Aplicação do modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) na simulação hidrossedimentológica em bacia hidrográfica da Serra da Mantiqueira, MG

Abstract

Os modelos hidrológicos e de qualidade da água vem sendo amplamente aplicados na avaliação da poluição causada por fontes difusas em bacias hidrográficas. Neste sentido, objetivou-se com este trabalho, aplicar o modelo SWAT (Soil adn Water Assessment Tool) na simulação do escoamento, produção e transporte de sedimentos e na qualidade da água, na bacia hidrográfica do ribeirão Lavrinha, região da Serra da Mantiqueira. A aplicação do modelo requer a entrada de dados espacializados e mapas como o modelo digital de elevação hidrologicamente consistente (MDEHC), mapa de uso e ocupação do solo e mapa de solos. Foram obtidos dados climáticos, de vazão, de sedimentos, de nutrientes e de qualidade da água através do monitoramento realizado na bacia. Estruturou-se as séries históricas de vazão e sedimentos abrangendo o período de 2006 a 2010, sendo utilizados para a calibração, o período de setembro de 2006 a agosto de 2008 e para a validação o período de agosto de 2008 a setembro de 2010. Na simulação de nutrientes e da qualidade da água utilizou-se o período de setembro de 2007 a julho de 2009. Na avaliação do modelo foi utilizado o coeficiente estatístico de Nash-Sutcliffe (COE). Primeiramente foram realizadas simulações, com passo diário, para as variáveis vazão e sedimentos. Os resultados obtidos apresentaram COE de 0,81 e 0,79, para a variável vazão na fase de calibração e validação respectivamente. Na simulação de sedimentos o COE foi de 0,68 e 0,65, na calibração e validação respectivamente. Posteriormente realizou-se simulações com passo mensal, utilizando as médias mensais, de todas as variáveis. Os resultados obtidos pelo modelo, na simulação com passo mensal, mostram-se supriores, quando comparados na simulação de passo diário, para a variável vazão. O COE para a vazão foi de 0,85 e 0,82, para sedimentos de 0,68 e 0,66, na calibração e validação respectivamente. Na simulação de nutrientes, utilizaram-se as variáveis nitrogênio total (Nt) e fósforo total (Pt), apresentando um COE de 0,39 e 0,41, respectivamente. Na qualidade da água as simulações obtiveram um COE de 0,59 e 0,69, para as variáveis oxigênio dissolvido e demanda bioquímica de oxigênio, respectivamente. A simulação de bactérias (Echerichia coli) apresentou COE igual a 0,64. Dois cenários de uo do solo foram testados: no cenário 1, fez-se a substituição de pastegens por eucalipto; no cenário 2 adotou- se o uso atual do solo porém implementando mata ciliar ao longo de toda a rede de drenagem. De acordo com os resultados obtidos, para o cenário 1, o modelo apresentou um redução de 47% na produção de sedimentos. Para o cenário 2 uma redução de 38% na concentração de sedimentos na calha do ribeirão Lavrinha. Os resultados apresentados mostraram que o modelo SWAT foi capaz de simular com precisão as variáveis envolvidas no processo, mostrando ser umaótima ferramenta para o gerenciamento dos recursos hídricos na Serra da Mantiqueira.

Hydrological and water quality models have been widely employed for evaluation of pollution caused by diffuse sources in watersheds. The goal of this study was to verify the performance of the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) with respect to the simulation of stream flow, sediment yield, suspended sediment concentration and water quality in the Lavrinha Creek Watershed (LCW), which is situated in the Mantiqueira Range region (Minas Gerais State, Brazil). This model requires some maps, such as Digital Elevation Model, land-use map and soil map. Temporal series associated to climatic variables, stream flow and suspended sediment concentration were obtained from an existing hydrological monitoring that has been conducted at or near the LCW’s outlet since January of 2006. Eight months (January 2006 – August 2006) were chosen as warm-up period of the SWAT model, while two years (September 2006 – August 2008) were considered for the model calibration and two years (September 2008 – August 2010) for the model validation. September 2007 to July 2009 was the period used for nutrient and water quality simulation. A statistical index known as Nash-Sutcliffe (COE) was employed to evaluate the model performance. Firstly, simulations of stream flow and suspended sediment concentration were carried out on a daily basis. During daily stream flow simulations COE values were 0.81 and 0.79 for calibration and validation respectively. When simulating daily suspended sediment concentration the results indicated COE values of 0.68 and 0.65 for calibration and validation, respectively. The next step was to apply the SWAT model taking into account a monthly time step, resulting in the following COE values: calibration - 0.85 and 0.68 for stream flow and suspended sediment concentration, respectively; validation – 0.82 and 0.66 for the same hydrological variables. Relative to the variables associated to nutrients, SWAT model was applied to simulate total nitrogen (COE = 0.39) and total phosphorus (COE = 0.41). Such model was also used to analyze results of some water quality parameters, presenting COE of 0.59 for dissolved oxygen, 0.69 for biochemical oxygen demand and 0.64 for bacteria (Echerichia coli). Finally, two land-use change scenarios were tested as follows: Scenario 1 – conversion of areas with pasture into eucalyptus; Scenario 2 – current land use considering a riparian zone (30-m buffer) along the drainage network. According to the results obtained, Scenario 1 would result in a 47% reduction in sediment yield in the watershed and for Scenario 2, a 38% reduction in suspended sediment concentration in the creek. The SWAT model was considered adequate to simulate stream flow, sediment yield, suspended sediment concentration and water quality in the LCW, thus constituting in an important tool for water resources management in the Mantiqueira Range region.