Hidrologic simulation in the watershed of the Pomba river using the SWAT model

A simulação hidrológica é uma importante ferramenta para o planejamento e gestão dos recursos hídricos em bacias hidrográficas, podendo ser utilizada na estimativa de disponibilidade hídrica, previsão de vazões e na análise da resposta hidrológica da bacia em decorrência de mudanças no uso do solo. Neste sentido, objetivou-se, com este trabalho, calibrar e validar o modelo SWAT para a bacia hidrográfica do rio Pomba tendo como seção de controle o posto fluviométrico Astolfo Dutra, validá -lo a montante e a jusante da seção de calibração, validá-lo em bacias distintas daquela utilizada na calibração e aplicá-lo na simulação de cenários de mudanças no uso e ocupação do solo. Os dados usados para a aplicação do SWAT foram o Modelo Digital de Elevação Hidrograficamente Condicionado (MDEHC), os mapas de solos e de seu uso, dados de precipitação (14 postos de monitoramento) e de vazão (10 postos de monitoramento) disponibilizados pela Agência Nacional de Águas (ANA), dados de clima de três estações climatológicas disponibilizados pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e de informações de solos obtidas do projeto RADAMBRASIL. A calibração do modelo foi realizada pelo método de tentativa e erro utilizando o período de 01/01/1995 a 31/12/1999. Para a validação do modelo utilizou-se o período de 01/01/2000 a 31/12/2004. As estatísticas utilizadas para avaliar a qualidade da calibração e validação foram o coeficiente de Nash e Sutcliffe (E NS) e sua versão logarítmica ((ENS)log) e o percentual de viés das vazões simuladas em relação às observadas (PBIAS). Complementarmente à validação do modelo hidrológico para a simulação de séries contínuas de vazão foram realizadas análises do modelo na simulação de vazões máximas e mínimas associadas a diferentes tempos de retorno e na simulação de vazões mínimas de referência para outorga de água, as quais foram feitas por meio de análise de regressão linear simples. Por fim, simulou-se três cenários de usos do solo diferentes para avaliar o comportamento hidrológico da bacia frente às alterações propostas. No cenário 1 simulou-se a bacia considerando as Áreas de Preservação Permanentes (APPs) e nos cenários 2 e 3 simulou-se a substituição de 18,75% da área coberta com pastagens por eucalipto e agricultura, respectivamente, o que equivale a uma substituição de 10% da área total da bacia. Obteve-se valores de ENS, (ENS)log e PBIAS iguais a 0,73, 0,58 e -1,8% e de 0,76, 0,78 e 5,1% nas etapas de calibração e validação, respectivamente, qualificando o modelo como adequado e bom para a simulação hidrológica da bacia do rio Pomba com seção de controle em Astolfo Dutra. Na validação do SWAT a montante e a jusante da seção de calibração, obteve-se desempenho satisfatório para bacias com áreas de drenagem superiores a 700 km2 e com melhor representatividade das chuvas, e não satisfatório para áreas de drenagem inferiores a 500 km2 e com baixa representatividade das chuvas. Na sua validação nas sub-bacias dos rios Novo e Xopotó (Proxi-basin test) obteve-se desempenho satisfatório nas seções fluviométricas do rio Novo que drenam áreas superiores a 800 km2 e desempenho não satisfatório na sub-bacia do rio Xopotó, devido, principalmente, à baixa representatividade das chuvas. Na avaliação do seu desempenho na simulação de vazões máximas e mínimas diárias anuais associadas a diferentes tempos de retorno, e na simulação de vazões mínimas de referência para outorga de uso da água, observou-se que os valores simulados não diferiram estatisticamente dos valores observados pelo teste t ao nível de 5% de probabilidade. Na avaliação dos impactos de alterações no uso do solo sobre o regime hidrológico da bacia do rio Pomba obteve-se uma redução média anual no escoamento, na vazão máxima e na vazão mínima de 13,6 mm, 32,6 m3 s-1 e 2,0 m3 s-1 , respectivamente, para o cenário 1. Para o cenário 2 obteve-se uma redução média anual no escoamento de 4,0 mm, e nas vazões máximas e mínimas de 5,6 m3 s-1 e 0,6 m3 s-1, respectivamente. Para o cenário 3 obteve-se uma redução média anual no escoamento e na vazão mínima de 6,5 mm e 1,5 m3 s-1, respectivamente, e aumento na vazão máxima de 24,0 m3 s-1. Conclui-se que o SWAT pode ser aplicado na simulação hidrológica da bacia do rio Pomba com boas estimativas das vazões em bacias com áreas de drenagem superiores a 700 km2, e que não é aplicável em bacias com áreas de drenagem inferiores a 500 km2 e com baixa representatividade espacial das chuvas.The hydrologic simulation is an important tool for planning and management of water resources in watersheds and can be used in the estimation of water availability, streamflow forecasting and analysis of hydrologic response of the basin to changes in the land use. Thus, this work aimed to calibrate and validate the SWAT model for the watershed of Pomba river with control section in the Astolfo Dutra gaging station; validate it upstream and downstream of the calibration sections; validate it in basins different from that used in the calibration and apply it to simulate scenarios of changes in the land use and occupation. The data used for the application of the SWAT were Digital Elevation Hydrografically Conditioning model (DEHCM), maps of soil and land, rainfall (14 monitoring stations) and flow rates (10 monitoring stations ) provided by the National Water Agency (ANA), climate data from three weather stations provided by the National Institute of Meteorology (INMET) and soils information obtained from RADAMBRASIL project. The calibration of the SWAT was performed by trial and error using the period going from 01/01/1995 to 12/31/1999 and the validation was done in the period from 01/01/2000 to 12/31/2004. The statistics used to evaluate the quality of the calibration and the validation were the coefficient of Nash and Sutcliffe (E NS) and its logarithmic version ((ENS) log) and the percentage of bias of the simulated flow rates in relation to the observed ones (PBIAS). In addition to the validation of the hydrological model for simulating continuous series of streamflow rates, was analyzed the performance of the model in simulating maximum and minimum streamflow rates associated with different return periods and minimum reference streamflow rates to grant the water use, which were made by means of simple linear regression analysis. Finally, the hydrologic responses of the watershed to three different scenarios of land uses were simulated. In scenario 1 was considered that the Permanent Preservation Areas (PPAs) of the watershed were intact; in scenarios 2 and 3 it was considered that 18.75% of the area covered with pastures was replaced by agricultural crops and eucalyptus, respectively, which was the equivalent to the replacement of the 10% of the total area of the basin. The values of ENS, (ENS) log and PBIAS obtained were 0.73, 0.58, -1.8% and 0.76, 0.78 and 5.1% for the calibration and validation periods, respectively, describing the model as appropriate and good for the hydrologic simulation of the watershed of the Pomba river. The validations for upstream and downstream sections of the calibration section resulted in satisfactory performances for basins with drainage areas greater than 700 km2 and with best rainfall representations (more monitoring rainfall station) ; for drainage areas less than 500 km2 and with low rainfall representation (few monitoring rainfall station). The validations in the sub-basins of the Novo and Xopotó rivers (Proxi-basin test) yielded satisfactory performances in sections of the Novo river that drains areas greater than 800 km2 ; in the other hand, the performance was unsatisfactory in the sub-basin of the Xopotó river, probabily due to the low rainfall representation. The simulated maximum and minimum flow rates associated to different return periods and the minimum reference low rates to grant the water use values did not differed statistically from the observed values by "t" test at 5% probability. The impacts of changes in land use on the hydrologic parameters of the Pomba river watershed yielded an average annual reduction of 13.6 mm in the flow depth and 32.6 m3 s- 1 and 2.0 m3 s-1 for the maximum and minimum streamflow rates, respectively, for scenario 1.In a similar way, for scenario 2, occurred an average annual reduction of 4.0 mm in flow depth and of 5.6 m3 s-1 and 0.6 m3 s-1 for the maximum and minimum streamflow rates, respectively. For scenario 3, it was obtained also an average annual reduction in hte flow depth and in the minimum streamflow rate of 6.5 mm and 1.5 m3 s-1, respectively, but an increase in the maximum streamflow rate of 24.0 m3 s-1. It is concluded that SWAT can be used to simulate hidrologic parameters of the Pomba river watershed in basins with drainage areas greater than 700 km2 and with a good spatial rainfall representation. The model did not performed well for basins with drainage areas less than 500 km2 and with low spatial rainfall representation.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic