Use of the swat model for hydro-sedimentologic simulation in a small rural watershed

Mathematical models have great potential to support land use planning, with the goal of improving water and land quality. Before using a model, however, the model must demonstrate that it can correctly simulate the hydrological and erosive processes of a given site. The SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was developed in the United States to evaluate the effects of conservation agriculture on hydrological processes and water quality at the watershed scale. This model was initially proposed for use without calibration, which would eliminate the need for measured hydro-sedimentologic data. In this study, the SWAT model was evaluated in a small rural watershed (1.19 km²) located on the basalt slopes of the state of Rio Grande do Sul in southern Brazil, where farmers have been using cover crops associated with minimum tillage to control soil erosion. Values simulated by the model were compared with measured hydro-sedimentological data. Results for surface and total runoff on a daily basis were considered unsatisfactory (Nash-Sutcliffe efficiency coefficient - NSE < 0.5). However simulation results on monthly and annual scales were significantly better. With regard to the erosion process, the simulated sediment yields for all years of the study were unsatisfactory in comparison with the observed values on a daily and monthly basis (NSE values < -6), and overestimated the annual sediment yield by more than 100 %.

Análise de sensibilidade e calibração do modelo SWAT aplicado em bacia hidrográfica da região sudeste do Brasil

Estimativas da perda de água e solo por erosão têm sido realizadas ao redor do mundo, com base na utilização de modelos empíricos ou conceituais, como o SWAT (Soil and Water Assessment Tool). O SWAT, amplamente utilizado para predizer o impacto das alterações no uso e no manejo do solo, entre outros, sobre a perda de solo e a vazão de curso de água, é extremamente sensível à qualidade dos dados de entrada. Assim, antes da simulação é necessário que se realize uma análise de sensibilidade de tal forma que se possa dar ênfase maior à aquisição e refinamento de determinados dados, diminuir as incertezas e aumentar a confiança nos resultados gerados. O processo de calibração, embora demorado, deve ser sempre realizado a fim de garantir que os resultados da simulação sejam comparáveis aos dados obtidos em campo. O sucesso da aplicação do modelo nessa bacia, sem estudos desse tipo, possibilita que os resultados sejam extrapolados para bacias de características semelhantes. Neste trabalho, a partir dos resultados produzidos em 10 parcelas experimentais instaladas na bacia hidrográfica do ribeirão São Bartolomeu, região Sudeste do Brasil, foram realizadas a análise de sensibilidade e a calibração do modelo SWAT. Os resultados foram satisfatórios, de acordo com o coeficiente de eficiência de Nash e Sutcliffe (COE), utilizado para avaliação do desempenho do modelo, sendo obtidos os valores de COE de 0,808 para a produção de sedimentos e 0,997 para a vazão, os quais representam modelos bem calibrados. A análise de sensibilidade não foi influenciada pela maior ou menor discretização da bacia, o que facilitou o processo de análise. A sensibilidade dos parâmetros foi variável em cada sub-bacia, de acordo com seu uso e ocupação, não podendo ser generalizada, isto é, as características das sub-bacias exercem influência na sensibilidade dos parâmetros.

Análise de sensibilidade dos parâmetros do modelo SWAT e simulação dos processos hidrossedimentológicos em uma bacia no agreste nordestino

O processo erosivo constitui-se na principal causa de degradação dos solos e é acelerado por intervenções humanas nas bacias hidrográficas, resultando em prejuízos ao setor agrícola e ao meio ambiente. Para a previsão dos impactos de ações antrópicas ou de mudanças climáticas sobre os processos hidrossedimentológicos, os modelos distribuídos e de base física têm sido bastante eficazes. Neste estudo, aplicou-se o modelo SWAT à sub-bacia do Rio Japaratuba Mirim, em Sergipe, nas seções de medição das estações Fazenda Pão de Açúcar (PA) e Fazenda Cajueiro (CJ), com áreas de contribuição respectivamente de 137,3 e 277,8 km², visando à parametrização das duas bacias aninhadas por meio dos processos de calibração e de validação. Foram realizadas simulações do escoamento na bacia menor (PA), a partir dos parâmetros calibrados na bacia maior (CJ), e, reciprocamente, do escoamento na bacia maior (CJ). Em seguida, foram também realizadas simulações do escoamento e da produção de sedimentos para o período de dados de vazão disponíveis (1985 a 2000), para a seção CJ. Os resultados evidenciaram que o modelo calibrado simulou bem o escoamento superficial e conseguiu prever, de forma coerente, a produção de sedimentos com base nos 12 parâmetros mais sensíveis do modelo. A transposição dos parâmetros da bacia maior para a menor e, vice-versa, resultou em índices de Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) e de Tendência Percentual (PBIAS), considerados satisfatórios para o primeiro caso e insatisfatório para o segundo.

Hydrological simulation using SWAT model in headwater basin in Southeast Brazil

Hydrological models are important tools that have been used in water resource planning and management. Thus, the aim of this work was to calibrate and validate in a daily time scale, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) to the watershed of the Galo creek , located in Espírito Santo State. To conduct the study we used georeferenced maps of relief, soil type and use, in addition to historical daily time series of basin climate and flow. In modeling were used time series corresponding to the periods Jan 1, 1995 to Dec 31, 2000 and Jan 1, 2001 to Dec 20, 2003 for calibration and validation, respectively. Model performance evaluation was done using the Nash-Sutcliffe coefficient (E NS) and the percentage of bias (P BIAS). SWAT evaluation was also done in the simulation of the following hydrological variables: maximum and minimum annual daily flowsand minimum reference flows, Q90 and Q95, based on mean absolute error. E NS and P BIAS were, respectively, 0.65 and 7.2% and 0.70 and 14.1%, for calibration and validation, indicating a satisfactory performance for the model. SWAT adequately simulated minimum annual daily flow and the reference flows, Q90 and Q95; it was not suitable in the simulation of maximum annual daily flows.

Chemical composition of the essential oils from two subspecies of Protium heptaphyllum

Qualitative and quantitative analyses of the volatile constituents from resin of Protium heptaphyllum (Aubl.) Marchand subsp. ulei (Swat) Daly (PHU), and Protium heptaphyllum (Aubl.) Marchand subsp. heptaphyllum (PHH), Burseraceae were performed using GC-MS and GC-FID. The resins were collected around the city of Cruzeiro do Sul, state of Acre, Brazil. Essential oils from the two subspecies were extracted by hydrodistillation with a yield of 8.6% (PHU) and 11.3% (PHH); the main components were terpinolene (42.31%) and p-cymene (39.93%) for subspecies ulei (PHU) and heptaphyllum (PHH), respectively.

Simulação de cenários alternativos de uso da terra em uma microbacia utilizando técnicas de modelagem e geoprocessamento

O modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) foi aplicado na simulação de cenários alternativos de uso da terra na microbacia hidrográfica do Ribeirão dos Marins, em Piracicaba (SP), no biênio 1999/2000. Dois cenários foram simulados. No primeiro, o uso atual foi mantido numa faixa de mata ciliar de 30 m em toda a extensão dos cursos d'água e de 50 m ao redor das nascentes, de acordo com o Código Florestal. No segundo cenário, como as pastagens ocupavam 30,9 % da área da microbacia, nas encostas mais íngremes, com alto potencial erosivo, as áreas de pastagem foram substituídas por vegetação florestal. As simulações dos dois cenários foram comparadas com as condições do cenário atual em termos de produção de sedimentos. Os cenários geraram diferentes padrões espaciais da produção de sedimentos. Uma redução de 94,0 % na produção de sedimentos foi obtida com a substituição da pastagem por vegetação nativa (cenário 2). No cenário 1, a redução foi de 10,8 %. Esses resultados evidenciam a necessidade de tratar a paisagem em bacias hidrográficas de forma global, identificando as "áreas sensíveis ambientalmente", onde são necessárias práticas de controle dos processos erosivos e não somente práticas de proteção dispensada aos cursos d'água por meio da mata ciliar.

Simulação da produção de sedimentos para a microbacia hidrográfica do Ribeirão dos Marins (SP)

O modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) foi aplicado para simular a carga de sedimentos produzida pela microbacia hidrográfica do Ribeirão dos Marins, em Piracicaba (SP), no biênio 1999/2000. A aplicação do modelo requer a entrada dos dados na forma espacializada que foi feita com o auxílio de uma interface entre o modelo e um Sistema de Informações Geográficas (SIG's). A microbacia foi discretizada em sub-bacias para determinar os parâmetros de entrada no modelo. Os resultados obtidos na simulação da produção de sedimentos foram comparados aos dados observados em um posto hidrossedimentométrico, localizado no terço superior da microbacia, utilizando o Coeficiente de Eficiência de Nash e Sutcliffe (COE) e o desvio dos dados simulados em relação aos observados (Dv). Para as condições específicas da microbacia do Ribeirão dos Marins, os resultados obtidos na simulação da produção de sedimentos pelo modelo, após a calibração, foram de 0,83, para o COE, e de -3,2 %, para o Dv, indicando um bom ajuste dos dados simulados comparados aos dados observados.

Calibração de modelo para a simulação de vazão e de fósforo total nas sub-bacias dos Rios Conrado e Pinheiro - Pato Branco (PR)

O desenvolvimento de modelos hidrológicos capazes de predizer o impacto de fontes difusas de poluição e do uso e ocupação do solo na qualidade das águas superficiais e subterrâneas tem auxiliado o estudo de agroecossistemas. Com esse objetivo, foi utilizado o modelo SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) para avaliar sua sensibilidade na predição da vazão e do fluxo de massa do P total. O estudo foi realizado em duas microbacias hidrográficas contíguas, dos rios Conrado e Pinheiro, afluentes do rio Pato Branco, localizadas nos municípios de Pato Branco e Mariópolis, no Estado do Paraná. Foram utilizados dados climatológicos do período 1979/2006 e dados observados de vazão e concentração de P total dos anos 2004/2005 de duas estações de monitoramento, localizadas na parte inferior do curso principal dos rios Conrado e Pinheiro. Utilizou-se a interface AvSWAT-X, com o SIG ArcView 3.3® e a extensão Spatial Analyst 2.0®, para entrada e manipulação dos dados. As médias anuais e mensais observadas de vazão e P total foram comparadas aos dados simulados. O Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE) foi utilizado para avaliar a eficiência do modelo. A modelagem foi melhorada com a associação de análise de sensibilidade, autocalibração e calibração manual, verificando-se que, com frequência de amostragem regular, o modelo SWAT 2005 realizou de forma aceitável as simulações de vazão e de exportação de P total. Já com frequência de amostragem irregular e pequeno número de dados, os procedimentos de análise de sensibilidade e de autocalibração não foram eficientes na calibração do modelo SWAT 2005 para a simulação de vazão e exportação de P total. Foram encontrados diferentes níveis de sensibilidade entre as duas estações, refletindo as desigualdades entre as Unidades de Resposta Hidrológica. A distribuição mensal simulada das exportações de P mostrou a heterogeneidade da aplicação do nutriente ao longo do ano.

Impacts of deforestation on water balance components of a watershed on the Brazilian East Coast

The Brazilian East coast was intensely affected by deforestation, which drastically cut back the original biome. The possible impacts of this process on water resources are still unknown. The purpose of this study was an evaluation of the impacts of deforestation on the main water balance components of the Galo creek watershed, in the State of Espírito Santo, on the East coast of Brazil. Considering the real conditions of the watershed, the SWAT model was calibrated with data from 1997 to 2000 and validated for the period between 2001 and 2003. The calibration and validation processes were evaluated by the Nash-Sutcliffe efficiency coefficient and by the statistical parameters (determination coefficient, slope coefficient and F test) of the regression model adjusted for estimated and measured flow data. After calibration and validation of the model, new simulations were carried out for three different land use scenarios: a scenario in compliance with the law (C1), assuming the preservation of PPAs (permanent preservation areas); an optimistic scenario (C2), which considers the watershed to be almost entirely covered by native vegetation; and a pessimistic scenario (C3), in which the watershed would be almost entirely covered by pasture. The scenarios C1, C2 and C3 represent a soil cover of native forest of 76, 97 and 0 %, respectively. The results were compared with the simulation, considering the real scenario (C0) with 54 % forest cover. The Nash-Sutcliffe coefficients were 0.65 and 0.70 for calibration and validation, respectively, indicating satisfactory results in the flow simulation. A mean reduction of 10 % of the native forest cover would cause a mean annual increase of approximately 11.5 mm in total runoff at the watershed outlet. Reforestation would ensure minimum flows in the dry period and regulate the maximum flow of the main watercourse of the watershed.

Efeitos de cenários de uso do solo sobre o regime hidríco e produção de sedimentos na bacia do Ribeirão Concórdia - SC

O uso inadequado dos solos agrícolas vem causando a perda gradual da sua capacidade produtiva e a degradação dos recursos hídricos por sedimentos e poluentes. O uso do solo pode afetar os processos hidrológicos e a erosão do solo na bacia. O objetivo do trabalho foi simular diferentes cenários de uso do solo para a bacia hidrográfica do ribeirão Concórdia, utilizando o modelo SWAT, e analisar os efeitos dessas mudanças no fluxo de água e de sedimentos. Os cenários gerados foram agricultura, mata nativa e pastagem. A bacia está localizada no sul do Brasil e possui uma área de drenagem de 30,74 km². Na etapa de calibração, obteve-se coeficente de eficiência Nash-Sutcliffe mensais de 0,82 para escoamento e 0,83 para sedimento. O cenário mata nativa apresentou o maior decréscimo na vazão média, em relação ao cenário atual, cerca de 8,70%. O cenário agricultura produziu a maior taxa de produção de sedimentos, aproximadamente 3 vezes maior que o cenário atual.Observou-se que alterações no uso do solo impactam o regime e a disponibilidade hídrica da bacia.