APLICAÇÕES DO MODELO HIDROLÓGICO SOIL AND WATER ASSESSMENT TOOL: ESTUDOS HIDROLÓGICOS EM MICROBACIAS HIDROGRÁFICAS

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Softwares utilizados 87 4 3.2. Instalação do complemento QSWAT+ no QGIS. 88 3.3. Inicialização da etapa 1 - Delineate Watershed. 90 3.4. Inicialização da etapa 2 – Create HRUs. 94 3.5 Preparação de Dados Climáticos de Entrada para o Modelo SWAT 99 3.6 Cálculos do Ciclo Hidrológico no SWAT 100 3.7 Cálculos do Ciclo Hidrológico no Ambiente Matemático Scilab 100 3.8 Comparação com dados de Medição de Vazão 100 4 RESULTADOS 101 4.1 Resultados derivados do Modelo Digital de Elevação 101 4.2 Cálculos do Modelo SWAT dentro do Editor SWAT+ 107 4.3 Cálculos do Modelo SWAT no Scilab 108 4.4 Medição de vazão no Arroio Cambaí 111 5 DISCUSSÃO 114 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS 119 REFERÊNCIAS 122 CAPÍTULO 04 - ASPECTOS PRÁTICOS E CONCEITUAIS DO MODELO SWAT+ EM MICROBACIA DO OLARIA E CAMBAÍ NO MUNICÍPIO DE ITAQUI/RS 126 1 INTRODUÇÃO 126 2 OBJETIVOS 128 2.1 Objetivo geral 128 2.2 Objetivo específico 128 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 129 3.1 Modelo Hidrológico SWAT + 129 3.2 Clima regional, estações fluviométricas e pluviométricas 131 3.3 Características da bacia 132 3.4 Estudo do ciclo da água na bacia do olaria 134 3.5 Cálculo de retenção máxima pelo método Curva número 138 3.6 Ferramentas para desenho da rede de drenagem 143 4 METODOLOGIA 145 4.1 Instalação do SWAT+, QGIS E QSWAT 145 4.2 Obtenção de DEM a partir de dados SRTM 145 4.3 Criação de dados de entrada geográficos do SWAT a partir do QSWAT Obtenção de canais e sub-bacias com o QSWAT 146 11 Figura 1: Distribuição dos 10 campi. Fonte: UNIPAMPA, 2019. 2.2 Laboratório Interdisciplinar Integrado (LABii) O Laboratório Interdisciplinar Integrado utiliza-se do princípio da interdisciplinaridade integrando o ensino, pesquisa e extensão, executando estudos laboratoriais, dentre eles, técnicas atuais de desenvolvimento do Sensoriamento Remoto para fins de estudos relacionados ao meio ambiente, agricultura, indústrias e também estudos sociais, ainda, busca desenvolver pesquisas relacionadas a físico-química, eletricidade básica, eletrônica e automação a partir de microcontroladores. 12 Figura 2: Logo LABii. 3 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS 3.1 Google Earth Engine, algumas aplicações e a forma metodológica de desenvolvimento na disciplina de tópicos de laboratório interdisciplinar do curso de Engenharia Cartográfica e de Agrimensura. Para o ensino da disciplina de tópicos laboratório, o docente fez uma apresentação teórica e conceitual do uso da plataforma de tecnologia computacional em nuvem, o Google Earth Engine, que permite monitorar e medir as mudanças no meio ambiente, em escala planetária. O Earth Engine 13 atualmente hospeda online quase todo o arquivo histórico do Landsat, com dados L5 e L7 coletados ao longo de mais de 25 anos, as imagens recém coletadas do Landsat são baixadas do banco de dados USGS para o Earth Engine diariamente, ele também possui o conjunto de dados MODIS. A plataforma suporta a geração de mosaicos espaciais, temporais e composições para remover nuvens e lacunas em imagens de satélite. Ainda, disponibiliza conjuntos de dados meteorológicos, climáticos e modelos digitais de elevação. Toda obtenção de dados e processamento é através de códigos de programação em ambientes de desenvolvimento JavaScript e Python. Durante algumas aulas foi desenvolvido em conjunto com os alunos, a aquisição de imagem de satélite do Landsat-8, uma de imagem de radar (MDE) e foi realizado a vetorização do recorte, onde essa se mostrou muito eficaz, principalmente no quesito processamento, tendo em vista que ao fazer a composição do código é possível selecionar a imagem, recortar, processar, aplicar índices, compor e gerar o produto final de uma única vez. Juntos, esses recursos essenciais permitem que os usuários descubram, analisem e visualizem grandes arquivos geoespaciais, sem a necessidade do uso de computadores com tecnologias avançadas e hardware robustos. 14 3.2 Bacia hidrográfica conceitos e a forma metodológica de desenvolvimento na disciplina de hidrologia do curso de agronomia. Para o ensino da disciplina de hidrologia o docente fez o uso da documentação teórica do modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), sendo o modelo SWAT o resultado de mais de 30 anos de modelagem física dos efeitos no ciclo hidrológico de bacias hidrográficas. A utilização desta metodologia se mostrou muito eficaz, pois assim, foi possível desenvolver diversos conceitos da hidrologia de forma prática e por meio de métodos atuais, pois o modelo Swat é utilizado mundialmente e atualmente. Um fator importante que vale ressaltar é a necessidade de adequar o conteúdo da aula para os ouvintes, desta forma o docente fracionou os conteúdos do manual e solicitou para os alunos apresentarem as fórmulas e conceitos que tange aquele parâmetro hídrico, assim demostrando que uma bacia não é constituída por apenas uma rede de drenagem e um leito e sim que existem diversos fatores que compõem o ciclo hidrológico e a bacia hidrográfica. Por fim, em todas as aulas os alunos apresentaram os seus avanços nas pesquisas e receberam o seu feedback, tornando assim um ensino de constante evolução. O desenvolvimento desta atividade de acompanhamento da disciplina de hidrologia se mostrou muito eficiente como forma de aquisição de conhecimento, pois, através do compartilhamento do entendimento dos 15 alunos e a disseminação durante a aula resultou em uma base sólida para poder desenvolver melhor as atividades assíncronas no QSWAT+. 3.3 Atividades assíncronas desenvolvidas no QSWAT+ A metodologia utilizada nas atividades assíncronas respeitou as normas de utilização do modelo SWAT, disponibilizadas na disciplina e explicada pelo docente e orientador do estágio, onde foi seguido os passos descritos neste seguimento (Figura 3). Figura 3. Fluxograma da utilização do QSWAT+. Os softwares QGIS E QSWAT+ utilizados neste trabalho foram imprescindíveis para a delimitação da bacia. O processo descrito a seguir foi apresentado pelo estagiário aos discentes, explicando como é a metodologia de delimitação de bacia hidrográfica utilizando o modelo SWAT, seus 16 potenciais e suas limitações. 3.3.1 Metodologia de processamento no QSWAT+ Ao iniciar o QGIS deve-se inicialmente criar um novo projeto e salvar com o nome desejado, em seguida busque a aba “complemento” na tela do software (Figura 4), ao localizar a aba, clique para abrir e busque o complemento QSWAT+, instale o complemento. Figura 4. Aba complemento. Fonte: Autor, 2021. Após a instalação do complemento QSWAT+ no QGIS o mesmo ficará disponível na tela inicial do software para utilização (Figura 5), para iniciar 17 o procedimento da delimitação da bacia é necessário abrir o QSWAT+, clique em cima do complemento e ele aparecerá. Figura 5. Visualizador do complemento QSWAT+. Fonte: Autor, 2021. Retornando nas opções do QSWAT+ deve-se ir em “newproject” e selecionar onde deseja que o projeto seja salvo, em seguida nas opções no complemento selecione a opção “delineate watershed” para inicializar a delimitação da bacia, na janela que se abrir selecione a camada DEM – Modelo Digital de Elevação (Figura 6). Neste ponto, foi discutido sobre a necessidade de adequação no que tange a resolução espacial versus tempo de processamento e objetivo do trabalho, 18 pois, se for trabalhado com uma bacia de grande área e se utilizar um DEM com alta resolução, isso resultará em um tempo de processamento muito grande. Com isso, é visto a importância da utilização de plataformas de computação em nuvem, como é o caso do Google Engine, onde o processamento é de forma remota, utilizando os supercomputadores e os bancos de dados disponível da google. Figura 6. Inserindo os primeiros parâmetros para delimitar a bacia. Fonte: Autor, 2021. Para obter a camada DEM é utilizado o banco de dados do USGS (Serviço Geológico dos EUA) e utilizado o sensor SRTM, que posteriormente foi reprojetado no software QGIS para o Sistema de Referência Geocêntrico, 19 SIRGAS 2000, UTM 21S. Ainda, foi realizado o recorte da camada delimitada somente na área de estudo em questão, a fim de reduzir o tempo de processamento. Ainda na aba “delineate watershed”, é delimitado o “stream”, ou seja, os leitos principais, é trocado a unidade da área para sq.km e posteriormente é selecionado a opção “create streams”. Em seguida é selecionado a opção “draw inlets/outlets” para indicar a entrada e saída dos afluentes da bacia, neste momento é importante observar que se pode adicionar arquivos que já identificam a entrada/saída. Selecionando a opção “create watershed” a bacia e todas as sub-bacias pertencentes a área escolhida serão delimitados. A seguir, de volta na aba inicial do QSWAT+ pode ser observado que a etapa seguinte da delimitação de bacias está disponível (Figura 7). A etapa é referente a criação das HRUs. 20 Figura 7. Disponibilização da etapa 2. Com o fim desse processo de caracterização inicial da bacia do arroio Cambaí pelo modelo QSWAT+, foi possível obter os seguintes produtos indicados na figura 8: sendo o primeiro resultado o modelo digital de elevação (1) da microbacia, com composição colorida e o relevo sombreado abaixo, onde a partir dessa imagem pode-se observar feições do relevo, que consiste em um relevo plano com pequenas diferenças de altitude, sendo possível identificar que existe dois principais canais de vale. Posteriormente, o segundo produto foi o resultado da delimitação da microbacia, seus leitos principais, afluentes e seu exutório (2), com esta 27 1 INTRODUÇÃO A Ferramenta de Avaliação de Solo e Água Plus (SWAT+) é um modelo de domínio público desenvolvido em conjunto pelo USDA Agricultural Research Service (USDA-ARS) e Texas A&M AgriLife Research, parte do Sistema Universitário Texas A&M. SWAT+ é um modelo que funciona tanto para pequenas bacias quanto em escala de bacia hidrográfica de rios maiores, para simular a qualidade e quantidade das águas superficiais e subterrâneas e prever o impacto ambiental do uso da terra, práticas de gestão da terra e mudanças climáticas. SWAT+ é amplamente utilizado na avaliação da prevenção e controle da erosão do solo, controle de poluição de fonte difusa e gestão regional de bacias hidrográficas. O modelo avalia a produção de sedimentos e a carga de produtos químicos resultante nos corpos de água pertencentes a bacias hidrográficas que podem ter diversos tipos de solos, de uso do terreno e de condições de gestão (NEITSCH et al., 2009). A modelagem pode ser calibrada e validada com dados históricos e uma vez verificada a adequação da mesma à realidade da bacia, podem ser elaborados prognósticos para se obter verificações e possíveis discussões. O modelo tem base física, ou seja, que ao invés de incorporar equações de regressão para descrever a relação entre as variáveis de entrada e saída, o modelo SWAT requer informações específicas sobre o clima, propriedades 28 do solo, topografia, vegetação e práticas de gestão de solo que ocorram na bacia hidrográfica. Desta forma, os processos físicos associados à movimentação hídrica, movimentação sedimentar, crescimento da colheita, ciclo de nutrientes, e outros, são diretamente moldados pelo modelo SWAT mediante equações gerais, leis físicas, que permitem calcular os resultados principais usando os dados de entrada mencionados (NEITSCH et al., 2009). O SWAT é apenas um modelo de tempo contínuo, ou seja, um modelo de produção em longo prazo, não um modelo desenhado para simular detalhadamente eventos únicos como cálculos de propagação de cheias. Por isso ele é mais adequado para aplicações relacionadas com a gestão a longo prazo de bacias hidrográficas, podendo ser complementado com outros modelos paramétricos que se adaptem a situações especiais como cheias. O modelo SWAT incorpora características de vários modelos que foram desenvolvidos por separado para funções específicas, e cuja menção permite entender mais claramente seu funcionamento (NEITSCH et al., 2009). Dentre eles temos: ● SWRRB1, Simulador para Recursos Hídricos de Bacias Rurais (Williams et al 1985, Arnold et al 1990). ● CREAMS2, Produtos Químicos, Escoamento e Erosão dos Sistemas de Gestão Agrícola (Knisel,1980). ● GLEAMS2, Efeitos das descargas Subterrâneas nos Sistemas de Gestão Agrícola (Leonard et al ,1987). 29 ● EPIC4, Calculador de Impacto ErosãoProdutividade (Williams et al 1984). ● QUAL2E, quantificação do fluxo de nutrientes e qualidade de água. A unificação dentro do SWAT aconteceu no início da década de 90, e a partir daí a ferramenta passou por inspeções contínuas e expansão das suas capacidades. Dessa forma, se transformou num modelo de cálculo do ciclo hidrológico baseado em Unidades de Respostas Hidrológicas Múltiplas, cada uma das quais corresponde a um conjunto único de características, que se repetem em todos seus pontos. Dentro desse ciclo, o trânsito de sedimentos produtos da erosão, de produtos químicos da atividade agrícola e agroindustrial, da lixiviação para águas subterrâneas, poderia ser quantificado com base em relações com significado físico. Com o passo do tempo novas variáveis foram acrescentadas para aperfeiçoar e ajustar os cálculos. Algumas das variáveis mais importantes para este trabalho, calculadas pelo modelo são: vazões em pontos escolhidos da rede de drenagem da bacia; concentração de sedimentos suspensos, volume de armazenamento de água em reservatórios e banhados; modelo de crescimento de plantas para estudos de dinâmica da água nos ciclos agrícolas, incluindo a equação de potencial de evapotranspiração de Penman Monteith; inclusão de fluxo lateral da água no solo; adição de equações para fluxo de nutrientes e qualidade da água; rota do fluxo de pesticidas, transporte de bactérias; inclusão de Gerador Climático para produção de dados climáticos razoáveis por métodos estatísticos. Finalmente, cenários 30 de previsão de tempo e também parâmetros de retenção em função da umidade do solo, além da modelagem dos sistemas locais de esgoto. Após ter sido usado em grande número de aplicações no mundo inteiro nos passados 20 anos, foi decidido lançar uma versão completamente revisada do modelo: SWAT+, em julho de 2019. Os algoritmos e processos de cálculo não foram modificados. Porém, a estrutura do código de programação e os arquivos de entrada tiveram consideráveis modificações, proporcionando uma representação espacial das interações e processos dentro de uma bacia de forma mais flexível. O que transforma esse modelo geral num modelo regional ou local é o chamado processo de calibração, no qual as variáveis de solo, vegetação, clima, relevo, são adaptadas às características locais. Segundo Bariani (2016) a bacia do Arroio Olaria, também conhecido como Sanga da Olaria, contém quase totalidade da cidade de Itaqui, sede do Município do mesmo nome, de marcante vocação agrícola, com predomínio da cultura do arroz, que também ocupa uma parte da área da bacia. O córrego possui várias nascentes dentro da área urbana, e recebe uma porcentagem importante dos esgotos e águas pluviais da rede de escoamento da cidade. A desembocadura no poderoso Rio Uruguai faz que exista um efeito de barragem, de contenção das águas, que depende da cota do Rio Uruguai. Todos estes fatores determinam um problema complexo e interessante para a modelagem do ciclo hidrológico na bacia. 31 Por outro lado, as mudanças climáticas observadas nas décadas mais recentes aumentaram a probabilidade de eventos extremos de precipitação, configurando assim condições tanto de alagamentos urbanos quanto de enchentes. A dinâmica destes fenômenos pode ser analisada com o modelo SWAT+. Neste cenário, é fundamental a calibração de um modelo que permita analisar, à luz dos conhecimentos científicos atuais, o comportamento da água na bacia hidrográfica, tanto em termos de vazão, volume armazenado, de qualidade, sendo de grande utilidade como ferramenta de pesquisa e planejamento urbano e rural. Desta forma, o presente trabalho busca aplicar o modelo SWAT para modelar as vazões em pontos estratégicos da bacia, abrindo assim a possibilidade de estudar as variações na qualidade da água devidas a efeitos sazonais, climáticos, e os ciclos agrícolas e agroindustriais dentro da bacia. 32 2 REPRESENTAÇÃO DO CICLO HIDROLÓGICO NO SWAT A figura 1 abaixo ilustra os componentes do ciclo hidrológico tal qual como será calculado na bacia do Olaria que representam o ciclo hidrológico. SWAT: Figura 1: Representação do ciclo hidrológico segundo o SWAT Fonte: (NEISTCH, 2009) Com a chuva, a umidade do solo é modificada pelo remanescente do volume precipitado, descontando o volume escoado superficialmente, a evapotranspiração, a infiltração, e o fluxo base de retorno ao canal. ܹܵݐ = ܹܵ0 + ߑ(ܴ݀ܽݕ − ܳݏݑݎ݂ − ܧܽ − ݓݏ݁݁݌ − ܳ݃ݓ) (1) ܹܵݐ é o conteúdo de água no solo no dia t (atual ou final do período estudado); 33 ܹܵ0 é o conteúdo inicial de água no solo no dia i , em mm H2O; ܴ݀ܽy é a quantidade de precipitação no dia i , em mm H2O; ܳݏݑݎf é a quantidade de escoamento superficial no dia i , em mm H2O; Ea é a quantidade de evapotranspiração no dia i , em mm H2O; Wݏ݁݁p é a quantidade de água que entra na zona de aereação do perfil do solo no dia i , em mm H2O; ܳ݃w é a quantidade de fluxo de retorno no dia i , em mm H2O. 2.1 Ciclo Hidrológico em Área Urbana Quando as chuvas caem em áreas urbanas, elas são pouco interceptadas e vão cair rapidamente na superfície do solo. Como boa parte da superfície é impermeabilizada pelo asfalto ou cimento, pouca água infiltrará na superfície até o perfil do solo, senão que predominantemente descerá pelas ruas ou pela rede pluvial/esgoto como escoamento. O escoamento se movimenta relativamente rápido na direção do canal e contribui para uma resposta do curso de água em curto prazo. O traçado da rede pluvial/esgoto deve ser conhecido com bastante detalhe, sendo de alta densidade, e influenciando fortemente a resposta hidrológica. Quando certos limites de vazão são superados, os modelos devem incluir áreas de alagamento transitório. 2.2 Ciclo Hidrológico em Área Rural Em áreas rurais as precipitações podem ser interceptadas pela vegetação, seja 34 árvores ou lavouras, causando uma retenção inicial que pode evaporar. A água que chega no solo infiltrará para camadas inferiores ou escoará pela superfície até atingir a rede de drenagem rapidamente; a parte infiltrada poderá evapotranspirar ou achar os caminhos por via subterrânea, mais lentamente, para os canais superficiais. Ainda, poderá ser armazenada em áreas de alagamento ou reservatórios. 2.3 Método do Número CN para Cálculo do Escoamento e Infiltração Na Hidrologia e na Engenharia Civil o método da Curva do Número (CN), também chamado de “Equação de Escoamento do Número SCS” é utilizado para determinar o quanto de água escoa sobre a superfície terrestre em função do uso e ocupação do solo, sua textura ou tipo, e sua umidade (ZHAN e HUANG, 2004). O método CN é um dos mais utilizados para o processamento do escoamento superficial de eventos chuvosos; essa aproximação envolve o uso simples de fórmulas empíricas e tabelas de valores (SHERESTHA, 2003). Isto fornece um método de simular um escoamento em uma bacia hidrográfica. O método é especialmente adequado para bacias pequenas, podendo ser aplicado a bacias grandes através da decomposição em sub-bacias de tamanho e características adequadas. As variáveis físicas fundamentais, e a relação entre elas, estão descritas a continuação: 35 ܳݏݑݎ݂ = (ܴ݀݅ܽ−ܫܽ)2 (2) (ܴ݀݅ܽ−ܫܽ+ܵ) Ia: perdas iniciais referentes à interceptação da chuva (mm); Rdia: é o valor da precipitação (mm); S: representa a retenção total de água por infiltração ou interceptação ou evaporação (mm). Como S representa uma característica muito valiosa para cálculos de engenharia (PRUSKI et al., 2001), pois serve como base para cálculo do escoamento superficial, os engenheiros do Serviço de Conservação de Solos do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (SCS-USDA), desenvolvedores do método, decidiram utilizar um outro parâmetro relacionado conceitualmente a S, mas que facilitasse a criação de tabelas; dessa forma, escolheu-se o número CN, que varia entre 0 e 100, relacionado com S pela equação. ܵ = 25.4(1000/ܥܰ − 10) (3) CN: relacionado com a cobertura do solo, tipo de solo e umidade do solo. Este método é apresentado na literatura como método do número da curva, exigindo o conhecimento prévio da precipitação e de vários aspectos do complexo hidrológico solo-vegetação. Todos os detalhes do método com relação à sua aplicação no modelo SWAT estão descritos pela documentação teórica encontrada no site do modelo (NEITSCH et al., 2009). O CN é relacionado com a cobertura, tipo e condição de umidade do solo, 36 sendo ele um parâmetro adimensional e seus valores (0-100) encontram-se de acordo com os padrões de infiltração do mesmo, como mostrado na Tabela 2 de valores de CN para bacias urbanas e sub-urbanas, observa-se que o valor de CN é relacionado também com o grupo de solo. Assim, a tabela a seguir (figura 2) mostra os valores de CN para bacias urbanas e suburbanas: Figura 2: Valores de CN para bacias urbanas e sub-urbanas Fonte: Tucci (1998) Essa tabela demonstra os níveis de escoamento em diferentes vegetações e até mesmo em cidades. Os valores variam de 0 a 100, quanto mais próximo 43 de medições, a NBR 9649 da ABNT recomenda o uso de K1 = 1,20, K2 = 1,50 e K3 = 0,50. Outra variável importante a ser considerada é a taxa de infiltração. A vazão do esgoto pode ter contribuições originárias do subsolo. A infiltração ocorre quando os sistemas de coleta estão construídos abaixo do nível do lençol freático, penetrando através dos seguintes meios: juntas das tubulações, paredes das tubulações ou outras estruturas com aberturas. De acordo com os conceitos anteriores, podemos definir as seguintes relações: A vazão doméstica média de esgotos é calculada através da equação abaixo: ܳ ܯé݀ = ܲ × ݍ × c (7) Onde: P - População contribuinte (hab.), q - quota per capita de água (l/ hab.dia), C - Coeficiente de retorno. A vazão máxima diária é calculada através da seguinte equação: ܳܯܽݔ. ܦ݅ܽ = ܥ × ܭ1 × ܳ × ܲ × ݍ (8) Onde K1, o coeficiente de dia de maior consumo, é igual a 1,20. No caso do cálculo da vazão máxima horária, utiliza-se a seguinte equação: ܳ ܯáݔ. ܪ݋ݎ = ܲݍ × ܥ × ܭ1 × ܭ2 (9) Onde K2, o coeficiente de hora de maior consumo é igual a 1,50. 44 2.5.2 Estimativa Pelas Informações Disponíveis na Prefeitura de Itaqui Sobre a Rede de Drenagem Urbana A urbanização tem potencial para aumentar tanto o volume quanto as vazões do escoamento superficial direto de uma microbacia – como explica o Manual De Diretrizes Para Projetos De Drenagem Urbana No Município De São Paulo - nesse contexto é imprescindível que ao fazer a análise uma micro bacia que recebe água pluviais de uma determinada região de um município considerar o fator urbano para dimensionamento das suas galerias, considerar fatores como estes garantem que se minimize o efeito de problemas como futuras inundações. No mapa abaixo (Figuras 3 e 4) pode-se observar que a região que abastece a microbacia do arroio olaria tem grande influência urbana, pois maior parte do município descarta suas águas em galerias pluviais que fazem parte do sistema de drenagem na mesma. Pode-se observar na figura ainda que a tubulação adotada para escoamento das galerias pluviais 500mm de diâmetro. 45 Figura 3 - Mapa de tubulações que fazem parte do sistema de drenagem do Município. Fonte: Prefeitura Municipal de Itaqui 46 Figura 4 - Mapa altimétrico do Município para observação da precipitação por gravidade Fonte: Prefeitura Municipal de Itaqui Desta forma, o presente trabalho visa analisar a bacia do Arroio Olaria ou Sanga da Olaria, cujas vazões recebem componentes urbanos da cidade de Itaqui, procurando estabelecer as variáveis envolvidas e as dimensões das diferentes contribuições à vazão, com vistas à futura calibração do modelo SWAT nas microbacias urbanas da cidade de Itaqui e da região. 47 3 OBJETO E METODOLOGIA DE ESTUDO 3.1 Descrição da Bacia Hidrográfica do Arroio Olaria No trabalho de Bariani (2016) estão descritas as características físicas das microbacias hidrográficas do arroio Olaria e Cambaí em Itaqui, das quais foram extraídos os dados apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Características geomorfométricas da bacia do Arroio Olaria Fonte: Bariani (2016) Estas informações foram utilizadas junto com outras advindas do geoprocessamento de imagens de satélite, utilizando os programas de sistema de informação geográfica e processamento de imagens SPRINGGIS do INPE, e Quantum Gis (QGIS), assim como plataformas tais como: 48 Google Earth Engine e Google Earth Online (earth.google.com). Para processamento vetorial dos sistemas de esgoto da cidade para fins de análise e dimensionamento da contribuição da vazão urbana também foi utilizado o programa AUTOCAD. As áreas rurais e urbanas da bacia foram analisadas com mais detalhe visando detectar regiões que pudessem desaguar diretamente no Rio Uruguai, sem atingir o canal principal do Olaria, e que pudessem ter sido consideradas como parte da bacia do Olaria no trabalho de Bariani (2016). 3.2 Ferramentas de Software do SWAT+ A equipe do SWAT+ programou os principais passos da metodologia de aplicação do modelo SWAT+. O objetivo final de implementação da Ferramenta de Avaliação de Água e Solo, SWAT, na bacia hidrográfica, demanda o ajuste de toda uma série de parâmetros mediante um processo chamado de calibração. Para essa etapa ser realizada com sucesso precisam ser realizados alguns estudos prévios, como os apresentados neste trabalho. Vários desses estudos são direcionados à obtenção e formatação dos dados de entrada utilizados pelo modelo. Junto com a reformulação na programação interna acontecida durante a produção do SWAT+ (versão lançada em 2019), foram preparados alguns ambientes de apoio para facilitar a criação e uso de arquivos de entrada, e a visualização dos dados de saída. Devido ao fato do SWAT+ ter sido lançado 49 recentemente, e sendo a primeira vez que é implementado localmente, a metodologia será descrita com mais detalhes. A seguir serão descritos alguns módulos que foram utilizados ou analisados para preparação dos dados de entrada por geoprocessamento (QSWAT). 3.2.1 QSWAT+ Os desenhadores do SWAT+ decidiram criar uma interface de geoprocessamento dentro do software livre QGIS 3, chamada QSWAT, e que aparece como uma extensão que deve ser instalada após ter instalado o QGIS 3. No nosso caso foi instalado o software QGIS 3.4 e logo em seguida foi procurado o plug-in QSWAT+, que é instalado junto com o pacote do SWAT+ obtido no site do modelo. Na Figura podemos ver a interface do QSWAT+ 1.0.0. Observe-se que a partir desta interface é possível avançar nas etapas de Delineamento de Bacias, Criação de HRUs, Edição de entradas e finalmente execução da modelagem. Figura 5: Interface do QSWAT+ 50 Fonte: Autoria própria 3.2.1.1 Operações no QSWAT+ Vinculadas ao Perfil Topográfico e Rede de Drenagem 1) Carregar o modelo digital de elevação (DEM), no nosso caso o SRTM. 2) Criar os canais secundários (channels) e principais (streams). 3) Definir os pontos de entrada e saída de vazão. 4) Definir as unidades de paisagem: terras altas ou áreas úmidas. 5) Unir subbacias consideradas muito pequenas. 3.2.1.2 Operações no QSWAT+ Vinculadas à Criação de Unidades de Resposta Hidrológica (HRU) 1) Preparação e introdução de mapas de uso do solo e mapas de tipos de solos. 2) Definição das propriedades do solo: número CN de cada região. 3) 51 União de canais curtos. 4) Divisão ou descarte de áreas de uso do solo. 5) Reservatórios e lagoas. 6) Criando HRUs. 3.2.1.3 Operações No QSWAT+ Vinculadas à Modelagem do Ciclo Hidrológico 1) Preparação de arquivos de entrada de precipitação, temperatura, radiação solar, umidade relativa e velocidade do vento. 2) Definição de estação climática virtual no gerador de clima (WGEN), com base nos dados climáticos disponíveis. Preparação de dados climáticos diários. 3.2.1.4 Preparação de Mapas Topográficos e de Solo Para recortar uma imagem topográfica SRTM abrangendo a região da Bacia do Olaria foi utilizada a plataforma Google Earth Engine, cuidando de incluir a projeção nas configurações do arquivo tif de saída. Esse arquivo é salvo na pasta do Google Drive do usuário, sendo necessário o download para utilização no QSWAT+, situando ele na pasta DEM. Os mapas de tipo de solo e uso do solo foram obtidos de bancos de dados criados no software SPRING, correspondentes ao trabalho de Bariani (2016). Segundo o manual do QSWATPlus, este mapa deve conter a área a ser 52 utilizada na modelagem, bastando ser um pouco maior que a área de estudo. O mapa pode ser em formato geotiff, e o programa irá recortá-lo automaticamente dentro da região definida para o estudo, ficando em formato adf, que é um formato raster da empresa ESRI, popularizado pelo uso intensivo do ARCGIS em nível internacional. 3.2.1.5 Dados Pluviométricos e Cálculos do Modelo SWAT Uma vez preparados os arquivos de entrada (modelo digital de elevação, mapa de classificação de solos, mapa de uso do solo, dados meteorológicos), o programa SWAT+ foi executado para obter o gráfico de vazão para o período estudado (2019) no exutório da bacia. Os arquivos de entrada do modelo SWAT foram preparados considerando as opções de uso do solo e tipo de solos impermeáveis, tanto urbanos quanto rurais. Os arquivos com informações meteorológicas foram preparados mediante dados extraídos da estação meteorológica da Unipampa (https://geasunipampa.wordpress.com/dados-meteorologicos/), conforme instruções da documentação teórica. Posteriormente, foi acionada a simulação das vazões para as precipitações acontecidas durante o mês de janeiro de 2019. 3.2.1.6 Cálculos do Ciclo Hidrológico no Ambiente Matemático SCILAB As equações teóricas consideradas pelo modelo SWAT foram programadas 59 aproximado do perfil do córrego Olaria na Rua Uruguaiana, e o cálculo da vazão, em condição normal, resultando num valor aproximado de 100 litros/seg. Devido às condições de precipitação da época, este valor pode ser considerado um valor de base. Como o ponto de Rua Uruguaiana não recebe toda a área da bacia do Olaria, a conversão a mm foi realizada com um valor 40% menor de área, resultando no valor de: Vazão Olaria Rua Uruguaiana = 3,057 ~ 3 mm/dia. 4.6 Discussão O processamento do modelo digital de elevação realizado pelo QSWAT foi baseado na definição de áreas de captação de chuva de ao menos 90 ha para os canais principais da rede de drenagem e de 9 ha para os canais secundários. Este processamento, cujo resultado pode ser apreciado na Figura, nos leva a confirmar o observado por Bariani (2016), no sentido de que a área urbana da cidade de Itaqui está conformada por 3 microbacias: a do Arroio Olaria no setor Oeste, a “Sanga das Pedras”, que deságua direto Rio Uruguai no centro, e a do Cambaí no setor Leste. Observa-se, então, que para um estudo completo da cidade deverão ser também consideradas as outras sub-bacias. Observa-se também que a bacia do Olaria abrange uma única sub-bacia das que foram criadas pelo algoritmo, valendo o mesmo para a bacia das Pedras, enquanto que a bacia do Cambaí é formada por várias outras sub-bacias, o que é concordante com os dados Tabela, nos quais se 60 observa que a bacia do Cambaí é uma ordem de magnitude maior que a do Olaria. Outra observação é referente à possibilidade de definir sub-bacias menores dentro da sub-bacia do Olaria, o que pode ser feito mudando os parâmetros do SWAT para valores menores de área, de forma a ficar mais detalhada a rede de drenagem, como é ilustrado na Figura 10, onde se tem uma visão global da rede de drenagem na região completa estudada. Pode ser recortada a área menor correspondente só à bacia do Olaria para reduzir o volume de dados e tempo de cálculo. Porém, essa análise extrapolou as possibilidades do presente trabalho. Observe-se também, que os algoritmos de processamento do modelo digital de elevação (DEM) do SWAT+ criam camadas muito interessantes (Figura 10), tais como: pontos de saída (outlet) e de entrada (inlet) na bacia, reservatórios (reservoir), açudes (ponds), canais principais (streams), canais secundários (channels), alturas (DEM) e sombras (hillshade), todos os quais podem ser complementados e constituir progressivamente um modelo mais fidedigno da bacia. Por exemplo, a bacia do Olaria tem entradas que se correspondem com a rede de abastecimento de água, que podem ser incluídas no modelo. Com relação aos resultados dos cálculos da vazão urbana, eles correspondem a aproximadamente 0,3 mm/dia. Este valor, deve ser comparado com a vazão base do Olaria medida a campo, em condições normais, atingindo um valor 61 da ordem de 3 mm/dia. Observa-se, então, que a vazão urbana é uma ordem de magnitude menor que a vazão base o Olaria. Sendo este córrego o menor dos cursos de água que recebe efluentes da cidade de Itaqui, podemos perceber os motivos pelos quais a cidade não foi obrigada a modernizar sua rede de drenagem, mesmo sendo esta muito antiga e precária. O fato é que a rede natural de drenagem da cidade é muito boa, e foi usada para direcionar os esgotos da cidade e as águas pluviais. Por outro lado, a resposta em situação de chuva da bacia do Olaria pode ser analisada na base do gráfico obtido no cálculo realizado com o Scilab. Percebe-se que as vazões de escoamento do Olaria no mês de janeiro de 2019, mês de precipitações intensas de até 90 mm/dia, chegaram próximas aos 80 mm/d, tornando desprezíveis as contribuições urbanas e as oriundas das nascentes. Com relação à análise de parâmetros de escoamento que são utilizados pelo modelo SWAT, tais como o número CN e o coeficiente de Manning, por se tratar de uma bacia urbana, que está na área de deposição aluvial do Rio Uruguai, com alta porcentagem de argila na textura do solo, pode ser considerado que a principal característica do solo é seu alto grau de impermeabilização, tanto na área urbana quanto a rural, levando a valores elevados do número CN, próximos de 100, extraídos das tabelas fornecidas no própria documentação teórica do SWAT (NEITSCH et al., 2009). Estes números caracterizam a facilidade para o escoamento da água das 62 precipitações para a rede de drenagem e pontos de saída da bacia. No caso do Olaria resultou um valor de 87, que resulta razoável quando comparado com os valores tabelados (Tucci, 1998). 63 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho forma parte de um esforço conjunto coordenado pelo Laboratório Interdisciplinar Integrado, LABii, da Unipampa Itaqui, para implantação do modelo SWAT na região. Esta ferramenta de modelagem permite simular o comportamento da água dentro de uma bacia hidrográfica, com base na simulação do ciclo hidrológico. Para isso, é necessário adaptar os parâmetros das equações utilizadas pelo modelo de acordo com o que acontece na região sob estudo. Isto implica, também, um bom conhecimento da bacia a ser modelada, através de dados que são introduzidos no modelo. Além disso, é necessário formatar esses dados de entrada, para serem corretamente entendidos e utilizados pelo modelo. No tempo disponível para este trabalho de conclusão de curso de especialização aconteceram os seguintes avanços: 1) Foram determinados os limites da bacia do arroio Olaria utilizando um modelo digital de elevação SRTM de resolução 30 m. Acredita-se ter contribuído para o aumento da precisão na delimitação desta bacia com relação aos dados disponíveis por outras metodologias. 2) Foi analisada a magnitude da vazão urbana, correspondendo a um valor máximo de 0.3 mm/dia, calculada de acordo com o recomendado nas normas ABNT para dimensionamento de redes de esgoto. Este valor foi comparado com valores de escoamento de base, alimentado principalmente por fontes 64 subterrâneas, medido a campo, correspondente a 3 mm/dia, observando assim que é uma ordem de magnitude menor. 3) Foi calculada a vazão diária no mês de janeiro de 2019, que acumulou ao redor de 500 mm de chuva, utilizando as equações do modelo SWAT, fornecidas na documentação teórica, programando as mesmas no ambiente matemático Scilab. Os resultados indicam vazões de escoamento de até 80 mm/dia. 4) As altas vazões de escoamento obtidas se justificam pelo predomínio de solos bastante impermeáveis, tanto na área urbana quanto a rural. Nesse sentido, os principais coeficientes para o cálculo do escoamento, que são os coeficientes CN, foram calculados na base dos valores tabelados para diferentes tipos de solos, ponderados pelas áreas ocupadas na bacia por esse tipo de solos. Os CN calculados correspondem a condições de umidade: seco, normal e capacidade de campo, sendo que este último foi o que predominou no mês de janeiro de 2019, devido às precipitações frequentes e intensas. O CN médio apresentou o valor de 87, sendo 100 o máximo que corresponde a um solo totalmente impermeável. 5) Não foi possível, no tempo disponível, formatar os arquivos de entrada do SWAT para fazer rodar o modelo sem erros, ficando para um trabalho posterior. Também se sugere analisar a bacia do Olaria com maior detalhe em termos da rede de drenagem, procurando obter as sub-bacias dentro dela, o que é útil para aplicações de monitoramento, e devido ao efeito de 65 represamento que o Rio Uruguai exerce no exutório, que muitas vezes obriga a medir a vazão em pontos mais elevados da bacia. 66 REFERÊNCIAS ARNOLD, J. G.; KINIRY, J. R.; SRINIVASAN, R.; WILLIAMS, J. R.; HANEY, E. B.; NEITSCH, S. L. 1990. Input/Output Documentation version 2012. Texas Water Resources Institute – TR-439, 650p. BARIANI, C. J. M. V.; VICTORIA, N. M. B. Aplicação de caracterização morfométrica com dados SRTM para análise de enchentes em microbacias urbanas. Geografa, Ensino & Pesquisa, Vol. 20, n.2, p. 135-146. 2016. COELHO, A, L, N. Geomorfologia Fluvial de rios impactados por barragens. Revista Online Caminhos de Geografia. Uberlândia v. 9, n. 26. 8 p. 16 – 32, 2008. COSTA, J. M. de A. Aspectos Práticos e Conceituais do Modelo SWAT+ em microbacia do Olaria e Cambaí no município de ITAQUI/RS. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)- Universidade Federal do Pampa, 2019. KNISEL, W. CREAMS: A field-scale models for chemicals, runoff and erosion from agricultural management systems. U.S. Department of Agriculture, Report 26, 1980. LEONARD, R. A.; Knise, W. G. L.; Still, D. A. GLEAMS: Effects of Groundwater Loading on Agricultural Management Systems. Trans. ASAE 30(5):1403-1428, 1987. NEITSCH, S.L., ARNOLD J.G., J.R. KINIRY, WILLIAMS, J.R. Soil & Water Assessment Tool SWAT - Documentação Teórica 2009. Instituto de Recursos Hídricos do Texas - Relatório técnico No. 406 Texas. 2009. 67 PONCE, V. M.; HAWKING, R. H. Runoff curve-number: has it reached maturity?. Journal of Hydrology Engineering. v 1. n 1. p. 11–19. 1996. PRUNSKI, F. F. ; GRIEBELER, N. P. ; SILVA, D. D. Comparação entre dois métodos para a determinação do volume de escoamento superficial. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 25:403-410, 2001. SARTORI, A., NETO, F. L., GENOVEZ, A. M. Classificação Hidrológica de Solos Brasileiros para a Estimativa da Chuva Excendente com o Método do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos Parte1: Classificação. RBRH – Revista Brasileira de Recursos Hídricos Volume 10 n. 4. p.6. 2005. SHERESTHA, M. N. Modelagem Hidrológica Espacialmente distribuída considerando as mudanças no uso da terra usando Sensoriamento Remoto e SIG. 2003. TUCCI, C. E. M. Modelos Hidrológicos. Porto Alegre – RS. Ed. Universidade UFRGS. Associação Brasileira de Recursos Hídricos. p. 652. 1998. WILLIAMS, J .R. Routing of sediments to agricultural watersheds. Water resource, 1984. ZHAN, X. & HUANG, M. L. ArcCN-Runoff: an ArcGIS tool for generating curve number and runoff maps. Environmental Modelling & Software 19 (10). p. 875 – 879. 2004. 68 CAPÍTULO 03 - ANÁLISE AMBIENTAL UTILIZANDO O MODELO SWAT APLICADO A MICROBACIA DO ARROIO CAMBAÍ EM ITAQUI, RS Juliomar Santos Nelson Mario Victoria Bariani Cassiane Jrayj de Melo 1 INTRODUÇÃO Modelo SWAT é o resultado de mais de 30 anos de modelagem física dos efeitos no ciclo hidrológico de bacias hidrográficas de fontes não pontuais de exposição a produtos e práticas agrícolas. Foi desenvolvido pelo centro de pesquisas agrícolas do Estado de Texas, em conjunto com várias agências governamentais norte-americanas, e posteriormente aprimorado com a colaboração de numerosas universidades dos Estados Unidos e muitas outras do mundo inteiro (NEITSCH et al., 2009). O modelo foi preparado pelo Doutor Jeff Arnold para o serviço de pesquisa agropecuária do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. Por estar baseado em variáveis que têm sentido físico, não meramente matemático, acompanhadas de parâmetros que respondem às características locais e regionais, ele pode ser aplicado em regiões muito diferentes e em 75 possíveis impactos, auxiliando na manipulação dos dados hidrográficos e compartilhamento de informações. Figura 1. Imagem de representação de bacia, sub-bacias e microbacias. Fonte: Autor, 2020. 2.1.1 Clima e Unidade de Respostas Hidrológicas (HRU) O clima, topografia, geologia e uso do solo são estruturas geológicas essenciais para a determinação do padrão de escoamento de uma bacia hidrográfica que consequentemente influencia no seu comportamento hidrológico, sendo estes elementos interligados (Figura 2). 76 Figura 2. Representação dos HRUs em camadas. Fonte: Neitsch et al. 2009. O fator climático utilizado dentro do modelo SWAT de acordo com Neitsch et al., (2009) inclui a precipitação diária, a temperatura máxima e mínima do ar, a radiação solar, a velocidade do vento e a umidade relativa, fornecendo dados de umidade e energia, que são responsáveis por controlar o equilíbrio hídrico, determinando as variáveis do ciclo hidrológico. O autor também explica que precipitação diária, temperatura máxima/mínima do ar, radiação solar, velocidade do vento e umidade relativa podem ser introduzidos no programa a partir de registros de dados observados ou gerados durante a simulação. 77 A verificação da topografia é fundamental para que haja a descrição detalhada do relevo do terreno, sendo uma ferramenta utilizada para medição de áreas, perímetros, variações do relevo, altitude, orientação, dentre outras especificações. Para este estudo em questão utilizaremos a informação de altimetria, a fim de conhecer o relevo da bacia e seu escoamento superficial. Lima (2017) descreve as características ambientais como sendo um fator determinante de uma bacia hidrográfica, concedendo informações sobre seu funcionamento e estrutura. As características condizentes ao potencial de recursos naturais disponibilizados pela bacia são relacionadas as formas de relevo, características hidrológicas e climáticas, bem como as variáveis geológicas e geomorfológicas do terreno (LIMA, 2017). A variável geológica e geomorfológica fornece identificação e reconhecimento de impactos ambientais, monitoramentos, planejamentos, gerenciamentos, gestões ambientais, favorecendo a análise entre a bacia estudada e o ambiente ao qual se encontra (LIMA, 2017). Por fim é introduzido ao modelo o mapa de uso do solo, que fornece informações inerentes a bacia hidrográfica em questão. Este é entendido por ser um processamento digital de imagens que oferece o mapeamento do uso do terreno, seja ele sobre a cobertura vegetal, área urbana, agropecuária, entre outras atividades humanas. O mapa de uso dos solos utilizados neste trabalho se deu a partir de dados fornecidos pelo MapBiomas (Projeto de Mapeamento Anual da Cobertura e Uso do Solo no Brasil). 78 Esse agrupamento de dados contribui na formação da dinâmica hidrológica, possibilitando sua representação e desenvolvimento de modelos que são capazes de simular o escoamento, transporte de sedimentos e impactos sobre a qualidade da água da bacia estudada, sendo necessário o delineamento destas unidades de modo a representar as suas características principais (MITSUYA, 2016). Para a utilização do modelo SWAT é indispensável os dados supracitados, sendo as demais informações modeladas pelo mesmo. 2.1.2 Ciclo hidrológico É definido como ciclo hidrológico o evento natural do fluxo da água, que ocorre entre a superfície e a atmosfera terrestre. Este fluxo ocorre devido à gravidade e à rotação da terra, sendo conduzido pela energia irradiada do sol (SERRÃO, 2018). O ciclo hidrológico de forma simplificada são os caminhos pelo qual a água percorre. A água é encontrada na atmosfera, hidrosfera e também na litosfera, nos estados gasoso, líquido ou sólido (SERRÃO, 2018). Na Figura 3 a seguir é possível fazer uma análise melhor sobre o ciclo da água. Observe que há um circuito onde a água percorre pela hidrosfera, os oceanos, as geleiras, rios, lagos, águas subterrâneas e atmosfera, isso ocorre devido ao Sol, o calor faz com que a água evapore da superfície para a atmosfera, quando ocorre a precipitação devido a gravidade a água percorre 79 pela superfície terrestre reunindo-se em rios e desaguando nos oceanos ou infiltrando pelas rochas e solo formando o escoamento subterrâneo (lençol freático). Figura 3. Representação do Ciclo Hidrológico Fonte: Serrão, 2018. A evaporação ocorre após o sol emitir ondas de calor para a superfície, fazendo com que a água dos rios, lagos e mar evapore e seja armazenada nas nuvens em forma de vapor. A evapotranspiração é a evaporação da água pela superfície de solo mais a transpiração das plantas, também ficam armazenadas nas nuvens até ocorrer a precipitação (ANA, 2012). A precipitação ocorre quando há a queda de água, seja como forma de chuva, granizo ou neve. A água que cai com as chuvas fica armazenadas próximos 80 ao local que ocorreu a chuva, ela pode sofrer a queda em forma de gelo e neve, ou sofrem escoamento natural pela superfície até ser agrupada em lagos e rios que voltam para os mares. Quando houver a infiltração da água nas rochas e nos solos essa água sofre o chamado escoamento subterrâneo, onde são armazenadas (lençol freático e aquíferos), quando a água retorna para a superfície ocorre novamente a evaporação, esse fluxo contínuo da água é o ciclo hidrográfico (ANA, 2012). 2.1.3 Cálculo do Ciclo Hidrológico no SWAT Os cálculos utilizados pelo modelo SWAT para simulação do ciclo hidrológico estão baseados na equação de balanço hídrico: ܹܵ௧ൌܹܵ ଴൅ߑሺܴௗ௔௬ െܳ௦௨௥௙ െܧ௔െݓ௦௘௘௣ െܳ௚௪ሻ (1) ܹܵ௧ é o conteúdo de água no solo no dia t (atual ou final do período estudado); ܹܵ଴ é o conteúdo inicial de água no solo no dia i, em mm H2O; ߑ é a somatória para cada dia do início ao fim do período estudado; ܴௗ௔௬ é a quantidade de precipitação no dia i, em mm H2O; ܳ௦௨௥௙ é a quantidade de escoamento superficial no dia i, em mm H2O; 81 ܧ௔ é a quantidade de evapotranspiração no dia i, em mm H2O; ݓ௦௘௘௣ é a quantidade de água que entra na zona de aereação do perfil do solo no dia i, em mm H2O; ܳ௚௪ é a quantidade de fluxo de retorno no dia i, em mm H2O. Esta equação é aplicada separadamente para cada unidade de resposta hídrica, em inglês HRU, que são uniformes, e permitem levar em consideração diferenças na evapotranspiração para diferentes culturas e tipos de solos. O escoamento superficial também é calculado separadamente para cada HRU é roteado para o exutório para calcular o escoamento total da bacia. Está metodologia aumenta a exatidão e dá uma melhor descrição física do balanço hídrico. A Figura 4 mostra um fluxograma que esquematiza o processo de cálculo no SWAT, no nível de Unidades de Resposta Hidrológica (HRU) e Sub-bacia. 82 Figura 4. Fluxograma do processo de cálculo do modelo hidrológico SWAT. Fonte: Laboratório Interdisciplinar. 83 2.2 Bacia do arroio Cambaí A microbacia bacia do arroio Cambaí localiza-se na região Sul do país (Figura 5), a mesma se encontra dentro da Bacia do Rio Uruguai. A região possui clima subtropical, relevo plano a suave ondulado, vegetação rasteira de gramíneas características dos pampas, e com predomínio de luvissolos e chernossolos. A cultura do arroz consorciada com pecuária predomina em termos de uso do solo (EMBRAPA, 2005). Figura 5. Mapa de localização da microbacia arroio Cambaí. Fonte: Autor, 2020. 84 Cambaí, essas são indicadores inerentes ao comportamento e capacidade da bacia em questão. Tabela 1: Características Físicas Microbacia Cambaí Área de drenagem 157,519 (km²) Área urbana 2,677 (km²) Perímetro 53,235 (km) Densidade de drenagem 1,07067 (km/km²) Tensão média do escoamento superficial 0,220 (km) Declividade média 3 % Altitude Média 70 (m) 2.2.1 Calibração e Validação no SWAT De acordo com Serrão (2018) o processo de calibração é determinante para representar corretamente o comportamento das bacias hidrográficas. Esse processo é fundamental para a estimação de diversos parâmetros, estipulando seus dados de entrada e reduzindo possíveis incertezas até estarem ajustados corretamente, com isso a veracidade dos resultados de saída da modelagem serão garantidos (LELIS et al., 2010). A calibração ocorre de forma manual ou automática através do Shuffled Complex Evolution (SCE) que processa os dados de entrada com interações 91 Fonte: Autor, 2020. Retornando nas opções do QSWAT+ deve-se ir em “newproject” e selecionar onde deseja que o projeto seja salvo, em seguida nas opções no complemento selecione a opção “delineate watershed” para inicializar a delimitação da bacia, na janela que se abrir selecione a camada DEM – Modelo Digital de Elevação (Figura 11). 92 Figura 11. Inserindo a camada DEM. Fonte: Autor, 2020. Para obter a camada DEM é utilizado o banco de dados do USGS (Serviço Geológico dos EUA) é utilizado o sensor SRTM que posteriormente foi reprojetado no software QGIS para o Sistema de Referência Geocêntrico, SIRGAS 2000, UTM 21S. Ainda, foi realizado o recorte da camada delimitada somente na área de estudo em questão, a fim de reduzir o tempo de processamento. Ainda na aba “delineate watershed”, é delimitado o “stream”, ou seja, os leitos principais, é trocado a unidade da área para sq.km e posteriormente é selecionado a opção “create streams”. Em seguida é selecionado a opção “draw inlets/outlets” para indicar a entrada e saída dos afluentes da bacia, neste momento é importante observar que se pode adicionar arquivos que já identificam a entrada/saída, para este trabalho todas as delimitações foram realizadas utilizando a ferramenta QSWAT. Selecionando a opção “create watershed” a bacia e todas as sub-bacias 93 pertencentes a área escolhida serão delimitados. Continuando, em “create landscape” é possível determinar o modelo de paisagem, na opção seguinte “Merge subbasins” é possível mesclar as sub-bacias em quantas desejar, neste trabalho foi deixado apenas uma microbacia a do Arroio Cambaí, na última opção disponível nesta aba tem-se “add lakes” onde é possível nesta opção delimitar ou adicionar a camada de massas de água. Na figura 12, observa-se a inserção das delimitações iniciais, realizadas na primeira etapa. Figura 12. Inserindo os primeiros parâmetros para delimitar a bacia. Fonte: Autor, 2020. 94 3.4. Inicialização da etapa 2 – Create HRUs. A seguir, de volta na aba inicial do QSWAT+ pode ser observado que a etapa seguinte da delimitação de bacias está disponível (Figura 13). A etapa é referente a criação das HRUs. Figura 13. Disponibilização da etapa 2. Fonte: Autor, 2020. Nesta etapa é incluído os parâmetros de entrada necessários para a caracterização da bacia, as variáveis incluídas foram: o mapa de uso e cobertura do solo, onde foi realizado o download do mesmo no site MapBiomas. 95 Procedendo os seguintes passos: na seção “Mapas e Dados” navegue até “download” e selecione a opção “download das coleções”, em seguida selecione a área “Pampa” e o ano desejado “2019” (Figura 14). Estes dados são fornecidos no formato raster (.tif), portanto é necessário reprojetar, recortar e classificar a imagem posteriormente para que cada classe tenha sua simbologia conforme a figura 15, disponibilizada pelo próprio site. Figura 14. Download mapa uso do solo. Fonte: Autor, 2020. 96 Figura 15. Legenda MapBiomas – Classe de uso e cobertura do solo. Fonte: Autor, 2020. Após a inclusão do mapa de uso e cobertura do solo é também necessário a inclusão de uma tabela onde é descrito o que cada área de pixel representa, no entanto, outra possibilidade é utilizar a opção “global_landuse”, o qual utiliza-se de parâmetros globais. Em seguida, foi inserido o mapa pedológico, onde para a elaboração do mesmo foi utilizado os dados em formato shapefile (.shp) contidos no trabalho de Streck et al. (2008). Ainda, se fez necessário reprojetar, recortar e rasterizar a imagem, ou seja, transformá-la de dados vetoriais para dados matriciais, pois, o software exige a inserção de arquivos tipo matricial (raster). Por fim, foi realizado a classificação das cores conforme o manual técnico de pedologia (IBGE, 97 2007) (Figura 16). Figura 16. Manual técnico de pedologia. Fonte: Autor, 2020. 98 Para o mapa pedológico também se fez necessário a inserção de uma tabela com os dados de solos, no entanto também existe a possibilidade da opção global, utilizada neste estudo. Em seguida, é realizado o ajuste dos parâmetros dos HRUs, podendo-se selecionar a criação das HRUs com base nos mapas de entrada e através de pontos de declividade, neste utilizou-se a opção “read from maps” e selecionado a opção “generate full HRUs shapefile”, resultando em dados vetoriais contendo polígonos com todas as informações inseridas. Ainda, existe a possibilidade de filtrar e ajustar a quantidade de HRUs por alguns parâmetros, como por exemplo: área, solo, uso do solo ou pelo fator de dominação das HRUs, sendo este utilizado neste trabalho. Na figura 17, observa-se a inserção dos parâmetros para a criação das HRUs na etapa 2. 99 Figura 17. Etapa 2 – Create HRUs. Fonte: Autor, 2020. 3.5 Preparação de Dados Climáticos de Entrada para o Modelo SWAT Os arquivos com informações meteorológicas foram preparados mediante dados extraídos da estação meteorológica da Unipampa conforme instruções da documentação teórica. 100 3.6 Cálculos do Ciclo Hidrológico no SWAT Uma vez preparados os arquivos de entrada (modelo digital de elevação, mapa de classificação de solos, mapa de uso do solo, dados meteorológicos), o programa SWAT+ foi executado, para realização dos cálculos de vazão no exutório. 3.7 Cálculos do Ciclo Hidrológico no Ambiente Matemático Scilab As equações teóricas consideradas pelo modelo SWAT foram programadas no ambiente Scilab e realizados os cálculos para dados pluviométricos de 2008 a 2020 obtidos pela estação meteorológica da unipampa. Este cálculo serve como comparação dos resultados do software SWAT+. 3.8 Comparação com dados de Medição de Vazão Alguns dados de medição de vazão obtidos em ações curriculares do Laboratório Interdisciplinar, LABii, da Unipampa Itaqui, foram utilizados para comparação com os resultados obtidos pelos modelos. 107 Por fim, têm-se a criação dos HRUs (Figura 25), onde é possível analisar que as mesmas são subdivisões das LSUs, essa simbologia ainda apresenta dados de uso do solo, pedológicos e de declividade referente a cada Unidade de Respostas Hidrológicas. Figura 25. HRUs. Fonte: Autor, 2020. 4.2 Cálculos do Modelo SWAT dentro do Editor SWAT+ Até o momento da edição deste relatório, não foi possível fazer funcionar o cálculo, por motivos de formatação dos arquivos de entrada. Espera-se que até o momento da defesa possamos ter conseguido este resultado. 108 4.3 Cálculos do Modelo SWAT no Scilab A metodologia de cálculo explicada na documentação teórica do SWAT foi programada durante as aulas de Tópicos de Laboratório Interdisciplinar, resultando no código do Quadro 1. O algoritmo está baseado na aplicação do método do número ܥܰ, número este que caracteriza o impacto do tipo e uso de solo, e também da umidade, no escoamento da água, por meio de valores que variam de 0 (absorção máxima, pouco escoamento) a ͳͲͲ (impermeabilidade máxima, muito escoamento). Pelas características observadas na bacia do Cambaí, valores de ܥܰ ൌͺͲforam considerados adequados para uma situação de umidade normal (ܥܰʹ), considerando a média dos diferentes tipos de solos. A partir desse valor de umidade normal, foram calculados os valores para solo seco ሺܥܰͳሻ e solo na capacidade de campo (ܥܰ͵), que ocorre quando todos os microporos do solo estão ocupados com água. Os dados de precipitação utilizados para calcular o escoamento correspondem a janeiro de 2019, em que houve intensas chuvas, registradas com sucesso na estação meteorológica da Unipampa. Quadro 1. Código Scilab programado para cálculo da vazão correspondente às precipitações do mês de janeiro de 2019, segundo dados da estação meteorológica da Unipampa. 109 //Cálculo Escoamento Superficial //Colar em https://cloud.scilab.in/ do lado esquerdo e executar Area_cam=157.519E6 //m^2 //Precipitações diárias em janeiro 2019 R_dia=[33,0.2, 41,0,0,7,23.2,0.4,93.4,75.6,0, 3.8,0,2.8,34.6,6,42.8,41.6,0.4,0,0, 0,39.6,0.2,0,0,4.8,0,0,0,0]; CN2_cam=80//média ponderada dos CN para diferentes usos do solo CN1_cam=CN2_cam-20*(100-CN2_cam)/(100-CN2_cam+exp(2.533-0.0636*(100CN2_cam))) CN3_cam=CN2_cam*exp(0.00673*(100-CN2_cam)) //Solo na capacidade de campo //CORREÇÃO POR INCLINAÇÃO slp=0.03 //Inclinação de 3% para bacias do Olaria e Cambai //umidade normal CN2slp_cam=(CN3_cam-CN2_cam)/3*(1-2*exp(-13.86*slp))+CN2_cam //Solo seco CN1slp_cam=CN2slp_cam-20*(100-CN2slp_cam)/(100-CN2slp_cam+exp(2.5330.0636*(100-CN2slp_cam))) //Capacidade de campo ou de retenção CN3slp_cam=CN2slp_cam*exp(0.00673*(100-CN2slp_cam)) CN1_cam=CN1slp_cam; CN2_cam=CN2slp_cam; CN3_cam=CN3slp_cam; 110 S1_cam=25.4*(1000/CN1_cam-10) Ia1_cam=0.2*S1_cam.*ones(1,31); Qsurf1_cam=((R_dia-0.2*S1_cam).^2)./(R_dia+0.8*S1_cam) S2_cam=25.4*(1000/CN2_cam-10) Ia2_cam=0.2*S2_cam.*ones(1,31); Qsurf2_cam=((R_dia-0.2*S2_cam).^2)./(R_dia+0.8*S2_cam) S3_cam=25.4*(1000/CN3_cam-10) Ia3_cam=0.2*S3_cam.*ones(1,31); Qsurf3_cam=((R_dia-0.2*S3_cam).^2)./(R_dia+0.8*S3_cam) plot(R_dia) plot(Qsurf1_cam,'r') plot(Qsurf2_cam,'g') plot(Qsurf3_cam,'y') xtitle('Escoamento na Bacia do Arroio Cambaí','tempo(dias)','Precipitação ou Escoamento (mm)') hl=legend(['Precip'],['Solo Seco'],['Solo úmido'],['Solo Cap.Campo']) 111 Figura 26. Resultado gráfico do código Scilab executado, incluindo a precipitação e o escoamento superficial para 3 tipos de condição prévia de solo. Fonte: LABii, 2019. ϰ ϰϰDĞĚŝĕĆŽĚĞǀĂnjĆŽŶŽƌƌŽŝŽĂŵďĂş A função vazão (Q) é dada por: ܳൌܣǤݒ (2) Sendo ܣൌݎ݁ܽ e ݒൌݒ݈݁݋ܿ݅݀ܽ݀݁. Para a seção triangular faz-se: 112 ܳൌܾǤ݄ ʹכܦ ݐ (3) Onde, ܾൌ݈ܽݎ݃ݑݎܽሺ݉ሻǢ ݄ൌ݌ݎ݋݂ݑ݊݀݅݀ܽ݀݁ሺ݉ሻǢ ܦ ൌܦ݅ݏݐ݊ܿ݅ܽ݌݁ݎܿ݋ݎݎ݅݀ܽ݌݈݁ܽ݃ݑܽሺ݉ሻǢ ݐൌݐ݁݉݌݋ሺݏሻ. Para determinar as incertezas na vazão realiza-se o cálculo: ܳൌܾǤ݄Ǥܦ ʹݐ (4) Sendo a propagação de incertezas pela derivada: ݀ܳൌ൤݀ܳ ܾ݀൨כܾ݀൅൤݀ܳ ݄݀൨כ݄݀൅൤݀ܳ ݀ܦ൨כ݀ܦ൅൤݀ܳ ݀ݐ൨כ݀ݐ (5) Devem ser realizadas cada uma das derivadas usando a função vazão e substituir para achar a fórmula de cálculo. A medições e suas incertezas é calculada da seguinte forma: ● LARGURA ܾ ൌܾܿ݋ݎ݀ܽ൅ܾݐݎ݁݊ܽ ൌͳͲሺ݉ሻ൅ͷǤͳሺ݉ሻൌͳͷ݉ (6) 113 ܾ݀ ൌܾ݀ܿ݋ݎ݀ܽ൅ܾ݀ݐݎ݁݊ܽ൅ܾ݀݉݁ݐ݋݀݋ ൌͲǡͷ൅ͷǤͲǡͲʹ൅ͲǡͳͲ ൌͲǡʹͷ݉ൌʹͷܿ݉ ● PROFUNDIDADE ݄ൌ݄݈݊݁ݏ݋݊൅݄ݐݎ݁݊ܽൌͳǡͺሺ݉ሻ൅Ͳǡ͹ሺ݉ሻൌʹǡͷ݉ ݄݀ൌ݄݈݀݊݁ݏ݋݊൅݄݀ݐݎ݁݊ܽ൅݄݀݉݁ݐ݋݀݋ ൌ݄݀ൌͲǡͳͲ൅ͲǡͷͲ ൌͲǡ͹Ͳ݉ൌ͹Ͳܿ݉ (7) ● DISTÂNCIA PERCORRIDA PELA ÁGUA (ܦൌͷ݉ሻ ݀ܦ ൌ݀ܦݐݎ݁݊ܽ൅݀ܦ݉݁ݐ݋݀݋ൌͳʹǤͲǡͲͳ൅ʹǤͲǡͲͷൌͲǡͳʹ݉ ൌͳʹܿ݉ (8) ● TEMPO PARA PERCORRER ሺܦൌͷ݉ሻ ݐൌݐ ௩Àௗ௘௢ ൅ݐ௘௦௧௜௠௔ௗ௢ ൌʹ͵൅ʹൌʹͷݏ ݀ݐൌ݀ݐ௩Àௗ௘௢ ൅݀ݐ௘௦௧௜௠௔ௗ௢ ൌͳ൅Ͳǡͷൌͳǡͷݏ (9) ● VAZÃO DO ARROIO CAMBAÍ E SUA INCERTEZA 114 ܳൌܾכ݄ ʹכܦ ݐൌͳͷכʹǡͷ ʹכͷ ʹ͵ൌͶǡͲ͹͸݉͵ൌͶͲ͹͸݈݅ݐݎ݋ݏȀݏ (10) Considerando área da ܾܽܿ݅ܽൌͳͷ͹ͷͳͻͲͲͲ݉ʹ, temos a conversão para mm/dia: ܳൌͶͲ͹͸ܮכ͵͸ͲͲݏכ ʹͶ ͳͷ͹ͷͳͻͲͲͲ݉ʹൌʹǡʹͶ݉݉Ȁ݀݅ܽ ݀ܳ ൌሺ݁݉݌ݎ݋ܿ݁ݏݏܽ݉݁݊ݐ݋ሻ (11) A Figura 27 apresenta a microbacia do Arroio Cambaí no dia da medição. Figura 27. Arroio Cambaí no dia da medição. Fonte: LABii, 2019. 115 5 DISCUSSÃO Os resultados obtidos pelo processamento do modelo digital de elevação SRTM, com resolução de 30 m, por meio dos algoritmos programados na extensão QSWAT+ do QGIS, qualifica uma rede de drenagem bastante detalhada (Figura 19), na qual aparecem os canais principais do arroio Cambaí, e seus tributários de diferentes ordens, de forma clara e definida. Estes tributários e canais menores traçados pelo algoritmo são concordantes com a geografia observada nas imagens de alta resolução do Google Earth (earth.google.com). Da mesma forma, as sub-bacias geradas a partir do algoritmo contido no QSWAT+ oferecem uma estrutura logicamente convincente e adequada, também concordante com a visão geográfica da região realizada em alta resolução. A possibilidade de incluir o tipo de solo e o uso do solo por meio de mapas em formato raster, permite a possibilidade de definir regiões de características uniformes, que possam, dessa forma, ter parâmetros de calibração únicos dentro do modelo. A bacia do Cambaí claramente se caracteriza por um uso do solo para finalidades agrícolas (Figura 21), intensivo, principalmente baseado na lavoura de arroz e em atividades pecuárias, geralmente integradas; uma pequena porcentagem da bacia está dedicada a instalações urbanas e industriais, o que é concordante com o observado em Bariani (2016). O mapa pedológico (Figura 22) configura o 116 predomínio de solos de origem sedimentar, luvissolos, de várzea, com alta porcentagem de argila e silte, concordante com informações obtidas em laboratório para solos da região. Estes solos são especialmente favoráveis para a cultura de arroz irrigado, típica da região. As regiões urbanas observam-se que ocupam solos tipo chernossolo e afloramentos rochosos, nas regiões mais altas. Os mapas de uso e tipo de solos já seriam suficientes para a caracterização de Unidades de Resposta Hídrica (HRU), porém, o QSWAT+ oferece a possibilidade de diferenciar entre as regiões mais altas e as mais baixas, o que faz sentido para a região estudada, onde é comum, dentro da atividade agrícola, falar de várzea ou coxilha. Na Figura 23 temos o resultado dessa subdivisão, na qual o algoritmo do QSWAT+ diferencia as regiões a partir de um limiar de declividade. Observa-se que as delimitações (cor laranja) que incluem a maior parte do canal de drenagem representam as zonas baixas (várzea) e as que não possuem canal ou só um pequeno comprimento do mesmo constitui as partes altas (coxilha). Estes resultados são coerentes com a estrutura de talhões agrícolas observada nas imagens de alta resolução do Google Earth. O mapa de nascentes, cabeceiras de drenagem e pontos de confluência (Figura 24), percebe-se que é de grande importância para o monitoramento ambiental na bacia, pois apresenta os pontos recomendados para avaliação ambiental em diferentes níveis hidrológicos. Medições de vazão podem ser 123 FLORENZANO, T. G. Imagens de satélite para estudos ambientais. São Paulo: Oficina de Textos, 2002. JENSEN, J. R. Sensoriamento Remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos naturais. São José dos Campos, SP: Parêntese, 2011. LELIS, T. A.; CALIJURI, M. L.; FONSECA, S.; LIMA, D. C. de; ROCHA, E. de O. Análise de sensibilidade e calibração do modelo SWAT aplicado em Bacia Hidrográfica da região sudeste do Brasil. R. Bras. Ci. Solo, 36:623-634, 2012. LIMA, Silva; LIMA, Thales Ernildo de; SOUZA, Célia Alves de; SILVA, José Lourenço Alves da. Caracterização ambiental: geologia, geomorfologia e solo no baixo curso na bacia do rio cabaçal em curvelândia mato grosso. Instituto de Geociências, Unicamp. Campinas, SP. 2017. MITSUYA, R. T.; SCHULER, A. E.; PRADO, R. B.; TURETTA, A. P. D.; DONAGEMMA, G. K. Delimitação de unidades de resposta hidrológica da bacia do córrego pito aceso, bom jardim. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Mestranda, Rio de Janeiro – RJ, 2016. 124 MUNARETO, J. D. et al. Propriedades físicas do solo e produtividade de arroz irrigado por inundação no sistema plantio direto. Pesq. agropec. bras., Brasília, v. 45, n. 12, p. 1499-1506, dez. 2010. NEITSCH, S.L., ARNOLD J.G., J.R. KINIRY, WILLIAMS, J.R. Soil & Water Assessment Tool SWAT - Documentação Teórica 2009. Instituto de Recursos Hídricos do Texas - Relatório técnico No. 406 Texas. 2009. PORTO, M. F. A.; PORTO, R. L. L. Gestão de bacias hidrográficas. Estudos avançados. ISSN 0103-4014. On-line version ISSN 1806-9592 Estud. av. vol.22 no.63 São Paulo, 2008. ROCHA, J.S.M. da. Manual de manejo integrado de bacias hidrográficas. Santa Maria: Imprensa Universitária, 1997. 423 p. ROSA, R. 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Porto Alegre: UFRGS/ABRH, 2009. 126 CAPÍTULO 04 - ASPECTOS PRÁTICOS E CONCEITUAIS DO MODELO SWAT+ EM MICROBACIA DO OLARIA E CAMBAÍ NO MUNICÍPIO DE ITAQUI/RS Jorge Maycon de Almeida Costa Nelson Mario Victoria Bariani Cassiane Jrayj de Melo 1 INTRODUÇÃO O aumento dos padrões de vida do homem, o crescimento populacional e o manejo inadequado dos recursos naturais, entre outros fatores, estão agravando os problemas relacionados ao abastecimento local, regional e nacional de água, utilizando principalmente para fins como a irrigação, produção de energia, industriais, domésticos e meio ambiente (ABBASPOUR, et al., 2015). Segundo Montenegro et al. (2014) o conhecimento das variáveis hidrológicas representa um aspecto importante para o manejo dos recursos hídricos. A necessidade de se compreender o funcionamento do comportamento hídrico de uma bacia hidrográfica, e os processos que controlam tanto o movimento da água quanto os impactos de mudanças do uso do solo sobre a quantidade e qualidade da água, fizeram surgir diversos estudos no âmbito da modelagem hidrológica, a qual aplicada ao gerenciamento hídrico 127 (MARINHO FILHO et al., 2012). Uma vez implementada para a bacia sob estudo, a modelagem torna-se uma importante ferramenta de análise e representação simplificada do ciclo hidrológico (FAN; RAMOS; COLLISCHONN, 2015). No Brasil, por apresentar proporções continentais, é necessário analisar cenários com uma grande variabilidade climática entre as diferentes regiões. Existe uma ocorrência de diferentes biomas e situações particulares, logo há uma maior necessidade de ferramentas no auxílio à tomada de decisões, no que se refere ao manejo dos recursos naturais (BRESSIANI et al., 2015).Entre vários programas, o Soil and Water Assessment Tool (SWAT) é um modelo que estuda os processos físicos da bacia, desenvolvido para simular o impacto da mudança do uso do solo em bacias hidrográficas de diferentes escalas (ARNOLD et al., 2012). Para Blainski (2017) uma das facilidades para sua utilização é a interface acoplável aos principais softwares de geoprocessamento, o que possibilita a integração de bancos de dados, a elaboração e edição de cenários climatológicos e de uso das terras, e a análise e representação espacial das variáveis simuladas. No entanto, vale ressaltar que o SWAT é composto por um conjunto de equações que representam de forma simplificada o movimento da água, sedimentos e nutrientes em um sistema natural, razão pela qual deve ser calibrado e validado a partir de dados observados (Blainski 2017). 128 Visando estes acontecimentos climáticos, então surge a necessidade de aplicar de aplicar o modelo hidrológico em microbacias do município de Itaqui/RS, com o propósito de entender o processo hídrico da região. 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo geral i) Trabalhar na aplicação de conceitos, algoritmos e software auxiliares do modelo SWAT+ em microbacias hidrográficas regionais. ii) Contribuir no entendimento e preparação da estrutura de dados de entrada necessária para utilização do programa SWAT+. 2.2 Objetivo específico i) Conhecer a estrutura de variáveis, banco de dados e arquivos utilizada pelo modelo para um novo projeto. ii) Conhecer e manipular os dados geográficos espaciais de entrada do modelo e a ferramenta de edição vetorial para o caso das microbacias do Cambaí e Olaria em Itaqui/RS. iii) Utilizar dados climáticos de entrada e as equações teóricas de cálculo do escoamento superficial no modelo SWAT+ para obter e interpretar resultados iniciais nas bacias estudadas. 129 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 Modelo Hidrológico SWAT + O modelo SWAT incorpora características de vários modelos e tem origem no modelo SWRRB (Simulador para Recursos Hídricos de Bacias Rurais) (ARNALD et al., 1990). Desde a criação do modelo SWAT, no início da década de 90, a ferramenta tem passado por inspeções contínuas e expansão de suas capacidades. O modelo hidrológico de Avaliação de Solo e Água (SWAT) tornou-se amplamente utilizada em todo o mundo. O grande número de aplicativos em todo o mundo também revelou limitações e identificou necessidades de desenvolvimento de modelos. Para enfrentar os desafios presentes e futuros na modelagem de recursos hídricos, o código SWAT passou por grandes modificações nos últimos anos, resultando no SWAT+, uma versão completamente revisada do modelo. Segundo o site do modelo hidrológico, a ferramenta SWAT+ foi atualizada e lançada em 05 de julho de 2019, embora os algoritmos básicos usados para calcular os processos no modelo não tenham sido alterados, a estrutura e a organização do código e dos arquivos de entrada sofreram uma modificação considerável. Espera-se que isso facilite a manutenção do modelo, futuras modificações de código e promova a colaboração com outros pesquisadores para integrar novas ciências nos módulos SWAT. O SWAT+ fornece uma representação espacial mais flexível das interações e processos dentro de 130 uma bacia hidrográfica. Para obter o resultado esperado, surge a necessidade de serem inseridos os dados de entrada no modelo hidrológico. Segundo Da Silva (2013) os dados de entrada no SWAT podem ser divididos em três grupos. O primeiro grupo de dados são as características físicas da bacia hidrográfica ( mapa de vegetação, tipo de solo e Modelo Digital de Elevação (MDE), o segundo grupo são os forçantes meteorológicos (precipitação, temperatura máxima e temperatura mínima do ar, umidade relativa, velocidade do vento e irradiância solar global incidente em superfície) e o terceiro são os dados de vazão a jusantes dos reservatórios (neste caso para a bacia do rio Piracicaba devido ao Sistema Cantareira). O ciclo hidrológico, conforme simulado pelo SWAT, baseia-se na equação de equilíbrio hídrico. As variáveis da equação são representadas como: - Quantidade de água no solo da camada da zona radicular simulada no tempo t (mm); SW0 - Quantidade inicial de água no solo no dia i (mm); t - Duração do ciclo hidrológico simulado (dias); Rday - Quantidade de água precipitada no dia i (mm); Qsurf - Quantidade de escoamento superficial no dia i (mm); 131 Ea - Quantidade de água evapotranspirada no dia i (mm); Wseep - Quantidade de água que percola da camada simulada para a camada inferior, no dia i (mm); Qgw - Quantidade de água que retorna ao curso d’água no dia i devido ao escoamento sub-superficial (mm). Esta fórmula busca a quantidade final de água no solo, para consegui-lá surge a necessidades de sabermos o da quantidade inicial de água no solo, e somada por uma equação que é elevada por o tempo. Esta Equação citada anteriormente, encontra-se a precipitação, escoamento superficial, evapotranspiração, quantidade de água que percola da camada e a quantidade de água que retorna ao curso d’água, na qual, são subtraídas entre elas na equação. 3.2 Clima regional, estações fluviométricas e pluviométricas As microbacias do Olaria e Cambaí encontra-se localizado na latitude 29°07’31” sul e longitude 56°33’11” oeste, na fronteira oeste do estado do Rio Grande do Sul, situado em Itaqui/RS, na fronteira com Argentina, na qual, é separado pelo rio Uruguai. Segundo Bariani et al. (2013) a região é influenciada pelas características da bacia do rio Uruguai e pela forte presença da lavoura orizícola, assim como da pecuária e da criação de suínos em granjas tecnificadas. Uma das características marcantes do município é o alto nível alagamentos, que registram altos níveis de chuva. 132 Os dados climáticos, como precipitação diária, temperatura do ar, radiação solar, velocidade do vento e umidade do ar, são requeridos como dados de entrada pelo SWAT, esses dados podem ser os monitorados no local, e também para a geração de dados climáticos são necessários dados estatísticos com representatividade climática das bacias, portanto, no manual (ARNOLD et. al., 2012) é recomendado estatísticas de monitoramento de pelo menos 20 anos. 3.3 Características da bacia As bacias hidrográficas são caracterizadas por áreas geograficamente delimitadas que drenam as suas águas para um mesmo curso d’água, que possui solo, fauna e flora essenciais para manter a sua vitalidade, onde, por vezes, estão inseridas atividades antrópicas que as impacta (SIQUEIRA et al. 2017). Segundo Silveira (2009), as bacias hidrográficas também podem se consideradas como um sistema físico, onde a entrada é o volume de água precipitado e a saída é o volume de água escoado pelo exutório. Ainda se considera como perdas intermediárias os volumes evaporados e transpirados e também infiltrados mais profundamente nos solos. Em um evento isolado pode-se desconsiderar essas perdas e realizar a análise da transformação da chuva em vazão feita pela bacia, em que são representados o hidrograma (saída) e o hietograma (entrada). 139 conseguir o resultado da vazão de escoamento superficial motivada pela chuva anterior, o modelo SWAT+, utiliza a “Equação de Escoamento do Número SCS”, denomina um método de simular um escoamento em uma bacia hidrográfica pequena, a formula caracterizada por: (2) Ia: perdas iniciais referentes à altura de chuva (mm); Rdia: é o valor da precipitação (mm); S: é a retenção da àgua (mm). Para adquirir o valor de “S”, necessita o uso de outra fórmula: (3) CN: relacionado com a cobertura da vegetação. A fórmula e os valores atribuídos são fornecidos pelo modelo hidrológico SWAT+. O resultado é o valor do escoamento superficial, ou seja, o valor do fluxo d’água na superfície do solo. Para achar o valor do “S”(retenção da água), se faz necessário a utilização de uma fórmula complementar. O CN é relacionado com a cobertura, tipo e condição de umidade do solo, sendo ele um parâmetro adimensional e seus valores encontram-se de acordo com os padrões de infiltração do mesmo, como mostrado na Tabela 2 de valores de CN para bacias urbanas e sub-urbanas, observa-se que o valor de 140 CN é relacionado também com o grupo de solo. Tabela 2 – Valores de CN para bacias: Fonte - Tucci (1993). Essa tabela demonstra os níveis de escoamento em diferentes vegetações e até mesmo em cidades. Os valores variam de 0 a 100, quanto mais próximo de 100, significa maior escoamento e por consequência uma menor absorção de água no solo, como por exemplo: Zonas industriais com CN de 95, demonstra que os níveis de escoamento na cidade são maiores em relação a outros solos. 141 Por fim obtém-se o valor de Ia com a fórmula: Em que λ é a constante de proporcionalidade da abstração inicial relacionado à capacidade máxima de água dos solos. Comumente utilizada o valor de 0,2. O SCS utiliza os dados obtidos de diversas pequenas bacias hidrográficas em diferentes localizações geográficas dos Estados Unidos e outros países ao redor do globo, dos quais 50% dos pares de dados estavam dentro dos limites de 0,095 ≤ λ ≤ 0,38, assim adotando um valor padrão de λ =0,2 recomendado para um projeto para a taxa de abstração inicial (PONCE E HAWKINS,1996). O método SCS-CN define três tipos de condições de umidades antecedentes: I representa a umidade do solo no ponto de murcha, sendo também o menor valor assumido em condições secas; II representação da umidade média no solo e III representa a umidade do solo na sua capacidade de campo. (5) Em que CN1 é o número de curva da condição de umidade I, CN2 é o número de curva da condição de umidade II, propostos pelos valores de CN da Tabela 1 e CN3 é o número de curva da condição de umidade III (NEITSCH et al., 2011). 142 Segundo Sartori (2005) a metodologia do SCS-CN reúne os solos dos Estados Unidos em quatro grandes grupos, relacionando sua capacidade de infiltração e transmissão de escoamento, desta forma é atribuído uma letra, A, B, C e D, as quais representam o acréscimo do escoamento superficial e consequentemente a diminuição da taxa de infiltração de um grupo para outro. As avaliações realizadas mediantes as classificações dos solos estado unidenses podem ser aplicadas também a solos de diferentes localidades do mundo, por meio de análises texturais do mesmo. Gonçalves (2007) determina que os valores do CN retratam as condições do solo, variando desde a cobertura muito permeável (limite inferior = 0) até uma cobertura completamente impermeável (limite superior, valor = 100). As características dos grupos hidrológicos do solo, apresentadas pelo SCS, são (SARTORI, 2005): Grupo A: Solos de baixo potencial de escoamento e alta taxa de infiltração uniforme de escoamento e alta taxa de infiltração uniforme quando completamente molhados, consistindo principalmente de areia ou cascalho, ambos profundos e excessivamente drenados. Índice mínimo de infiltração: >7,62mm٠h-1. Grupo B: Solos com taxa moderada de infiltração quando completamente molhados, consistindo principalmente de solos moderadamente profundos a profundos, moderadamente a bem drenados, com textura moderadamente fina a grossa. Índice mínimo de infiltração: 3,81 – 7,62 mm٠h-1. 143 Grupo C: Solos com baixa taxa de infiltração quando completamente molhados, principalmente com camadas que dificultam o movimento da água através das camadas superiores para as inferiores, ou com textura moderadamente fina e baixa taxa de infiltração. Índice mínimo de infiltração: 1,27 – 3,81mm٠h-1. Grupo D: Alto potencial de escoamento, os solos possuem taxa de infiltração baixa, quando completamente molhados, caracterizados por solos argilosos com alto potencial de expansão. Contém nesse grupo solos com grande permanência de lençol freático elevado, solos com argila dura ou camadas de argila próxima da superfície e solos expansivos agindo como materiais impermeabilizantes próximos da superfície. Índice mínimo de infiltração: < 1,27 mm٠h-1. 3.6 Ferramentas para desenho da rede de drenagem As aplicações do geoprocessamento são inúmeras e envolvem diversas áreas: geologia, engenharia, meteorologia, saúde, biologia, geografia, análises de recursos naturais, entre outras. Segundo Marcelino (2007), através do geoprocessamento pode-se gerar dados e informações para o estudo de fenômenos geográficos, como os desastres naturais. Tais desastres são desencadeados por processos complexos que envolvem um grande número de variáveis geofísicas (relevo, vegetação, rios, precipitação, etc.) e humanas (população, ocupação do solo, pobreza, atividades econômicas, 144 educação, etc.). Consequentemente, os planos preventivos envolvem uma grande quantidade de dados que precisam ser coletados, organizados, armazenados e analisados para serem transformados em informações passíveis de serem aplicadas no processo de prevenção. Assim como outros modelos (TOPMODEL, SHE, SMoRMod, WEPP etc), o SWAT permite a integração com sistemas de informações geográficas (SIG’s). Neste contexto, foi desenvolvida a interface SWAT que funciona como uma extensão do SIG ArcGIS e permite a utilização de suas ferramentas de geoprocessamento como suporte às etapas de modelagem, além de facilitar tornando mais intuitiva a alimentação com os dados de entrada do modelo (JUNIOR, 2014). Conforme Barbosa et al. (2012) um Sistema de Informações Geográficas (SIG) consiste em um conjunto de ferramentas computacionais utilizadas no geoprocessamento. Os SIGs envolvem desde a coleta e processamento de dados obtidos em levantamentos de campo, mapas, sensoriamento remoto ou aerofotogrametria, até o armazenamento, atualização e recuperação desses dados de forma eficiente. Os dados utilizados no SIG podem ser: gráficos/espaciais – descrevem características geográficas da superfície – ou não espaciais – descrevem os atributos dessas características. 145 4 METODOLOGIA 4.1 Instalação do SWAT+, QGIS E QSWAT Para realizar o presente projeto, se faz necessário o uso de manuais de ajuda e a instalação do programa SWAT+. Os manuais estão presentes no site da empresa, estão em inglês, na qual está fornecido o modo correto de instalação e operação. Existe um programa que serve de complemento para o SWAT+, denominado Qgis. O Qgis desenvolve mapas, na qual, pode ser: relevo, delimitação de área, entre outros. Não é obrigatório a sua instalação, apenas encontra-se no site, pois há um plugin (interface) com o SWAT+, essa interface é denominada QSWAT, pois tem como princípio a utilização do mapa com a delimitação da bacia hidrográfica e seus canais primários e secundários. A ferramenta SWAT+, foi atualizada e lançada em 05 de julho de 2019, revisada e fácil compreensão em comparação com a versão anterior. Para a instalação é necessário a instalação de seus componentes, que aparecerão na tela, e depois já estará disponível para ser executado. 4.2 Obtenção de DEM a partir de dados SRTM Os dados SRTM apresentam aplicabilidade no planejamento e gestão ambiental, assim como em projetos de manejo de bacias hidrográficas, zoneamentos ecológicos, programas de conservação de florestas e do solo, dentre outros (ANDRADES FILHO et al., 2011). 146 O Modelo Digital de Elevação (DEM), foi obtido pela ferramenta Google Earth Engine, através LABii ( Laboratório Interdisciplinar) da Universidade Federal do Pampa – UNIPAMPA / Itaqui/RS. Figura 2 – Modelo Digital de Elevaçao das bacias Fonte – LABii Interdisciplinar da Unipampa 4.3 Criação de dados de entrada geográficos do SWAT a partir do QSWAT Obtenção de canais e sub-bacias com o QSWAT Segundo Santos (2004) tem-se que a bacia hidrográfica é uma área ocupada por um canal principal e seus canais secundários, cujos limites constituem os interflúvios, que topograficamente delimitam outras bacias hidrográfica. No modelo hidrológico SWAT+, a denominação de Stream e Channel, 147 representam canal principal e secundário, respectivamente. Para conseguir o mapa da rede de drenagem, se faz necessário o uso de uma ferramenta de drenagem, na qual, foi utilizado o Qgis 3.4. Assim que foi aberto a ferramenta de desenho, foi carregado o DEM, com o mapa das bacias, e depois, se faz necessário configurar o Stream e Channel. A configuração denomina em alterar a área para hectares e alterar cells (células) de 8.91 para 9.00 pixels e Channel de 89.28 para 90.00 pixels. Esse aumento corresponde a um arredondamento para o número inteiro posterior, para facilitar o resultado e cada pixels corresponde a 1 (um) hectare e os valores de threshold carregam automaticamente, como é demonstrado a seguir: 148 Figura 3 – Obtenção de Canais Fonte – Autoria própria