inserção de informações diárias de temperatura máxima, temperatura mínima e umidade relativa. Como o resultado do DEW02 é em nível mensal (um valor de temperatura do ponto de orvalho para cada mês, perfazendo um total de 12 valores) e a entrada do aplicativo WGN é diária, os resultados obtidos de temperatura de ponto de orvalho foram repetidos para todos os dias que compõem o mesmo mês do calendário gregoriano. Com relação à altura de chuva máxima de 30 minutos, optou-se por não utilizar as informações do posto João Linhares, pois de acordo com NEITSCH et al. (2005), esta variável deve representar a média de pelo menos 5 anos de observação, portanto séries com falhas e de curta duração podem causar distorções nos resultados. Com base no exposto, optou-se pela utilização dos dados diários disponibilizados pelo posto climatológico 83695, operado pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), localizado no Município de Itaperuna na latitude -21,2º e longitude -41,9. A Tabela 2 apresenta o resumo do posto climatológico selecionado, cuja altitude é de 123,59 m e distante, aproximadamente, 20 km da microbacia em estudo. Os anos com falha foram admitidos como aqueles em que as séries apresentaram pelo menos duas falhas diárias consecutivas. Tabela 2 Dados do Posto INMET 83695 Parâmetro Período da Série Falhas Precipitação 1968; 1980; 1984 a 1992; 2001 Temperatura Máxima 1961 a 1969; 1980 a 1989; 1991; 2001; 2002 Temperatura Mínima 1961 a 1969; 1980 a 1989; 2001; 2008 Insolação 1961 a 1969; 1980 a 1985; 2001 a 2004 1961 a 2013 1961 a 1969; 1980 a 1982; Temperatura Média 1984 a 1989; 2001; 2002; 2008 Umidade Relativa 1961 a 1969; 1979 a 1993; 2001; 2002 Velocidade do Vento 1961 a 1968; 1979 a 1982; 1984 a 2003 Os dados selecionados, que abrangem o intervalo entre janeiro de 1970 e dezembro de 1978, maior período sem falhas, foram: precipitação, temperatura máxima, temperatura mínima, insolação e velocidade do vento, que foram adequados ao formato requerido pelo WGN. Já as variáveis temperatura do ponto de orvalho e a altura de chuva máxima de 30 minutos foram estimadas, conforme descrito a seguir. Para o cálculo da chuva máxima diária de 30 minutos, foram utilizados os coeficientes de desagregação de chuva referidos em DAEE/CETESB (1980) e relacionados na Tabela 3. Nota-se, um grupo de índices relativos a durações menores que 30 minutos e outro para durações iguais ou superiores a 1 hora. O coeficiente que relaciona a chuva de 30 minutos com a chuva de 1 hora é o elo entre os dois grupos. Tabela 3 Coeficientes de desagregação do Brasil (DAEE/CETESB, 1980) Relação de durações Relação de chuvas 5 min / 30 min 0,34 10 min / 30 min 0,54 15 min / 30 min 0,70 4 http://swat.tamu.edu/ XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4
20 min / 30 min 0,81 25 min / 30 min 0,91 30 min / 1 h 0,74 1 h / 24 h 0,42 6 h / 24 h 0,72 8 h / 24 h 0,78 10 h / 24 h 0,82 12 h / 24 h 0,85 1 dia / 24 h 1,14 Para a desagregação de chuvas, foi necessário transformar a série de chuvas diárias em chuvas de 24 horas, em seguida as chuvas de 24 horas em chuvas de 1 hora, e finalmente, as chuvas de 1 hora em chuvas de 30 minutos, a partir da multiplicação de três coeficientes 1,14; 0,42; e 0,74. O posto climatológico 83695 possui dados de insolação mensal, em horas, sendo que o aplicativo WGN requer dados de radiação solar diária, em MJ/m². De acordo com NEITSCH et al. (2005), para adaptar as unidades dessas duas variáveis é preciso aplicar equações representativas de dois principais grupos de conceitos que influenciam a radiação solar na superfície, a relação Terra- Sol e os efeitos atmosféricos sobre a radiação solar. Para o primeiro grupo, deve ser considerada a distância entre a Terra e o Sol, a declinação solar e o ângulo zenital, para o segundo grupo e a partir da radiação extraterrestre, estimada no primeiro grupo, é necessário considerar a cobertura de nuvens e a reflexão e absorção de ondas curtas e longas. No WGN foram utilizados valores repetidos de radiação solar diária para cada um dos dias dentro de um mesmo mês. RESULTADOS As informações diárias de temperatura máxima, temperatura mínima e umidade relativa foram ajustadas para o formato requerido no programa DEW02 e os resultados estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Resultados do programa DEW02, em ºC Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Temperatura do 22,92 22,97 22,84 21,08 19,42 18,39 17,59 17,91 18,72 19,89 20,88 22,84 Ponto de Orvalho Os valores de latitude e altitude, bem como as séries de insolação, temperatura média e umidade relativa foram extraídos do posto climatológico 83695. Os resultados de radiação solar diária encontram-se relacionados na Tabela 5. Tabela 5 Resultados do cálculo da Radiação Solar, em MJ.m -2.dia -1 Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Radiação Solar 22,39 21,98 18,75 15,35 13,27 12,11 12,62 14,70 14,47 15,36 16,62 19,34 Os resultados do processamento de dados pelo WGN, para a construção da estação climática, estão apresentados na Tabela 6. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5
Tabela 6 Resultados do processamento do aplicativo WGN para construção da Estação Climática Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez TMPMX 32,60 33,05 32,32 29,70 28,01 27,38 26,81 28,01 27,77 28,35 29,00 30,85 TMPMN 21,43 21,63 21,44 19,52 16,90 15,57 15,18 15,98 17,68 19,03 19,90 20,87 TMPSTDMX 3,13 2,57 2,49 2,95 2,74 2,89 2,99 3,46 3,97 3,86 3,49 3,37 TMPSTDMN 1,32 1,13 1,18 2,11 2,39 2,16 2,31 2,10 1,82 2,16 1,95 1,83 PCPMM (mm) 151,87 87,02 99,53 73,17 52,18 19,41 38,63 31,79 53,11 121,73 204,66 194,30 PCPSTD (mm) 11,50 10,58 8,41 8,31 6,51 2,84 4,45 4,39 5,07 9,66 14,05 12,06 PCPSKW (adim.) 3,07 6,49 3,26 6,14 7,26 7,25 4,66 6,11 4,25 3,99 3,08 2,41 PR-W1 (adim.) 0,23 0,21 0,22 0,20 0,22 0,16 0,14 0,11 0,18 0,30 0,40 0,33 PR-W2 (adim.) 0,61 0,54 0,50 0,43 0,46 0,51 0,59 0,44 0,46 0,59 0,60 0,61 PCPD (nº de dias) 11,44 8,78 9,56 7,78 8,89 7,44 8,11 4,56 8,00 12,33 15,11 14,33 RAINHHMX (mm) 22,8 37,9 16,4 31,1 27,3 11,3 10,9 16,2 13,0 26,9 34,8 21,5 SOLARAV (MJ/m².dia) 22,39 21,98 18,75 15,35 13,27 12,11 12,62 14,7 14,47 15,36 16,62 19,34 DEWPT 22,92 22,97 22,84 21,08 19,42 18,39 17,59 17,91 18,72 19,89 20,88 22,24 WNDAV (m/s) 1,38 1,34 1,27 1,04 0,81 0,90 0,98 1,42 1,71 1,73 1,74 1,42 Onde TMPMX é a média mensal das temperaturas máximas, TMPMN é a média mensal das temperaturas mínimas, TMPSTDMX é o desvio padrão das temperaturas máximas, TMPSTDMN é o desvio padrão das temperaturas mínimas, PCPMM é a média da precipitação mensal, PCPSTD é o desvio padrão das precipitações diárias, PCPSKW é o coeficiente de assimetria das precipitações diárias, PR-W1 é a probabilidade de um dia úmido acontecer após um dia seco no mês, PR-W2 é a probabilidade de um dia úmido acontecer após um dia úmido no mês, PCPD é a média de dias com precipitação no mês, RAINHHMX é o evento extremo de chuva de 30 minutos no mês, SOLARAV é a média da radiação solar diária no mês, DEWPT é a média mensal da temperatura do ponto de orvalho, e WNDAV é a média mensal da velocidade do vento. As Figuras 2 a 4 ilustram a variação das temperaturas, precipitações e radiação solar apresentadas na Tabela 6. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6
Figura 2 Variáveis calculadas para a Estação Climática (temperaturas) Figura 3 Variáveis calculadas para a Estação Climática (precipitações) Figura 4 Variáveis calculadas para a Estação Climática (radiação solar) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7
CONCLUSÕES Os dados do posto climatológico 83695 apresentam séries diárias de precipitação, temperatura máxima, temperatura mínima, insolação, temperatura média, umidade relativa e velocidade do vento de 1961 a 2013. Devido às falhas ao longo da série observada, foi utilizado para a construção da estação climática através do aplicativo WGN, o período de janeiro de 1970 a dezembro de 1978, perfazendo um total de 9 anos de dados. A conversão de insolação mensal para radiação solar diária para alimentar o programa DEW02 gerou valores médios mensais de temperatura do ponto de orvalho que foram repetidos para cada um dos 12 meses da série temporal utilizada. Em virtude da inexistência de série de chuvas sub-diárias no posto climatológico 83695, foi necessário realizar a desagregação das chuvas de 1 dia/24 horas; 1 hora/24 horas e 30 min/1 hora. Os dados da estação climática foram gerados com sucesso pelo aplicativo WGN. Os resultados refletem o clima da região com estação seca, entre maio e setembro, e chuvosa, entre outubro e abril. REFERÊNCIAS COSTA, T.C.C.; CALDERANO FILHO, B.; PEREIRA, N.; PALMIERI, F.; ANDRADE, D.O.; (2004). Uso e cobertura das terras da Região Noroeste do Estado do Rio de Janeiro. Embrapa Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Rio de Janeiro - RJ, 23 p. 2004. Disponível em: < http://www.cnps.embrapa.br/publicacoes/pdfs/doc60_2004_usocoberturarj.pdf>. Acessado em: Abril de 2013. DAEE/CETESB (1980). Departamento de Águas e Drenagem Urbana/Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental. Drenagem urbana: Manual de projeto. São Paulo: 466p. 1980. MORAES, M.F. (2007). Estimativa do balanço hídrico na bacia experimental/representativa de Santa Maria/Cambiocó Município de São José de Ubá-RJ. Tese de Doutorado em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 233p. 2007. NEITSCH, S.L.; ARNOLD, J. G.; KINIRY, J.R.; WILLIAMS, J. R. (2005). Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation, Version 2005. Temple, Tex.: USDA-ARS Grassland, Soil and Water Research Laboratory. 2005. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8