Improvements in SWAT model for regions with a monsoon climate, high population density, and water scarcity : a case study in the Federal District of Brazil

Abstract

A gestão dos recursos hídricos torna-se cada vez mais difícil e necessária, haja vista o cenário de indícios de mudanças/variações climáticas que tem ocorrido no Mundo e no Brasil, somado aos fenômenos de expansão demográfica e ocupação desordenada em áreas metropolitanas que acabam gerando conflitos por esses recursos e alterações em seu ciclo natural. O cenário de escassez hídrica no Brasil tornou-se mais comum na vida de muitos brasileiros, principalmente em grandes cidades como São Paulo e Fortaleza, e, mais recentemente, em Brasília, uma cidade planejada com pouco mais de 60 anos de fundação. Localizada no Centro-Oeste brasileiro, com sazonalidade climática bem definida, secas prolongadas e chuvas concentradas, a Capital brasileira vive diante desse cenário, despontando entre os anos de 2016 e 2018 para uma situação de estresse hídrico, que conduziu a várias ações como racionamento semanal e obras emergenciais para captação em novas fontes. Nesse sentido, tanto uma compreensão ampliada dos fenômenos hidrológicos, como também uma política de planejamento no uso desses recursos que permita a inclusão de análises hidrológicas mais representativas é de grande urgência. Diante desse quadro, urge a necessidade do desenvolvimento de sistemas/modelos que permitam ao tomador de decisões uma análise mais consistente da disponibilidade hídrica frente à atual e às futuras demandas, com o objetivo de fazer planejamentos exequíveis e sustentáveis. Este estudo pretendeu desenvolver melhorias no SWAT (Soil and Water Assessment Tool), um modelo hidrológico amplamente consagrado na literatura, a fim de que trouxesse melhores resultados nas aplicações de gestão de recursos hídricos em regiões de monções. As melhorias foram implementadas junto com o programa de calibração de modelos, SWAT CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Program). Para tanto, o presente trabalho foi desenvolvido em quatro fases. A primeira verificou que, para a região e período estudados, não havia evidências significativas de tendência de redução ou aumento das chuvas, principalmente nas áreas de abastecimento humano. Foram analisados 21 pluviômetros, anualmente e em períodos hidrológicos (DJF, MAM, JJA e SON), por meio de quatro testes estatísticos: Mann-Kendall (MK), Cox- Stuart (CS), Spearman (SP) e Wald- Wolfowitz (WW). Os resultados gerais indicam que a percentagem de medidores / períodos apresentando tendências pelo MK foi de 10,48%, CS 9,52%, SP 12,38 e WW 8,57%. Além disso, apenas uma estação apresentou tendência de redução das chuvas no período DJF, e não está em uma região voltada para o abastecimento humano. Os demais pluviômetros que apresentaram tendência decrescente, apresentaram-no para o período JJA, que apresenta valores de chuva insignificantes para gestão hídrica. A segunda fase adaptou o módulo de gestão de reservatórios do SWAT à realidade de regiões que apresentam grande variabilidade no consumo humano. Isso é relevante, pois o SWAT aceita apenas o consumo médio mensal histórico de água. O modelo modificado obteve NSE de 0,71 para volume do reservatório em contraste com o uso do modelo padrão que obteve NSE de - 0,18, aplicado na bacia de Santa Maria. A terceira determinou a melhor fonte de dados de precipitação, bem como o padrão de distribuição para geração de dados hidrológicos para uso no SWAT. Foram utilizados dois pluviômetros (em três abordagens: em conjunto, apenas um e usando a média aritmética de ambos), buscando a melhor composição para a modelagem. Também foram verificados dois produtos de estimativa que combinam dados de satélite e estações terrestres, CHIRPS e MSWEP. CHIRPS, MSWEP e a média aritmética das duas estações obtiveram um desempenho “satisfatório” com base em NSE, R2 e PBIAS durante a etapa de calibração. No entanto, para a etapa de validação, apenas o CHIRPS obteve um resultado “satisfatório” para as três funções objetivo. Os outros dois métodos falharam em relação ao R2. As estações, tanto juntas quanto isoladas, não apresentaram resultados satisfatórios com o R2 na calibração e apresentam baixo desempenho na validação. A quarta etapa fez duas adaptações no código-fonte do SWAT, alterando o método de cálculo do escoamento de base, além de incorporar a possibilidade de calibrar as abstrações iniciais para estimar o escoamento superficial, utilizando o modelo SCS- CN. O modelo acoplado com essas duas modificações demonstrou melhor desempenho na previsão de vazão para uma bacia hidrográfica de monção coberta por vegetação de cerrado. As Modificações permitiram uma representação mais realista e precisa dos processos físicos presentes na bacia do Rodeador. Embora tanto o modelo de fluxo de base, quanto aquele que permite a calibração das abstrações iniciais, individualmente, tenham mostrado benefícios para a bacia estudada, o modelo combinado apresentou melhores resultados. A título de comparação, o modelo contendo as duas modificações apresentou NSE de 0,66 para as duas etapas de análise (calibração e validação), enquanto o modelo padrão apresentou 0,59 e 0,57, respectivamente. Com relação ao índice de verificação das simulações realizadas, o fator p, o modelo combinado obteve 0,93 e 0,85, enquanto o modelo padrão registrou 0,39 e 0,34, tanto para as etapas de calibração quanto para verificação, respectivamente. Em última análise, a tese também apresenta, uma proposta de sistema de gestão de recursos hídricos focado na otimização dos recursos hídricos, auxiliado pelas mudanças desenvolvidas no modelo hidrológico SWAT, para regiões com a sazonalidade climática acima mencionada. O sistema segue um fluxo de trabalho em que o usuário é responsável por inserir principalmente dados climáticos, consumo de água e uso / cobertura do solo, que convergem para disponibilizar os resultados em um painel. Através da integração destes dados, bem como as melhorias desenvolvidas no SWAT, este projeto também visa apresentar uma proposta de um sistema eficaz de gestão dos recursos hídricos, permitindo a criação de possíveis cenários e desenvolvimentos futuros, tanto de natureza hidrológica, considerando possíveis longos períodos de escassez, bem como fatores sociais, como o crescimento populacional e / ou mudança de hábitos de consumo.