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:
Menezes
Itajaí
2011
João
Thadeu
de
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
8.1 Anexo A ........................................................................................................................... 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
Tabela 10: Dados de cada tipo de solo inseridos manualmente no modelo. .......................... 53
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 NaschSutcliffe) 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.
Palavras-Chave: Modelos Hidrológicos. SWAT. Dados Climáticos. Bacia Hidrográfica.
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
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.
2
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).
3
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
4
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.
5
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.
6
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
7
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,
8
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).
9
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
10
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);
Qqw: é a quantidade de fluxo de retorno no dia i (mm H2O)
11
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)
S: é o parâmetro de retenção, o qual é calculado de acordo com a equação:
12
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):
13
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).
14
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,
15
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, caracterizandose 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
16
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).
17
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
18
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.
Figura 5: Processo de funcionamento do modelo SWAT. Fonte: Machado, 2002.
19
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.
20
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.
21
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.
22
Tabela 1: Estações fluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
Código Estação
(ANA)
83029900
83050000
83069900
83105000
83250000
83300200
83440000
83520000
83660000
83675000
83677000
83690000
83892990
83892998
83900000
Município
Taió
Taió
Trombudo Central
Alfredo Wagner
Ituporanga
Rio do Sul
Ibirama
Indaial
Benedito Novo
Rio dos Cedros
Timbó
Indaial
Vidal Ramos
Botuverá
Brusque
Coordenadas UTM
XPR (E)
YPR (N)
586.184,35
7.008.784,97
599.669,70
7.000.634,00
618.825,48
6.979.361,97
661.121,04
6.937.526,15
637.214,86
6.969.707,55
634.916,19
6.989.935,86
646.869,28
7.007.865,50
669.396,26
7.018.899,12
662.617,30
7.036.044,00
671.694,93
7.040.966,37
671.235,20
7.031.771,68
674.913,07
7.024.875,67
664.798,92
6.976.603,56
689.164,83
6.990.855,33
706.431,50
7.000.707,50
Altitude
0
360
0
454
370
350
151
72
90
80
0
60
0
0
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
(Epagri/Ciram)
167
183
191
Município
Indaial
Itajaí
Ituporanga
Coordenadas (m)
XPR
YPR
669.863,000
7.018.390,000
733.840,000
7.022.490,000
642.943,000
6.957.120,000
23
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.
24
Tabela 3: Estações pluviométricas localizadas na bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
Código Estação (ANA)
Município
2648019
2649001
2649002
2649005
2649007
2649008
2649009
2649010
2649017
2649058
2650014
2650022
2650023
2749001
2749002
2749005
2749006
2749007
2749013
2749016
2749017
2749037
2749039
2749045
2749046
2750014
2750021
Piçarras
Indaial
Pomerode
Indaial
Blumenau
Rio dos Cedros
Blumenau
Blumenau
Benedito Novo
Vitor Meireles
Rio do Campo
Papanduva
Papanduva
Ibirama
Ituporanga
Ibirama
Pouso Redondo
Alfredo Wagner
Trombudo Central
Apiuna
Ituporanga
Alfredo Wagner
Rio do Sul
Botuvera
Vidal Ramos
Taió
Taió
Coordenadas (m)
XPR
YPR
729.016,011 7.038.937,736
669.863,193 7.018.393,644
681.906,282 7.041.417,196
671.634,235 7.022.644,146
691.469,911 7.021.935,729
671.988,444 7.041.062,987
691.115,703 7.014.851,559
690.761,494 7.034.333,026
651.090,143 7.043.542,447
617.440,336 7.046.021,906
585.074,535 7.019.367,717
601.146,748 7.073.295,960
584.853,154 7.047.792,949
647.193,849 7.007.058,972
637.630,220 6.969.512,871
639.755,471 7.009.538,431
604.334,621 6.985.098,045
659.591,147 6.931.966,771
621.690,838 6.981.201,752
660.299,564 7.008.121,597
642.943,347 6.957.115,574
661.007,981 6.937.279,898
635.150,760 6.990.411,173
688.990,452 6.990.765,381
665.258,482 6.975.888,624
595.479,409 7.002.454,261
572.445,857 6.998.557,968
Elevação
(m)
10
72
46
60
12
80
40
65
250
450
600
1000
800
151
370
252
353
550
350
200
370
454
350
0
0
370
900
25
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:
26
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.
27
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.
Figura 7: Modelo numérico de terreno obtido para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu.
28
5.2 Sub-bacias e Cursos de Água
A divisão da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu realizada pelo SWAT resultou em 38 subbacias 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.
29
Tabela 4: Sub-bacias geradas pelo SWAT com suas respectivas áreas e elevações médias.
Sub-bacia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
Elevação (m)
700
823,14
620
655,45
80
113,8
598,3
60
65,83
40
20
360,27
60
556,94
479,31
395,18
260
401,84
240
308,9
429,95
40
433,07
460
550
166
740
446,47
438,63
340
412,02
441,71
565,84
840
603,29
424,33
444,7
867,2
Área (km²)
1387
499
349
714
58
11
98
93
26
1167
8
188
259
468
331
912
433
295
21
160
438
431
20
374
439
432
436
9
112
14
384
279
473
283
330
242
1319
426
30
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
Areias Quartzosas Marinhas (AQ)
Solos Aluviais (AE)
Cambissolo (C)
Glei Pouco Húmico (HGP)
Podzólico Vermelho Amarelo (PV)
Solos Litólicos (R)
Cursos de Água
Total
Área (km²)
49,75
11,66
7.134,03
1.001,41
3.157,32
3.847,43
96,16
15.297,76
Área (%)
0,3252
0,0762
46,6344
6,5461
20,6391
25,1502
0,6285
100
31
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
Urbanização
Cursos de água
Floresta
Agricutura
Solo Exposto
Total
Área (km²)
828,98
60,6
9620,42
4139,1
648,61
15297,76
Área (%)
5,41
0,39
62,88
27,05
4,23
100
32
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.
33
Ranking dos Parâmetros
Influência (%)
Parâmetro
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
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
34
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
Inicial (sem ajuste)
Canmx
Alpha_bf
Sol_Awc
CN2
Lat_Time
Valor
COE (Sub-bacia 4)
Original Ajustado
-2,95852771
0
100
-0,10546
0,048
0
0,189035
0,15
1
0,395627
60
35
0,460604
0
11
0,534724
COE (Sub-bacia 26)
-8,946987209
-3,43014
-1,35604
-1,3615
-1,06543
-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.
Sub-bacia 4
Sub-bacia 26
COE Inicial
-2,95852771
-8,946987209
COE Ajustado
0,534724
-0,92787
R²
0,7471
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 subbacia.
35
60
8
50
7
6
40
5
30
4
20
3
10
Precipitação (mm)
Vazão (m³/s)
Vazão Observada x Simulada (Sub-bacia 4)
2
0
1
Jan
Fev
Mar
Abr
Maio
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Datas (Ano de 2002)
Precipitação
Vazão Simulada sem Ajuste
Vazão Observada
Vazão Simulada Ajustada
Figura 12: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 4.
Vazão Observada (m³/s)
30
25
20
15
y = 0,6647x + 4,3882
R² = 0,7471
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Vazão Simulada (m³/s)
Figura 13: Valor de R² encontrado para a sub-bacia 4.
36
80
7
70
6,5
6
Vazão (m³/s)
60
5,5
50
5
40
4,5
30
4
3,5
20
3
10
Precipitação (mm/dia)
Vazão Observada x Simulada (Sub-bacia 26)
2,5
0
2
Jan
Fev
Mar
Abr
Maio
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Data (Ano de 2002)
Precipitação
Vazão Simulada sem Ajuste
Vazão Observada
Vazão Simulada Ajustada
Figura 14: Valores de vazão observados, simulados sem ajuste e simulados ajustados para a sub-bacia 26.
Vazão Observada (m³/s)
40
35
30
25
20
y = 0,3647x + 16,356
R² = 0,3592
15
10
5
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Vazão Simulada (m³/s)
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,
37
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.
38
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.
39
Esta situação pode se agravar ainda mais quando a cobertura do solo que se encontram
nestas áreas é a urbanização, como a que foi encontrada para algumas regiões destas
mesmas sub-bacias, pois é considerada como uma cobertura de permeabilidade mínima que
favorece o escoamento da água incidente.
Apesar de que neste estudo os valores obtidos com a modelagem não serão considerados de
forma quantitativa devido à calibração não satisfatória, os valores de vazão encontrados
neste trabalho estão próximos de valores encontrados na literatura.
Schettini (2002) encontrou para o posto fluviométrico de Indaial, o qual ele cita que é a
estação fluviométrica mais próxima da desembocadura, que não sofre influência da maré,
uma média diária de vazão de 228 ± 282 m³/s. Esta estação corresponde ao outlet da subbacia 13 para este trabalho, onde se obteve uma média diária de vazão entre 77,66 e 212,67
m³/s, portanto, considerando esta alta variabilidade através do coeficiente de variação
encontrado pelo autor, os valores encontrados com a simulação deste trabalho estão de
acordo com os valores medidos, ainda assim o autor atenta para o fato de que esta alta
variabilidade encontrada é devido ao fato de que o regime hidrológico do rio Itajaí-Açu é
consideravelmente variável ao longo do tempo tanto em termos sazonais quanto em termos
inter-anuais ou até mesmo em décadas.
As sub-bacias que apresentaram uma maior contribuição de sedimentos foram as sub-bacias
15 e 17, seguidas das sub-bacias 33,12 e 19 (Figura 17).
Acredita-se que a grande produção de sedimentos apresentada pelas sub-bacias 15 e 17
esteja principalmente relacionada com o tipo de solo da região, visto que estas sub-bacias
encontram-se em áreas com predominância de solo Podzólico, que segundo Machado (2002)
são solos que apresentam erosão com intensidade de moderada a forte dependendo do
relevo e da cobertura do solo, que neste caso predominam áreas de agricultura e solo
exposto, favorecendo ainda mais o processo erosivo.
As demais sub-bacias, que também apresentaram altas contribuições sedimentares situamse em áreas com predominância de solos Litólicos, também considerado por diversos
autores (COUTINHO, 2005; BELLINAZZI JR. apud MACHADO, 2002) como solos susceptíveis à
erosão devido a sua pequena espessura e textura argilosa.
40
Figura 17: Distribuição espacial da média diária de produção de sedimentos por sub-bacia (ton/ha).
Não se observou um padrão de relação entre as áreas com as maiores médias de
precipitação (Figura 18) e as áreas com maiores médias de produção de sedimentos, isto se
deve ao fato de que o modelo leva em consideração não apenas o volume de chuvas, mas
também a sua intensidade e recorrência, quando há dias chuvosos seguidos de dias
chuvosos ou dias chuvosos seguidos de dias não chuvosos, pois irá influenciar diretamente
na condição de saturação do solo e assim influenciar na infiltração e escoamento superficial
e conseqüentemente no desprendimento de partículas de solo.
As maiores médias de precipitação foram encontradas para as sub-bacias que se encontram
nas maiores altitudes da bacia hidrográfica, estando de acordo com Monteiro (2001), o qual
afirma que nas áreas mais próximas às encostas de montanhas, do lado barlavento, as
precipitações são mais abundantes, pois a elevação do ar úmido e quente favorece a
formação de nuvens cumuliformes, resultando no aumento do volume de precipitação local.
41
Figura 18: Distribuição espacial da média diária de precipitação por sub-bacia (mm).
Porém, como se pode observar no mapa, foram encontrados altos valores de chuva para as
sub-bacias 10 e 12 que não se encontram em altas atitudes, mas sim no litoral. Essas médias
devem ter sido principalmente influenciadas pelas chuvas convectivas, que ocorrem
principalmente nos meses de calor, entre dezembro e março, e segundo Lugon Jr. &
Rodrigues (2008) estão associadas com fortes movimentos ascensionais locais. O
aquecimento intenso e rápido de porções da superfície terrestre pode gerar uma
estratificação instável, com o ar menos denso sob o mais denso, que pode ser quebrada pela
brusca ascensão dessa camada de ar, eventualmente gerando precipitação. Geralmente são
de grande intensidade e curta duração.
Ainda assim, vale ressaltar que os valores de média de precipitação para toda a bacia
tiveram uma baixa variação, de 3,94 a 5,14 mm/dia por sub-bacia, não representando
grandes variações de chuva para toda a bacia hidrográfica.
42
5.6.2 Avaliação Temporal
Na Figura 19 estão representados os valores das médias diárias por mês de precipitação,
vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de simulação.
Em relação à produção de sedimentos, obteve-se para todos os meses a média diária
variando de 0 a 0,003 ton/ha, com exceção da média encontrada para o mês de Janeiro,
porém, acredita-se que esta média foi superestimada para o mês de Janeiro do primeiro ano
de simulação (1995) visto que todas as outras médias de produção de sedimentos, em
condições semelhantes de precipitação e vazão, foram bem inferiores
Desta forma, optou-se em excluir o valor encontrado para Janeiro de 1995 para a confecção
dos gráficos visando uma melhor representação para análise temporal.
Médias Diárias por Mês
90
0,003
80
0,0025
Vazão (m³/s)
Precipitação (mm)
70
60
0,002
50
0,0015
40
30
0,001
20
0,0005
10
0
Produção de Sedimentos (ton/ha)
(para os 11 anos de simulação)
0
Jan
Fev
Mar
Abr
Maio
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Mês
Precipitação
Vazão
Produção de Sedimentos
Figura 19: Médias diárias por mês de precipitação, vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de
simulação.
Pode-se aferir uma hipótese em relação ao modelo ter superestimado a produção de
sedimentos para o primeiro mês de simulação, que é o fato de que o modelo pode levar um
período no início da simulação para aquecer/estabilizar, pois no instante inicial o sistema
43
não é ainda totalmente reconhecido pelo modelo (UZEIKA, 2009; NETO, 2011; NETO et al.,
2011), podendo gerar resultados que não condizem com a realidade para este período inicial
da simulação.
Observou-se um padrão para os meses que apresentaram as maiores médias diárias de
precipitação, vazão e produção de sedimentos, que foram os meses compreendidos entre
outubro e fevereiro, provavelmente a relação entre esses fatores deve-se aos aguaceiros
ocorridos nos meses de calor que aumentam significantemente as médias de precipitação
resultando em um aumento da vazão e, devido à sua intensidade, facilitam o
desprendimento das partículas do solo.
A seguir, na Figura 20, estão representados os valores das médias diárias por ano de
precipitação, vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de simulação.
80
0,0016
Médias Diárias por Ano
70
0,0014
60
0,0012
50
0,001
40
0,0008
30
0,0006
20
0,0004
10
0,0002
0
Produção de Sedimentos (ton/ha)
Vazão (m³/s)
Precipitação (mm)
(para os 11 anos de simulação)
0
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Ano
Precipitação
Vazão
Produção de Sedimentos
Figura 20: Médias diárias por ano de precipitação, vazão e produção de sedimentos para os 11 anos de
simulação.
Observa-se na Figura 20 que as maiores vazões e as maiores precipitações foram
encontradas para os anos de 1997 e 1998, fato que pode ser explicado pelo evento de El
Niño (ENSO – El Niño Oscilação Sul) que ocorreu neste período. De acordo com Pezzi (1998),
44
em Outubro, Novembro e Dezembro de 1997 ocorreram grandes anomalias positivas de
precipitação para a região Sul do Brasil e, segundo Wolter & Timlin (1998) foi considerado o
‘EL Niño do século’ devido a sua intensidade.
Já em relação à média diária de produção de sedimentos por ano não se observou um
padrão relacionado com as maiores vazões nem com as maiores precipitações, apenas
verificou-se que os anos que ocorreram as maiores contribuições sedimentares foram os
anos de 1997, 2000, e 2001, em função disso reforça-se ainda mais a hipótese de que os
valores de produção de sedimentos estão relacionados principalmente com o tipo de solo e
cobertura do solo de cada região.
Apesar de o ano de 1995 ter apresentado a maior contribuição sedimentar para todo o
período simulado, esta média não foi considerada e representada graficamente tendo em
vista o motivo anteriormente citado em relação ao aquecimento/estabilização do modelo,
deduzindo-se que o modelo superestimou os valores de produção de sedimentos para o
primeiro mês de simulação do primeiro ano.
45
6. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir do estudo realizado para a bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu acredita-se que a
perda de solo, apesar de estar diretamente relacionada com a incidência de água na
superfície do solo para iniciar o processo erosivo, está principalmente relacionada com o
tipo de solo de cada região, neste caso os solos que apresentaram as maiores perdas foram
as classes Podzólico e Litólico, que estiveram de acordo com a literatura que indica um
elevado potencial erosivo para estas classes.
Já em relação à vazão, as sub-bacias localizadas no baixo estuário do rio Itajaí-Açu
apresentaram as maiores vazões, visto que as águas que incidem da precipitação nas regiões
mais elevadas da bacia hidrográfica escoam para as sub-bacias seguintes, acumulando água
até o exutório final.
Em relação à avaliação temporal, os meses que apresentaram as maiores médias de
precipitação, vazão e produção de sedimentos estão compreendidos entre outubro e
fevereiro, e devem estar relacionadas com as fortes chuvas que ocorrem neste período do
ano. Já para as médias anuais os anos de 1997/98 tiveram os maiores valores de
precipitação e vazão para todo o período, o que coincidiu com os anos que tiveram forte
influência do evento de El Niño que ocorreu na região sul do Brasil e elevou
significantemente as médias de precipitação.
Este estudo foi de extrema importância para a caracterização em escala temporal e espacial
da bacia hidrográfica do rio Itajaí-Açu, visto que além da realização de um levantamento
histórico de dados climáticos para a área de estudo foi possível observar as regiões e os
períodos que mais contribuem com a produção de água e sedimentos de forma qualitativa
em função dos diferentes cenários encontrados na região, com diversas combinações de
declividade, uso e ocupação de solo e ainda tipo de solo.
Para estudos de manejo de bacias hidrográficas, seja para estimativa de produção de água,
sedimentos ou ainda para observação de diferentes comportamentos em mudanças de
gestão, é de fundamental importância o monitoramento preciso e contínuo dos dados
ambientais em toda a extensão da bacia, pois para grandes áreas como a utilizada neste
46
estudo, tiveram que ser considerados valores de estações climatológicas muito distantes de
algumas áreas e que os dados não condizem com os eventos que ocorrem nas mesmas.
Além da falta de estações em operação, para as estações operantes observaram-se enormes
períodos onde não foi obtido nenhum tipo de dado, não sendo possível a obtenção de séries
temporais suficientes para, por exemplo, executar a validação do modelo para um período
diferente do utilizado para a calibração, o que é fundamental.
Em relação a simulações realizadas com o modelo SWAT deve-se atentar para o fato de que,
quando se trata de uma bacia hidrográfica com exutório na região costeira e ainda
caracterizada por um estuário, como no caso deste trabalho, este modelo não considera a
influência da maré nem forçantes hidrodinâmicas do local, portanto, principalmente para os
valores encontrados com a simulação para a região do baixo vale do Itajaí, o modelo não é
eficiente para caracterizar a região, mesmo levando em consideração informações precisas
de elevação, visto que já foi registrada influência da maré no estuário até a cidade de
Blumenau, que fica aproximadamente a 60 quilômetros da foz do rio Itajaí-Açu.
Porém, espera-se que para futuros estudos seja possível a obtenção de série de dados que
caracterizem melhor espacialmente a área de estudo, assim como maiores série de dados
para que seja possível realizar, além da calibração, também a validação do modelo,
podendo-se assim considerar os resultados obtidos também de forma quantitativa.
47
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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8. ANEXOS
8.1 Anexo A
Tabela 10: Dados de cada tipo de solo inseridos manualmente no modelo.
CLASSE
NLAYERS
HYDGRP
SOL_ZMX
ANION_EXCL
SOL_Z1
SOL_BD1
SOL_AWC1
SOL_K1
SOL_CBN1
CLAY1
SILT1
SAND1
ROCK1
SOL_ALB1
USLE_K1
SOL_EC1
SOL_Z2
SOL_BD2
SOL_AWC2
SOL_K2
SOL_CBN2
CLAY2
SILT2
SAND2
ROCK2
SOL_ALB2
USLE_K2
SOL_EC2
SOL_Z3
SOL_BD3
SOL_AWC3
SOL_K3
SOL_CBN3
CLAY3
SILT3
SAND3
ROCK3
SOL_ALB3
USLE_K3
SOL_EC3
SOL_Z4
SOL_BD4
SOL_AWC4
SOL_K4
SOL_CBN4
CLAY4
SILT4
SAND4
ROCK4
SOL_ALB4
USLE_K4
SOL_EC4
SOL_Z5
SOL_BD5
SOL_AWC5
SOL_K5
SOL_CBN5
CLAY5
SILT5
SAND5
AE
4.00
B
1400.00
0.33
130.00
1.60
1.40
32.50
1.70
13.70
56.70
29.60
0.00
0.15
0.15
1.00
530.00
1.60
1.20
12.50
0.50
13.30
45.00
40.70
0.00
0.16
0.18
0.00
960.00
1.50
1.40
12.50
1.30
23.00
68.10
8.90
0.00
0.16
0.27
0.00
1400.00
1.50
1.40
12.50
0.60
27.70
67.40
14.95
0.00
0.15
0.25
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
AQ
4.01
B
1500.00
0.37
180.00
1.70
0.00
90.00
0.50
7.20
14.90
77.90
0.00
0.15
0.14
1.00
340.00
1.60
0.10
90.00
0.40
10.80
8.60
80.60
0.00
0.16
0.12
0.00
670.00
1.60
0.20
90.00
0.30
10.30
15.60
74.10
0.00
0.16
0.15
0.00
1500.00
1.60
0.20
90.00
0.20
13.20
15.20
71.60
0.00
0.15
0.15
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
HGP
4.02
B
1300.00
0.39
80.00
1.40
1.00
12.50
2.80
25.40
71.50
2.10
0.00
0.15
0.31
0.00
450.00
1.50
0.10
5.00
0.70
37.80
56.30
5.90
0.00
0.16
0.30
0.00
750.00
1.60
0.70
40.00
0.30
25.60
62.40
12.00
0.00
0.16
0.26
0.00
1300.00
1.70
0.50
12.50
0.30
21.50
57.30
21.20
0.00
0.16
0.21
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
R
2.00
B
800.00
0.40
50.00
1.60
0.15
12.50
0.40
17.20
29.40
53.40
0.00
0.15
0.17
0.00
300.00
1.60
0.15
12.50
0.60
24.70
25.50
49.70
0.00
0.15
0.16
0.00
300.00
1.60
0.15
12.50
0.60
24.70
25.60
49.70
0.00
0.15
0.16
0.00
800.00
1.30
0.16
12.50
0.76
32.00
35.00
33.00
0.00
0.15
0.16
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
PV
3.00
B
1300.00
0.32
200.00
1.70
0.40
90.00
1.30
11.70
18.10
70.20
0.00
0.15
0.14
0.00
550.00
1.70
0.40
90.00
0.60
18.80
17.20
54.00
0.00
0.15
0.15
0.00
1300.00
1.70
0.70
12.50
0.30
20.80
18.30
60.90
0.00
0.15
0.16
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
C
5.00
B
1100.00
0.47
300.00
1.60
0.15
12.50
1.40
36.30
18.00
93.40
0.00
0.15
0.05
0.00
500.00
1.40
0.18
12.50
0.60
34.00
35.70
30.30
0.00
0.15
0.16
0.00
800.00
1.40
0.18
12.50
0.40
28.40
37.70
33.90
0.00
0.00
0.17
0.00
1100.00
1.80
0.18
40.00
0.40
26.80
43.70
29.50
0.00
0.15
0.18
0.00
1170.00
1.40
0.18
12.50
0.30
27.00
39.30
33.70
53