THIAGO ALVES ANTUNES MODELAGEM HIDROLÓGICA DA BACIA HIDROGRÁFICA DO ALTO CANOAS ATRAVÉS DO MODELO SWAT Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Florestal, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal, da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Florestal. Orientador: Sílvio Luís Rafaeli Neto LAGES, SC 2015 A636m Antunes, Thiago Alves Modelagem hidrológica da bacia hidrográfica do Alto Canoas através do modelo SWAT / Thiago Alves Antunes. – Lages, 2015. 130 p.: il. ; 21 cm Orientador: Sílvio Luís Rafaeli Neto Bibliografia: p. 123-130 Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Agroveterinárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal, Lages, 2015. 1. Recursos hídricos. 2. Escala diária. 3. Escala mensal. 4. Curva de permanência. 5. Filtro numérico. 6. Cenário. 7. Uso do solo. I. Antunes, Thiago Alves. II. Rafaeli Neto, Sílvio Luís. III. Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. IV. Título CDD: 627.12 – 20.ed. Ficha cat alográfica elaborada pela Biblioteca Setorial do CAV/ UDESC THIAGO ALVES ANTUNES MODELAGEM HIDROLÓGICA DA BACIA HIDROGRÁFICA DO ALTO CANOAS ATRAVÉS DO MODELO SWAT Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Florestal, do Programa de Pós Graduação em Engenharia Florestal, da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Florestal. Banca examinadora Orientador: (Dr. Sílvio Luís Rafaeli Neto) CAV-UDESC Membro: (Dr. Idelgardis Bertol) CAV-UDESC Membro: (Dr. Masato Kobiyama) IPH-UFRGS Lages, 20/02/2015 RESUMO ANTUNES, Thiago Alves. Modelagem hidrológica da bacia hidrográfica do Alto Canoas através do modelo SWAT. 2015. 130 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Florestal) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Engenharia Florestal, Lages, 2015. A bacia hidrográfica do Rio Canoas demanda estudos que visem à gestão de seus recursos hídricos. A modelagem hidrológica se mostra promissora como auxiliar no processo de construção de seu plano de bacia, uma vez que produz representações formais da realidade. O SWAT (Soil Water Assessment Tool) é um modelo hidrológico capaz de simular vazões a partir de um conjunto complexo de dados de entrada e de um conjunto significativo de parâmetros calibrados. No presente estudo, o modelo SWAT foi calibrado e validado em uma sub-bacia de 1973 Km² da bacia do Rio Canoas, denominada bacia do Alto Canoas. Os parâmetros foram calibrados por processo semi-automático tanto para escala diária como mensal. A qualidade da calibração e da validação foi avaliada com base nos coeficientes de Nash-Sutcliffe (NSE) e R². O modelo foi aplicado na estimativa da curva de permanência, na estimativa das vazões básicas separadas por filtro numérico e em cenários de possíveis impactos hidrológicos provocados por mudanças no uso do solo. Foram utilizados dois anos para calibração do modelo (1996-1997), sendo o ano de 1995 utilizado como período de aquecimento do modelo, e quatro anos para validação (1998- 2001). O modelo foi validado na escala diária com NSE de 0,76 e R² de 0,79. Na escala mensal, o modelo foi validado com um NSE de 0,87 e R² de 0,89. O balanço hídrico calculado pelo modelo indicou que na bacia estudada ocorre contribuição significativa do escoamento sub- superficial e básico na formação das vazões nos canais. Os parâmetros do modelo diferiram tanto na escala diária como na escala mensal, indicando haver relevâncias distintas de determinados processos hidrológicos conforme a variação da escala temporal. O modelo mostrou-se satisfatório tanto na simulação de eventos diários como mensais. Concluiu-se que o modelo calibrado pode ser utilizado tanto na análise de eventos diários como mensais, a partir de dados climatológicos. O acoplamento de modelo hidrológico com climatológico mostra-se um caminho promissor como ferramenta a ser aplicada na gestão dos recursos hídricos da bacia do Alto Canoas. Palavras Chave: Recursos hídricos; escala diária; escala mensal; curva de permanência; filtro numérico; cenário; uso do solo. ABSTRACT ANTUNES, Thiago Alves. Hydrological modeling of Alto Canoas basin through of SWAT. 2015. 130 f. Dissertation (master's degree Forest Engineering) – State University of Santa Catarina. Postgraduate Program in Forest Engineering, Lages, 2015. The Rio Canoas basin demands studies that seek the management of their hydrological resources. The hydrological modeling is promising as helper of construction process of its basin plan, because produce formal representation of reality. SWAT (Soil Water Assessment Tool) is a hydrological model able to predict runoffs by a complex group of inputs and by a significant group of calibrated parameters. In this study, SWAT was calibrated and validated in a watershed of 1973 Km² of Rio Canoas, called Alto Canoas basin. Parameters were calibrated by semiautomatic process as to daily scale as to monthly scale. The quality of the calibration and validation was evaluated by their Nash-Sutcliffe (NSE) and R² coefficients. The model was applied in the estimative of permanence curves, in the estimative of basic runoffs separated by numeric filter and in scenarios of possible hydrological impacts caused due to land use changes. It took two years to model calibration (1996- 1997), where the year 1995 was used as warm up period of the model, and four years to validation (1998-2001). The model was validated in daily scale with a NSE of 0,76 and R² of 0,79. In monthly scale, the model was validate with a NSE of 0,87 and R² of 0,89. The hydrological balance by the model indicates that in the studied basin has a significant contribution of the lateral and return flow in the formation of total runoff in the reaches. The model parameters differ as in daily scale as in monthly scale, it indicate that have different relevance of some hydrological processes according to variation of time scale. The model shows as satisfactory in the simulation of daily and monthly events. This study concludes that the calibrated model can be used as to analyze daily and monthly events, by climatological data. The attachment of hydrological model with the climatological shows as a promising way as tool to be applied in hydrological resources management of Alto Canoas basin. Keywords: Hydrological resources, daily scale, monthly scale, permanence curve, numeric filter, scenario, land use. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Fluxo da água na fase terrestre do ciclo hidrológico............................................................... 26 Figura 2 - Fases do ciclo hidrológico simuladas pelo SWAT.. 34 Figura 3 - Situação da bacia hidrográfica do Alto Canoas em relação a bacia hidrográfica do Canoas.................... 47 Figura 4 - Localização da área de estudo e seu mapa de declividades.............................................................. 48 Figura 5 - Modelo digital de elevação da área de estudo........ 50 Figura 6 - Perímetro da bacia hidrográfica do Alto Canoas definida a partir da estação fluviométrica Rio Bonito sobre o recorte do modelo digital de elevação da área de estudo....................................... 51 Figura 7 - Divisão da bacia hidrográfica do Alto Canoas em sub-bacias e seus exutórios, bem como os canais gerados pelo modelo SWAT.................................... 52 Figura 8 - Mapa de uso da terra da bacia do Alto Canoas........ 53 Figura 9 - Mapa de solos da bacia do Alto Canoas................... 55 Figura 10 - Mapa de declividade da bacia hidrográfica do Alto Canoas gerado pelo modelo SWAT......................... 57 Figura 11 - Método dos polígonos de Thiessen aplicado, estações pluviométricas e estação meteorológica da EPAGRI/CIRAM/INMET de Lages................... 60 Figura 12 - Representação pictórica do balanço hídrico médio anual da bacia hidrográfica do Alto Canoas referente ao período de 1995 a 2001........................ 71 Figura 13 - Hidrogramas diários observado e simulado com calibração automática, nos anos de 1996 e 1997..... 80 Figura 14 - Hidrogramas diários observado e simulado com calibração semi-automática, nos anos de 1996 e 1997.......................................................................... 81 Figura 15 - Hidrogramas observado e simulado dos anos de 1998 a 2001 para escala diária no período de validação.................................................................. 82 Figura 16 - Diagrama de dispersão das vazões observada e simulada na escala diária no período de 1998 a 2001, na bacia do Alto Canoas................................. 83 Figura 17 - Distribuição da demanda evaporativa do solo relacionada à profundidade...................................... 88 Figura 18 - Hidrogramas mensais observado e simulado com calibração automática, nos anos de 1996 e 1997..... 92 Figura 19 - Hidrogramas mensais observado e simulado com calibração semi-automática, nos anos de 1996 e 1997.......................................................................... 93 Figura 20 - Hidrogramas observado e simulado dos anos de 1998 a 2001 para escala mensal no período de validação.................................................................. 94 Figura 21 - Diagrama de dispersão das vazões observada e simulada na escala mensal no período de 1998 a 2001, na bacia do Alto Canoas................................. 95 Figura 22 - Sensibilidade dos parâmetros físicos do modelo calibrados semi-automaticamente na escala diária.. 96 Figura 23 - Sensibilidade dos parâmetros físicos do modelo calibrados semi-automaticamente na escala mensal...................................................................... 99 Figura 24 - Curva de permanência observada e estimada no período de validação (1998 a 2001) na escala diária......................................................................... 101 Figura 25 - Curva de permanência observada e estimada no período de validação (1998 a 2001) na escala mensal...................................................................... 102 Figura 26 - Curva de permanência das vazões simuladas através dos diferentes cenários durante o período de validação (1998 a 2001) na escala diária............. 104 Figura 27 - Curva de permanência das vazões simuladas através dos diferentes cenários durante o período de validação (1998 a 2001) na escala mensal.......... 106 Figura 28 - Separação dos escoamentos básico e superficial pelo Filtro Numérico de Chapman no período de calibração na escala diária (1996 a 1997)................ 109 Figura 29 - Separação dos escoamentos básico e superficial pelo Filtro Numérico de Chapman no período de validação na escala diária (1998 a 2001)................. 111 Figura 30 - Diagrama de dispersão da vazão básica diária calculada a partir da vazão total observada e estimada pelo modelo SWAT no período de validação (1998-2001) para a bacia do Alto Canoas...................................................................... 112