Using the SWAT model to estimate the streamflow and sediment production in an agricultural basin of brazilian Savanna

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária, 2014.A poluição difusa em bacias hidrográficas, majoritariamente representada pelos processos de erosão e sedimentação, tem sido constantemente apontada como responsável pela degradação dos recursos hídricos e da fertilidade dos solos em bacias hidrográficas. Nesse contexto, modelos matemáticos têm sido desenvolvidos e aprimorados no intuito de se obter estimativas confiáveis das principais variáveis hidrológicas que ocorrem numa bacia hidrográfica, dentre essas, a produção de sedimentos. Com base nessa premissa, esse trabalho teve como objetivo a avaliação do desempenho do modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) na simulação da vazão e da descarga sólida em suspensão em uma bacia hidrográfica agrícola do Cerrado brasileiro, a bacia do Alto Rio Jardim-DF. Trata-se de uma bacia hidrográfica experimental de 104,86 km2. A calibração do modelo foi feita utilizando dados obtidos de um linígrafo e de uma curva-chave de sedimentos gerada para essa bacia, o que propiciou a geração de uma série sintética de fluxo de sedimentos em suspensão. Os valores de concentração de sedimentos para a construção da curva-chave foram obtidos com uso de um turbidímetro associado a coletas pontuais de água submetidas a análise em laboratório. A simulação foi feita para um período de quatro anos. De acordo com os resultados da análise de sensibilidade, CN2 e SOL_K demonstraram ser os parâmetros mais influentes na simulação da vazão e LSSUBBSN, o mais influente na simulação da produção de sedimentos. Índices de desempenho foram aplicados aos resultados do modelo gerando os seguintes números para a avaliação da vazão mensal no período de calibração: Nash-Sutcliffe (ENS)= 0.71 e Índice de correlação(R2)= 0.85. No período de validação, obteve-se ENS = 0.54 e R2 = 0.95. Já para a produção de sedimentos os índices aplicados à etapa de calibração mensal foram: ENS =0.26 e R2 =0.48. Os resultados mostram que, apesar do modelo ter simulado bem as vazões, o mesmo não aconteceu com a produção de sedimentos. Mesmo utilizando calibração automática com uma ampla gama de parâmetros, o ajuste obtido entre os valores calculados pelo modelo e aqueles observados em campo não foi satisfatório. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTDiffuse pollution in watersheds, mostly represented by processes of erosion and sedimentation, have been consistently identified as responsible for the degradation of water resources and soil fertility in watersheds. In this context , mathematical models have been developed and improved in order to obtain reliable estimates of the main hydrological variables occurring in a river, among these, the sediment yield. Based on this premise, SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was used for simulation of stremflow and sediment yield in an experimental watershed of 104.86 km2 located in an agricultural area of the Brazilian Cerrado: the Upper Jardim river basin in the brazilian Federal District. Model calibration was performed using data obtained from a limnígraph and a sediment - rating curve generated for this basin, which allowed the construction of a synthetic flow series of suspended sediment. The values of sediment concentration rating curve were obtained with a turbidimeter associated with laboratory analysis of water samples. The simulation was performed for a four year’s period. According to the results of the sensitivity analysis, CN2 and SOL_K proved to be the most influential parameters in the simulation of flow and LSSUBBSN the most influential in the simulation of sediment yield. Efficiency coefficients were applied to the models’ results generating the following numbers for streamflow simulation during the calibration period (monthly step): Nash - Sutcliffe ( ENS ) = 0.71 and correlation index ( R2 ) = 0.85. During validation, ENS = 0,54 and R2 = 0.95 was obtained. For sediment yield, rates applied to the monthly calibration step were ENS = 0.26 and R2 = 0.48. The results showed that, although the model has shown good performance in flow simulations, the same did not happen with the sediment yield. Even with automatic calibration and using a wide range of parameters values, the fit obtained between the values calculated by the model and those observed in the field was not satisfactory