Impact of physical-climatic changes on the hydrossedimentologic response of a semiarid catchment: use of the SWAT Model - soil and water assessment tool

For the prediction of the impacts of anthropic actions and climatic changes on the hydrossedimentological processes the distributed and physically based models have been quite effective. Using SWAT (Soil and Water Assessment Tool) in a semi-arid watershed and nested sub-basins with different soil uses, this study aimed to evaluate the impacts of soil management and climate change on water and sediments. The study area is composed of a representative Semiarid Basin Experimental in Iguatu, Ceará (BEI), presenting 14.72 km2 and two micro-scale EIB nested sub-basins with areas ranging from 0.01 to 0.03 km2 and with different uses of the soils denominated: Dry Tropical Forest (FTS) - representing the Caatinga Forest and Deforestation, Burning and Pasture (DQP). The study period included hydrosedimentological collections between the years of 2013 and 2017, making a total of five years of study. With the application of SWAT, a suitable model was found suitable for hydrosedimentological simulations in a semi-arid basin, with Nash-Sutcliffe coefficients (NSE) for the EIB approximately 0.50 for the calibration and superior to 0, 80 for validation. The validation of the model at stations upstream of the calibration section showed that the model also represents from reasonable to very good the water and sediment flows along the nested FTS and DQP sub-basin scales. The SWAT model presented better predictive performance of water flows and sediments for events with rainfall of magnitude equal to or greater than 30 mm, representing a total of 75.3% of the hydrossedimentological flows. Soil use scenarios showed that the vegetation cover with open FTS presented water losses due to surface runoff and soil losses due to water erosion slightly lower than the other scenarios due to the higher herbaceous stratum present in the control of erosive processes. The current use + recovery scenario of riparian forest with open FTS was shown to be the most efficient in terms of water retention and sediment in the EIB basin. The scenarios that contemplate anthropic action, expansion of agricultural use or pasture are those that cause greater increase in surface runoff and sediment production. The increase of the land use expansion in a hypothetical scenario in which the whole EIB basin is occupied by dense FTS causes a gradual increase and with a linear tendency in the hydrossedimentological responses in the basin. The analysis of land use expansion shows that the impacts of preservation are less than the impacts caused by the increase of degradation activities in the basin. Future scenarios of climate change show a worrying result regarding the availability of water resources in the Brazilian semi-arid region, a drastic reduction in surface runoff was observed for the simulation period (2046-2064) both in the EIB basin and in the sub- and FST and DQP nests, reaching values ranging from 30% to 98% of the runoff reduction for the different evaluated models of climate change. Similar trend of reduction in sediment flows for the different scenarios of climate change were also verified, considering that as the runoff presents a reduction, sediment transport is also directly reducedPara a previsão dos impactos de ações antrópicas e mudanças climáticas sobre os processos hidrossedimentológicos os modelos distribuídos e de base física têm sido bastante eficazes. Utilizando o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) em uma bacia hidrográfica semiárida e em sub-bacias aninhadas de microescala com diferentes usos do solo, pretendeu-se avaliar nesse estudo os impactos do manejo do solo e de alterações climáticas sobre os fluxos de água e sedimentos. A área de estudo é composta de uma Bacia representativa semiárida Experimental em Iguatu, Ceará (BEI), apresentando 14,72 km2 e duas sub-bacias aninhadas a BEI de microescala com áreas variando entre 0,01 a 0,03 km2 e com diferentes usos do uso do solo denominados: Floresta Tropical Seca (FTS) – representando a floresta Caatinga e Desmatamento, Queima e Pastagem (DQP). O período de estudo contemplou coletas hidrossedimentológicas entre os anos de 2013 e 2017, perfazendo um total de cinco anos de estudo. Com a aplicação do SWAT verificou-se, pelos índices encontrados, um modelo adequado e apto para simulações hidrossedimentológicas em uma bacia semiárida, com coeficientes de Nash-Sutcliffe (NSE) para a BEI aproximadamente 0,50 para a calibração e superiores a 0,80 para validação. A validação do modelo em estações a montante da seção de calibração mostrou que o modelo também representa de razoável a muito bom os fluxos de água e sedimentos ao longo das escalas de sub-bacias FTS e DQP aninhadas. O modelo SWAT apresentou melhor desempenho de estimativa dos fluxos de água e sedimentos para eventos com precipitação pluviométrica de magnitude igual ou maior que 30 mm, que representam um total de 75,3% dos fluxos hidrossedimentológicos. Os cenários de uso do solo mostraram que a cobertura vegetal com FTS aberta apresentara perdas de água por escoamento superficial e perdas de solo por erosão hídrica ligeiramente menor do que os demais cenários em decorrência do maior estrato herbáceo presente no controle dos processos erosivos. O cenário de uso atual + recuperação da mata ciliar com FTS aberta mostrou ser o mais eficiente em termos de retenção de água e sedimentos na bacia BEI. Os cenários que contemplam a ação antrópica, expansão do uso agrícola ou pastagem são os que provocam maior aumento no escoamento superficial e produção de sedimentos. O aumento da expansão de usos do solo em um cenário hipotético em que toda a bacia BEI encontra-se ocupada por FTS densa provoca um incremento gradual e com tendência linear nas respostas hidrossedimentológicas na bacia. A análise de expansão de uso do solo evidencia que os impactos da preservação são menores do que os impactos causados pelo aumento de atividades de degradação na bacia. Os cenários futuros de mudanças climáticas mostram um resultado preocupante quanto à disponibilidade de recursos hídricos na região semiárida brasileira, verificou-se para o período de simulação (2046-2064) uma redução drástica no escoamento superficial tanto na bacia hidrográfica BEI, como nas sub-bacias aninhadas FTS e DQP, atingindo valores na ordem de 30% a 98% de redução do escoamento superficial para os diferentes modelos avaliados de mudanças climáticas. Tendência similar de redução nos fluxos de sedimentos para os diferentes cenários de mudanças climáticas também foram verificados, tendo em vista que à medida que o escoamento superficial apresenta redução, o transporte de sedimentos também é diretamente reduzido