Identifying sediment critical source areas in subtropical Brazil using SWAT model
Ano de defesa: | 2020 |
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
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Engenharia Civil
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Área do conhecimento CNPq: | |
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Resumo: | A agricultura sem o uso de práticas conservacionistas tem causado intensa degradação do solo e da água. Como resultado, aumenta a erosão e a produção de sedimentos, o que, por sua vez, aumenta a carga de agroquímicos e fertilizantes que contribuem para a eutrofização dos rios e assoreamento dos canais. Além do impacto sobre os recursos hídricos, a erosão diminui a capacidade produtiva do solo, impactando a própria agricultura em um ciclo vicioso. Identificar áreas onde a poluição difusa se origina é complexo, caro e demorado, exigindo técnicas, especialmente quando aplicadas em grandes bacias hidrográficas. Nesse sentido, o objetivo deste estudo é verificar a capacidade do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) em identificar as áreas críticas de produção de sedimentos, fornecendo informações para mitigar o problema. A área de estudo foi a bacia do rio Guaporé (2.030 km²), no Rio Grande do Sul, Brasil. A bacia do rio Guaporé é caracterizada por elevações que variam de 136 a 847 m, com clima subtropical e precipitação média anual de 1.800 mm, bem distribuídas ao longo do ano. O uso do solo consiste em áreas com vegetação nativa de floresta mista e pastagens. Áreas agrícolas cultivadas em encostas leves contam com (Glycine max) e milho (Zea mays) no verão e trigo (Triticum aestivum) no inverno, em sistema de plantio direto; enquanto as áreas mais inclinadas são cultivadas com tabaco (Nicotiana tabacum). Os parâmetros que caracterizam a vegetação (florestas e culturas agrícolas) no SWAT, bem como as propriedades físicas do solo da bacia, foram modificados para representar corretamente as condições das bacias subtropicais brasileiras. A vazão foi calibrada no período de 2009 a 2011 e validada em 2012 a 2014, usando um período de warmup de 5 anos. Para sedimentos, o período de calibração foi de 2011 a 2013, utilizando dados de 2014 para validação. O coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o Percent Bias (PBIAS) foram usados como função objetivo usando o algoritmo SUFI-2. A calibração e a validação foram realizadas em escala de tempo diária e resultaram em coeficientes NS 0,71 e 0,73 para vazão e 0,54 e 0,50 para produção de sedimentos, respectivamente. A produção total de sedimentos estimada na saída da bacia foi de aproximadamente 2,4 ton ha-1 y-1, sendo o cultivo do tabaco (e suas rotações de cultura) responsável pela maior contribuição para a produção de sedimentos (~ 77,2% méd.), seguido pela soja e solo exposto (~ 12,2%) e milho e soja (~ 6,2%), em concordância com os resultados das técnicas convencionais de identificação de sedimentos anteriormente aplicadas na bacia. Os resultados demonstram a eficiência da modelagem SWAT na identificação adequada de áreas críticas de produção de sedimentos. |
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2021-10-27T12:02:25Z2021-10-27T12:02:25Z2020-10-29http://repositorio.ufsm.br/handle/1/22629A agricultura sem o uso de práticas conservacionistas tem causado intensa degradação do solo e da água. Como resultado, aumenta a erosão e a produção de sedimentos, o que, por sua vez, aumenta a carga de agroquímicos e fertilizantes que contribuem para a eutrofização dos rios e assoreamento dos canais. Além do impacto sobre os recursos hídricos, a erosão diminui a capacidade produtiva do solo, impactando a própria agricultura em um ciclo vicioso. Identificar áreas onde a poluição difusa se origina é complexo, caro e demorado, exigindo técnicas, especialmente quando aplicadas em grandes bacias hidrográficas. Nesse sentido, o objetivo deste estudo é verificar a capacidade do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) em identificar as áreas críticas de produção de sedimentos, fornecendo informações para mitigar o problema. A área de estudo foi a bacia do rio Guaporé (2.030 km²), no Rio Grande do Sul, Brasil. A bacia do rio Guaporé é caracterizada por elevações que variam de 136 a 847 m, com clima subtropical e precipitação média anual de 1.800 mm, bem distribuídas ao longo do ano. O uso do solo consiste em áreas com vegetação nativa de floresta mista e pastagens. Áreas agrícolas cultivadas em encostas leves contam com (Glycine max) e milho (Zea mays) no verão e trigo (Triticum aestivum) no inverno, em sistema de plantio direto; enquanto as áreas mais inclinadas são cultivadas com tabaco (Nicotiana tabacum). Os parâmetros que caracterizam a vegetação (florestas e culturas agrícolas) no SWAT, bem como as propriedades físicas do solo da bacia, foram modificados para representar corretamente as condições das bacias subtropicais brasileiras. A vazão foi calibrada no período de 2009 a 2011 e validada em 2012 a 2014, usando um período de warmup de 5 anos. Para sedimentos, o período de calibração foi de 2011 a 2013, utilizando dados de 2014 para validação. O coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o Percent Bias (PBIAS) foram usados como função objetivo usando o algoritmo SUFI-2. A calibração e a validação foram realizadas em escala de tempo diária e resultaram em coeficientes NS 0,71 e 0,73 para vazão e 0,54 e 0,50 para produção de sedimentos, respectivamente. A produção total de sedimentos estimada na saída da bacia foi de aproximadamente 2,4 ton ha-1 y-1, sendo o cultivo do tabaco (e suas rotações de cultura) responsável pela maior contribuição para a produção de sedimentos (~ 77,2% méd.), seguido pela soja e solo exposto (~ 12,2%) e milho e soja (~ 6,2%), em concordância com os resultados das técnicas convencionais de identificação de sedimentos anteriormente aplicadas na bacia. Os resultados demonstram a eficiência da modelagem SWAT na identificação adequada de áreas críticas de produção de sedimentos.Agriculture without the use of conservation practices has caused intense soil and water degradation. As a result, erosion and sediment production increase, which, in turn, increases the load of agrochemicals and fertilizers that contribute to river eutrophication and siltation of canals. In addition to the impact on water resources, erosion decreases the productive capacity of the soil, impacting agriculture itself in a vicious cycle. Identifying areas where diffuse pollution originates is complex, costly and time consuming, requiring specific screening techniques, especially when applied to large watersheds. In this sense, the objective of this study is to evaluate the ability of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model in identifying the critical areas of sediment production, providing information to mitigate the problem. The study area was the Guaporé river basin (2,031 km²), in Rio Grande do Sul, the southernmost Brazilian State. The Guaporé River basin is characterized by elevations ranging from 136 to 847 m, with subtropical climate and annual average rainfall of 1,800 mm, evenly distributed throughout the year. Land use consists of areas with native vegetation of mixed forest and grasslands and agricultural areas cultivated in the gentle hillslopes with soybean (Glycine max) and maize (Zea mays) in the summer and wheat (Triticum aestivum) in winter under the no-tillage system; while steep areas are cultivated with tobacco (Nicotiana tabacum). The parameters that characterize the vegetation (forests and agricultural crops) in SWAT, as well as the physical properties of the basin soil, were modified to correctly represent the conditions of the Brazilian subtropical basins. Flow was calibrated in the period 2009 - 2011 and validated in 2012 - 2014, using a 5- year warm-up period. For sediment, the calibration period was from 2011 to 2013, using 2014 data for validation. The Nash-Sutcliffe (NS) coefficient and the Percent Bias (PBIAS) were used as objective function using the SUFI-2 algorithm. Calibration and validation were performed at daily time scale and resulted in a coefficient of NS 0.71 and 0.73 for flow and 0.54 and 0.50 for sediment yield, respectively. The total sediment yield estimated at the basin outlet was approximately 2.4 ton ha-1 y-1, being the tobacco cultivation responsible for the largest contribution to sediment yield (~ 77.2% avg.), followed by soybean and bare soil (~ 12.2%) and corn and soybean (~ 6.2%), in agreement with results by conventional sediment tracing techniques previously applied in the basin. Results demonstrates the efficiency of SWAT modeling in the proper identification of critical areas of sediment yield.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESengUniversidade Federal de Santa MariaCentro de TecnologiaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilUFSMBrasilEngenharia CivilAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessErosão do soloProdução de sedimentosÁreas críticas de produção de sedimentosModelo SWATSoil erosionSediment yieldSediment critical source areasSWAT modelCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVILIdentifying sediment critical source areas in subtropical Brazil using SWAT modelIdentificação de áreas críticas de produção de sedimentos utilizando o modelo SWATinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisPiccilli, Daniel Gustavo Allasiahttp://lattes.cnpq.br/3858010328968944Kalin, LatifTiecher, TalesRodrigues, Miriam Fernandahttp://lattes.cnpq.br/1804918957172259Wilhelm, João Pedro Roos3001000000036006006006001c2baa5d-393c-455f-a5e2-fb47cd900c302859048e-ea5e-4ddc-9031-1ff07eba21b41013b9b1-4990-4b14-a7f8-f22d8bf6dd58b9ed8e42-5780-455a-9b0f-601a8c271b503ac103d1-2aca-45ad-ba2c-954ddffcf61ereponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSMORIGINALDIS_PPGEC_2020_WILHELM_JOAO.pdfDIS_PPGEC_2020_WILHELM_JOAO.pdfDissertaçãoapplication/pdf6155753http://repositorio.ufsm.br/bitstream/1/22629/1/DIS_PPGEC_2020_WILHELM_JOAO.pdf1f172dd410de4419454c2afa82135e42MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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