Projeto 06/Ano II - Modelo da Bacia do São Francisco RELATÓRIO FINAL

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Projeto Seis, Ano II Modelo da Bacia do São Francisco RELATÓRIO FINAL

Modelo da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco

Elaborado em Parceria com: Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos, Distrito de Mobile E CODEVASF, Brasília, Brasil


ÍNDICE 1.0 1.1 1.2 1.3 2.0 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.0 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8 4.1.9 4.1.10 4.1.11 4.1.12 4.1.13 4.1.14 4.1.15 4.1.16 4.1.17

INTRODUÇÃO ................................................................................................... 1 Visão geral do Programa ...................................................................................... 1 Localização e Características da Bacia ................................................................ 2 Visão Geral do Projeto ......................................................................................... 3 PROPÓSITO E SELEÇÃO DO MODELO ........................................................ 4 Orçamento Sedimentar ........................................................................................ 4 Comparação de Modelos de Produção Sedimentar ............................................ 7 Capacidades Técnicas de Vários Modelos .......................................................... 8 Comparação de Custo de Vários Modelos ........................................................ 11 Facilidade de Utilização ..................................................................................... 11 Seleção de Modelos .......................................................................................... 12 O Modelo de Ferramenta de Avaliação de Solo e Água (SWAT) ..................... 13 Hidrologia na SWAT ......................................................................................... 13 Erosão, Produção e Entrega de Sedimento na Região Montanhosa na SWAT . 14 Erosão da Margem e do Canal na SWAT .......................................................... 17 Zonas Profundas de Sedimentos (Reservatórios) na SWAT ............................. 19 Capacidades Adicionais na SWAT .................................................................... 25 Estabelecer referência nas taxas de entrega de sedimentos utilizando a SWAT 26 Dados do modelo da Bacia Hidrográfica ........................................................... 28 Dados de Topografia .......................................................................................... 29 Solos................................................................................................................... 31 Uso da Terra ....................................................................................................... 34 Dados do Clima.................................................................................................. 36 Dados dos Reservatórios .................................................................................... 38 Irrigação ............................................................................................................. 42 CALIBRAÇÃO DA HIDROLOGIA ................................................................. 44 Variáveis hidrólogicas usadas na Calibração ..................................................... 44 Largura do canal Principal (CH_W2.rte) ........................................................... 45 Escoamento de base dos dias alfa (ALPHA_BF.gw) ........................................ 47 Largura do canal afluente (CH_W1.sub) ........................................................... 48 “N” de Manning do canal principal (CH_N.rte) ................................................ 48 Profundidade do canal principal do topo ao fundo da margem (CH_D.rte) ...... 49 Número de curva de escoamento superficial (CN2.mgt) ................................... 49 Condutividade Hidráulica do solo (SOL_K.sol)................................................ 51 Condutividade Hidráulica do canal Principal (CH_K2.rte) ............................... 52 Condutividade hidráulica nos afluentes da sub-bacia (CH_K1.sub) ................. 53 Declividade da inclinação média de HRU (HRU_SLP.hru) .............................. 53 Comprimento da inclinação média de HRU (SLSUBBSN.hru) ........................ 54 “n” de Manning para o fluxo terrestre (OV_N.hru) ........................................... 54 Fração de percolação do aquífero profundo (RCHRG_DP.gw) ........................ 55 Coeficiente do atraso do escoamento superficial (SURLAG.bsn)..................... 55 Profundidade da água em aquífero raso no fluxo de retorno (GWQMN.gw) ... 57 Coeficiente revap das águas subterrâneas (GW_REVAP.gw) .......................... 57 Profundidade da água no aquífero raso para revap (REVAPMN.gw) ............... 57

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4.1.18 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 4.4 5.0 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8 5.1.9 5.1.10 5.1.11 5.1.12 5.2 5.3 5.4 6.0 6.1 6.2 6.3 7.0 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 8.0 8.1 8.2

Tempo de atraso das águas subterrâneas (GW_DELAY.gw) ............................ 58 Calibração hidrológica do Medidor de Morpará ................................................ 59 Calibração específica da sub-bacia .................................................................... 64 Rio Pará - Medidor 40330000 (SWAT Bacia 74) ............................................ 66 Rio Paraopeba- Medidor 40850000 (SWAT Bacia 75) ..................................... 67 Rio das Velhas - Medidor 41818000 (SWAT Bacia 73) ................................... 68 Rio Jequitaí - Medidor 42145498 (SWAT Bacia 66) ........................................ 69 Rio Paracatu - Medidor 42980000 (SWAT Bacia 62) ....................................... 70 Rio Urucuia - Medidor 43980002 (SWAT Bacia 58) ........................................ 71 Rio Verde Grande - Medidor 44670000 (SWAT Bacia 57) .............................. 72 Rio Carinhanha - Medidor 45260000 (Bacia SWAT 49) .................................. 73 Rio Corrente – Medidor ANA 45960001 (SWAT Bacia 42) ............................ 74 Rio Grande – Medidor ANA 45965000 (SWAT Bacia 26) .............................. 75 Validação do Modelo Calibrado usando medidores/medidas do Rio São Francisco ... 76 CALIBRAÇÃO DE SEDIMENTOS ................................................................ 81 Parâmetros de Calibração .................................................................................. 81 Relação Largura-Profundidade (CH_WDR.rte) ................................................ 81 Fator de erodibilidade do Canal (CH_COV1.rte) ............................................. 82 Fator de prática de suporte da equação USLE ((USLE_P.mgt) ........................ 82 Concentração de sedimento no fluxo lateral e de águas subterrâneas (LAT_SED.hru) 83 Erodibilidade do sedimento da margem do canal (CH_BNK_KD.rte) ............. 83 Erodibilidade do sedimento do leito do canal (CH_BED_KD.rte)................... 84 Diâmetro da partícula de tamanho médio do sedimento de margem (CH_BNK_D50.rte) ...... 84 Diâmetro da partícula de tamanho médio do sedimento de leito (CH_BED_D50.rte) ............ 85 Tensão de cisalhamento crítica da margem do canal (CH_BNK_TC.rte) ......... 85 Tensão de cisalhamento crítica do leito do canal (CH_BED_TC.rte) ............... 85 Fator de erodibilidade do canal por mês (CH_ERODMO.rte) .......................... 85 Equação de Transporte de Sedimentos (CH_EQN.rte)...................................... 86 Calibração de Sedimentos para o Medidor Morpará ......................................... 87 Calibração de Sedimentos para a Foz do Rio São Francisco ............................. 91 Cargas anuais vindas de Afluentes do São Francisco ....................................... 93 HIDROLOGIA ATUAL E PROVISÃO SEDIMENTAR ................................. 95 Resultados da Hidrologia .................................................................................. 95 Provisão Sedimentar de Toda a Bacia .............................................................. 98 Distribuição da Produção de Sedimentos na Bacia Hidrográfica do São Francisco .. 110 CENÁRIOS SWAT ADICIONAIS ................................................................. 113 Condições Sedimentares Históricas ................................................................. 113 Condições Futuras da Bacia Hidrográfica ....................................................... 121 Desvio de Fluxo para a Bacia nas Nascentes ................................................... 121 Barragens Propostas ......................................................................................... 123 Conversão do Uso do Solo............................................................................... 125 Captação de Água do Sistema ......................................................................... 125 Resultados do Cenário Futuro de Uso do Solo ................................................ 127 RESUMO E CONCLUSÕES .......................................................................... 132 Resumo ............................................................................................................ 132 Conclusões: ...................................................................................................... 132

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9.0 10.0

REVISÃO ........................................................................................................ 134 REFERÊNCIAS ............................................................................................... 135

Tabelas Tabela 1: Modelos de Bacia Hidrográfica e Produção Sedimentar Considerados ............. 7 Tabela 2: Comparação das Propriedades Hidrológicas dos Modelos ................................ 9 Tabela 3: Comparação do Sedimento e outras Propriedades de Vários Modelos ............ 10 Tabela 4: Comparação do Modelo ................................................................................... 12 Tabela 5: Relação de Entrega de Sedimentos como uma Função da Área de Drenagem (SCS, 1971) ....................................................................................................................... 15 Tabela 6: Categorias GlobCover 2005 e Usos da terra Associados à SWAT .................. 34 Tabela 7: Parâmetros Físicos do Reservatório usados no Modelo da SWAT .................. 40 Tabela 8: Sedimentos e outros Parâmetros Padrão do Reservatório................................. 41 Tabela 9:Atividades de Irrigação Permitidas na Bacia do Rio São Francisco .................. 42 Tabela 10: Dimensões estimadas do canal principal, profundidades e proporções para cada trecho ........................................................................................................................ 46 Tabela 11: Condutividades Hidráulicas Estimadas de vários materiais de leito ............. 53 Tabela12: “n” de Manning para Várias Superfícies de Fluxo Terrestre ........................... 54 Tabela 13: Resumo da calibração e validação para hidrologia ......................................... 80 Tabela 14: Fatores USLE P para Diversas Aplicações Agrícolas .................................... 82 Tabela 15: Entrega de Sedimentos para o Oceano Atlântico do Modelo SWAT ............. 92 Tabela 16: Percentual de Cargas Sedimentares do Modelo em Relação aos Estudos Anteriores do medidor ANA ............................................................................................ 94 Tabela 17: Provisão Média Anual de Sedimentos Geral da Bacia Hidrográfica (20012006) 99 Tabela 18: Carga Sedimentar em Suspensão no Medidor Propriá (497050000) ............ 100 Tabela 19: Fontes Líquidas de Sedimentos e Sinks/zonas profundas............................. 105 Tabela 20: Impactos Antropogênicos na Provisão de Sedimento do São Francisco ..... 118 Tabela 21: Barragens Propostas e Parâmetros SWAT Associados ............................... 123 Tabela 22: Captações de Água Propostas (Projetos de Irrigação) .................................. 126 Tabela 23: Comparação das Condições de Provisão de Sedimentos Existentes e Futuras 131

Figuras Figura 1: Localização da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco .................................. 2 Figura 2: Componentes do Orçamento Sedimentar ........................................................... 5 Figura 3: Regime de sedimentação em reservatórios. De Sloff (1997) ........................... 20 Figura 4: Curva da Eficiência de Coleta de Sedimentos. De Brune (1953) .................... 21 Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia iii Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 5: Dados de topografia usados no modelo SWAT ................................................ 29 Figura 6: Declividade e subclassificação na SWAT ......................................................... 30 Figura 7: Mapa dos Solos da Bacia do Rio São Francisco ............................................... 32 Figura 8: Exemplos de dados de base de entrada de solo no ArcSWAT ......................... 33 Figura 9: Usos da terra utilizados pela SWAT no modelo da Bacia do Rio São Francisco 35 Figura 10: Definindo Localização da Estação Climática .................................................. 36 Figura 11: Definindo Período de Tempo da Estação Climática ....................................... 37 Figura 12: Selecionando Quais Dados Climáticos Coletar ............................................... 37 Figura 13: Selecionando Como o Dado deve ser Entregue .............................................. 38 Figura 14: Principais Barragens da Bacia do Rio São Francisco...................................... 39 Figura 15: Locais de fontes de Irrigação........................................................................... 43 Figura 16: Gerenciamento (.Mgt) Exemplos parâmetros ................................................ 50 Figura 17: Cobertura/Crescimento de Plantas incluindo Número de Curvas SCS ........... 51 Figura 18: Relações corrente-águas subterraneas ( Após Dingman, 1994) ...................... 52 Figura 19: Influência do SURLAG na Fração do trecho do rio com escoamento superficial (Runoff Reach Stream) ................................................................................ 56 Figura 20 : Medidor Morpará no Modelo SWAT (afluência da Bacia 27) ...................... 60 Figura 21: Vazão diária no medidor Morpará (2001-2006).............................................. 61 Figura 22: Calibração de Fluxo Mensal no Medido de Morpará (NSE = 0,66) ............... 62 Figura 23: Calibração de Fluxo Mensal no Medido de Morpará (NSE = 0,56) ............... 63 Figura 24: Afluentes Principais Calibrados no Modelo SWAT ....................................... 65 Figura 25: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Pará (NSE = 0,66) ................................ 66 Figura 26: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Paraopeba (NSE = 0,72) ....................... 67 Figura 27: Calibração de Fluxo Mensal no Rio das Velhas (NSE = 0,63) ...................... 68 Figura 28: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Jequitaí (NSE = 0,67) ........................... 69 Figura 29: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Paracatu (NSE = 0,61) .......................... 70 Figura 30: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Urucuia(NSE = 0,57)............................. 71 Figura 31: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Verde Grande (NSE = 0,60) .................. 72 Figura 32: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Carinhanha (NSE = 0,58) ..................... 73 Figura 33: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Corrente (NSE = 0,67).......................... 74 Figura 34: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Grande (NSE = 0,52) ............................. 75 Figura 35: Medidor ANA 40100000 (Bacia SWAT 76).NSE = 0.51 (satisfatória) ........ 76 Figura 36: medidor ANA 42210000 (SWAT Basin 60).NSE = 0.73 (bom) .................... 77 Figura 37: medidor ANA 44500000 (SWAT Basin 56).NSE = 0.75 (Muito Bom) ......... 77 Figura 38: medidor ANA 45480000 (SWAT Basin 44).NSE = 0.76 (Muito Bom) ......... 78 Figura 39: Medido ANA 46360000 (SWAT Basin 27). NSE = 0.66 (Bom) ................... 78 Figura 40: Medidor ANA 48015000 (SWAT Basin 12).NSE = 0.88 (muito bom) ......... 79 Figura 41: Medidor ANA 48590000 (SWAT Basin 4). NSE = 0.57 (Satisfatório) ......... 79 Figura 42: Teste de Jato Submerso usado para Determinar a Erodibilidade da Margem do Canal 83 Figura 43: Dados de Gradação de Margem na Amostra do Campo de Provas 906.......... 84 Figura 44 - Curva de vazão de sedimento suspenso em Morpará, Bahia ......................... 88 Figura 45: Sedimento Calibrado no medidor Morpará. PBIAS = -12.6 (Muito Bom) .... 89 Figura 46: Carga sedimentar para o Oceano Atlântico oriundas do Rio São Francisco ... 91 Figura 47: Entrega de Sedimentos para o Oceano Atlântico do Modelo SWAT ............. 92 Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia iv Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 48: Percentual de Carga Sedimentar vindas dos Principais Afluentes .................. 93 Figura 49: Comparação da Carga sedimentar do Modelo e Observada (Percentagem) ... 94 Figura 50: Provisão de Hidrologia Média Anual para a Bacia do Rio São Francisco ...... 96 Figura 51: Produção Média Anual de Água por Bacia da Bacia do Rio São Francisco ... 97 Figura 52: Processo Sedimentar de Terras Altas e Influxo para a Bacia do São Francisco 98 Figura53: Provisão Sedimentar Bruta de Fontes de Erosão para todas as Bacias .......... 102 Figura 54: Provisão Sedimentar Bruta de Zonas Profundas de Deposição (Deposition Sinks) para Todas as Bacias ............................................................................................ 103 Figura 55: Trechos Degradacionais e de Assoreamento no Rio São Francisco ............. 104 Figura56: Provisão Sedimentar líquida de Fontes de Erosão para todas as Bacias ........ 106 Figura 57: Provisão Sedimentar líquidade Zonas Profundas de Deposição (Deposition Sinks) para Todas as Bacias ............................................................................................ 107 Figura 58: Eficiência de Retensão de Cada Reservatório ............................................... 109 Figura 59: Modelo de Produção de Sedimento Típico de Condições da Estação Chuvosa 110 Figura 60: Modelo de Produção de Sedimento Típico de Condições da Estação Chuvosa 111 Figura 61: Média Anual de Produção de Sedimentos Específica da bacia .................... 112 Figura 62: Comparação entre Halfeld (1852, esquerda) e LANDSAT (1999, direita)... 114 Figura 63: Mapa Halfeld 1852 (esquerda) e Reservatório de Sobradinho Atual (direita) 115 Figura 64: Fontes Históricas de Sedimentos (Comparadas com as Condições Existentes) 116 Figura 65: Fontes Históricas de Zonas profundas de Sedimentos (sediment Sinks) (Comparadas com as Condições Existentes) .................................................................. 117 Figura 66: Erosão Costeira na Foz do São Francisco .................................................... 119 Figura 67: Farol e Praia Erodida na Foz do Rio São Francisco ...................................... 120 Figura 68: Planejamento Proposto de Recursos Hídricos CODEVASF ........................ 122 Figura 69: Reservatórios Propostos para Gerenciar Descargas de Nascentes ............... 124 Figura 70: Layout Conceitual de Projetos de Irrigação Propostos ................................. 126 Figura 71: Impactos no Escoamento Anual da Bacia do Cenário de Condições Futuras 128 Figura 72: Fontes Erosão Bruta do Cenário de Condições Futuras ............................... 129 Figura 73: Zonas Profundas de Deposição bruta do Cenário de Condições Futuras ..... 130

Apêndice A – Tutorial SWAT de modelo de bacia hidrográfica Apêndice B – Revisão QA/QC

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1.0

INTRODUÇÃO

1.1

Visão geral do Programa

A Companhia de Desenvolvimento dos Vales do São Francisco e do Parnaíba (CODEVASF) juntou-se com o Corpo de Engenheiros do Exército Americano (USACE) através de um acordo de parceria para apoiar recursos hídricos, geotécnicos e outros serviços de engenharia para o Rio São Francisco no Nordeste do Brasil. Essa parceria põe em foco os recursos do USACE para promover projetos de engenharia no Rio São Francisco, os quais contribuirão para uma melhoria na navegação nas águas rasas (definida como 2.0 metros do calado para suportar o tráfego de barcaças) do Rio São Francisco. O Modelo de Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco é o sexto projeto designado da parceria CODEVASF-USACE. Os 5 primeiros projetos consistem em: •

Projeto #1:Avaliação do Campo de Provas - Uma avaliação pós-construção de um projeto de estabilização da margem

Projeto #2: Projeto Geotubo Ilha Sambaíba - Uma análise e remodelagem de um projeto conceitual de navegação utilizando geotubos.

Projeto #3: Projeto Curralinho - Uma análise de um projeto concebido sobre estabilização da margem e uma remodelagem de um projeto de navegação

Projeto #4: Observação da Construção da Ilha de Tapera - Observação da construção e recomendações de um projeto ativo de construção de estabilização da margem

Projeto #5: Projeto de Estabilização da Margem do Cotinguiba-Pindoba - Um projeto de modelo para estabilização da margem

A parceria CODEVASF-USACE também completou os seguintes projetos no segundo ano do programa: •

Projeto #7: Modelo do Canal de Navegação do São Francisco - Um estudo do transporte de sedimento no canal de navegação

Projeto #8: Projeto de Navegação da Torrinha-Itacoatiara - Um conceito básico de um projeto de navegação

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1.2

Localização e Características da Bacia

O Rio São Francisco está localizado no Nordeste do Brasil e tem aproximadamente 2.900 quilômetros de comprimento com uma área de bacia hidrográfica de aproximadamente 630,000 km2 (ver Figura 1). Aproximadamente 13 milhões de pessoa vivem na bacia, com a maior densidade morando no sul (nascentes), especialmente próxima à área metropolitana de Belo Horizonte. O clima varia de úmido nas nascentes (sul) a semiárido nas partes inferiores do Rio São Francisco (norte). A vegetação inclui sistemas de cerrado nas nascentes com uma grande diversidade de florestas mistas, bem como a vegetação caatinga, que é uma vegetação esparsa e de pequeno porte associada com a região semiárida da bacia hidrográfica.

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Figura 1: Localização da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco

A Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco sofreu alterações significativas na utilização do solo ao longo das últimas décadas. Uma quantidade significativa de solo tem sido convertida de vegetação nativa ou pastagem para agricultura intensa de plantação em linha. Além disso, barragens têm sido construídas e ambas as expansões da plantação em linha e construções de barragens continuarão na bacia hidrográfica. Os impactos associados a essas mudanças da bacia hidrográfica não são bem compreendidos atualmente, e um modelo foi proposto para melhorar o entendimento geral das dinâmicas do sedimento na bacia hidrográfica do Rio São Francisco.

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Para mais informações relacionadas às características físicas da Bacia do São Francisco ver CODEVASF & ANA (2002), que apresenta uma visão geral do local, tempo, vegetação, hidrologia, navegação, barragens, desenvolvimento, geomorfologia, geologia, e outras informações sobre as características da bacia hidrográfica. 1.3

Visão Geral do Projeto

O projeto do Modelo da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco consiste no desenvolvimento de um modelo de bacia hidrográfica para analisar as dinâmicas da hidrologia e do sedimento da bacia. Ademais, existe um número significativo de desafios para a navegação devido ao sedimento que é armazenado nos bancos de areia dentro do canal de navegação (especialmente perto do meio do Rio São Francisco). O modelo descrito neste relatório também foi desenvolvido para obter um entendimento das existentes e possíveis condições futuras das dinâmicas de sedimentação que poderiam impactar a navegação. O resultado da produção de sedimento do empenho desta modelagem também é usado como uma entrada de dados para um modelo de transporte de sedimento do canal de navegação (CODEVASF-USACE Project #7). Esse relatório sumariza a modelagem da produção hidrológica e de sedimento necessárias para analisar as condições existentes da bacia do Rio São Francisco. O Capítulo 2 deste relatório descreve o processo utilizado para selecionar o modelo ou ferramenta apropriado baseado nos objetivos firmados da equipe da CODEVASF-USACE. O Capítulo 3 descreve os dados da bacia hidrográfica utilizados para desenvolver o modelo e o Capítulo 4 descreve a calibração da hidrologia da bacia. Do mesmo modo, o Capítulo 5 descreve o processo utilizado para alcançar a calibração da produção sedimentar na bacia. Os resultados do empenho da modelagem, que consiste em uma descrição das condições atuais de sedimento e hidrologia do Rio São Francisco, estão incluídos no Capítulo 6. O Capítulo 7 descreve dois cenários modelados adicionais (condições históricas e condições futuras), os resultados associados. Por fim, o resumo e conclusões do modelo estão relatadas no Capítulo 8 deste relatório.

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2.0

PROPÓSITO E SELEÇÃO DO MODELO

O objetivo do projeto conforme foi definido pela equipe da CODEVASF-USACE é o seguinte: Objetivo: Desenvolver uma referência das condições sedimentares existentes através da construção de uma ferramenta que possa calcular um orçamento sedimentar para a bacia hidrográfica. Essa ferramenta será usada pela CODEVASF para analisar as condições futuras de produção de sedimento no Rio São Francisco sob uma variedade de cenários de gerenciamento da bacia hidrográfica. Esse projeto inclui o desenvolvimento de um modelo de produção hidrológica e de sedimento da Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco. Esse modelo de bacia hidrográfica foi desenvolvido para toda a bacia, mas foi focado na produção de sedimento na parte Superior e Central do Rio São Francisco. Os resultados deste modelo de bacia hidrográfica poderá ser útil para os seguintes propósitos: 1. O modelo pode ser usado para desenvolver um Orçamento Sedimentar da Bacia Hidrográfica 2. A atual e potencial futura entrega de sedimento para o Rio São Francisco podem ser calculadas. Isso irá auxiliar na determinação das futuras condições de navegação do rio. 3. O modelo pode determinar quais sub-bacias são fontes primárias de sedimento. 4. o resultado do modelo (produção de sedimentos de cada sub-bacia) poderá também ser utilizado como entrada de valores para um modelo separado de hidráulica do rio e transporte de sedimento.

2.1

Orçamento Sedimentar

Um orçamento sedimentar da bacia hidrográfica identifica fontes e zonas profundas bem como os mecanismo de transporte para compreender a produção de sedimentos e as taxas de entrega de sedimento dentro de uma bacia hidrográfica. As maiores fontes de erosão do orçamento sedimentar incluem 1) escoamento por terra; 2) erosão do córrego e do escoadouro; 3) desperdício de massa; 4) erosão da margem; 5) erosão do leito fluvial; e 6) erosão eólica. As zonas profundas de sedimento consistem em 1) pântanos; 2) planícies aluviais; 3) armazenamento no planalto; 4) acumulação no canal; e 5) reservatórios. A Figura 2, modificada de Reid e Dunne (1996), fornece um gráfico de como as fontes de sedimento, zonas profundas e transporte estão relacionadas dentro de

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uma bacia hidrográfica. O modelo de produção sedimentar foi utilizado para calcular os componentes do orçamento sedimentar (descrito no Capítulo 6).

Figura 2: Componentes do Orçamento Sedimentar Gully Erosion

Mass Erosion

Bank Erosion

Sinks

Hillslope Storage

Transport

Channel Transport

Delivery

Sediment Delivery

Channel Storage

Sinks

Floodplain Storage

Sources

Surface Erosion

Inúmeros termos são importantes para definir o que será usado no decorrer deste relatório: Erosão (também Erosão Bruta) - a separação bruta e mobilização do sedimento de uma fonte individual. A maior parte de sedimento que é mobilizada em determinado evento ( precipitação ou vento) em uma paisagem não transportada para as correntes mas, em vez disso, é movida de uma região montanhosa para outra. Entrega de Sedimentos - a carga sedimentar total que é transportada para uma locação específica na rede de fluxos (tais como bitola, lago, represa, etc). A Entrega de Sedimentos é frequentemente expressa em termos anuais pelo peso, tal como tonelada/ano.

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Produção de Sedimento - a entrega de sedimentos calculada normalizada pela contribuição da área de drenagem da bacia, frequentemente expressa em toneladas/km2/ano ou toneladas/acre/ano. Antropogênico - influenciado pelas atividades humanas, tais como a mudança no uso da terra e construção de reservatórios. Referência - a entrega de sedimentos atual ou moderna, produção e condições de armazenamento. Natural (como nas Cargas Sedimentares Naturais) - o componente da entrega, produção ou armazenamento de sedimentos que não estejam associados com a atividade humana. Esse componente é supostamente equivalente ao depósito Pré-Europeu de entrega, produção e/ou armazenamento. A taxa de erosão de cada uma das fontes de orçamento sedimentar tem sido impactada pelas modificações humanas da paisagem, que levou a um aumento geral na produção sedimentar para cada fonte. Por exemplo, o desmatamento da vegetação nativa, que cobria a maior parte da bacia do Rio São Francisco, e a conversão posterior ao uso do solo para a agricultura, teve as seguintes consequências gerais: •

A erosão sedimentar associada com o escoamento por terra provavelmente aumentou devido ao maior percentual de solos expostos se degradando a ritmos mais acelerados durante eventos de precipitação.

O sedimento exposto no uso do solo para a agricultura também causou um aumento na erosão sedimentar eólica (gerada pelo vento).

A remoção da vegetação nativa enfraqueceu a estrutura do solo junto com depressões naturais, levando à erosão do córrego e, por fim, à erosão da ravina.

A remoção da vegetação na paisagem diminuiu a interceptação e transpiração das plantas, aumentou a superfície impermeável, e consequentemente levou a mudanças na hidrologia (geralmente maiores fluxos de pico).

Outras inúmeras alterações humanas tais como Irrigação, urbanização, projetos de infraestrutura (água, águas residuais, e águas pluviais), etc., têm impactado um grande percentual da bacia hidrográfica afluente do Rio São Francisco. O efeito combinado dessas alterações na paisagem natural provavelmente causou um aumento significativo nas taxas brutas de erosão sedimentar dentro da bacia do Rio São Francisco. Os componentes de armazenamento e de redução do orçamento sedimentar incluem várias das características geomórficas naturais (tais como planícies aluviais fluviais, Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 7 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


barras de pontal, barras de meio canal, pântanos, e lagos). O armazenamento também ocorre nas características de origem humana, como os reservatórios atrás das barragens. A construção de barragens na história moderna tem causado pouco efeito na erosão sedimentar (os impactos mais notáveis na erosão sedimentar ocorrem imediatamente à jusante de uma barragem onde uma situação de "água faminta" resulta na erosão e diminuição da margem). No entanto, as barragens têm causado grandes impactos na quantidade de sedimento distribuída à jusante devido à captação e acumulação de sedimento (Syvitski, et al., 2005). Portanto, embora as mudanças na utilização do solo tenham aumentado a erosão sedimentar bruta, também houve um aumento na acumulação de sedimentos, que atenua parte dos aumentos associados com a alteração da utilização do solo.

2.2

Comparação de Modelos de Produção Sedimentar

Os modelos de bacia hidrográfica que simulam os processos hidrológicos e de produção sedimentar podem fornecer aos gestores das bacias hidrográficas (tal como a CODEVASF) um melhor entendimento da bacia hidrográfica. Muitos modelos de bacias hidrográficas podem prever um escoamento superficial hidrológico, produção de sedimentos, erosão do solo do planalto e regato, e transporte e deposição de sedimento. Para a bacia do Rio São Francisco, um entendimento das dinâmicas do sedimento podem auxiliar na determinação de impactos de longo prazo em potencial na navegação no rio. Diversas ferramentas numéricas de modelagem foram consideradas pela equipe da CODEVASF-USACE para serem utilizadas para o desenvolvimento do modelo hidrológico e de produção sedimentar. Esses modelos estão listados na Tabela 1.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 8 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Tabela 1: Modelos de Bacia Hidrográfica e Produção Sedimentar Considerados Model Name Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation Precipitation-Runoff Modeling System Agricultural Non-Point Source Pollution Model KINematic runoff and EROSion model Hydrological Simulation Program Fortran European Hydrological System model Soil and Water Assessment Tool Annualized Agricultural Non-Point Source model

Acronym ANSWERS

ANSWERS-Continuous Hydrologic Engineering Center Hydrologic Model System 4.0 Alpha Gridded Suface Subsurface Hydrologic Analysis

2.2.1

Beasley et al. 1980

PRMS

Leavesley et al. 1983

AGNPS

Young et al. 1987

KINEROS HSPF MIKE SHE SWAT AnnAGNPS

Dynamic Watershed Simulation Model

Citation

DWSM

Woolhiser et al. 1990 Bicknell et al. 1993 Refsgaard and Storm 1995 Arnold et al. 1998 Bingner and Theurer 2001 Borah et al. 2002

ANNSWERS-Continuous Bouraoui et al. 2002 HEC-HMS GSSHA

USACE 2010 Downer and Ogden 2006

Capacidades Técnicas de Vários Modelos Os diversos modelos numéricos considerados a serem usados para analisarem a hidrologia e as dinâmicas sedimentares do São Francisco têm uma ampla complexidade. Modelos simples são fáceis de elaborar e usar, mas não capturam as diversas atividades em uma bacia hidrográfica, e podem ser incapazes de fornecer os resultados detalhados desejados. Modelos complexos podem ser computacionalmente exigentes e desafiadores para construir e calibrar. Portanto, um modelo apropriado deveria ser selecionado baseado na(s) questão(ões) a serem respondidas pelo modelo. Além disso, o modelo selecionado para o Rio São Francisco deveria ser baseado nos dados disponíveis, precisão do resultado desejada, complexidade da modelagem, custo de software/treinamento, e outros fatores. Os modelos de bacia hidrográfica listados na Tabela 1 podem geralmente ser divididos tanto em modelos contínuos de longo prazo quanto modelo relacionado às tempestades de Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 9 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


proporções da bacia hidrográfica. Apenas os modelos contínuos de longo prazo foram considerados para a bacia do Rio São Francisco, pois o objetivo do modelo é determinar o orçamento sedimentar anual da bacia (não apenas os impactos de uma única tempestade). Dos modelos listados na Tabela 1 AGNPS, ANSWERS, DWSM, KINEROS, e PRMS apenas modelam a produção de sedimento baseadas em únicas tempestades, e consequentemente não serão consideradas na comparação. Os modelos têm sido comparados baseados nos mecanismos técnicos para abordar os vários processos hidrológicos e sedimentares. Borah et al. (2008) comparou vários destes modelos baseados em critérios técnicos e um sumário das descobertas estão descritos na Tabela 2 e Tabela 3. Para calcular o orçamento sedimentar da bacia para a Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco, os principais processos que precisam ser incluídos no modelo incluem a hidrologia, produção de sedimentos, reservatórios, e irrigação. As futuras utilizações do modelo (fora deste escopo) podem incluir modelagem de nutrientes e Melhores Práticas de Gestão. É importante que o modelo selecionado possa abordar cada um dos processos. Baseado na Tablea 3, ANSWERS-Continuous e a GSSHA não podem abordar os canais relevantes ou o roteamento do sedimento do reservatório. SWAT, HSPF, MIKE SHE, e HEC-HMS 4.0 Alpha podem abordar os processos relevantes que irão ser necessários para o modelo baseado em uma análise técnica. Borah et al. (2008) nota que a SWAT é mais apropriada para as bacias primariamente agrícolas (tais como o Rio São Francisco) e o HSPF é mais apropriado para bacias mistas agrícolas e urbanas. Borah et al. (2008) também nota que MIKE SHE é geralmente muito complicada para aplicações eficientes em grandes bacias hidrográficas. Nota-se também que o GSSHA é muito complexo para grandes bacias hidrográficas e não pode sustentar os BMPs, que poderia ser uma futura necessidade do modelo. O AnnAGNPS é um modelo similar à SWAT; contudo, não é utilizado em muitas aplicações como o modelo SWAT. O HEC-HMS 4.0 Alpha é um novo modelo e ainda está nas fases de pesquisa e testes para abordar sedimentos. Também não pode abordar os BMPs, que poderá ser uma futura necessidade do modelo. Portanto, baseados em uma análise técnica, os modelos poderão ser elencados na seguinte ordem: 1) SWAT; 2) AnnAGNPS; 3) HSPF; 4) HEC-HMS Alpha 4.0; 5) MIKE SHE; 6) GSSHA; e 7) ANSWERS-Continuous.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 10 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Manning and continuity equations (temporarily variable and spatially uniform) solved by explicit numerical scheme.

Runoff curve number generating daily runoff following SWRRB and EPIC procedures and SCS TR-55 method for peak flow.

Runoff on overland

Empirical outflow depth to detention storage relation and flow using Chezy-Manning equation.

Water budget considering interception, ET, and infiltration with empirically based areal distribution.

2-D diffusive wave equations solved by an implicit finite-difference scheme.

Interception and ET loss and vertical flow solving Richards equation using implicit numerical method.

Runoff volume using curve number and flow peak using modified Rational formula or SCS TR-55 method.

Daily water budget; precipitation, runoff, ET, percolation, and return flow from subsurface and groundwater flow.

Daily water balance, rainfall excess using interception, GreenAmpt infiltration equation, and surface storage coefficients.

Two-dimensional diffusive wave equations solved by explicit finite-difference scheme.

Interceptioin and ET loss, infiltration using Green-Ampt method, and overlandflow retention.

Several functions including Clark Unit hydrograph, kinematic wave, modClark, SCS Unit Hydrograph, Snyder Unit Hydrgraph, or User-specified hydrograph.

Water budget considering interception, ET, and infiltration with empirically based areal distribution.

Sub-basins grouped based on hydrologic (lumped areas with same cover, soil, and management), reservoirs and main channel.

Rainfall excess Water balance for on overland/ constant sub-daily time water balance steps and two soil layers (8-in. tillage depth and user-supplied second layer).

Two-dimensional square overland grids and one-dimensional channels.

Sub-basins grouped based on climate, hydrologic response units (lumped areas with same cover, soil, and management), ponds, groundwater,

2-D rectangular/ square overland grids, 1-D channels, 1-D unsaturated and 3-D saturated flow layers.

Square grids with uniform hydrologic characteristics, some having companion channel elements; 1-D simulations.

Watershed Homogeneous land representation areas (cells), reaches, and impoundments.

Pervious and impervious land areas, stream channels, and mixed reservoirs; 1-D simulations.

GSSHA HEC-HMS Spatially varying rainfall Hydrology, transport of inputs including radar sediment, estimates, rainfall sedimentation, channel excess and twoand reseroir routing. dimensional flow routing on cascading over-land grids, continuous soil moistrure accounting, diffusive wave or fulldynamic channel routing, upland erosion, sediment transport in channels. Long term; daily steps. Long-term and storm Long-term and storm event; variable steps event; variable time depending on numerical steps. stability.

ANSWERSContinuous Daily water balance, infiltration, runoff and surface water routing, drainage, river routing, ET, sediment detachment, sediment transport, nitrogen and phosphorous transformations, nutrient losses through uptake, runoff, and sediment SWAT Hydrology, weather, sedimentation, soil temperature, crop growth, nutrients, pesticides, agricultural management, channel and reservoir routing, water transfer, and part of the USEPA BASINS modeling system with user interface and ArcView GIS platform.

AnnAGNPS Hydrology, transport of sediment, nutrients, and pesticides resulting from snow-melt, precipitation and irrigation, source accounting capability, and user interactive programs including TOPAGNPS generating cells and stream network from DEM.

HSPF MIKE SHE Runoff and water Interception-ET, quality constituents on overland and channel pervious and flow, unsaturated zone, impervious land areas, saturated zone, movement of water and snowmelt, exchange constituents in stream between aquifer and channels and mixed rivers, advection and reservoirs, and part of dispersion of solutes, the USEPA BASINS geochemical processes, modeling system with crop growth and user interface and nitrogen process in the ArcView GIS platform. root zone, soil erosion, dual porosity, and irrigation. Temporal scale Long term; daily or sub- Long term; dual time Long term; variable Long term and storm daily steps. steps: daily for dry days constant steps (hourly). event; variable steps and 30 seconds for depending on numerical days with precipitation. stability.

Description/ Criteria Model components/ capabilities

Tabela 2: Comparação das Propriedades Hidrológicas dos Modelos

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 11 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Sediment deposition based on constant detention discharge, zero transport capacity, and dilution with pool water. Agricultural Impact of watershed Nutrient and pesticide management. management practices management. on runoff and sediment losses.

Reservoir sediment

Best Management Practices Evaluation

Modified Einstein equation for sediment transport and Bagnold equation to determine transport capacity of flow.

Channel sediment

HSPF All inflows assumed to enter one upstream point, and outflow is a function of reach volume or user-supplied demand.

MIKE SHE 1-D diffusive wave equations solved by an implicit finite-difference scheme.

No information.

Raindrop detachment Rainfall splash No information. using rainfall intensity detachment and and USLE factors, flow washing off of the erosion using unit-width detached sediment flow and USLE factors, based on transport and transport and capaciity as function of depsotion of sediment water storage and sizes using modified outflow plus scour from Yalin equation. flow using power relation with water storage and flow. Not simulated. Noncohesive (sand) No information. sediment transport using user-defined relation with flow velocity or Colby or Toffaleti method, and cohesive sediment transport based on critical shear stress and settling velocity. Same as channel. No information. Not simulated.

ANSWERSContinuous Manning and continuity equations (temporarily variable and spatially uniform) solved by explicit numerical scheme.

Uses RUSLE to generate sheet and rill erosion daily or userdefined runoff event, HUSLE for delivery ratio, and sediment deposition based on size distribution and particle fall velocity.

AnnAGNPS Assuming trapezoidal and compound crosssections, Manning's equation is numerically solved for hydraulic parameters and TR-55 for peak flow.

Overland sediment

Description/ Criteria Runoff in channel

Bagnold's stream power concept for bed degradation and sediment transport, degradation adjusted with USLE soil erodibility and cover factors, and deposition based on particle fall velocity. Outflow using simple continuity based on volumes and concentrations of inflow, outflow, and storage. Agricultural management: tillage, irrigation, fertilization, pesticide applications, d i

No information.

Not simulated.

Sand-size total sediment load is computed using Yang's unit stream power method.

GSSHA Two options: onedimensional diffusive wave equations solved by explicit finitedifference method mostly for head water channels, or implicit finite-difference solution of the onedimensional full dynamic equations for limited subcritical flows. Sediment yield based Soil erosion and on MUSLE expressed sediment deposition are computed using in terms of runoff volume, peak flow, and modified KilincRichardson equation USLE factors. with USLE faactors and conservation of mass.

SWAT Routing based on variable storage coefficient method and flow using Manning's equation adjusted for transmission losses, evaporation, diversions, and return flow.

Not directly simulated.

Trap efficiency method based on grain size and critical velocity.

Sediment continuity based on the Exner equation. Sediment transport based on Ackers-White, EnglundHansen, LaursenCopeland, Meyer-Peter Muller, Toffaleti, Wilcock, or Yang.

Sediment yield based on MUSLE expressed in terms of runoff volume, peak flow, and USLE factors.

HEC-HMS Assuming trapezoidal and compound crosssections, Manning's equation is numerically solved for hydraulic parameters.

Tabela 3: Comparação do Sedimento e outras Propriedades de Vários Modelos

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 12 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


2.2.2

Comparação de Custo de Vários Modelos

Seis dos sete modelos de simulação contínua de longo prazo considerados são software livres. Apenas o MIKE SHE é um software que requer a compra de uma licença para funcionar (o custo da licença é de aproximadamente $10,000 dólares americanos). Dos seis modelos restantes, o HSPF, SWAT, e GSSHA utilizam um software de préprocessamento opcional. Embora o software de pré-processamento seja opcional para executar o modelo, é extremamente difícil processar as grandes quantidades de dados espaciais sem utilizar o software de pré-processamento atribuído. O HSPF utiliza um software de GIS gratuito (MapWindow); o SWAT incorpora o ArcGIS com Analista Espacial; o GSSHA utiliza o WMS (Sistema de Modelagem de Bacia Hidrográfica); e o HEC-HMS 4.0 Alpha utiliza o ArcGIS com o Analista Espacial e Analista 3D. Os softwares restantes não possuem requisitos de pré-processamento. Apenas MIKE SHE, SWAT, e GSSHA possuem possíveis custos. A CODEVASF atualmente possui o software ArcGIS com o Analista Espacial, e, portanto, apenas MIKE SHE e GSSHA necessitariam de uma compra adicional para executar o software ou o software de pré-processamento. Portanto, baseados nos custos, os modelos poderão ser elencados na seguinte ordem: 1) SWAT; 1) AnnAGNPS; 1) HSPF; 1) HEC-HMS Alpha 4.0; 1) ANSWERS-Continuous 6) GSSHA; e 7) MIKE SHE.

2.2.3

Facilidade de Utilização

O GSSHA e MIKE SHE ambos são modelos baseados fisicamente que utilizam equações multidimensionais administradoras de fluxos com esquemas de soluções numéricas aproximadas, o que tornam os modelos computacionalmente intensivos e sujeitos a instabilidades numéricas. Portanto, esses modelos são os mais complexos e difíceis de serem utilizados. Os modelos restantes são modelos empíricos que não necessitam de soluções aproximadas para quaisquer equações diferenciais parciais. O HSPF e SWAT são modelos comummente utilizados e possuem inúmeras documentações, suporte online e oportunidades de treinamento. O AnnAGNPS e ANSWERS-Continuous são menos comumente utilizados e possuem menos documentações e suporte on-line. O HEC-HMS Alpha 4.0 é um novo pacote de software promissor que lida com a produção de sedimentos e tem uma interface de fácil utilização. Portanto, baseados na facilidade de utilização, os modelos poderão ser elencados na seguinte ordem: 1) HEC-HMS Alpha 4.0; 2) HSPF; 2) SWAT; 4) AnnAGNPS; 4) ANSWERS-Continuous; 1); 6) GSSHA; e 6) MIKE SHE.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 13 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


2.2.4

Seleção de Modelos

Ambos os modelos hidrológicos e de produção de sedimentos contínuos de longo prazo relacionados às tempestades foram investigados e comparados. Os modelos contínuos de longo prazo foram comparados em uma análise alternativa baseada na base técnica para calcular um orçamento sedimentar na escala de uma bacia hidrográfica; uma base de custo; e a facilidade de utilização. Os resultados desta comparação são mostrados na Tabela 4. Table 4 A Tabela 4 elenca o modelo contínuo de longo prazo hidrológico e de produção de sedimento para cada categoria com uma classificação de "0" sendo a pior e "6" elencando a melhor. Todas as categorias somam um total de 21 pontos. Baseado nessa comparação, o modelo SWAT possui a maior pontuação de 14.5. O SWAT é portanto o modelo selecionado para computar o orçamento sedimentar para a bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Tabela 4: Comparação do Modelo Criteria Technical Basis AnnAGNPS 5 ANSWERS-Continuous 0 HSPF 4 MIKE SHE 2 SWAT 6 GSSHA 1 HEC-HMS Alpha 4.0 3 Sum of the Criteria 21 Alternative

Cost Basis Ease of Use 4 4 4 0 4 1 4 21

2.5 2.5 4.5 0.5 4.5 0.5 6 21

Total 11.5 6.5 12.5 2.5 14.5 2.5 13 63

(0 = wors t; 6 = bes t. Ra nki ngs a re norma l i zed to a dd up to 21 tota l poi nts per ca tegory)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 14 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


2.3

O Modelo de Ferramenta de Avaliação de Solo e à gua (SWAT)

A Ferramenta de Avaliação de Solo e à gua (SWAT) Ê a ferramenta selecionada para determinar o orçamento sedimentar para a Bacia Hidrogråfica do Rio São Francisco. A SWAT Ê um modelo contínuo físico (etapa diåria) de bacia hidrogråfica utilizado para avaliar a hidrologia, produção de sedimentos, dinâmica de nutrientes da bacia hidrogråfica, entre outros processos. A SWAT divide uma bacia hidrogråfica em diversas sub-bacias, e cada sub-bacia Ê então dividida em Unidades Hidrológicas de Resposta (HRUs). Essas HRUs são sub-bacias de captação relativamente pequenas e presume-se que elas tenham propriedades uniformes de solo, gestão, elevação, e utilização da terra; assim o modelo Ê um modelo de parâmetros amontoados na escala da sub-bacia (escala HRU), mas um modelo distribuído na escala da bacia. As HRUs são determinadas pela sobreposição de diversas camadas de resultados GIS no modelo. Essas camadas consistem em solo, dados, utilização do solo (com gerenciamento), DEM, e clima. Os dados de inclinação, solos e utilização do solo estão intersectados e dados únicos e combinados de utilização do solo-solo-elevação são gerados como a base dos HRUs. As sub-bacias estão conectadas atravÊs de uma rede de fluxos, e tanto a ågua quanto os sedimentos são distribuídos pela bacia atravÊs desta rede de fluxos. Reservatórios são aplicados na parte à jusante de uma sub-bacia para tanto atenuar a vazão, como estocar sedimentos. Armazenamento adicional pode ser capturado no modelo pela adição de pântanos e lagoas nas sub-bacias. Irrigação pode ser adicionada nos reservatórios ou ao longo dos rios. 2.3.1

Hidrologia na SWAT Os dados de entrada sobre o clima na SWAT incluem precipitação diĂĄria, temperatura mĂ­nima, temperatura mĂĄxima, radiação solar, umidade relativa, velocidade do vento, e direção do vento. A SWAT simula a hidrologia de uma bacia hidrogrĂĄfica utilizando uma simples equação de equilĂ­brio da ĂĄgua (Equação 1): đ?‘Ąđ?‘Ą

đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘Ąđ?‘Ą = đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†0 + ��đ?‘…đ?‘…đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘ − đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ − đ??¸đ??¸đ?‘Žđ?‘Ž − đ?‘¤đ?‘¤đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ − đ?‘„đ?‘„đ?‘”đ?‘”đ?‘”đ?‘” ďż˝

(1)

đ?‘–đ?‘–=1

Onde: SWt= teor de umidade do solo final (mm H 2 O) SW 0 = teor de umidade do solo inicial no dia i (mm H 2 O) R day = Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 15 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


precipitação no dia i (mm H 2 O) Q surf = escoamento superficial no dia i (mm H 2 O). Calculada utilizando o mÊtodo SCS de número da curva (Serviço de Conservação do Solo USDA, 1972) e o mÊtodo de infiltração Green & Ampt (Green e Ampt,1911) . Ea = evapotranspiração no dia i (mm H 2 O). w seep = ågua que entra na zona vadosa do perfil do solo no dia i (mm H 2 O) Q gw = escoamento de retorno ou escoamento base no dia i (mm H 2 O) 2.3.2

Erosão, Produção e Entrega de Sedimento na Região Montanhosa na SWAT A erosão causada pela precipitação e escoamento superficial Ê computada com a Equação Modificada Universal de Perda do Solo (MUSLE) (Williams, 1975). A MUSLE Ê uma versão modificada da Equação Universal de Perda do Solo (USLE) desenvolvida por Wischmeier e Smith (1965). O modelo USLE fornece estimativas de erosão sedimentar a longo-prazo (anual) associadas à erosão de córregos e escoamento laminar, enquanto que o MUSLE fornece estimativas da produção total de sedimentos em etapas diårias atravÊs da incorporação de uma vazão variåvel (Q surf ). A equação MUSLE Ê mostrada na Equação 2.

đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ = 11.8ďż˝đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ∙ đ?‘žđ?‘žđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ∙ đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žâ„Žđ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x; ďż˝

0.56

∙ đ??žđ??žđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆ ∙ đ??śđ??śđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆ ∙ đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆ ∙ đ??żđ??żđ??żđ??żđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘ˆ ∙ đ??śđ??śđ??śđ??śđ??śđ??śđ??śđ??ś

(2)

Onde: sed=

produção de sedimentos em determinado dia (toneladas mÊtricas)

Q surf = volume de escoamento superficial (mm H 2 O/ha) Q peak =

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 16 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


taxa de pico de escoamento (m3/s) area hru = area do HRU (ha) K USLE = fator USLE de erodibilidade do solo C USLE = fator USLE de cobertura e gestĂŁo P USLE = fator USLE de apoio ao treinamento LS USLE = fator USLE topogrĂĄfico CFRG =

fator de fragmento bruto

Nem todos os sedimentos que são erodidos da região montanhosa são levados para um curso de ågua. A erosão bruta associada à precipitação e processos de fluxo terrestre pode ser calculada utilizando o MUSLE para bacias agrícolas; todavia, a produção de sedimentos serå uma função da relação de sedimento erodido que Ê entregue ao curso de ågua dividido pelo sedimento erodido que fica nos campos da região montanhosa (ver Equação 3).

������ =

đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘ đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘Ą đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“ đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘đ?‘˘

(3)

Onde: SDR =

Relação de Entrega de Sedimentos

Essa relação de entrega de sedimentos Ê dependente da årea de drenagem da bacia hidrogråfica, topografia, extensþes do curso de ågua, textura do solo, etc. (Borah et al., 2008). O Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos (1971) estimou as relaçþes de entrega de sedimentos como uma função apenas do tamanho da bacia hidrogråfica (ver

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 17 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


Tabela 5). Devido à única variåvel utilizada para desenvolver essas taxas, uma grande quantidade de dispersão existe nos dados originais. Tabela 5: Relação de Entrega de Sedimentos como uma Função da à rea de Drenagem (SCS, 1971) Drainage Area, km 2 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000

Sediment Delivery Ratio 0.58 0.52 0.39 0.35 0.25 0.22 0.153 0.127 0.079 0.059

As erosĂľes de cĂłrrego e escoadouro sĂŁo definidas como o processo de erosĂŁo onde o escoamento superficial de ĂĄgua acumula-se em canais estreitos e remove solo dos pequenos riachos e escoadouros que começam a se formar (Poesen et al., 2003). Bennett (2000) estimou que a erosĂŁo efĂŞmera de escoadouro, como um percentual de erosĂŁo de lençóis e cĂłrregos, para os Estados Unidos ĂŠ de aproximadamente 80% (ou seja, erosĂŁo de escoadouro = 0.80 x erosĂŁo de cĂłrrego/lençóis). Essa relação ĂŠ tambĂŠm uma generalização e taxas reais sĂŁo naturalmente especĂ­ficas ao local e podem nĂŁo ser aplicĂĄveis no Brasil. Uma equação bastante utilizada para prever a erosĂŁo de escoadouro ĂŠ o Modelo EfĂŞmero de ErosĂŁo de Escoadouro (EGEM) desenvolvido por Woodward (1999). Esse modelo calcula uma largura final de escoadouro (W u ) baseada em uma taxa de separação de sedimentos (D). As equaçþes 4 e 5 apresentam o modelo EGEM: đ?‘Šđ?‘Šđ?‘˘đ?‘˘ = 179 đ?‘„đ?‘„ 0.552 đ?‘›đ?‘›0.556 đ?‘†đ?‘† 0.199 đ??śđ??śđ??śđ??ś −0.476

(4)

Onde: W u = largura final do escoadouro (m) Q=

taxa de pico da vazĂŁo (m3 s-1)

n=

Coeficiente de aspereza de Manning

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 18 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


S=

declividade concentrada do fluxo

CS = tensĂŁo crĂ­tica de cisalhamento (N m-2) A taxa de deslocamento do solo em erosĂŁo ĂŠ computada na Equação 5: đ??ˇđ??ˇ = đ??žđ??žđ??žđ??ž(1.35đ?‘Ąđ?‘Ą − đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘Ą)

(5)

Onde: D=

taxa de deslocamento (g m-2 s-1)

KC = fator de erodibilidade do canal (g s-1 N-1) t=

tensĂŁo de cisalhamento mĂŠdia da ĂĄgua corrente (N m-2)

tc =

tensĂŁo crĂ­tica de cisalhamento do solo (N m-2)

O modelo EGEM ou o Modelo Revisado Efêmero de Erosão do Escoadouro (REGEM) são utilizados em vårios modelos de simulação sedimentar de longo prazo, incluindo a SWAT. O sedimento e o escoamento superficial precisam então ser encaminhados pelo modelo. O cålculo de propagação de cheias Ê calculado utilizando um mÊtodo de coeficiente variåvel de acumulação desenvolvido por Williams (1969) ou utilizando o mÊtodo de propagação de Muskingum. O transporte de sedimentos envolve o cålculo de ambos os processos de deposição e erosão. A SWAT incorpora o Bagnold (1977), Yang (1973), e outras equaçþes de transporte sedimentar, que determina o arrastamento ou deposição do sedimento baseados na força do curso de ågua.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 19 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


2.3.3

ErosĂŁo da Margem e do Canal na SWAT

A erosĂŁo do leito fluvial ĂŠ frequentemente computada utilizando um modelo de transporte sedimentar. Dezenas de modelos de transporte sedimentar tĂŞm sido desenvolvidos para calcular a carga total de material do leito (veja, por exemplo, Engelund e Hansen, 1967; Ackers e White, 1973; Yang, 1973; Brownlie, 1981; e Karim e Kennedy, 1981). Essas equaçþes, entre outras, podem ser usadas para calcular as cargas sedimentares suspensas, cargas de leito,cargas de lavagem, ou cargas totais. Muitos canais estĂĄveis possuem leitos propensos Ă erosĂŁo; contudo, a geometria do canal mantĂŠm seu formato geral com o passar do tempo, o que leva a nenhuma erosĂŁo lĂ­quida ou aumento na entrega de sedimentos a jusante (por exemplo, a carga de sedimento entrando em um trecho estĂĄvel ĂŠ equivalente ao sedimento que deixa o trecho estĂĄvel, e, portanto, o leito nĂŁo contribui para nenhuma distribuição lĂ­quida). A incisĂŁo de canais acrescentam Ă entrega lĂ­quida de sedimentos a jusante e deveria ser representada em um orçamento sedimentar. Um software de modelagem numĂŠrica como o HEC-RAS (Sistema de AnĂĄlise de Rios do Centro de Engenharia HidrĂĄulica, 2008) incorpora uma variedade de equaçþes de transporte de sedimentos para calcular as taxas de erosĂŁo do leito bem como a incisĂŁo do leito. O modelo SWAT calcula ambas as erosĂľes da margem e do leito utilizando mĂŠtodos similares. Para que a erosĂŁo possa ocorrer, dois processos devem estar presentes. No primeiro processo, a força do curso de ĂĄgua (ou capacidade do rio de transportar sedimentos) precisa ser maior do que a quantidade do sedimento sendo transportado. Se houver mais sedimento sendo transportado que a capacidade de transporte, nenhuma erosĂŁo irĂĄ ocorrer e, em vez disso, o sedimento excessivo serĂĄ depositado. Segundo, a tensĂŁo de cisalhamento exercida pela ĂĄgua no leito e margem precisa ser maior que a tensĂŁo de cisalhamento crĂ­tica para desalojar uma partĂ­cula do sedimento. As taxas de erosĂŁo em potencial sĂŁo calculadas baseadas na equação de excesso de tensĂŁo de cisalhamento de Hanson e Simon (2001) na SWAT. Ver Equação 6 e 7. đ?œ‰đ?œ‰đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = đ?‘˜đ?‘˜đ?‘‘đ?‘‘,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ∙ ďż˝đ?œ?đ?œ?đ?‘’đ?‘’,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? − đ?œ?đ?œ?đ?‘?đ?‘?,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ďż˝ ∙ 10−6

(6)

đ?œ‰đ?œ‰đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = đ?‘˜đ?‘˜đ?‘‘đ?‘‘,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ∙ ďż˝đ?œ?đ?œ?đ?‘’đ?‘’,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? − đ?œ?đ?œ?đ?‘?đ?‘?,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ďż˝ ∙ 10−6

(7)

Onde: đ?œ‰đ?œ‰ =

kd =

taxas de erosĂŁo da margem ou leito (m/s) coeficiente de erodibilidade da margem ou leito (cm3 N-1 s-1)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 20 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


Ď„e = Ď„c =

atuação efetiva na tensão de cisalhamento da margem ou leito (N s-1) atuação crítica na tensão de cisalhamento da margem ou leito (N s-1)

A tensĂŁo de cisalhamento efetiva (Ď„ e ) ĂŠ calculada na SWAT utilizando as Equaçþes 8,9, e 10 de Eaton e Millar (2004): đ?œ?đ?œ?đ?‘’đ?‘’,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? (đ?‘Šđ?‘Š + đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? ) ∙ sin đ?œƒđ?œƒ = âˆ™ďż˝ ďż˝ đ?›žđ?›žđ?‘¤đ?‘¤ ∙ đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘â„Ž ∙ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘?đ?‘?â„Ž 100 4 ∙ đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘â„Ž

đ?œ?đ?œ?đ?‘’đ?‘’,đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? đ?‘Šđ?‘Š = ďż˝1 − ďż˝âˆ™ďż˝ + 0.5ďż˝ đ?›žđ?›žđ?‘¤đ?‘¤ ∙ đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘â„Ž ∙ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘?đ?‘?â„Ž 100 2 ∙ đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? log đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = −1.4026 ∙ log ďż˝

đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? + 1.5ďż˝ + 2.247 đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?

(8)

(9)

(10)

Onde: SF bank =

proporção de tensão de cisalhamento agindo na margem (sem dimensão)

Îłw =

peso especĂ­fico da ĂĄgua (N m-3)

Depth =

profundidade da ĂĄgua no canal (m)

slp ch =

declividade da calha (m m-1)

W=

largura mĂĄxima do canal (m)

P=

perĂ­metro molhado do leito ou margens (m)

θ=

ângulo da margem do canal da horizontal

Na SWAT, um Modelo Digital de Elevação (DEM) Ê utilizado para calcular a declividade do canal e o algoritmo de escoamento do fluxo nos canais fornece a velocidade do canal.

Quando a concentração de material de um trecho a montante ĂŠ maior que a capacidade de sedimento que possa ser movida, entĂŁo o assoreamento com areia ocorre na SWAT. Quando a capacidade do canal ĂŠ maior que a entrada de sedimentos de um trecho a montante, entĂŁo a erosĂŁo do canal ocorre. A taxa de desmatamento (calculada no mesmo passo de tempo em que a SWAT ĂŠ executada) ĂŠ uma função do coeficiente de Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 21 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


erodibilidade do canal (Equação 11) e uma tensĂŁo de cisalhamento (expressa na profundidade e declividade nos termos do canal) como mostrado na (Equação 12). đ??žđ??žđ??śđ??śđ??śđ??ś = 0.003 ∙ đ?‘’đ?‘’ 385∙đ??˝đ??˝đ?‘–đ?‘–

(11)

Onde: K CH = coeficiente de erodibilidade do canal (cm/h/Pa) Ji =

Ă?ndice do Jato do padrĂŁo ASTM D 5852-95 đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘â„Žđ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘ = 358.6 ∙ đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘â„Ž ∙ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘?đ?‘?â„Ž ∙ đ??žđ??žđ??śđ??śđ??śđ??ś

(12)

Onde:

2.3.4

depth dcut =

quantidade de desmatamento do canal (m)

depth =

profundidade da ĂĄgua no canal (m)

slp ch =

declividade do canal (m/m)

K CH =

coeficiente de erodibilidade do canal (cm/h/Pa)

Zonas Profundas de Sedimentos/ Sediment Sinks (ReservatĂłrios) na SWAT As principais zonas profundas de sedimentos que serĂŁo abordadas no modelo da bacia hidrogrĂĄfica do Rio SĂŁo Francisco sĂŁo os reservatĂłrios na bacia. As zonas profundas dos canais jĂĄ foram descritas. Zonas profundas complementares no modelo SWAT consistem na deposição de sedimento em pântanos e planĂ­cies aluviais. Cada zona profunda do orçamento sedimentar tem um corpo de pesquisa significativo associado com as taxas de deposição para cada função. Essa seção descreve estas zonas profundas de sedimentos e mĂŠtodos que estĂŁo em prĂĄtica atualmente para estimar as taxas de sedimentação. Um nĂşmero de estudos investigaram a taxa bruta de sedimentação de reservatĂłrios como uma função da perda de armazenamento por ano. Mahmood (1987) calculou que a capacidade de armazenamento dos reservatĂłrios estĂĄ sendo perdida a uma taxa de 1% por ano ao redor do mundo. Crowder (1987) estimou que a taxa de armazenamento perdida nos 48 Estados Unidos continentais ĂŠ de 0.22% por ano. Um valor similar ao de 0.2% Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 22 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


foi calculado por White (2001) para o inventário de armazenamento perdido por ano em toda a América do Norte. A taxa de armazenamento perdida para reservatórios individuais é altamente variável e é uma função da capacidade total do reservatório, entrega de sedimentos do influxo, e eficiência do coletor de sedimentos. Um reservatório é em preenchido com sedimento em três fases, de acordo com Morris, Annandale e Hotchkiss (2008). Na primeira fase, imediatamente após a construção, a coleta contínua de sedimento ocorre. Nessa fase, um grande percentual de sedimentos finos são retidos dentro do reservatório e preenchem depressões submersas pelo reservatório até que os depósitos de sedimentos estejam essencialmente rasos por uma determinada seção transversal (embora ainda haja uma elevação para o fundo do reservatório na direção longitudinal). Nessa fase, sedimentos grossos se depositam no fundo a montante, formando um delta que se lentamente se propaga jusante. Correntes de turbidez de sedimentos suspensos se formam em reservatórios maiores nesta fase também. Ver Figura 3, de Sloff (1997) para uma representação da morfologia do reservatório na primeira fase da deposição. Na segunda fase, um padrão submerso do canal de planície aluvial se forma no reservatório, e a maior parte dos sedimentos suspensos são capazes de serem transportados através do reservatório e pela barragem. Apenas materiais grossos ainda são capazes de se depositar no reservatório, o que compensa pelas margens submersas. Na terceira e última etapa, um equilíbrio de longo prazo de influxo e escoamento sedimentar é alcançado, e ambos os sedimentos suspensos e grossos são capazes de serem transportados pelo reservatório e pela barragem. A eficiência da coleta de sedimentos, portanto, é determinada como uma função de tamanhos individuais de grãos (normalmente divididos nas categorias de sedimentos suspensos e carga sólida de fundo) e é variável através do tempo e espaço no reservatório. Figure 3: Regimes de Sedimentação nos Reservatórios. De Sloff (1997)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 23 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Pesquisadores têm empregado vários métodos para calcular as taxas de sedimentação do reservatório. Esses métodos variam na complexidade e incluem abordagens tais como modelos numéricos unidimensionais de deposição sedimentar baseados em velocidade de sedimentação (Toniolo e Parker, 2003); modelagem numérica de captação de impacto da parte dianteira do delta (Garcia, 2008); modelagem bidimensional morfodinâmica de um delta-leque (Garcia, 2008); e um cálculo baseado na eficiência da coleta de sedimentos (Brune, 1953; Churchill, 1948). O método apropriado para se utilizar nos cálculos de taxa de sedimentação depende do interesse. Para esse estudo, a equipe da CODEVASFUSACE está interessada nos efeitos brutos que os reservatórios têm como zonas profundas de sedimentos no orçamento sedimentar geral. Visto que os efeitos longitudinais e bidimensionais não de interesses primordiais, um cálculo eficiente de coleta de sedimentos será usado nos reservatórios incluídos neste estudo. Os modelos de eficiência de coleta têm sido propostos para correlacionar a retenção sedimentar suspensa com as características da bacia hidrográfica e reservatório. O modelo de eficiência de coleta mais comum foi desenvolvido por Brune (1953). Esse modelo é uma curva que relata a eficiência da coleta de sedimentos retidos em um reservatório à relação da capacidade do influxo (capacidade do reservatório dividida pela média de influxo anual). Visto que a capacidade do reservatório é continuamente reduzida devido ao enchimento, a eficiência da coleta é um parâmetro variável. A curva de Brune é replicada aqui na Figura 4.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 24 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 4: Curva da EficiĂŞncia de Coleta de Sedimentos. De Brune (1953)

A curva de Brune nĂŁo leva em consideração a concentração de sedimento no influxo, e nĂŁo inclui quaisquer variĂĄveis especĂ­ficas Ă bacia hidrogrĂĄfica para determinar a eficiĂŞncia da coleta. Outros pesquisadores e modelos levam em consideração consideraçþes complementares, tais como a influĂŞncia das barragens a montante na entrega de sedimentos para uma barragem a jusante (Minear e Kondolf, 2009), e tambĂŠm contabilizam entrega de sedimentos baseada em concentraçþes de sedimento na coluna de ĂĄgua do reservatĂłrio (Neitsch et al., 2005). A SWAT representa a influĂŞncia das barragens a montante na entrega de sedimentos atravĂŠs dos cĂĄlculos do equilĂ­brio sedimentar em cada reservatĂłrio. A equação de equilĂ­brio da massa sedimentar ĂŠ listada na Equação 13. đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤ = đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤,đ?‘–đ?‘– + đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“ − đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ − đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“

(13)

Onde: sed wb =

quantidade de sedimento na massa de ĂĄgua no final de um passo de tempo diĂĄrio (toneladas mĂŠtricas)

sed wb,i =

quantidade de sedimento na massa de ĂĄgua no inĂ­cio do passo de tempo i (toneladas mĂŠtricas)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 25 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


sed flowin =

quantidade de sedimento adicionada Ă massa de ĂĄgua com o influxo (toneladas mĂŠtricas)

sed stl =

quantidade de sedimento removido da massa de ågua pela sedimentação (toneladas mÊtricas)

sed flowout =

quantidade de sedimento transportada para fora da massa de ĂĄgua com o escoamento (toneladas mĂŠtricas)

A sedimentação dos sólidos suspensos Ê calculada utilizando um decaimento de primeira ordem da concentração para representar a sedimentação do sedimento. A concentração inicial de sedimento suspenso no reservatório no passo de tempo i Ê dada na Equação 14.

đ?‘?đ?‘?đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘– =

ďż˝đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤,đ?‘–đ?‘– + đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“ ďż˝ ďż˝đ?‘‰đ?‘‰đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ + đ?‘‰đ?‘‰đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“ ďż˝

(14)

Onde: conc sed,i =

concentração inicial do sedimento suspenso no reservatório (mg/m3)

sed wb,i =

quantidade de sedimento na massa de ĂĄgua no inĂ­cio do passo de tempo i (toneladas mĂŠtricas)

sed flowin =

quantidade de sedimento adicionada ao reservatĂłrio com o influxo (toneladas mĂŠtricas)

V stored =

volume de ĂĄgua armazenado no reservatĂłrio no inĂ­cio do passo de tempo i (m3)

V flowin = tempo (m3)

volume de ĂĄgua que entra no reservatĂłrio dentro do passo de

A SWAT inicia a estabilização do sedimento quando uma concentração do equilíbrio sedimentar (ajustada pelo usuårio) Ê excedida. A concentração final de sedimento no fim de um passo de tempo Ê baseada nas Equaçþes 15 e 16.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 26 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


đ?‘–đ?‘–đ?‘–đ?‘– đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘– > đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’

đ?‘?đ?‘?đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘“đ?‘“ = đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ + ďż˝đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘– − đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ ďż˝ ∙ đ?‘’đ?‘’

(−đ?‘˜đ?‘˜đ?‘ đ?‘ ∙đ?‘Ąđ?‘Ąâˆ™đ?‘‘đ?‘‘50 )

đ?‘–đ?‘–đ?‘–đ?‘– đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘– ≤ đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’

(15)

(16)

đ?‘?đ?‘?đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘“đ?‘“ = đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘–

Onde: conc sed,f =

concentração final de sedimento na massa de ågua (mg/m3)

conc sed,eq = (mg/m )

concentração do equilíbrio do sedimento na massa de ågua

ks =

constante do decaimento de primeira ordem (day-1). O valor padrĂŁo ĂŠ definido como 0.184, o que representa que 99% do tamanho 1Âľm das partĂ­culas, se separam da suspensĂŁo em 25 dias.

t=

duração do passo de tempo (1 dia)

d 50 =

tamanho mĂŠdio da partĂ­cula do sedimento do influxo (Âľm)

3

A quantidade de sedimentação dos sedimentos suspensos em determinado dia ĂŠ calculada utilizando a Equação 17. đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ = ďż˝đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘– − đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘“đ?‘“ ďż˝ ∙ đ?‘‰đ?‘‰

(17)

Onde: sed stl =

quantidade de sedimento removida da ågua pela sedimentação (toneladas mÊtricas)

V=

volume de ĂĄgua no represamento (m3)

A eficiência da coleta (em um passo de tempo diårio) poderå ser calculada pela aplicação da Equação 18.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 27 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡đ?‘‡ đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ??¸đ?‘–đ?‘– =

đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“đ?‘“

(18)

A SWAT adota um reservatĂłrio bem variado, e portanto, a concentração de sedimento que flui para fora do reservatĂłrio ĂŠ igual Ă concentração do sedimento no sistema bem variado. Para alcançar uma eficiĂŞncia de coleta perto de 100% em reservatĂłrios grandes, a sedimentação precisa ser iniciada em uma baixa concentração, e a constante do decaimento de primeira ordem precisa assentar a maior parte do sedimento dentro de um Ăşnico passo de tempo de 1 dia. Por conseguinte, ambas as concentraçþes de equilĂ­brio talvez necessitem uma diminuição artificial em reservatĂłrios grandes para quase zero, e a constante de decomposição poderĂĄ necessitar de ser aumentada artificialmente para assentar a maioria dos sĂłlidos suspensos dentro do passo de tempo do modelo (um dia ĂŠ o passo de tempo que ĂŠ utilizado na SWAT). Poucos estudos investigaram a habilidade da SWAT para representar a sedimentação diretamente nos reservatĂłrios; todavia, muitos estudos investigaram o assentamento e concentração de nutrientes nos reservatĂłrios utilizando a SWAT (ver White et al., 2010; e Bosch, 2008). O estudo preliminar que investigou a robustez da SWAT para medir as taxas de sedimentação foi conduzido por Mishra et al. (2007) em uma pequena bacia hidrogrĂĄfica (17 km2) na Ă?ndia. Mishra utilizou um valor de concentração sedimentar de 450 mg/L para iniciar a sedimentação, embora nĂŁo forneça uma justificativa por ter utilizado este valor. O modelo da Ă?ndia teve trĂŞs reservatĂłrios no fluxo com capacidade de armazenamento variando entre 0.18 e 0.27 milhĂľes de metros cĂşbicos. O modelo foi calibrado para ambas as produçþes diĂĄrias e mensais de sedimentos, e alcançou um valor R2 de 0 (produçþes mensais) e 0.82 (produçþes diĂĄrias). Esse estudo mostrou que os reservatĂłrios no modelo de bacia hidrogrĂĄfica da Ă?ndia capturou e ajustou, com precisĂŁo, o sedimento utilizando as rotinas de sedimentação do reservatĂłrio na SWAT. Outras fontes de acumulação (zonas profundas) no orçamento sedimentar incluem pântanos, depressĂľes, planĂ­cies aluviais, e acumulação no canal. Cada zona profunda sedimentar tem seu prĂłprio conjunto de procedimentos (ambas as coletas matemĂĄticas e de campo) para estimar as taxas de sedimentação. Por exemplo Parker (2008) lista oito equaçþes diferentes que podem ser utilizadas para calcular as taxas de sedimentação nas planĂ­cies aluviais pelo tamanho do grĂŁo. Parker tambĂŠm lista diversos mĂŠtodos de campo incluindo marcadores, extração, e "cadeias de Leopold" (exemplo, cadeias de vasculhamento) para estimar a sedimentação da planĂ­cie aluvial. Essas zonas profundas especĂ­ficas nĂŁo sĂŁo o interesse principal desta pesquisa. Deve ser salientado que a SWAT incorpora os mesmos mĂŠtodos utilizados na sedimentação do reservatĂłrio (uma abordagem do balanço de massas) para calcular as taxas de sedimentação nas depressĂľes, Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 28 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


pântanos, lagoas e lagos. A planície de inundação e outras zonas profundas no fluxo são abordadas na SWAT utilizando os algoritmos de transporte e roteamento de sedimento previamente descritos. 2.3.5

Capacidades Adicionais na SWAT

Gassman et al. (2007) conduziu uma análise detalhada na literatura sobre as aplicações onde a SWAT tem sido utilizada, incluindo: •

Avaliações Hidrológicas

Fluxo de Base nos Sistemas Influenciados por Carste

Recarga de águas subterrâneas e aplicações fluxo da telha

Aplicações do degelo

Irrigação

Influência de pântanos, reservatórios, e outros represamentos

Estudos de perda de poluentes

Estudos de sedimentos

Estudos de Nitrogênio e Fósforo

Estudos sobre Pesticidas e Surfactantes

Análise BMP

Mudança climática

Gassman considerou que inúmeros estudos têm mostrado a robustez da SWAT na previsão de cargas sedimentares em diferentes escalas de bacia hidrográfica (ver Arnold et al., 1999; Saleh et al.; 2000; Srinivasan et al.; 1998). Várias outras equações e processos estão incorporados na SWAT e serão usados indiretamente neste projeto, embora não estejam descritos aqui. Por exemplo, o ciclo (e disponibilidade) de nitrogênio e fósforo será modelado na SWAT para calcular a densidade do cultivo; porém, esses parâmetros não serão calibrados especificamente no modelo SWAT do Rio São Francisco. Além disso, a recarga de águas subterrâneas e influxo lateral serão modelados na SWAT para calcular o orçamento hídrico em cada passo de tempo. Esses processos intermediários são importantes para serem calculados no desenvolvimento geral do modelo SWAT, mas não são os resultados diretos que estão sendo investigados neste projeto. Mais informações sobre os inúmeros processos intermediários incorporados na SWAT podem ser encontrados na Documentação Teórica da SWAT2009 (Neitsch, et al., 2011). Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 29 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


2.4

Estabelecer referência nas taxas de entrega de sedimentos utilizando a SWAT

O modelo de Ferramenta de Avaliação de Solo e Água (SWAT) foi desenvolvido para toda a bacia do Rio São Francisco. Um conjunto de amostras de medidas de fluxo e sedimentos foram selecionadas e o modelo foi calibrado para ambas as cargas de fluxo e sedimentares (ver Capítulos 4 e 5). Os seguintes passos foram usados para estabelecer um modelo SWAT calibrado: 1. Desenvolver uma geodatabase da bacia do Rio São Francisco, que inclui dados espaciais como o Modelo de Elevação Digital de 30m (DEM); dados de solos do Brasil; uso de terras detalhados; principais barragens; e dados importantes de irrigação. Além disso, dados meteorológicos, de fluxo e de sedimentos de longo prazo das estações e medidas foram incluídos na geodatabase. 2. Delinear o limite da bacia hidrográfica utilizando as ferramentas de delineação de bacias da SWAT. 3. Desenvolver uma rede hidrográfica e topologia de sub-bacia, baseadas no DEM, utilizando as ferramentas de desenvolvimento de rede de drenagem da SWAT. 4. Adicionar reservatórios ao modelo da SWAT, incluindo gestão de reservatórios. Gestão de reservatórios para a maioria dos reservatórios irá incluir a data que irá iniciar a sedimentação no modelo SWAT. Quando uma informação detalhada da gestão sobre barragens em regiões montanhosas se tornar conhecida, essa informação será também colocada no modelo SWAT. 5. Adicionar irrigação ao modelo SWAT, incluindo gestão de irrigação. Informação detalhada da gestão, quando conhecida, foi colocada no modelo SWAT. 6. Dimensões gerais do canal e o n de Manning foram colocadas no modelo em um nível da bacia (por exemplo, condições médias do canal foram aplicadas em cada sub-bacia no modelo SWAT). 7. A SWAT foi calibrada para os dados de fluxo em um conjunto de amostras de medidas da Agência Nacional de Águas (ANA) dentro de cada bacia hidrográfica. Um período de registro que consiste em 6 anos de dados mensais foi escolhido para a calibração. Esse período de tempo fornecer dados suficientes para um modelo calibrado estatisticamente significativo, mas também é curto o bastante para assegurar que a utilização da terra possa ser de regime permanente. A calibração mensal é suficiente devido aos tipos de questões que o modelo costumava responder (orçamento sedimentar em uma escala anual). O processo de calibração incluía principalmente a calibração manual. Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 30 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


8. O modelo SWAT então foi calibrado para cargas sedimentares conhecidas em um prazo anual. Essas cargas foram determinadas baseadas em dados de medidas de sedimento da vazão obtidos da ANA.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 31 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.0

Dados do modelo da Bacia Hidrográfica

Os dados primários que foram usados para construir a hidrologia e a produção de sedimentos do modelo da SWAT incluem os seguintes tópicos: •

Topografia

Solos

Uso da Terra

Reservatórios

Retirada da Irrigação

Clima ( precipitação, temperatura, umidade relativa, radiação solar e vento).

Medidas (vazão do rio e medidas dos sedimentos).

A topografia, solos, e o uso das camadas da terra foram sobrepostos e usados para criar as Unidades de Respostas Hidrológicas (HRUs). As áreas que possuem encostas similares, classificação de solo e o uso da terra foram agrupadas em uma única HRU. As propriedades de uma HRU individual são consideradas uniformes sobre cada sub-bacia hidrográfica. Cada sub-bacia hidrográfica possui várias HRUs ( o número depende do tamanho de cada bacia hidrográfica, da resolução dos dados, e como os dados são agrupados juntos). Os reservatórios principais foram adicionados ao modelo para armazenar água e sedimentos. Irrigação também foi adicionada como água retirada do modelo. Os dados sobre clima são informações armazenadas que controlam o modelo. Precipitação, temperatura, umidade relativa, radiação solar e vento são todos variáveis usados para calcular os processos de hidrologia que ocorrem na bacia hidrográfica. Vazão e medidas de sedimentos foram usados para calibração e validação dos resultados do modelo. A seção de Calibração desse relatório descreve as medidas da vazão e dos sedimentos usados na calibração e validação. Mais informações mostram como o modelo da SWAT usa cada tipo de dado e como pode ser encontrados nas referências da SWAT.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 32 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.1

Dados de Topografia

Os dados da topografia foram inicialmente usados para criar o modelo de topologia da SWAT usando ArcSWAT. ArcSWAT é um pré-processo do modelo da SWAT que gera um modelo de geometria, topologia, e HRUs. Os dados da topografia foram obtidos através do Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) pela NASA (NASA, 2013). Esse dado consiste em um Modelo de Elevação Digital de 30 metros (DEM) para todo o tanque (ver figura 5). Figura 5: Dados de Topografia usados no modelo da SWAT

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As ferramentas para Delineação da Bacia Hidrográfica Automática na ArsSWAT foram utilizadas para dividir a bacia hidrográfica em 76 sub-bacias. Os dados da topografia também foram usados para dividir a bacia hidrográfica em 3 categorias de inclinação, que foram usadas para definir a primeira parte da HRU. Essas categorias são: 1. 0% - 2% inclinação 2. 2% - 5% inclinação 3. Mais de 5% inclinação Ver figura 6 com a distribuição completa de inclinações da bacia e da classificação das sub-bacias hidrográficas usada no modelo da SWAT. Figura 6: Inclinações e Subclassificação na SWAT

¯ 0 50 100

200

300

400 Kilometers

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 34 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.2

Solos

Os dados do solo estão disponíveis pela Embrapa de forma digital intitulado Mapa de Solos Do Brasil (Embrapa, 1981). Esse mapa foi digitalizado no centro de processamento de dados de pesquisas Geológicas EROS, em 1992 em Sioux Falls, Dakota do Sul nos Estados Unidos. Existem setenta grupos de solo definidos no total dos solos do Brasil computados dentro da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. ArcGIS 10.0 foi usado para “agrupar" os solos computados ao limite da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Veja Figura 7 com o mapa dos dados dos solos na bacia hidrográfica. O modelo da SWAT requer informações físicas e químicas numerosas sobre a propriedade do solo para cada solo da bacia hidrográfica. Os dados da propriedade física e química do solo não estavam diretamente disponíveis no campo de processamento da Embrapa. Portanto, um segundo campo de processamento de dados do solo foi usado para extrair as informações sobre a propriedade do solo e foram aplicados diretamente sobre a fronteira do solo da Embrapa. O Centro Internacional de Referência e Informação do Solo (ISRIC) fornece dados do solo com 5 “arc-minute” de resolução para o mundo, incluindo as propriedades físicas e químicas do solo (Batjes, 2012). A lista a seguir inclui as informações do ISRIC sobre o solo e o nome associado à lista variável da SWAT em parênteses: •

Número de camadas (NLAYERS)

Espessura de camada por camada (SOL_Z)

Grupo Hidrológico do Solo (HYDGRP)

Profundidade máxima da raiz do solo (SOL_ZMX)

Fração de porosidade pela qual os ânions são excluídos (ANION_EXCL)

Possível Volume de Fissura (SOL_CRK)

Densidade úmida da espessura (SOL_BD)

Capacidade de água disponível (SOL_AWC)

Condutividade Hidráulica Saturada (SOL_K)

Conteúdo de Carbono Orgânico (SOL_CBN)

Porcentagem de Fragmentos de Argila, Silte, areia e rocha (CLAY, SILT, SAND, & ROCK).

Solo úmido albedo (SOL_ALB)

Equação da Perda Universal do Solo (USLE) Erodibilidade (K) fator (USLE_K)

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O solo que fornece dado pode ser encontrado pelo usuário dentro da base de dados SWAT2012.mbd. Esse dado também pode ser consultado dentro da interface do ArcSWAT. Um exemplo de dados para uma camada específica do solo é mostrada na Figura 8.

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Figura 7: Mapa dos Solos da Bacia do Rio São Francisco

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Figura 8: Exemplo de Solos fornecidos pela Base de Dados em ArcSWAT

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 38 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.3

Uso da Terra

Os dados do uso da terra no modelo da SWAT são necessários para definir as atividades associadas à agricultura, uso urbano da terra, florestas, etc. Cada uso da terra tem um impacto específico para a hidrologia e produção de sedimentos fornecidos pela bacia hidrográfica. O banco global de processamento de dados -GlobCover- foi usado para designar o uso da terra ao modelo SWAT do Rio São Francisco. O GlobCover 2005 é um banco global de processamento de dados com 300m X 300m de resolução de “landcover/cobertura de terra” desde o ano de 2005 (Agência Europeia do Espaço, 2006). Ver tabela 6 sobre as categorias do uso da terra associadas ao banco de processamento de dados do GlobCover 2005. Figure 9 A Figura 9 inclui um mapa de usos da terra dentro do modelo da SWAT.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 39 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Tabela 6: Categorias GlobCover 2005 e Usos da terra Associados à SWAT Value

SWAT Description Agricultural LandClose-grown Agricultural LandRow Crops Agricultural LandGeneric Agricultural LandGeneric

Description

SWAT

11

Post-flooding or irrigated croplands (or aquatic)

AGRC

14

Rainfed croplands

AGRR

20

Mosaic cropland (50-70%) / vegetation (grassland/shrubland/forest) (20-50%)

AGRL

30

Mosaic vegetation (grassland/shrubland/forest) (50-70%) / cropland (20-50%)

AGRL

40

Closed to open (>15%) broadleaved evergreen or semideciduous forest (>5m) Closed (>40%) broadleaved deciduous forest (>5m)

FRSE

Forest-Evergreen

FRSD

Open (15-40%) broadleaved deciduous forest/woodland (>5m)

FRSD

Closed (>40%) needleleaved evergreen forest (>5m) Open (15-40%) needleleaved deciduous or evergreen forest (>5m) Closed to open (>15%) mixed broadleaved and needleleaved forest (>5m) Mosaic forest or shrubland (50-70%) / grassland (20-50%)

FRSE

Forest-Deciduous Forest-Deciduous Forest-Evergreen

FRST

Forest-Mixed

FRST

Forest-Mixed

FRST

Mosaic grassland (50-70%) / forest or shrubland (20-50%) Closed to open (>15%) (broadleaved or needleleaved, evergreen or deciduous) shrubland (<5m) Closed to open (>15%) herbaceous vegetation (grassland, savannas or lichens/mosses) Sparse (<15%) vegetation Closed to open (>15%) broadleaved forest regularly flooded (semi-permanently or temporarily) - Fresh or brackish water Closed (>40%) broadleaved forest or shrubland permanently flooded - Saline or brackish water Closed to open (>15%) grassland or woody vegetation on regularly flooded or waterlogged soil - Fresh, brackish or saline water

RNGE

Forest-Mixed Range-Grasses

RNGB

Range-Brush

RNGB

Range-Brush

BARR

Barren

WETF

Wetlands-Forest

WETF

Wetlands-Forest

WETL

Wetlands-Mixed

190

Artificial surfaces and associated areas (Urban areas >50%)

URHD

200 210 220 230

Bare areas

BARR

Water bodies

WATR

Permanent snow and ice

WATR

No data (burnt areas, clouds,…)

BARR

50 60 70 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Residential-High Density Barren Water Water Barren

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 40 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 9: Usos da terra utilizados pela SWAT no modelo da Bacia do Rio São Francisco

¯

0 50 100

200

300

400 Kilometers

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 41 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.4

Dados do Clima

A SWAT exige os seguintes dados sobre o clima para serem incluídos no modelo da bacia hidrográfica: •

Temperatura (°C)

Precipitação (mm)

Vento (m/s)

Umidade Relativa (fração).

Radiação Solar (MJ/m2)

Os dados do clima sobre toda a bacia hidrográfica do Rio São Francisco estão disponíveis no Global Weather para o website da SWAT (http://globalweather.tamu.edu/). Esse site junta todos os dados sobre clima disponíveis dentro do limite de 5° (Latitude) a 5° (Longitude). Os 4 passos a seguir são exigidos a fim de obter os dados disponíveis sobre o clima: 1. Selecionar um “bounding box” para definir as Estações do clima (Figura 10) 2. Definir o período de tempo do clima (Figura 11) 3. Selecionar qual dado é ideal para ser coletado. (Figura 12) 4. Selecionar como o dado deve ser para que seja deliberado (Figura 13) Figura 10: Definir Localização de Estação de Clima

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 42 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


O modelo da bacia hidrográfica do Rio São Francisco foi projetado para ser calibrado para o recente uso da terra e hidrologia. O modelo incluía dados de 1995 a 2006 com dados do modelo de 2001-2006. Portanto, um período de doze anos de dados é selecionado (1 de Janeiro de 1995 a 31 de Dezembro de 2006). Os primeiros seis anos do modelo é um período “hotstart”, isso significa que o modelo não será calibrado nos primeiros seis anos de dados. Figura 11: Definir Período de Estação de Clima

Todos os dados disponíveis sobre o clima foram selecionados e usados no modelo da SWAT. Portanto todas as opções de dados do site do Global Weather foram selecionadas.

Figura 12: Selecionar qual dado sobre o clima é ideal para ser coletado.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 43 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 13: Selecionar como o dado deve ser para que seja deliberado

Devido ao tamanho da bacia hidrográfica do Rio São Francisco e as limitações de somente ser capaz de realizar o download dos dados do Global Weather da 5° a 5° janela no site da SWAT, o procedimento anterior foi repetido 6 vezes (um total de seis downloads de dados de 5° a 5° foram realizados). O procedimento acima gerou seis arquivos de texto separados para cada um dos seguintes itens:temperatura, precipitação, vento, umidade relativa e radiação solar. O Excel foi usado para fundir os seis arquivos de texto sobre a temperatura em um para uso da SWAT. Isso foi repetido para os arquivos de localização de estações do clima restantes ( arquivos de texto sobre umidade relativa, radiação solar, temperatura, e vento). Existe um total de 1.254 estações de clima com dados diários para temperatura, precipitação, vento, umidade relativa, e radiação solar. 3.5

Dados dos Reservatórios

Cinco dos maiores reservatórios da Bacia de São Francisco foram adicionados ao modelo. Esses reservatórios incluem a lista seguinte, e são mostrados na Figura 14: •

Três Marias

Localizado à 18° 12′ 51″ S, 45° 15′ 46″ W

Sobradinho

Localizado à 9° 25′ 54″ S 40° 49′ 40″ W

Luiz Gonzaga

Localizado à 9° 8′ 38″ S 38° 18′ 48″ W

Paulo Afonso

Localizado à 9° 23′ 49″ S 38° 12′ 08″ W

Xingó

Localizado à 9° 37′ 14″ S 37° 47′ 34″ W

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 44 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 14: Principais Barragens da Bacia do Rio São Francisco

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 45 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


As várias propriedades dos reservatórios foram aplicadas ao modelo da SWAT. A tabela 7 descreve os volumes e áreas de superfície para cada reservatório de vertedouro de emergência e do vertedouro principal. Tabela 7: Parâmetros Físicos do Reservatório usados no Modelo da SWAT SWAT ID 71 17 8 11 14

Reservoir Name Três Marias Sobradinho Luiz Gonzaga Paulo Afonso Xingó

RES_ESA RES_EVOL RES_PSA RES_PVOL RES_VOL 4 3 4 3 4 3 (ha) (ha) (10 m ) (10 m ) (10 m ) 115556 2333333 104000 2100000 2100000 468889 3788889 422000 3410000 3410000 92222 1188889 83000 1070000 1070000 11111 133333 10000 120000 120000 6667 422222 6000 380000 380000

Onde, RES_ESA = Área da superfície do reservatório quando o reservatório é preenchido pelo vertedouro de emergência . RES_EVOL = Volume de água necessário para preencher o reservatório do vertedouro de emergência. RES_PSA =

Área da superfície do reservatório quando preenchido para o vertedouro principal. Uma redução de 10% do vertedouro de emergência é esperada.

RES_PVOL = Volume de água necessário para preencher o reservatório para o principal vertedouro RES_VOL = Volume do reservatório inicial Note que o valor inicial para a RES_ESA, RES_EVOL, RES_PSA, RES_PVOL e RES_VOL tinha que ser aumentado na tabela resrng do banco de processamento de dados da SWAT2012. mdb porque os limites máximos dessas variáveis eram menos do que os volumes e áreas das barragens que estavam sendo modeladas. A RES_ESA e RES_PSA foram aumentadas para 500.000 hectares, e as 3 variáveis restantes foram diminuídas para 5.000.000 x104 m3. As propriedades de sedimentos iniciais (entre outros parâmetros) usadas no modelo da SWAT para cada reservatório são descritas na Tabela 8.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 46 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Tabela 8: Sedimentos e outros Parâmetros Padrão do Reservatório SWAT ID 71 17 8 11 14

Reservoir Name Três Marias Sobradinho Luiz Gonzaga Paulo Afonso Xingó

RES_SED RES_NSED (mg/L) (mg/L) 100 450 100 450 100 450 100 450 100 450

RES_D50 (μm) 10 10 10 10 10

RES_K (mm/hr) 0 0 0 0 0

EVRSV 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6

As variáveis de sedimentos padrão que são usadas em todos os reservatórios estão listadas abaixo: RES_SED = A concentração de sedimento inicial no reservatório RES_NSED = Esse é a concentração de sedimento em equilíbrio no reservatório RES_D50 =

Esse é diâmetro do sedimento mediano que é depositado no reservatório

RES_K =

Condutividade Hidráulica da base do reservatório

EVRSV =

Coeficiente de evaporação do reservatório.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 47 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


3.6

Irrigação

A Irrigação é permitida em toda a bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Existe um total de 26 recursos de irrigações principais identificadas pela CODEVASF e eles são fornecidos para a equipe. Os nomes, localizações, vazão permitida e informações adicionais associadas a cada operação de irrigação estão listados na Tabela 9. As localizações dos recursos da irrigação são mostradas na Figura 15. Tabela 9: Atividades de Irrigação Permitidas na Bacia do Rio São Francisco SR

Name

Coordinates Latitude

Gorutuba 15º 49' 55'' S Jaíba 15º 5' 24.088'' S Lagoa Grande 15º 44'55" S Pirapora 17º 14' 56" S Barreiras do Norte 12º 4' 47.509" S Ceraíma 14º 17' 23" S Estreito 14º 49' 35" S Formoso A 13º 11' 7" S Miroros 11º 27' 34" S Nupeba 11º 48' 35" S Piloto Formoso 13º 36' 16" S Riacho Grande 11º 55' 28" S São Desidério 12º 21' 38" S Bebedouro 9º 22' 44.775" S Nilo Coelho 9º 25' 36.603" S Betume 10º 25' 4" S Cotinguiba-Pindoba 10º 16' 30" S Propria 10º 12' 18.605" S Boacica 10º 14' 04'' S Itiúba 10º 13' 13,2'' S Marituba 10º 23' 38'' S Curaçá 9º 3' 44'' S Mandacaru 9º 23' 3'' S Maniçoba 9º 17' 358'' S Salitre 1 9º 28' 52.644'' S Tourão 9º 24' 26.558'' S

Name of Source

Source Type

Intake Type

Permitted Flow m³/h

Gorutuba São Francisco Gorutuba São Francisco Grande Carnaíba de Dentro Verde Pequeno Corrente Verde Grande Formoso Grande São Desiderio São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco São Francisco

Dam River Dam River River Dam Dam River Dam River River River Dam River River River River River River River River River River River River River

Gravity Pump Pump Pump Pump Gravity Gravity Pump Pump Pump Pump Pump Gravity Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump Pump

8762 53529 8740 3750 12642 539 4669 47160 3110 14196 1620 8042 4700 13320 83520 7167 6939 5775 9345 3373 4817 19675 5200 23160 25200 47736

Longitude

43º 15' 46'' W 44º 5' 24.088'' W 43º18'36"W 44º 51' 14" W 44º 57" 59.326" W 42º 44' 8" W 42º 48' 27" W 43º 38' 37" W 42º 20' 34" W 44º 43' 0" W 44º 23' 45" W 44º 50' 48" W 44º 58' 20" W 40º 26' 38.103" W 40º 49' 20.852" W 36º 33' 34.487" W 36º 46' 55" W 36º 50' 4.445" W 36º 38' 25'' W 36º 47 53.4'' W 36º 33 8'' W 40º 2' 52'' W 40º 26' 32'' W 40º 18' 57'' W 40º 37' 36.879'' W 40º 27' 31.108'' W

SWAT Basin 55 56 55 68 31 46 53 42 23 29 45 29 35 12 13 21 21 21 21 21 21 7 12 12 22 12

Os dados da irrigação foram adicionados ao modelo da SWAT editando o banco de processamento de dados. WUS.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 48 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 15: Localização dos Recursos da Irrigação

¯ 0 50 100

200

300

400 Kilometers

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 49 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


4.0

CALIBRAÇÃO DA HIDROLOGIA

Após o fornecimento dos parâmetros-padrão ao modelo, o modelo SWAT passou por um processo de calibração. O modelo foi calibrado primeiramente quanto à hidrologia (dados de medição de vazões) da bacia hidrográfica em uma série de medidas e então calibrado quanto a sedimento (obtido das medidas de sedimento). 4.1

Variáveis da Hidrologia Usadas na Calibração

Os parâmetros a seguir foram usados para calibrar o modelo em ordem. O arquivo parâmetro do banco de dados do SWAT foi incluído entre parênteses: 1. Largura do canal principal (CH_W2.rte) 2. Escoamento de base dos dias-alfa (ALPHA_BF.gw) 3. Largura do canal afluente (CH_W1.sub) 4. O “n” de Manning do canal principal (CH_N.rte) 5. Profundidade do canal principal do topo ao fundo da margem (CH_D.rte) 6. Número da Curva Runoff (escoamento superficial)(CN2.mgt) 7. Condutividade hidráulica do solo (SOL_K.sol) 8. Condutividade hidráulica no canal principal (CH_K2.rte) 9. Condutividade hidráulica nos afluentes da sub-bacia (CH_K1.sub) 10. Declividade da inclinação média da HRU (HRU_SLP.hru) 11. Comprimento da inclinação média da HRU (SLSUBBSN.hru) 12. O “n” de Manning para fluxo terrestre (OV_N.hru) 13. Fração da percolação do aquífero profundo (RCHRG_DP.gw) 14. Coeficiente do atraso do escoamento superficial (SURLAG.bsn) 15. Profundidade do limiar da água no aquífero raso para fluxo de retorno (GWQMN.gw) 16. Coeficiente revap de águas subterrâneas (GW_REVAP.gw) 17. Profundidade do (REVAPMN.gw)

limiar

da

água

no

aquífero

raso

para

percolação

18. Tempo de atraso das águas subterrâneas Os itens listados acima são ou parâmetros sensíveis que podem ser usados para calibração ou parâmetros que geralmente contém informação conhecida. Parâmetros conhecidos ou Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 50 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


que podem ser calculados ou estimados foram antes ajustados para desenvolver o modelo mais representativo de bacia hidrográfica possível. Parâmetros adicionais desconhecidos foram ajustados numa extensão maior com o objetivo de se alcançar calibração. Programas de calibração automatizados estão disponíveis (como o SWAT-CUP); porém, foi decidido calibrar manualmente o modelo da bacia hidrográfica do Rio São Francisco para se desenvolver um entendimento mais profundo da interação dos vários parâmetros aos resultados do modelo. Parâmetros não inclusos na lista acima usaram valores-padrão SWAT e não foram ajustados no processo de calibração. A hidrologia foi primeiro calibrada quanto ao medidor Morpará (medidor ANA 46360000). Este medidor está localizado próximo à Morpará, BA, a aproximadamente 50km a montante da confluência do Rio São Francisco e do Rio Grande. Esse local está próximo ao meio da área foco do projeto (o canal de navegação) e o local não é influenciado significativamente por nenhuma operação do reservatório. Esta condição de fluxo livre do rio torna o local adequado para a calibração dos parâmetros de largura da bacia hidrográfica e o local é representativo quanto à área de interesse ao modelo SWAT. Depois que a hidrologia foi calibrada em relação ao medidor Morpará, medidores adicionais foram investigados para garantir a calibração ao longo da bacia. Calibrações localizadas complementares foram necessárias para que algumas sub-bacias hidrográficas alcançassem calibração ao longo da bacia do Rio São Francisco. As seções seguintes descrevem como os valores-padrão foram ajustados para se alcançar calibração.

4.1.1

Largura do Canal Principal (CH_W2.rte)

A largura do canal principal é um parâmetro moderadamente sensível para a hidrologia (entretanto, este é um parâmetro muito sensível para a calibração do sedimento). A largura dos canais principais podem ser estimadas usando-se fotos aéreas dos rios. Isso foi realizado em condições de águas rasas (quando as fotos foram tiradas) para garantir que as larguras das planícies de inundação não se associassem com as larguras dos canais no SWAT. O pré-processador ArcSWAT geralmente superestima as larguras do curso d’água e, logo, este foi o primeiro valor ajustado. Em cada sub-bacia, foi selecionado um trecho representativo para medir a largura (geralmente perto do meio do trecho ou sub-bacia). A Tabela 10 mostra as larguras medidas associada a cada trecho. Em geral, as larguras foram reduzidas aproximadamente uma ordem de magnitude daqueles calculados pelo ArcSWAT.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 51 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Tabela 1: Larguras, Profundidades e Relações Estimadas do Canal Principal para cada Trecho Reach

Width, m

Depth, m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

51 15 35 730 28 140 800 4000 2000 40 1200 1180 1200 600 715 100 10000 800 48 800 750 68 73 610 36 98 690 100 59 24 55 48 60 10 50 750 9 20

5.1 1.5 3.5 73 2.8 10 10 20 10 4 10 10 10 10 10 10 40 10 4.8 10 10 6.8 7.3 10 3.6 9.8 10 10 5.9 2.4 5.5 4.8 6 1 5 10 0.9 2

Width/Depth Ratio 9 9 9 9 9 13 79 199 199 9 119 117 119 59 70.5 9 249 79 9 79 74 9 9 60 9 9 68 9 9 9 9 9 9 9 9 74 9 9

Reach

Width, m

Depth, m

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76

650 34 50 120 30 800 30 10 32 800 46 64 700 41 33 40 30 700 26 52 550 450 45 188 430 140 118 25 89 350 68 300 130 130 108 68 89 50

10 3.4 5 10 3 10 3 1 3.2 10 4.6 6.4 10 4.1 3.3 4 3 10 2.6 5.2 10 10 4.5 10 10 10 10 2.5 8.9 10 6.8 10 10 10 10 6.8 8.9 5

Width/Depth Ratio 64 9 9 11 9 79 9 9 9 79 9 9 69 9 9 9 9 69 9 9 54 44 9 17.8 42 13 10.8 9 9 34 9 29 12 12 9.8 9 9 9

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 52 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


4.1.2

Escoamento de base dos Dias-Alfa (ALPHA_BF.gw)

O escoamento de base dos dias-alfa (unidades de 1/dias) ĂŠ conhecido como a constante de recessĂŁo do escoamento de base. De acordo com o Manual SWAT (2012), “a constante de recessĂŁo do escoamento de base, Îą gw , ĂŠ um Ă­ndice direto de resposta a mudanças de fluxo de ĂĄguas subterrâneas em reabastecimento (Smedema e Rycroft, 1983).â€? A constante de recessĂŁo do escoamento de base ĂŠ essencialmente um fator de escala que determina quanta ĂĄgua subterrânea pode escoar a um curso d’ågua prĂłximo como uma função de reabastecimento de fluxo. De acordo com a Documentação TeĂłrica do SWAT (2009), essas variĂĄveis estĂŁo relacionadas usando-se a equação 19: đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘”đ?‘”đ?‘”đ?‘” = đ?›źđ?›źđ?‘”đ?‘”đ?‘”đ?‘” ďż˝đ?‘¤đ?‘¤đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;â„Žđ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;,đ?‘ đ?‘ â„Ž − đ?‘„đ?‘„đ?‘”đ?‘”đ?‘”đ?‘” ďż˝ đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘

(19)

Onde: ι gw = constante de recessão do escoamento de base Q gw =fluxo das åguas subterrâneas para dentro do canal principal no dia i (mm H 2 O) w rchrg,sh = a quantidade de reabastecimento entrando no aquífero raso no dia I (mm H 2 O) Bacias hidrogråficas com uma resposta de reabastecimento lenta têm uma constante de recessão do escoamento de base baixa e bacias hidrogråficas com råpida resposta de reabastecimento têm constante de recessão do escoamento de base alta. O valor de diasalfa do escoamento de base pode ser determinado usando-se um programa de filtro de escoamento de base (Arnold et al., 1995). Os dias-alfa do escoamento de base podem ser calculados diretamente se o número de dias do escoamento de base de uma bacia hidrogråfica for conhecido. Dias de escoamento de base são a quantidade de tempo para o escoamento de base recuar na falta de reabastecimento das åguas subterrâneas. O programa de filtro do escoamento de base disponível no site do SWAT foi utilizado pelo modelo do Rio São Francisco. Este programa estå disponível em: http://swat.tamu.edu/software/baseflow-filter-program/ Os dados diårios do medidor de Morparå de 2001 a 2006 foram usados para se calcular os Dias de Escoamento de Base. O programa de filtro do escoamento de base calculou os dias do escoamento de base para o Rio São Francisco, no medidor de Morparå, como sendo de 46 dias. Os dias-alfa do escoamento de base podem ser calculados usando-se a Equação 20:

�� =

1 đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ 2.3 đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ ďż˝ = đ?‘ đ?‘ đ?‘„đ?‘„đ?‘œđ?‘œ đ??ľđ??ľđ??ľđ??ľđ??ľđ??ľ

(20)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 53 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


Onde: α=

dias-alfa de escoamento de base (1/dias)

N=

número de dias desde o começo da recessão

QN =

escoamento do rio no dia N

Qo =

fluxo inicial

BFD =

dias de escoamento de base

Visto que o filtro do escoamento de base calculou os dias de escoamento de base como sendo 46 dias, o fator alfa de escoamento de base usado no modelo SWAT é 0,05 dias-1. Este valor foi inicialmente aplicado de forma uniforme para todas as HRUs no modelo SWAT.

4.1.3

Largura do Canal Afluente (CH_W1.sub)

A largura dos canais afluentes é um parâmetro moderadamente sensível e, em geral, um limite superior/upper bound é conhecido por suas várias sub-bacias. Este valor impacta na quantidade de percolação através dos cursos d’água que perdem água, presentes na bacia hidrográfica (cursos d’água largos com uma condutividade hidráulica alta terão percolação significativa quanto ao aquífero raso). Já que virtualmente todos os afluentes que não foram modelados como um canal principal têm menos de 10 metros, o valor de 10 metros foi aplicado à largura do canal do afluente.

4.1.4

O “n” de Manning do Canal (CH_N2.rte)

O “n” de Manning representa a quantidade de atrito e formação de perdas/form losses no canal principal. Este parâmetro tem uma sensibilidade baixa no resultado do modelo da hidrologia, mas pode ser estimado para os canais na bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Verificou-se que projetos anteriores da CODEVASF-USACE na bacia hidrográfica do Rio São Francisco possuíam um valor “n” de Manning de aproximadamente 0,033 para o trecho Curralinho do canal (Ano Um - Projeto Três). Um valor mais baixo de 0,025 foi aplicado ao Campo de Provas trecho do rio (Ano Um Projeto Um). Um valor inicial de 0,030 foi fornecido aos trechos principais ao longo do modelo SWAT inteiro do Rio São Francisco. Devido à baixa sensibilidade do parâmetro, aplicar uniformemente este valor é apropriado e rendeu uma calibração aceitável. Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 54 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


4.1.5

Profundidade do Canal Principal do Topo da Margem (CH_D.rte)

Uma profundidade máxima de 10 metros foi aplicada ao modelo. Essa profundidade foi escolhida por ser um valor representativo observado no campo perto de Barra, Bahia, no Médio Rio São Francisco, bem como em Propriá, Sergipe (perto da foz do rio). Condições em ambos os locais observaram margens de até 4 metros de altura, com profundidades de até 6 metros. Dados complementares não estão disponíveis ao longo da bacia hidrográfica. No entanto, uma vez que estes lugares estão localizados perto da seção a jusante do canal de navegação (na Barra) e perto da foz (Propriá), não se espera que possuam canais significativamente mais profundos e, portanto, o valor de 10 metros foi selecionado como o valor limite superior. Essa profundidade foi reduzida pelos cursos d’água estreitos e uma suposta razão largura/profundidade de 10 foi aplicada. Isso foi baseado em canais observados, como o Rio Correntes, que tem uma largura de aproximadamente de 20 metros e uma profundidade máxima no topo da margem de 2 metros. Portanto, para cursos d’água com larguras menor que 100 metros, a profundidade do canal (ao topo da margem) foi reduzida. Por exemplo, a Bacia 10 tem uma largura medida em 40 metros e a profundidade fornecida ao modelo era de 4 metros. Uma razão largura/profundidade, que é ligeiramente menor que a razão largura/profundidade calculada, foi fornecida ao modelo para que a erosão da margem estivesse ativa (a erosão da margem só está ativa se a típica razão largura/profundidade, num determinado tempo, for menor que o valor fornecido). As profundidades CH_D.rte estão listadas na Tabela 10. 4.1.6

Número da Curva Runoff (CN2.mgt)

A variável CN2.mgt é o número inicial da curva runoff do Serviço de Conservação de Solo (SCS) para uma condição de umidade específica (condição de umidade II). Mais informações sobre referenciais do número da curva runoff podem ser encontrados em Wischmeier e Smith (1978) e SCS Engineering Division (1986). A ferramenta SWAT permite que o número da curva seja atualizado como uma função de práticas de agricultura (plantio, lavoura e operações de colheita). Para o modelo SWAT do Rio São Francisco, o número da curva não foi atualizado e permaneceu constante através da simulação inteira. Os números de curva são uma função dos tipos de solo e uso da terra. Números de curvapadrão podem ser encontrados na tabela “crop” SWAT2012.mdb. Esta tabela lista os usos das terras de agricultura e inclui colunas CNA, CNB, CNC e CND. Essas colunas correspondem às condições de solo hidrológicas A-D. Números-padrão CN complementares podem ser encontrados na tabela “urban” do banco de dados Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 55 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


SWAT2012.mdb. Os números de curva podem também ser vistos em cada HRU quando o usuário edita os parâmetros de Gerenciamento (.Mgt) em ArcSWAT (um exemplo é mostrado na Figura 16). A lista de números de curva para cada cobertura da terra é mostrada no Banco de Dados Land Cover/Plant Growth que pode ser acessado através do menu Edit SWAT Input, selecionando-se a opção Land Cover/Plant Growth (um exemplo é mostrado na Figura 17). Figura 1: Exemplo de Parâmetros de Gerenciamento (.Mgt)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 56 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 2: Banco de Dados Land Cover/Plant Growth incluindo os Números de Curva SCS

Os números de curva-padrão foram inicialmente aplicados a cada sub-bacia na bacia hidrográfica. Durante a calibração específica da bacia, alguns números de curva da bacia foram ajustados e estão descritos na Seção 4.3.

4.1.7

Condutividade hidráulica do solo (SOL_K.sol)

O Centro Internacional de Referência e Informação do Solo (ISRIC) fornece dados do solo com 5 “arc-minute” de resolução para o mundo, incluindo as propriedades físicas e químicas do solo (Batjes, 2012). Esse banco de dados foi usado para extrair todas as propriedades físicas do solo para a bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Os valorespadrão foram usados para todas as propriedades físicas do solo na bacia hidrográfica, exceto pela condutividade hidráulica. Os valores SOL_K.sol para o solo foi usado como parâmetro de calibração ao longo da bacia hidrográfica. Durante a calibração, verificouse que a condutividade hidráulica saturada para cada camada do solo foi reduzida por um

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 57 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


fator de 5 (por exemplo, o valor-padrão de condutividade hidráulica no banco de dados ISRIC para um latosol é 600mm/hr e o valor usado no modelo SWAT foi de 120mm/hr). 4.1.8

Condutividade hidráulica no canal principal (CH_K2.rte)

A condutividade hidráulica do canal principal mede quanta água é gasta para se reabastecer as águas subterrâneas. A unidade da condutividade hidráulica do canal principal (CH_K.rte) é mm/hr e, portanto, o comprimento e a largura totais do canal são importantes parâmetros a serem estimados corretamente para o reabastecimento das águas subterrâneas também serem calculadas corretamente. Uma condutividade hidráulica positiva do aluvião do canal principal classifica o curso d’água como um “rio em perda”, ou um curso d’água que perde água para as águas subterrâneas (ver Figura 18). A natureza de um curso d’água que perde água do Rio São Francisco é observada por medidores de escoamento investigativos (particularmente no médio Rio São Francisco). Em vários lugares, o escoamento do rio não aumenta significativamente a jusante e, em alguns casos, diminui. Parte dessa perda de água deve-se à evaporação, mas uma parte se deve também ao reabastecimento das águas subterrâneas no curso d’água que perde água. Figura 3: Relações curso d’água-águas subterrâneas (After Dingman, 1994)

a) Curso d’água que recebe água vindas do escoamento das águas subterrâneas b) Curso d’água que perde água conectado ao sistema das águas subterrâneas Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 58 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


c) Curso d’água que perde água em posição elevada, acima do sistema das águas subterrâneas d) Fluxo através do curso d’água O valor da condutividade hidráulica não é conhecido. O manual SWAT provê algumas orientações em condutividades hidráulicas estimadas dos rios naturais como uma função do material do leito (ver Tabela 11, after Lane, 1983). Este parâmetro é muito usado no processo de calibração. Um valor uniforme de 5mm/hr foi aplicado para todos os trechos dentro da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Tabela 2: Condutividades Hidráulicas Estimadas dos Vários Materiais do Leito

4.1.9

Condutividade hidráulica nos afluentes da sub-bacia (CH_K1.sub)

A condutividade hidráulica dos afluentes da sub-bacia é similar à condutividade hidráulica no canal principal. O parâmetro mede quanta água se perde para reabastecer as águas subterrâneas nos afluentes. A unidade da condutividade hidráulica do canal principal é mm/hr. Ver seção anterior para mais informações sobre este parâmetro. Inicialmente, um valor uniforme de 5mm/hr foi aplicado para todas as sub-bacias dentro da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. O valor foi mudado para algumas subbacias, como descrito na Seção 4.3.

4.1.10

Declividade da inclinação média de HRU (HRU_SLP.hru) A declividade da inclinação média é um valor calculado por ArcSWAT para cada HRU. Essa é uma variável muito sensível para ambas a água e a produção de sedimento da bacia hidrográfica. Inclinações mais íngremes têm fluxos de pico significativamente maiores, porcentagem de escoamento superficial aumentada e mais produção de Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 59 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


sedimento que inclinações mais achatadas. Os valores calculados para a HRU_SLP foram aplicados para a calibração inicial no medidor de Morpará. Alguns valores de HRU_SLP foram ajustados em áreas específicas para alcançar calibração em outros medidores. Essas mudanças estão descritas na Seção 4.3. 4.1.11 Comprimento da inclinação média de HRU (SLSUBBSN.hru) O comprimento da inclinação média é definido como a distância que o fluxo do lençol tem do processo de escoamento superficial dominante (ao invés de córrego ou fluxo do escoadouro). O ArcSWAT calcula este comprimento baseado em topografia, mas verificou-se que esse valor foi supercalculado. O manual SWAT observa que 90 metros é considerado um comprimento de inclinação muito longo. Visto que o ArcSWAT calcula todos os comprimentos de inclinação como maiores que 90 metros para cada HRU, as inclinações SLSUBBSN.hru foram reduzidas para 90 metros para todas as HRUs.

4.1.12

O “n”de Manning do fluxo terrestre (OV_N.hru)

O “n” de Manning do fluxo terrestre é uma medida do valor de atrito do escoamento superficial. O valor terrestre do “n” de Manning é geralmente maior do que em rios e canais. Um alcance do “n” de Manning como uma função das práticas de uso do solo é mostrado na Tabela 12 de Engman (1983). Tabela 3: O “n” de Manning para Várias Superfícies de Fluxo Terrestre

O valor-padrão de 0,08 foi aplicado para o escoamento superficial de cada bacia. Isso é consistente com uso do solo dominante como pastagens e agricultura de lavoura convencional. Variar o “n” de Manning terrestre por uso do solo não teve efeito

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 60 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


significativo nos resultados do modelo e, portanto, um valor de 0,08 foi uniformemente aplicado ao longo do fluxo terrestre no decorrer da bacia.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 61 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


4.1.13 Fração de percolação do aquífero profundo (RCHRG_DP.gw) A fração da percolação do aquífero profundo é uma medida da porcentagem de água que se perde do sistema hidrológico para o aquífero profundo. A porcentagem restante está disponível para ser evaporada através da coluna de solo ou para contribuir com o escoamento lateral dos cursos d’água. Esta variável é um parâmetro muito sensível para balancear a hidrologia da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Durante o processo de calibração manual, verificou-se que o valor de 0,6 (60%) balanceia a hidrologia e corresponde a registros de fluxo observados. Este valor foi aplicado ao longo de todas as HRUs na bacia, mas foi modificado por áreas específicas como descrito na Seção 4.3.

4.1.14 Coeficiente de atraso do escoamento superficial (SURLAG.bsn) O SURLAG é um coeficiente que é aplicado uniformemente no decorrer da bacia inteira (no arquivo da bacia e não especificamente no campo/local das sub-bacias ou HRUs). O coeficiente SURLAG controla a fração do total de água que é permitido alcançar um curso d’água num determinado dia. Em grandes bacias hidrográficas, o tempo de concentração será maior que um simples dia e, portanto, mais água deve ser armazenada na bacia (ou “atrasada”) antes de alcançar o curso d’água. O valor-padrão do SURLAG no SWAT é 4,0. Uma relação entre o coeficiente superfície, o tempo de concentração e a fração do armazenamento do escoamento superficial que alcança o curso d’água pode ser visto na Figura 19 e na Equação 21.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 62 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 4: InfluĂŞncia do SURLAG na Fração do Curso d’ågua no Trecho de Escoamento

′ đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ = ďż˝đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ + đ?‘„đ?‘„đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ,đ?‘–đ?‘–−1 ďż˝ ďż˝1 − ďż˝

−đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘†đ?‘† �� đ?‘Ąđ?‘Ąđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘?

(21)

Onde: Q surf =

Q’

a quantidade de escoamento superficial descarregado para o canal principal num determinado dia (mm H2O) =

a quantidade de escoamento superficial gerado na sub-bacia num determinado dia (mm H2O)

Q stor,i-1 =

o escoamento superficial armazenado ou atrasado do dia anterior (mm H 2 O)

SURLAG =

coeficiente do atraso do escoamento superficial

t conc =

tempo de concentração para a sub-bacia (hrs)

surf

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O SURLAG é um parâmetro sensível ao resultado do modelo SWAT. Durante o processo de calibração manual, verificou-se que um valor de 0,05 de SURLAG é muito baixo para ser apropriado. Esse valor baixo é justificado pelas grandes bacias que estão sendo modeladas na bacia hidrográfica do Rio São Francisco, rendendo armazenamento significativo em determinado dia, seguido de chuva.

4.1.15 Profundidade da água em aquífero raso no fluxo de retorno (GWQMN.gw) Para que a água do aquífero raso flua no curso d’água receptor, precisa haver certo volume ou profundidade no aquífero. A ferramenta SWAT usa o parâmetro GWQMN para aplicar uma profundidade limiar de água no aquífero raso para o fluxo de retorno ocorrer. A profundidade-padrão é 0mm na ferramenta SWAT (o que significa que o fluxo de retorno ocorre sempre se existir água no aquífero raso). Este valor foi ajustado durante a calibração, mas verificou-se que manter o valor-padrão de 0mm era apropriado para se atingir calibração aceitável.

4.1.16 Coeficiente revap das águas subterrâneas (GW_REVAP.gw) O revap das Águas Subterrâneas é um processo pelo qual a água no aquífero raso pode evaporar de volta para a zona não saturada. O coeficiente GW_REVAP dita se existe revap limitado (um valor de 0), ou se o revap se assemelha bastante à evaporação do lago (um valor de 1). A extensão do coeficiente revap é de 0,02 a 0,2 e o valor-padrão é de 0,02. Durante a calibração, verificou-se que o valor-padrão de 0,02 era apropriado para todas as HRUs na bacia hidrográfica do Rio São Francisco.

4.1.17 Profundidade da água no aquífero raso para revap (REVAPMN.gw) Certa altura da água deve estar disponível no aquífero raso para que o revap aconteça. O valor-padrão no SWAT é 1mm. Durante a calibração, verificou-se que uma profundidade apropriada para o revap acontecer é de 100mm. Isso foi aplicado a todas HRUs na bacia hidrográfica do Rio São Francisco.

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4.1.18 Tempo de atraso das águas subterrâneas (GW_DELAY.gw) O dia de águas subterrâneas (em dias) é uma medida de comprimento de tempo que leva para a água fluir do fundo da camada de solo mais profunda para a zona /valdose logo acima e para dentro do aquífero raso. O fluxo das águas subterrâneas através do solo é calculado como uma função de condutividade hidráulica do solo. Entretanto, embaixo da camada do solo, a ferramenta SWAT não aplica condutividade hidráulica ao material de origem que não é solo. Em vez disso, o parâmetro de atraso das águas subterrâneas é usado para atrasar o fluxo das águas subterrâneas depois deste ter fluído através do material do solo, mas antes de atingir o aquífero raso. O termo GW_DELAY vai de 0 a 500 dias no SWAT com um valor-padrão de 31 dias. Durante a calibração, foi determinado que um valor apropriado para o GW_DELAY é de 0 dias. Isso é justificado devido à camada de solo profundo providenciada no solo (1000mm em todos os lugares). Portanto, assim que as águas subterrâneas fluam através da camada do solo, elas imediatamente atingem o aquífero raso.

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4.2

Calibração Hidrológica do Medidor de Morparå

O medidor de MorparĂĄ (Medidor ANA 46360000) foi selecionado para a calibração inicial da amplitude da bacia do modelo SWAT. Este medidor foi selecionado pelos seguintes motivos: 1. O medidor inclui um longo registro de fluxo diĂĄrio (desde 1954) e ĂŠ um medidor atual. 2. O medidor inclui tanto registros de sedimentos como de fluxos 3. O medidor estĂĄ no mĂŠdio Rio SĂŁo Francisco. Este estudo centra-se na dinâmica de sedimento atual e previsĂŁo de sedimentos do mĂŠdio Rio SĂŁo Francisco e seus impactos na navegação. 4. O medidor nĂŁo ĂŠ fortemente influenciado por barragens/reservatĂłrios. Isso permite que a hidrologia natural da bacia seja observada. (O medidor ĂŠ apenas ligeiramente influenciado por controles na represa de TrĂŞs Marias). O medidor MorparĂĄ estĂĄ localizado a S 11°33'30", W 43°16'57" no tronco principal do Rio SĂŁo Francisco, na cidade de MorparĂĄ, Bahia. Esta localização corresponde ao influxo para a sub-bacia 27 do modelo SWAT (veja a Figura 20). Registros de fluxo diĂĄrios estĂŁo disponĂ­veis no medidor MorparĂĄ desde 1952. Esses dados foram usados para calibrar o modelo SWAT na afluĂŞncia na sub-bacia 27. O perĂ­odo de calibração do modelo consiste dos anos de 2001 ao ano de 2006. Esses dados foram traçados na Figura 21. A EficiĂŞncia Nash Sutcliffe (NSE), desenvolvida por Nash e Sutcliffe (1970) foi a medida estatĂ­stica hidrolĂłgica primĂĄria para determinar se a calibração foi alcançada. A NSE ĂŠ uma medida de quĂŁo melhor um modelo prediz comportamentos hidrolĂłgicos do que a mĂŠdia de dados observados. A equação do modelo NSE ĂŠ mostrada na Equação 22. đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ = 1 − Onde:

đ?‘Ąđ?‘Ą )2 ∑đ?‘‡đ?‘‡đ?‘Ąđ?‘Ą=1(đ?‘„đ?‘„đ?‘œđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Ą − đ?‘„đ?‘„đ?‘šđ?‘š ∑đ?‘‡đ?‘‡đ?‘Ąđ?‘Ą=1(đ?‘„đ?‘„đ?‘œđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Ą − ďż˝đ?‘„đ?‘„��đ?‘œđ?‘œďż˝)2

đ?‘„đ?‘„đ?‘œđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Ą =

vazão observada na observação t

t=

tempo (dias) de observação

đ?‘Ąđ?‘Ą đ?‘„đ?‘„đ?‘šđ?‘š =

(22)

vazão do modelo hidrológico na observação t

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 66 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


T=

número total de observaçþes

ďż˝đ?‘„đ?‘„��đ?‘œđ?‘œďż˝ =

mÊdia de todas as observaçþes

Figura 5: Medidor de MorparĂĄ no Modelo SWAT (AfluĂŞncia da Bacia 27)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 67 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


Figura 6: Fluxo Diário no Medidor Morpará (2001-2006)

Moriasi et al. (2007) proveem recomendações para se determinarem métricas estatísticas para calibração da hidrologia, produção de sedimento e modelos nutrientes como a ferramenta SWAT. Moriasi et al. recomendam as seguintes classificações de atuação para um modelo de hidrologia com um espaço de tempo mensal: Muito Bom:

0,75 < NSE ≤ 1,00

Bom:

0,65 < NSE ≤ 0,75

Satisfatório:

0,50 < NSE ≤ 0,65

Insatisfatório: NSE ≤ 0,50 Moriasi et al. também observam que NSEs menores são aceitáveis quando a calibração é conduzida num espaço de tempo diário, apesar de que os autores não proveem Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 68 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


recomendações específicas sobre quanto diminuir esses rankings. Baseado nessas recomendações e no propósito do modelo (determinar um orçamento de sedimento geral para a bacia hidrográfica no médio São Francisco), foi determinado que obter um NSE maior do que 0,65 (no mínimo “Bom”) seria considerado aceitável. As recomendações por Moriasi et al. têm sido amplamente aceitos pela comunidade de prática de hidrologia, produção de sedimento e modelagem de nutrientes na escala da bacia hidrográfica. Usando essas recomendações e as variáveis hidrológicas descritas na Seção 4.1, a calibração foi alcançada no medidor de Morpará. O NSE alcançado para o modelo SWAT nesse local é 0,66 para a média mensal da vazão (ver Figura 22). Figura 7: Calibração de Fluxo Mensal no Medidor de Morpará (NSE = 0,66)

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O resultado do modelo SWAT de fluxo mensal no medidor Morpará também foi comparado ao fluxo diário observado. O NSE associado com a calibração diária de 2001 a 2006 é 0,56. Isso também é considerado “Bom” baseado no fato de que o fluxo diário do NSE é geralmente mais baixo que a calibração mensal (Moriasi et al. recomendam diminuir o rigor quanto aos valores associados com cada categoria para a calibração diária). Os dados calibrados são mostrado na Figura 23. Figura 8: Calibração de Fluxo Diário no Medidor de Morpará (NSE = 0,56)

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4.3

Calibração específica da sub-bacia

A calibração total da bacia forneceu uma base para as condições médias ao longo da montante da bacia do São Francisco no medidor de Morpará. Entretanto, existe significativa variabilidade de meteorologia, uso da terra, solos, comportamento das águas subterrâneas, topografia, etc. que requer calibração específica e complementar da bacia dos medidores adicionais. Cada um dos afluentes principais foi incluído nesta calibração para hidrologia. A calibração complementar e específica da bacia foi concluída nos seguintes afluentes principais e medidores ANA associados: 1. Rio Pará - Medidor ANA 40330000 (Bacia SWAT 74) 2. Rio Paraopeba- Medidor ANA 40850000 (Bacia SWAT 75) 3. Rio das Velhas - Medidor ANA 41818000 (Bacia SWAT 73) 4. Rio Jequitaí - Medidor ANA 42145498 (Bacia SWAT 66) 5. Rio Paracatu - Medidor ANA 42980000 (Bacia SWAT 62) 6. Rio Urucuia - Medidor ANA 43980002 (Bacia SWAT 58) 7. Rio Verde Grande - Medidor ANA 44670000 (Bacia SWAT 57) 8. Rio Carinhanha - Medidor ANA 45260000 (Bacia SWAT 49) 9. Rio Corrente - Medidor ANA 45960001 (Bacia SWAT 42) 10. Rio Grande - Medidor ANA 45965000 (Bacia SWAT 26) Ver Figura 24 para os locais de cada um desses afluentes.

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Figura 9: Afluentes Principais Calibrados no Modelo SWAT

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4.3.1

Rio Pará - Medidor 40330000 (Bacia SWAT 74)

O Rio Pará inteiro está numa única sub-bacia (Bacia 74). A descarga da bacia 74 corresponde ao medidor ANA 40330000. Essa bacia tem 43 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros na Bacia 74: 1. SLOPE multiplicado por 0,5 para cada HRU 2. ALPHA_BF configurado como 0,0007 para cada HRU 4. GW_DELAY configurado como 30 dias para cada HRU 5. RCHRG_DP configurado como 0,8 para cada HRU 6. CH_K1 (condutividade hidráulica para afluentes) configurado como 0 7. CH_K2 (condutividade hidráulica para o canal principal) configurado como 0 8. CN2 multiplicado por 0,75 para cada HRU Usando essas 6 mudanças, um NSE de 0,66 foi obtido para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 25). Isso é considerado “Bom” na calibração da hidrologia para essa bacia. Figura 10: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Pará (NSE = 0,66)

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4.3.2

Rio Paraopeba- Medidor 40850000 (Bacia SWAT 75)

O Rio Paraopeba inteiro está numa simples sub-bacia (Bacia 75). A descarga da bacia 75 corresponde ao medidor ANA 40850000 (embora o medidor esteja aproximadamente 120 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 76 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros na Bacia 75: 1. ALPHA_BF configurado como 0,0005 para cada HRU 2. CN2 multiplicado por 0,81 para cada HRU 3. CH_K1 (condutividade hidráulica para afluentes) configurado como 0 4. CH_K2 (condutividade hidráulica para o canal principal) configurado como 0 5. RCHRG_DP configurado como 0,7 para cada HRU Usando essas 5 mudanças, um NSE de 0,72 foi obtido para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 26). Isso é considerado “Bom” na calibração da hidrologia para essa bacia. Figura 11: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Paraopeba (NSE = 0,72)

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4.3.3

Rio das Velhas - Medidor 41818000 (Bacia SWAT 73)

O Rio das Velhas inteiro está numa simples sub-bacia (Bacia 73). A descarga da bacia 73 corresponde ao medidor ANA 41818000 (embora o medidor esteja aproximadamente 120 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 76 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros na Bacia 73: 1. ALPHA_BF configurado como 0,0005 para cada HRU 2. CH_K1 (condutividade hidráulica para afluentes) configurado como 0 para cada HRU 3. CH_K2 (condutividade hidráulica para o canal principal) configurado como 0 para cada Trecho 4. RCHRG_DP configurado como 0,8 para cada HRU 5. SLOPE multiplicado por 1,5 para cada HRU Usando essas 6 mudanças, um NSE de 0,63 foi obtido para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 27). Isso é considerado “Bom” na calibração da hidrologia para essa bacia.

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Figura 12: Calibração de Fluxo Mensal no Rio das Velhas (NSE = 0,63)

4.3.4

Rio Jequitaí - Medidor 42145498 (Bacia SWAT 66)

O Rio Jequitaí inteiro está numa simples sub-bacia (Bacia 66). A descarga da bacia 66 corresponde ao medidor ANA 42145498 (embora o medidor esteja aproximadamente 50km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 64 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros na Bacia 66: 1. RCHRG_DP configurado como 0,7 para cada HRU Usando essas mudanças, um NSE de 0,67 foi obtido para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 28). Isso é considerado “Bom” na calibração da hidrologia para essa bacia.

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Figura 13: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Jequitaí (NSE = 0,67)

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4.3.5

Rio Paracatu - Medidor 42980000 (Bacia SWAT 62)

O Rio Paracatu está dentro das sub-bacias 61, 62, 64, 65 e 67. A descarga da bacia SWAT 62 corresponde ao medidor ANA 42980000 (embora o medidor esteja aproximadamente 45 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 296 HRUs separadas. Nenhum ajuste foi feito em nenhuma das sub-bacias ou HRUs. Sem mudar os parâmetros de calibração-padrão, um NSE de 0,61 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 29). Isso é considerado “Satisfatório” na calibração da hidrologia para essa bacia. Figura 14: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Paracatu (NSE = 0,61)

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4.3.6

Rio Urucuia - Medidor 43980002 (Bacia SWAT 58)

O Rio Urucuia inteiro está numa simples sub-bacia (Bacia 58). A descarga da bacia 58 corresponde ao medidor ANA 43980002 (embora o medidor esteja aproximadamente 31 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 94 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros na Bacia 66: 1. SLOPE multiplicado por 2,0 para cada HRU Ajustando este parâmetro de calibração, um NSE de 0,57 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 30). Isso é considerado “Satisfatório” na calibração da hidrologia para essa bacia. Figura 15: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Urucuia (NSE = 0,57)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 79 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


4.3.7

Rio Verde Grande - Medidor 44670000 (Bacia SWAT 57)

O Rio Verde se encontra dentro das bacias SWAT 52, 53, 54, 55 e 57. Existe um medidor ANA localizado dentro da bacia SWAT 57 (Medidor ANA 44670000) e a calibração da bacia hidrográfica do Rio Verde Grande se baseia no resultado da bacia SWAT 57 (embora todas os dados das HRUs e das Bacias estejam ajustados para cada uma das 5 bacias que formam a bacia hidrográfica do Rio Verde Grande). Essa bacia tem 269 HRUs distintas. Os ajustes seguintes foram feitos como parâmetros nas Bacias 52, 53, 54, 55 e 57: 1. SLOPE multiplicado por 0,5 para cada HRU 2. RCHRG_DP configurado como 0,9 para cada HRU 3. ALPHA_BF configurado como 0,05 para cada HRU 4. CN2 multiplicado por 0,5 para cada HRU 5. CH_K1 (condutividade hidráulica para afluentes) configurado como 0 para cada HRU 6. CH_K2 (condutividade hidráulica para o canal principal) configurado como 0 para cada Trecho Ajustando este parâmetro de calibração, um NSE de 0,60 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 31). Isso é considerado “Satisfatório” na calibração da hidrologia para essa bacia.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 80 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 31: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Verde Grande (NSE = 0,60)

4.3.8

Rio Carinhanha - Medidor 45260000 (Bacia SWAT 49)

O Rio Carinhanha está nas sub-bacias 47, 49 e 50. A descarga da bacia SWAT 49 corresponde ao medidor ANA 45260000 (embora o medidor esteja aproximadamente 45 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 140 HRUs separadas. Os ajustes seguintes foram feitos para as Bacias 47, 49 e 50: 1. CN Reduzido em 50% para cada HRU. Isso se justifica devido ao uso da terra para uma agricultura extremamente rasa associada à maioria das HRUs. 2. O “K” do canal aumentado para 50mm/hr. 3. Reabastecimento RCHRG_DP configurado como 0,5 (50%) 4. SLOPE diminuído em 50% (0,5) para cada HRU. 5. ALPHA_BF configurado como 0,0005 para cada HRU Ajustando estes parâmetros de calibração, um NSE de 0,58 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 32). Isso é considerado “Satisfatório” na calibração da hidrologia para essa bacia.

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Figura 32: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Carinhanha (NSE = 0,58)

4.3.9

Rio Corrente – Medidor ANA 45960001 (Bacia SWAT 42)

O Rio Corrente está nas sub-bacias 40, 41, 42, 43 e 45. A descarga da bacia SWAT 42 corresponde ao medidor ANA 45960001 (embora o medidor esteja aproximadamente 53 km a montante da descarga do rio). Essa bacia tem 137 HRUs separadas. Os ajustes seguintes foram feitos para as sub-bacias 40, 41, 42, 43 e 45: 1. CN Reduzido em 50% para cada HRU. Isso se justifica devido ao uso da terra para uma agricultura extremamente rasa associada à maioria das HRUs. 2. O “K” do canal aumentado para 50mm/hr. 3. Reabastecimento RCHRG_DP configurado como 0,4 (40%) 4. SLOPE diminuído em 50% (0,5) para cada HRU. Ajustando estes parâmetros de calibração, um NSE de 0,67 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 32). Isso é considerado “Bom” na calibração da hidrologia para essa bacia.

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Figura 33: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Corrente (NSE = 0,67)

4.3.10 Rio Grande – Medidor ANA 45965000 (Bacia SWAT 26) O Rio Grande está nas sub-bacias 25, 26 e 29 a 35. A descarga da bacia SWAT 26 corresponde ao medidor ANA 45965000. Essa bacia tem 311 HRUs separadas. Os ajustes seguintes foram feitos para as Bacias 25, 26 e 29-35: 1. CN Reduzido em 50% para cada HRU. 2. Reabastecimento RCHRG_DP configurado como 0,7 (70%) 3. SLOPE diminuído em 50% (0,5) para cada HRU. 4. ALPHA_BF mudou para 0,0008 Ajustando estes parâmetros de calibração, um NSE de 0,52 foi alcançado para o registro de fluxo mensal de 2001 a 2006 (ver Figura 34). Isso é considerado “Satisfatório” na calibração da hidrologia para essa bacia.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 83 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 34: Calibração de Fluxo Mensal no Rio Grande (NSE = 0,52)

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4.4

Validação do Modelo Calibrado usando medidores do Rio São Francisco

Seguindo a calibração de cada um dos principais afluentes que alimentam o Rio São Francisco, uma comparação de várias medidas ao longo do São Francisco foi concluída. As seguintes medidas foram estudadas para se validar o modelo calibrado: 1. Rio São Francisco a montante do Pará - Medidor ANA 40100000 (Bacia SWAT 76) 2. Rio São Francisco em Manteiga - Medidor ANA 42210000 (Bacia SWAT 60) 3. Rio São Francisco em Manga - Medidor ANA 44500000 (Bacia SWAT 56) 4. Rio São Francisco em Bom Jesus de Lapa - Medidor ANA 45480000 (Bacia SWAT 44) 5. Rio São Francisco em Morpará - Medidor ANA 46360000 (Bacia SWAT 27) 6. Rio São Francisco em Juazeiro - Medidor ANA 48015000 (Bacia SWAT 12) 7. Rio São Francisco em Ibó - Medidor ANA 48590000 (Bacia SWAT 4) A comparação dos dados do modelo com os dados observados mensalmente (com as eficiências de Nash-Sutcliffe) para esses 7 pontos de validação complementares são mostrados da Figura 35 à 41. Figura 35: Medidor ANA 40100000 (Bacia SWAT 76). NSE = 0,51 (Satisfatório)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 85 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 36: Medidor ANA 42210000 (Bacia SWAT 60). NSE = 0,73 (Bom)

Figura 37: Medidor ANA 44500000 (Bacia SWAT 56). NSE = 0,73 (Muito Bom)

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Figura 38: Medidor ANA 45480000 (Bacia SWAT 44). NSE = 0,76 (Muito Bom)

Figura 39: Medidor ANA 46360000 (Bacia SWAT 27). NSE = 0,66 (Bom)

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Figura 40: Medidor ANA 48015000 (Bacia SWAT 12). NSE = 0,88 (Muito Bom)

Figura 41: Medidor ANA 48590000 (Bacia SWAT 4). NSE = 0,57 (Satisfatório)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 88 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Um resumo dos 17 medidores usados para calibração e validação do modelo do Rio São Francisco é mostrado na Tabela 13. Tabela 13: Resumo da Calibração e Validação para Hidrologia Name Rio Pará Rio Paraopeba Rio das Velhas Rio Jequitaí Rio Paracatu Rio Urucuia Rio Verde Grande Rio Carinhanha Rio Corrente Rio Grande Rio São Francisco upstream of Pará Rio São Francisco at Manteiga Rio São Francisco at Manga Rio São Francisco at Bom Jesus de Lapa Rio São Francisco at Morpara Rio São Francisco at Juazeiro Rio São Francisco at Ibó

Gage 40330000 40850000 41818000 42145498 42980000 43980002 44670000 45260000 45960001 45965000 40100000 42210000 44500000 45480000 46360000 48015000 48590000

SWAT Basin 74 75 73 66 62 58 57 49 42 26 76 60 56 44 27 12 4

Type Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Calibration Validation Validation Validation Validation Validation Validation Validation

NSE 0.66 0.72 0.63 0.67 0.61 0.57 0.6 0.58 0.67 0.52 0.51 0.73 0.75 0.76 0.66 0.88 0.57

Description Good Good Satisfactory Good Satisfactory Satisfactory Satisfactory Satisfactory Good Satisfactory Satisfactory Good Very Good Very Good Good Very Good Satisfactory

Nenhum medidor de calibração ou validação recebeu uma classificação “insatisfatória” e a distribuição das classificações do NSE para a hidrologia da bacia foram resumidas como: •

3 medidores classificados como Muito Bons

6 medidores classificados como Bons

8 medidores classificados como Satisfatórios

O modelo do rio São Francisco foi usado para se determinares características de orçamento de sedimento do curso da bacia para ambos a hidrologia e o sedimento. Em todos os medidores analisados para calibração e validação, uma classificação mínima de Satisfatório foi atingida e mais da metade dos medidores foram Bons ou Muito Bons. Baseado no uso do modelo e nas posições finais de validação/calibração, o modelo SWAT foi considerado calibrado para a hidrologia.

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5.0

CALIBRAÇÃO DE SEDIMENTOS

5.1

Parâmetros de Calibração

Para calibrar o modelo, foram utilizados os seguintes em ordem (o arquivo de parâmetro de banco de dados SWAT está incluído entre parênteses): 1. Relação largura-profundidade (CH_WDR.rte) 2. Fator de erodibilidade do Canal (CH_COV1.rte) 3. Fator de prática de suporte da equação USLE (USLE_P.mgt) 4. Concentração de sedimento no fluxo de águas subterrâneas e lateral (LAT_SED.hru) 5. Erodibilidade do sedimento de margem do canal (CH_BNK_KD.rte) 6.

Erodibilidade do sedimento de leito do canal (CH_BED_KD.rte)

7. Diâmetro da partícula de tamanho médio do sedimento de margem do canal (CH_BNK_D50.rte) 8. Diâmetro da partícula de tamanho médio do sedimento de leito do canal (CH_BED_D50.rte) 9. Tensão de cisalhamento crítica da margem do canal (CH_BNK_TC.rte) 10. Tensão de cisalhamento crítica do leito do canal (CH_BED_TC.rte) 11. Fator de erodibilidade do canal por mês (CH_ERODMO.rte) 12. Equação de Transporte de Sedimentos (CH_EQN.rte) 5.1.1 Relação Largura-Profundidade (CH_WDR.rte) No modelo SWAT, as dimensões do canal podem mudar durante o período de simulação. Quando a degradação do canal (erosão) ocorre num trecho isto resultará num alargamento do rio, a fim de alcançar uma nova condição de equilíbrio. Este é o mecanismo pelo qual os volumes de erosão de margem são calculados. A proporção entre a largura e a profundidade é um parâmetro importante para determinar quanto alargamento ocorrerá após os down-cuts (N.T.: “Fluxo de erosão em que o corte é dirigido no sentido descendente”) do canal. A fim de ativar o downcutting do canal (N.T.: “processo geológico em que se aprofunda o canal de um riacho, retirando o material do leito.”), o parâmetro IDEG deve ser definido como 1 no arquivo .bsn. Em cada sub-bacia, foi selecionado um trecho representativo para medir a largura (geralmente perto do meio do trecho ou sub-bacia). Um valor máximo de 10 metros foi aplicado para a profundidade do canal, e a razão largura-profundidade foi Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 90 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


subsequentemente calculada. Essa profundidade foi escolhida por ser um valor representativo observado no campo perto de Barra, Bahia, no Médio Rio São Francisco, bem como em Propriá, Sergipe (perto da foz do rio). Condições em ambos os locais observaram margens de até 4 metros de altura, com profundidades de até 6 metros. Dados adicionais não estão disponíveis em toda a bacia hidrográfica. No entanto, uma vez que estes lugares estão localizados perto da seção a jusante do canal de navegação (em Barra) e perto da foz (Propriá), não se espera que possuam canais significativamente mais profundos. Portanto, foi selecionado o limite de profundidade superior de 10 metros para representar as condições típicas do rio para um trecho. O Quadro 10 exibe as larguras, profundidades e a razão largura-profundidade verificadas. Estes foram os valores usados antes da calibração do transporte de sedimentos. 5.1.2

Fator de erodibilidade do Canal (CH_COV1.rte)

O fator de erodibilidade do canal é um parâmetro que é aplicado às margens dos rios. O valor varia de 0 a aproximadamente 20, onde um valor elevado de CH_COV1 indica que o material do canal é muito resistente às forças erosivas do rio. Um valor baixo representa que o material de margem é muito erodível (no entanto, um valor de zero indica que não há erosão da margem, e, portanto, completamente resiste às forças erosivas do rio). Devido à margem, muitas vezes nua observada ao longo do Rio São Francisco um valor inicial de 0,6 foi aplicado ao fator de erodibilidade do canal. 5.1.3

Fator de prática de suporte da equação USLE ((USLE_P.mgt)

O fator de prática da Equação Universal de Perda de Solo (USLE_P.mgt) é um parâmetro aplicado a cada HRU dentro da bacia. Este fator representa várias práticas agrícolas e varia de 0 a 1,0. Orientações da ferramenta SWAT observam que o fator USLE P é geralmente mais baixo para o cálculo da produção de sedimentos do que para aplicações típicas USLE. O Quadro 14 lista uma variedade de fatores USLE P sob uma gama de aplicações agrícolas.

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Quadro 14: Fatores USLE P para Diversas Aplicações Agrícolas

O fator USLE P foi definido para 0,15 baseado em um padrão geral de reduzir o fator stripcrop P para aplicações onde a produção de sedimentos está sendo determinada pelo modelo SWAT. Este é o valor final usado no modelo de transporte de sedimentos calibrado.

5.1.4 Concentração de sedimento no fluxo lateral e de águas subterrâneas (LAT_SED.hru) A concentração de sedimentos no fluxo das águas subterrâneas lateral é um parâmetro muito sensível na dinâmica de sedimentos global da bacia do Rio São Francisco. Devido ao elevado grau de fluxo de retorno (água que entra na água subterrânea e retorna para o rio), a concentração de sedimentos associada a este fluxo de retorno pode adicionar uma carga significativa ao rio. Embora sensível à saída do modelo, a modelo final calibrado utilizou uma concentração de sedimento de 0 mg/L no fluxo das águas subterrâneas lateral para todas HRUs.

5.1.5

Erodibilidade do sedimento de margem do canal (CH_BNK_KD.rte)

A erodibilidade de margem do canal é um valor calculado de erosão baseado em um teste de jato submerso na margem do canal. As unidades da erodibilidade são cm3/N-s. O valor pode ser calculado com base em um método desenvolvido por Hanson (1990) utilizando um jato submerso que colide com a margem e mede a profundidade do assoreamento subsequente (ver Figura 42).

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Figura 42: Teste de Jato Submerso usado para Determinar a Erodibilidade da Margem do Canal

O valor de erodibilidade da margem do canal varia tipicamente de 0,001 a 3,75 cm3/N-s. Visto que testes diretos não estavam disponíveis, a média geométrica aproximada da gama dos valores (um valor de 0,1 cm3/N-s) foi aplicada a todos os trechos no Rio São Francisco. O modelo foi calibrado usando este valor.

5.1.6

Erodibilidade do sedimento de leito do canal (CH_BED_KD.rte)

A erodibilidade do leito do canal é um parâmetro semelhante à erodibilidade da margem do canal. Uma vez que o leito é composto de areias erodíveis, um valor alto de 3,75 cm3/N-s foi aplicado a todos os trechos do Rio São Francisco.

5.1.7

Diâmetro da partícula de tamanho médio do sedimento de margem (CH_BNK_D50.rte)

O diâmetro médio das partículas de margem é um parâmetro usado nos algoritmos de erosão de margem no SWAT. Os dados de gradação de margem estão disponíveis para o médio Rio São Francisco ao longo do canal de navegação, e as médias são aproximadamente 0,5 mm (ver figura 43 para uma curva de gradação exemplo para os Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 93 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


dados de gradação da margem coletados no local do Campo de Provas). Embora os dados não estejam disponíveis para gradação das margens em toda a bacia do São Francisco, este valor médio de 0,5 mm (500 μm) foi adicionado a todos os trechos dentro do modelo SWAT e o modelo foi calibrado usando estes dados. Figura 43: Dados de Gradação de Margem na Amostra Campo de Provas 906

5.1.8 Diâmetro da (CH_BED_D50.rte)

partícula

de

tamanho

médio

do

sedimento

de

leito

O diâmetro da partícula mediana do leito é usado nos cálculos de erosão de sedimento de leito no modelo SWAT. Dados limitados estão disponíveis para gradação de leito do Rio São Francisco e seus afluentes. No entanto, observações visuais baseadas em amostras de gradação de leito recolhidas no local do Campo de Provas, e observações visuais de várias amostras coletadas pela equipe CODEVASF-USACE no site da TorrinhaItacoatiara, a gradação média do leito é aproximadamente uma areia média a grossa com um diâmetro de partícula de 0,5 mm (500 μm). Este valor foi adicionado a todos os trechos dentro do modelo SWAT do São Francisco e o modelo final calibrado usou este valor.

5.1.9

Tensão de cisalhamento crítica da margem do canal (CH_BNK_TC.rte)

A tensão crítica de cisalhamento da margem do canal é uma medida de quando o material da margem começará a erodir com base na tensão de cisalhamento aplicada. Este valor foi utilizado como um parâmetro de calibração, e foi desenvolvido um modelo de Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 94 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


transporte de sedimento calibrado quando um valor de 0,2 N/m2 foi aplicado a todas as margens dentro do modelo SWAT. Este valor foi maior do que o leito do canal devido às propriedades coesivas das argilas encontradas nas margens do canal, que exigem uma tensão de cisalhamento mais elevada para desalojar. Este valor também está dentro de valores típicos da literatura para o cisalhamento crítico da margem do canal.

5.1.10

Tensão de cisalhamento crítica do leito do canal (CH_BED_TC.rte)

A tensão crítica de cisalhamento do leito do canal é uma medida de quando o material do leito começará a erodir com base na tensão de cisalhamento aplicada. Este valor foi utilizado como um parâmetro de calibração, e foi desenvolvido um modelo de transporte de sedimento calibrado quando um valor de 0,08 N/m2 foi aplicado a todos os leitos do canal dentro do modelo SWAT. Este é um valor realista (menor do que a margem do canal), devido ao material mais erodível encontrado no leito do canal.

5.1.11

Fator de erodibilidade do canal por mês (CH_ERODMO.rte)

O fator de erodibilidade do canal é um valor que varia de 0,0 (para um canal não erosivo) a 1,0 (onde não é aplicada nenhuma resistência à erosão). Um valor igual de 1,0 foi aplicado a todos os trechos, o que indica que nenhuma resistência adicional à erosão é aplicada ao modelo. Portanto, somente a função de transporte de sedimentos determina a quantidade de erosão sedimentar calculada ao longo de cada trecho.

5.1.12

Equação de Transporte de Sedimentos (CH_EQN.rte)

A função de transporte de sedimentos (CH_EQN.rte) é o local dentro da ferramenta SWAT no qual o usuário especifica qual função de transporte sedimentar será usada. A equação de transporte de sedimentos Yang foi selecionada para os modelos de transporte de sedimentos anteriores dentro da bacia, e, portanto, foi escolhida para todos os trechos dentro do modelo SWAT (a função de transporte de sedimentos Yang corresponde a um valor 4 no SWAT). Yang é uma função de transporte de sedimentos adequada com tamanhos de partículas nas categorias de areia e cascalho (0,15 mm a 7,0 mm). Ela foi desenvolvida sob uma vasta gama de velocidades (0,8 a 2,45 m/s) e profundidades (até 17 metros) e é aplicável para rios com declives muito planos, como o rio São Francisco. Os testes de campo de Yang também foram realizados em rios muito largos (até 1.750 metros). Todos os parâmetros associados com o Rio São Francisco fazem de Yang uma

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 95 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


função de transporte de sedimentos adequada, e, portanto, foi escolhida para o modelo SWAT.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 96 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


5.2

Calibração de Sedimentos para o Medidor Morpará

O Medidor Morpará ( Medidor ANA 46360000) foi selecionado para a calibração inicial de toda a bacia do modelo SWAT para sedimentos, bem como para hidrologia. Este medidor foi selecionado pelos seguintes motivos: 1. O medidor inclui um longo registro de fluxo diário (desde 1954) e é um medidor atual. 2. O medidor inclui tanto registros de sedimentos como de fluxos 3. O medidor está no médio Rio São Francisco. Este estudo centra-se na dinâmica de sedimento e provisão sedimentar correntes do médio Rio São Francisco e seus impactos na navegação. 4. O medidor não é fortemente influenciado por barragens / reservatórios. Isso permite que a hidrologia natural da bacia seja observada. (O medidor é apenas ligeiramente influenciado por controles na represa de Três Marias). O medidor Morpará está localizado a S 11°33'30", W 43°16'57" no tronco principal do Rio São Francisco, na cidade de Morpará, Bahia. Esta localização corresponde ao influxo para a sub-bacia 27 do modelo SWAT (veja a Figura 20).Uma curva de classificação de sedimento está disponível no medidor Morpará, e foi utilizada para determinar as cargas sedimentares diárias durante o período de simulação do modelo SWAT (2001-2006). A fração da carga sedimentar que se encontra em suspensão (isto é, a carga sedimentar suspensa) é conhecida como uma função da vazão do Rio São Francisco no medidor Morpará (medidor ANA 46360000, disponível em http://hidroweb.ana.gov.br/). Os dados são coletados no medidor ANA, o qual usa o USDH-59 como amostra (segundo Carvalho et al., 2000), que é uma amostra de profundidade integrada com linha de mão/hand-line depth-integrated sampler. Uma regressão de potência desses dados foi feita, e está representada na escala log-log na Figura 44. Há cerca de meia a uma ordem de grandeza de dispersão nos dados para uma determinada vazão, o que é típico de muitas curvas de vazão de sedimentos de rios aluviais.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 97 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 44: Curva de Vazão de Sedimento Suspenso em Morpará, Bahia 1000000

Sediment Load, tonnes/day

y = 0.00062x2.2475 R² = 0.70016

100000

10000

1000 100

1000

10000

Flow, cms Além dos dados de sedimentos em suspensão que estão disponíveis, o Rio São Francisco também está transportando carga de leito que é provavelmente composta, predominantemente de areia (esta hipótese é devido à gradação arenosa do leito ativo do rio em locais observados durante as visitas de campo no local). Como os dados de carga de leito não estão disponíveis, a percentagem da carga total que é composta de carga de leito foi assumida como sendo a mesma que a fração de carga de leito em projetos anteriores, a saber, Projeto Ilha Sambaiba e o Projeto Curralinho. Uma análise de sensibilidade robusta foi realizada no modelo de transporte de sedimento da Ilha Sambaiba, o qual determinou que a fração de carga de leito é aproximadamente 25% de carga suspensa. Esta é uma suposição válida para ser aplicada ao medidor Morpará. Mais informações sobre a análise de sensibilidade da fração de carga de leito na Ilha Sambaiba podem ser encontradas no Relatório Final- Ilha Sambaiba preparado pela equipe CODEVASF-USACE. Portanto, a regressão da curva de vazão mais um adicional de 25% foi adicionado aos dados de carga diárias de sedimentos. Estes dados foram então convertidos para uma carga mensal, que foi usada para calibrar os dados de sedimentos para o modelo SWAT. Uma comparação das cargas de sedimentos observadas e modeladas são mostrados na Figura 45.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 98 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 45: Sedimento Calibrado no Medidor MorparĂĄ. PBIAS = -12.6 (Muito Bom)

A calibração da produção de sedimentos para estudos de modelagem SWAT tĂ­picos ĂŠ baseada em uma tĂŠcnica estatĂ­stica de porcentual de polarização (PBIAS). O PBIAS de um modelo de produção de sedimentos pode ser calculado usando a seguinte Equação 23. ∑đ?‘›đ?‘›đ?‘–đ?‘–=1ďż˝đ?‘Œđ?‘Œđ?‘–đ?‘–đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œ − đ?‘Œđ?‘Œđ?‘–đ?‘–đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ ďż˝ ∗ 100 đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ = ∑đ?‘›đ?‘›đ?‘–đ?‘–=1ďż˝đ?‘Œđ?‘Œđ?‘–đ?‘–đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œ ďż˝

(23)

Onde, đ?‘Œđ?‘Œđ?‘–đ?‘–đ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œ =

parâmetro observado (sedimento) na observação i

đ?‘Œđ?‘Œđ?‘–đ?‘–đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ =

parâmetro modelo simulado (sedimento) na observação i

i=

número de observação

n=

número total de observaçþes

PBIAS ĂŠ uma medida estatĂ­stica da tendĂŞncia mĂŠdia dos dados simulados para ser maior ou menor do que a sua contraparte observada. O PBIAS ideal ĂŠ 0,0, com valores baixos Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, EscritĂłrio em Brasilia 99 RelatĂłrio Final do Modelo da Bacia do SĂŁo Francisco VERSĂ‚O JANEIRO DE 2014


representando os resultados precisos do modelo. Um PBIAS positivo representa dados observados subestimados em um modelo e um PBIAS negativo indica que o modelo está superestimando os dados observados. Moriasi e outros (2007) recomendam as seguintes classificações de desempenho para um modelo de produção de sedimentos com um passo de tempo mensal com base em PBIAS: Muito Bom:

PBIAS < ±15

Bom:

±15 ≤ PBIAS < ±30

Satisfatório:

±30 ≤ PBIAS < ±55

Insatisfatório:

PBIAS ≥ 55

O PBIAS calculado no medidor Morpará é -12,6, o que é considerado uma calibração de sedimentos Muito Boa segundo Moriasi e outros (2007). A Figura 45 mostra as cargas sedimentares mensais tanto para os dados observados como para o modelo calibrado. 5.3

Calibração de Sedimentos para a Foz do Rio São Francisco

Um consórcio de agências, incluindo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) e da Agência Nacional de Águas (ANA) realizou um estudo das cargas sedimentares no Rio São Francisco (ANEEL, 2001 ). Este estudo incluiu um resumo dos dados de sedimentos na foz do Rio São Francisco no medidor 497050000 (medidor Propriá). Este estudo mostrou que há uma diminuição global de carga sedimentar para o oceano desde o final da década de 1970 (assumi-se que esta redução esteja associada com a captura de sedimentos nas barragens que foram construídas na década de 1980 e 1990 na bacia). Cargas sedimentares recentes (1986-1999) têm em média 1,8 milhões de toneladas de sedimentos em suspensão entregues ao Oceano Atlântico pelo Rio São Francisco (ver Figura 46).

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 100 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 46: Carga sedimentar para o Oceano Atlântico a partir do Rio São Francisco

ENGLISH TRANSLATION: ano: year Estaçao Propriá: Propriá Station Área de drenagem: Drainage Area cod.: Station Code especifico: specific Suspended SWAT Sediment Load Css: sedimentares Concentration O Qss: resultado do modelo das cargas médiasof suspended anuais sediments para o Oceano t: tonnes Descarga sólida em suspensão média diária por ano: Atlântico pode ser investigado inspecionando-se o resultado do quadro de sedimentos na dia: day Average Daily Solid Discharge in suspension per year

sub-bacia 21 no SWAT. As cargas sedimentares anuais para ambos os sedimentos em suspensão (argilas e siltes), bem como sedimentos de carga de leito (areias e todos os outros materiais) são mostrados na Figura 47 e Quadro 15. A carga média de sedimentos em suspensão é de cerca de 1,65 milhões de toneladas por ano, o que é ligeiramente menor do que a entrega média observada do relatório ANEEL de 1,83 milhões de toneladas por ano. O modelo SWAT prevê que a entrega total de sedimentos para o oceano seja de 2,3 milhões de toneladas por ano. Estes valores coincidem com os dados observados, e validam ainda mais a entrega de sedimentos prevista pelo modelo SWAT.

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Figura 47: Entrega de Sedimentos para o Oceano Atlântico do Modelo SWAT

Quadro 15: Entrega de Sedimentos para o Oceano Atlântico do Modelo SWAT Year 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Average

Sediment Load, tonnes 1710200 1632830 1624960 1651338 1654710 1640860 1652483

Bed Load, tonnes 649400 685770 681640 502062 676890 682140 646317

Total Load 2359600 2318600 2306600 2153400 2331600 2323000 2298800

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5.4

Cargas anuais vindas de Afluentes do São Francisco

A percentagem da carga de sedimentos pode ser analisada como uma percentagem do total de sedimento entregue ao Reservatório de Sobradinho. O fluxo anual total como uma percentagem da carga total entregue ao Reservatório de Sobradinho foi extraído do resultado do modelo SWAT, e é mostrado na Figura 48. Figura 48: Percentual de Carga Sedimentar vindas dos Principais Afluentes

Uma análise similar foi realizada na Análise Multitemporal da Dinâmica de Alteração da Conformação do Leito do Rio São Francisco - Trecho Médio (ANA, 2002). Estes dados foram comparados com o resultado do modelo SWAT e são mostrados no Quadro 16 e Figura 49. Todos os afluentes correspondem exatamente com o estudo ANA, exceto, possivelmente, pela bacia do Rio Grande, onde o modelo sobreprediz as cargas sedimentares, quando comparado com o estudo ANA. O Rio Grande, porém, é em geral uma pequena contribuição para as cargas sedimentares totais para a bacia do Rio São Francisco. Estes dados podem ser usados para determinar impactos relativos à carga sedimentar em afluentes individuais (melhores práticas de gestão agrícola, construção de barragens, etc.).

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Quadro 16: Percentual de Cargas Sedimentares do Modelo em Relação aos Estudos Anteriores da ANA

Tributary Rio Pará Rio Paraopeba Rio das Velhas Rio Jequitaí Rio Paracatu Rio Urucuia Rio Verde Grande Rio Carinhanha Rio Corrente Rio Grande All Others TOTAL

SWAT Model 2.27% 9.67% 15.08% 2.70% 17.96% 17.26% 0.11% 0.82% 1.97% 4.68% 27.47% 100.00%

2002 ANA Study 2.00% 11.00% 17.00% 2.00% 17.00% 18.00% 0.50% 2.00% 2.00% 1.00% 27.50% 100.00%

Figura 49: Comparação da Carga sedimentar do Modelo e Observada (Percentagem)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 104 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.0

HIDROLOGIA ATUAL E PROVISÃO SEDIMENTAR

Após a calibração da hidrologia e sedimentos para o modelo SWAT do São Francisco, os resultados da produção de sedimento e de água podem ser determinados. A hidrologia pode ser investigada, a fim de determinar a percentagem de precipitação que se infiltra no lençol freático ou aquíferos profundos, quanto é convertido para escoamento superficial, e quanto é evaporado de volta para a atmosfera. A provisão sedimentar pode ser desenvolvida, para conhecimento de onde os sedimentos da bacia estão vindo. 6.1

Resultados da Hidrologia

A hidrologia da bacia hidrográfica pode ser resumida na escala da bacia, olhando para a provisão média anual de água para os seguintes parâmetros: 1. Precipitação 2. Evapotranspiração 3. Escoamento Superficial 4.

Percolação para o Aquífero Raso

5. Revap do Aquífero Raso para a Zona Vadosa 6. Fluxo Lateral para os Rios da Zona Vadosa 7. Fluxo de Retorno do Aquífero Raso para os Rios 8. Recarga ao Aquífero Profundo Estes parâmetros médios, anuais de toda a bacia são mostrados na Figura 50. As unidades para cada parâmetro na Figura 50 estão mm, e, portanto, são multiplicadas pela área da bacia para calcular um volume para cada parâmetro. Os seguintes parâmetros adimensionais hidrológicos podem ser extraídos a partir desta figura: •

Vazão / Precipitação:

21%

Escoamento de base / Fluxo Total:

77%

Escoamento Superficial / Fluxo Total: 23%

Percolação / Precipitação:

26%

Recarga Profunda / Precipitação:

16%

Evapotranspiração / Precipitação:

65%

No geral, a bacia do São Francisco tem uma percentagem relativamente baixa de escoamento superficial com relação à precipitação. Este é resultado de uma bacia muito Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 105 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


plana, com solos arenosos e evapotranspiração significativa. Todos os resultados da provisão hídrica são esperados dadas as condições da bacia do Rio São Francisco. Figura 50: Provisão de Hidrologia Média Anual para a Bacia do Rio São Francisco

(Observação: PET = Evapotranspiração Potencial)

A distribuição da produção de água em toda a bacia também pode ser extraída dos resultados do modelo SWAT. A Figura 51 mostra a produção específica média anual de água da sub-bacia. A produção de água é definida como a soma da água superficial e subterrânea (fluxo de retorno e fluxo lateral) que é entregue à vazão do Rio São Francisco. A evapotranspiração e recarga do aquífero profundo (que são ambas retiradas da provisão de água) não estão incluídas na produção de água.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 106 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Da saída de produção água observa-se que 29 das 76 bacias (38%) produzem menos de 50 mm de água por ano (volume anual real baseia-se na multiplicação da profundidade de produção de água e a área de uma bacia individual). Além disso, observa-se que a maior parte da água é produzida nas bacias das cabeceiras, onde mais de 400 mm de água é produzido por ano. Estas observações sobre a distribuição geográfica da produção de água são consistentes com os dados conhecidos (a maior parte do fluxo do Rio São Francisco vem das cabeceiras) e os resultados esperados (áreas onde ocorrem pouca produção são consistentes com as áreas de precipitação mínima. Figura 51: Produção Média Anual de Água por Bacia da Bacia do Rio São Francisco

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 107 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.2

Provisão Sedimentar de Toda a Bacia

Uma provisão sedimentar é de especial interesse para este estudo, já que os resultados ajudam a orientar como uma estratégia de gestão de sedimentos poderia ser desenvolvida para a bacia (para responder a perguntas tais como se os fundos de mitigação da erosão devem ser gastos em regiões montanhosas ou ao longo das margens do rio para reduzir a produção total de sedimentos). Uma provisão sedimentar é um cálculo das fontes de sedimentos e zonas profundas de sedimentos (sinks), como descrito na Seção 2.1 e apresentados na Figura 2. As características dos sedimentos da bacia toda podem ser apresentadas em termos da produção líquida de sedimentos e comparadas com os processos sedimentares de influxo (veja a Figura 52). Esta figura mostra que há aproximadamente 1,4 Mg (ou toneladas métricas) produzidas por hectare em toda a Bacia do São Francisco. Grande parte desse sedimento produzido é depositada no leito do rio ou em reservatórios. No geral, o canal do rio é observado como sendo uma fonte sedimentar líquida e não uma zona profunda (sink) (há mais deposição sedimentar no Rio São Francisco do que erosão das margens do rio). Esta é uma observação consistente quando comparada com outros estudos da CODEVASF e ANA. Figura 52: Processo Sedimentar de Terras Altas e Influxo para a Bacia do São Francisco

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 108 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


O modelo SWAT é capaz de calcular a erosão específica da margem, a erosão do leito, fontes de sedimentos por terra, sedimentação de reservatório, e saída para o Oceano Atlântico, na escala da bacia hidrográfica. Estes dados estão disponíveis em timesteps/fases diária, mensal ou anual. Uma vez que a equipe CODEVASF-USACE está investigando condições médias anuais os seis dados anuais foram calculados e comparados para determinar as fontes de sedimentos e sinks / zonas profundas para a bacia hidrográfica em geral. Uma vez que as fontes e sinks/zonas profundas são calculados a uma escala anual, a maior parte do sedimento que é entregue ao fluxo não será transportado para um sink/zona profunda final (planícies aluviais de reservatórios, ou o oceano). Portanto, o leito (ou canal) foi considerado tanto uma fonte como um sink/zona profunda da provisão de sedimentos na escala anual, a fim de demonstrar o quanto sedimentos está na mobilização de um determinado ano. A fonte diária de erosão do canal foi adicionada junto a cada ano para determinar o total de toneladas associados a essa "fonte" de sedimentos. Além disso, a deposição diária do sedimento também foi somada ao longo de cada ano e depois feita a média para calcular o total anual "de sink/zonas profundas" de sedimentos no canal. A diferença entre estes dois valores representa a degradação anual ou assoreamento de sedimentos no sistema do canal. Embora estes não sejam "fontes" típicas ou "sinks/zonas profundas" de uma provisão sedimentar, eles são importantes para entender a dinâmica de sedimentos total do sistema. Cada um dos dados de origem sedimentar e sink/zona profunda estão resumidos no Quadro 17. Quadro 17: Provisão Média Anual de Sedimentos Geral da Bacia Hidrográfica (2001-2006)

EROSION SOURCES (tonnes per year) DEPOSITION SINKS (tonnes per year) 73,790,408 Bed 50,700,317 Bed Floodplain 298,073 Bank 5,236,226 67,519,632 Upland/Tributaries 87,970,369 Reservoirs Ocean 2,298,800 143,906,913 Total 143,906,913 TOTAL Os dados no Quadro 17 são apresentados na Figura 53 e Figura 54. Estes números mostram que uma pequena porcentagem da erosão sedimentar bruta vem das margens do Rio São Francisco e dos principais afluentes. A contribuição bem maior de sedimentos para o Rio São Francisco vem do escoamento superficial de terras altas e pequenos afluentes (cerca de 60% da erosão bruta). A maior parte dos sedimentos que é entregue ao rio São Francisco está depositada nos cinco principais reservatórios modelados na bacia. Apenas uma pequena percentagem é permanentemente depositada na planície de inundação do Rio São Francisco (0,2%).

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 109 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Cerca de 2,8% reservatórios/tanques de deposição estão associados com a entrega para o Oceano Atlântico na foz. Syvitsky e Milliman (2007) desenvolveram um modelo de previsão para a entrega de sedimentos em suspensão dos principais rios para os oceanos por meio de análise dimensional da carga sedimentar, área, relevo topográfico, a densidade do fluido, e da gravidade. Syvitsky e Milliman corrigiram os resultados do modelo matemático, utilizando um fator de erosão de geleira, fator litológico da baciawid, fator de retensão do reservatório e fator de erosão do solo. Usando esse modelo, Syvitsky calculou que o Rio São Francisco deve ter aproximadamente 6,4 milhões de toneladas de sedimento sendo entregue ao oceano por ano (em comparação com os 2,3 milhões de toneladas que o modelo SWAT calculou). Um medidor de sedimentos em suspensão em Propriá, Sergipe (medidor ANA 497050000, localizado a cerca de 69 km da foz do Rio São Francisco) mostra que a carga de sedimentos em suspensão em longo prazo (1977-1999) é de 2,7 milhões de toneladas por ano (ver Quadro 18). O medidor de Propriá está localizado no estuário do Rio São Francisco e é influenciado gravitalmente sem grandes afluentes entre Propriá e a foz do Rio São Francisco. É, portanto, um medidor razoável de usar para representar a cargas sedimentares total para o Oceano Atlântico. O modelo SWAT corresponde melhor à carga sedimentar a longo-prazo no medidor Propriá do que as previsões de Syvitsky e do modelo Milliman. A superestimativa pode ser devido ao fator de retensão do reservatório de 0,30 (o que representa uma eficiência de retensão do reservatório de 70%) no modelo Syvitsky e Milliman. Devido às três grandes represas imediatamente a montante da foz, uma eficiência de retensão de 85-90% pode ser mais apropriado, o que traria o fator de retensão do reservatório de Syvitsky e Milliman para 0,15. Isso mudaria a previsão de cargas sedimentares para o Oceano Atlântico vindas do Rio São Francisco para 3,2 milhões de toneladas por ano, o que é muito mais próximo da média de longo prazo observada no medidor Propriá. Quadro 18: Carga Sedimentar em Suspensão no Medidor Propriá (497050000) Parameter Suspended Sediment Load, tonnes/day Suspended Sediment Load, tonnes/year Drainage Area km2 Specific Suspended Sediment Load, tonnes/km2/year Flow, cms Concentration of Suspended Sediment, mg/L

Long-Term Average (1977-1999) 7,472 2,727,170 623,500 4.4

1986-1999

2,528 34

2,120 27

5,022 1,833,197 623,500 2.9

(from ANEEL, 2001) Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 110 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


A erosão de leito também é uma das principais fontes de sedimentos (36,2% da carga total no rio foi previamente armazenada no leito). No entanto, a deposição de leito também é um importante sink/zona profunda de sedimento (50,4% são armazenados de volta no leito do rio na forma de barras transversais, ilhas, barras de pontal ou trechos em degradação). No geral, o modelo calcula que aproximadamente 23 milhões de toneladas por ano de sedimento é depositado dentro do canal, levando a um sistema de degradação. Isto é consistente com os resultados de um estudo recente realizado pela CODEVASF e ANA (2002) que demonstrou que 59 dos 73 trechos que foram estudados sofreram deposição líquida (assoreamento) nos canais. Isto foi evidenciado no estudo CODEVASF & ANA comparando fotos aéreas de 1946-2000, e identificando áreas de maiores barras de meio canal, ilhas e barras de pontal e outros depósitos de areia (veja a Figura 55).

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 111 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 53: Provisão Sedimentar Bruta de Fontes de Erosão para todas as Bacias

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 112 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 54: Provisão Sedimentar Bruta de Zonas Profundas de Deposição para Todas as Bacias

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 113 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 55: Trechos Degradacionais e de Assoreamento no Rio São Francisco

Figura da CODEVASF e ANA, 2002 Os trechos de deposição líquida são mostradas como barras vermelhas (à esquerda) e de erosão líquida é mostrado como barras azuis na esquerda. A distribuição de deposição e erosão (por zonas) é mostrada nas barras do lado direito.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 114 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Devido à erosão e deposição de compensação do componente de leito da provisão sedimentar, é proveitoso visualizar os dados em termos das fontes líquidas de sedimentos e zonas profundas/sinks em vez das fontes brutas de sedimentos e sinks/zonas profundas. O Quadro 19 lista as fontes líquidas de sedimentos e sinks/zonas profundas. Este quadro remove qualquer sedimento que esteja tanto erodido como depositado na mesma fonte, que neste caso é a fonte leito. A partir deste quadro observa-se que há um assoreamento líquido de sedimento no canal, que é evidenciado por um aumento na formação de ilhas, e barras longitudinais e transversais adicionais. Quadro 19: Fontes Líquidas de Sedimentos e Sinks/zonas profundas.

EROSION SOURCES (tonnes per year) DEPOSITION SINKS (tonnes per year) Bed 23,090,091 Bed 0 5,236,226 Floodplain 298,073 Bank 67,519,632 Upland/Tributaries 87,970,369 Reservoirs Ocean 2,298,800 TOTAL 93,206,596 Total 93,206,596 A Figura 56 e Figura 57 mostram estes dados em um formato gráfico.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 115 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 56: Provisão Sedimentar Líquida de Fontes de Erosão para Todas as Bacias

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Figura 57: Provisão Sedimentar Líquida de Zonas profundas de Deposição para Todas as Bacias

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 117 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


A carga média anual total de sedimentos que estão retidos em reservatórios é calculada como cerca de 67,5 milhões de toneladas. Assumindo uma gravidade específica de 2,65, o volume total de sedimentos que entra no reservatório é 25,5 milhões de m3 por ano (note que a porosidade não está incluída neste cálculo, uma vez que a água do reservatório enche os espaços entre as partículas de sedimento). O volume total dos cinco reservatórios sendo modelados é 70,8 bilhões de m3 e o volume perdido representa cerca de 0,03% ao ano. Isto é significativamente menor do que a média mundial de 1% perdido por ano de acordo com Mahmood (1987) e uma ordem de grandeza menor do que a média de armazenamento perdida na América do Norte (0,2 % calculada por White, 2001). Uma das principais razões para a percentagem de armazenamento perdida por ano ser inferior a outras estimativas para grandes regiões é que cinco reservatórios modelados incluem reservatórios de volume extremamente grandes, incluindo Sobradinho (34,1 km3) e Três Marias (21 km3). Em comparação, o Lago Mead, nos Estados Unidos, criado devido à barragem Hoover, tem um volume de 37 km3. Devido aos grandes volumes associados às barragens na Bacia do Rio São Francisco, a porcentagem geral de volume perdido por ano é menor do que a média mundial. A eficiência geral de retensão de cada um dos reservatórios foi também calculada a partir do modelo SWAT (ver Figura 58). As cinco barragens primárias no tronco principal do Rio São Francisco foram modeladas como descrito anteriormente. A eficiência de retensão é um cálculo que determina a percentagem de sedimento que é retida no reservatório (com base na quantidade de sedimentos que entra no reservatório). As eficiências de retensão são muito elevadas, especialmente nos reservatórios de Sobradinho, Luiz Gonzaga e Xingó. O reservatório de Sobradinho é de aproximadamente 200 km de extensão, e espera-se que praticamente todos os sedimentos que entram neste reservatório assentarão na área represada (modelo prevê 98,3%). Comparativamente, apenas pequenas cargas de sedimentos entram nos 3 reservatórios a jusante de Sobradinho, e a maioria destes sedimentos também se depositam nos reservatórios. O reservatório a montante (Três Marias) recebe uma carga de sedimentos em suspensão significativa, e devido à distância mais curta que o sedimento viaja, uma parte dessa carga (63%) é prevista para ficar em suspensão e o fluirá pelo represamento do reservatório. Embora haja uma carga significativa de sedimentos suspensos para Três Marias, a eficiência de retensão real pode ser mais elevada do que o previsto no modelo.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 118 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 16: Eficiência de Retensão de Cada Reservatório

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 119 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.3

Distribuição da Produção de Sedimentos na Bacia Hidrográfica do São Francisco A distribuição temporal e geográfica da produção de sedimentos da bacia do Rio São Francisco foi investigada utilizando o ArcGIS e VIZSWAT. VIZSWAT é um software proprietário que mapeia a saída de vários parâmetros da SWAT em toda a bacia em qualquer mapa ou forma de animação. Uma animação dos 6 anos de simulação SWAT da produção de sedimentos foi desenvolvida utilizando este software (chamado SãoFranciscoSedYield.avi). As condições típicas da produção de sedimentos por dia durante a estação chuvosa podem ser observadas na Figura 59 (o que representa uma produção diária típica da estação chuvosa). As condições típicas da produção de sedimentos para a temporada de estiagem podem ser observadas na Figura 60 (o que representa uma produção diária da temporada de estiagem). Ambas figuras foram extraídas da animação VIZSAT da simulação da produção de sedimentos de 6 anos. Figura 17: Modelo de Produção de Sedimento Típico de Condições da Estação Chuvosa

¯

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 120 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 18: Modelo de Produção de Sedimento Típico de Condições da Temporada de Estiagem

¯

A produção média anual de sedimentos para cada sub-bacia também foi investigado utilizando a saída do modelo SWAT. A Figura 61 mostra a distribuição geográfica da produção média de sedimentos por hectare por ano. As principais fontes de sedimentos na bacia hidrográfica são focadas nas cabeceiras, embora outras fontes notáveis ocorram na região do Médio São Francisco e na parte norte da bacia também. A região oeste da Bahia tem uma baixa produção de sedimentos devido às características planas e arenosas da bacia nesta área. A Figura 61 também pode ser usada para priorizar melhores práticas de gestão dentro da bacia hidrográfica para reduzir as cargas sedimentares em áreas onde as produções elevadas de sedimentos persistem.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 121 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 19: Média Anual de Produção de Sedimentos Específica da bacia

Legend Average Annual Sediment Yield tonnes/ha 0.001 - 0.10 0.10 - 0.50 0.50 - 1.0 1.0 - 2.0 > 2.0

A saída do modelo SWAT em um passo de tempo diário está disponível para a etapa principal e para cada um dos principais afluentes. Estes dados serão utilizados para apoiar o Projeto Modelo de Transporte de Sedimento do Canal de Navegação (Projeto nº 7) do programa CODEVASF-USACE.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 122 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.4

CENÁRIOS SWAT ADICIONAIS

O modelo calibrado SWAT pode ser usado para auxiliar a CODEVASF na compreensão de ambas as condições sedimentares históricas e futuras da bacia do São Francisco. As condições históricas das produções de sedimentos na bacia hidrográfica podem ser úteis para determinar a quantidade de impactos associados às atividades de uso do solo. É importante entender as condições de cargas sedimentares futuras para planejar as condições de navegação no futuro (associadas com cargas sedimentares). Ambas as alternativas foram analisadas no modelo SWAT calibrado. 6.5

Condições Sedimentares Históricas

As maiores influências humanas históricas para a bacia hidrográfica do Rio São Francisco incluem: 1) a construção de barragens; 2) a conversão de vegetação nativa para agricultura; e 3) o desenvolvimento das cidades. Aumentos da população têm sido significativos na bacia (especialmente em grandes cidades como Belo Horizonte, MG), mas o crescimento urbano não afeta uma extensão significativa de área na bacia, em comparação com o desenvolvimento da agricultura. A fim de compreender as condições pré-colonização europeia da bacia, informações históricas foram reunidas e analisadas. A principal fonte de condições de prédesenvolvimento do rio são descritos em uma pesquisa realizada pela Halfeld (1860). No início da década de 1850, Henrique Guilherme Fernando Halfeld foi comissionado por Dom Pedro II, Imperador do Brasil, para inspecionar o Rio São Francisco a partir de Pirapora, Minas Gerais, ao Oceano Atlântico. Halfeld colheu todos os dados da pesquisa no período de 1852-1854 e publicou estes mapas em 1860. Estes mapas de Halfeld fornecem informações significativas sobre as condições do Rio São Francisco antes do grande desenvolvimento na bacia. Depois de analisar esses mapas verificou-se que há muito pouca diferença entre as larguras atuais do rio e as larguras dos rios em 1852-1854. Veja a Figura 62 para uma comparação da morfologia do rio perto de Paratinga, na Bahia, em 1852 e 1999. A partir da Figura 62 vemos que o rio tem uma morfologia, largura e localização das ilhas semelhantes, embora haja algumas mudanças no formato e tamanho de algumas das ilhas. Este é um resultado típico, quando comparando a maioria dos mapas que não foram influenciados por barragens.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 123 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 62: Comparação de Halfeld (1852, à esquerda) e LANDSAT (1999, à direita)

Embora as condições e morfologia típicas do rio não terem mudado significativamente nos últimos 150 anos, houve mudanças significativas nas áreas onde as barragens foram construídas. Veja a Figura 63 para um exemplo das condições históricas e atuais dentro de um represamento existente (Reservatório de Sobradinho). A construção das barragens criou uma zona profunda de sedimentos/sink, que captura os sedimentos que teriam historicamente fluído a jusante.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 124 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 63: Mapa de Halfeld 1852 (à esquerda) e Reservatório Sobradinho atualmente (à direita)

O modelo SWAT associado ao cenário Pré-desenvolvimento europeu inclui a remoção de todas as barragens existentes. O Apêndice A descreve as mudanças feitas no modelo SWAT para remover as barragens e atualizar as larguras e profundidades dos rios. Outra grande mudança antropogênica para a bacia hidrográfica inclui a conversão de vegetação nativa para agricultura e cidades urbanas. O modelo SWAT Pré-Europeu de desenvolvimento atualizou todos os usos do solo agrícolas e urbanos para floresta mista em toda a bacia hidrográfica, no início da simulação. Isto é baseado na vegetação de floresta associada ao ecossistema nativo do Cerrado (e, em menor extensão, ao ecossistema da Caatinga e Mata Atlântica), que teria coberto a maioria da bacia antes da colonização Europeia. Além disso, o fator de prática suporte da equação USLE foi reduzido para 0,05 para todos os usos do solo para simular as cargas sedimentares associadas com a vegetação nativa.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 1 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Por fim, as práticas de irrigação foram desligadas no modelo SWAT Pré-Europeu de desenvolvimento. Este foi atualizado na tabela de uso da água (.WUS) no banco de dados São Francisco SWAT. Todas as alterações feitas no modelo SWAT estão descritas no Apêndice A. Os resultados da provisão histórica de sedimento são mostrados na Figura 64 e Figura 65.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 2 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 64: Fontes Históricas de Sedimentos (Comparadas com as Condições Existentes)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 1 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 65: Sinks/Zonas Profundas Históricas de Sedimentos (Comparado com as Condições Existentes)

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 2 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


O modelo SWAT foi usado para calcular as condições pré-colonização europeia e atual de cargas sedimentares (e parâmetros gerais da provisão de sedimentos). A Tabela 20 resume os impactos antropogênicos sobre a provisão de sedimentos do Rio São Francisco. No geral, o modelo SWAT mostra que houve um aumento significativo de fontes de erosão, incluindo erosão de leito (aumento de 82%), erosão de margens (aumento de 593%), e região montanhosa / contribuições tributárias menores (aumento de 182%). Após o desenvolvimento agrícola e urbano (e a construção de barragens), houve um aumento correspondente em zonas profundas/sinks de sedimentos, incluindo o leito do rio (aumento de 153%) e planícies aluviais (aumento de 683%). Os reservatórios são o aumento mais significativo como fonte de sedimentos, com um aumento absoluto de 67,5 milhões de toneladas por ano de sedimentos retidos. Tabela 4: Impactos Antropogênicos na Provisão de Sedimento do São Francisco Erosion (Sources) Bed Bank Upland / Tributaries] Deposition (Sinks) Bed Floodplain Reservoirs Ocean

Pre-European Settlement Loads (tonnes/year) 27,895,898 755,943 31,172,709

Current Conditions Sediment Loads (tonnes/year) 50,700,317 5,236,226 87,970,369

Pre-European Settlement Loads (tonnes/year) 29,134,816 38,045 0 3,911,667

Current Conditions Sediment Loads (tonnes/year) 73,790,408 298,073 67,519,632 2,298,800

Change 82% 593% 182% Change 153% 683% N/A -41%

Devido ao desenvolvimento (principalmente a construção de barragens) há uma diminuição notável nas cargas totais de sedimentos para o mar (41% de redução). Esta observação é consistente com outros pesquisadores, como Syvitski e outros (2005) e Syvitski e Milliman (2007), que observaram uma redução global geral na produção de sedimentos para os oceanos. A redução da carga sedimentar após a construção da barragem também pode ser evidenciado através da recente erosão das praias que está ocorrendo próximo da foz do São Francisco. Devido a uma redução da carga sedimentar para a foz, pode não haver a reconstituição histórica de sedimentos do rio, possivelmente levando às forças de transporte litorâneas a erodir a praia. Isso também pode ser influenciado por outros fatores, como updrift (movimento ascendente), mudanças no clima de ondas e outras mudanças naturais ou antropogênicas no aporte do sedimento litorâneo. Apenas um estudo da provisão sedimentar será capaz de desenvolver uma compreensão da causa (s) da erosão costeira recente perto da foz do Rio São Francisco. Cerca de 190 metros da erosão ocorreu entre 2004 e 2011 neste local (veja a Figura 66). Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 3 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


O farol, que foi originalmente construído ao longo da costa, está agora cerca de 400 metros da linha costeira (veja a Figura 67). Figura 66: Erosão Costeira na Foz do São Francisco

Foto aérea em 2004(à esquerda), e em 2011 (à direita). Farol destacado em ambas as fotos aéreas.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 4 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 67: Farol e Praia Erodida na Foz do Rio São Francisco

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 5 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.6

Condições Futuras da Bacia Hidrográfica

Um cenário de condições futuras foi modelado na ferramenta SWAT para analisar as futuras cargas sedimentares. As principais premissas no cenário de condições futuras incluem as seguintes alterações na bacia hidrográfica: 1. O Fluxo de fora da bacia é desviado para a bacia nas nascentes. 2. Construção de 5 barragens adicionais nos principais afluentes do São Francisco. Essas barragens estão localizadas nas bacias hidrográficas de Velhas, Paracatu e Urucuia. 3. O fluxo no Baixo Rio São Francisco é desviado para o Nordeste semiárido (fora da bacia). 4. 25% das pastagens são convertidas em culturas de linha de alta intensidade (uma resposta ao aumento da disponibilidade de irrigação). Essas mudanças são baseadas em um plano de uso da terra existente para o Rio São Francisco. Esta seção descreve os efeitos associados com as mudanças no uso do solo, mas também demonstra como o modelo SWAT pode ser utilizado para analisar uma variedade de condições de uso do solo futuras por engenheiros e analistas da CODEVASF.

6.6.1

Desvio de Fluxo para a Bacia nas Nascentes

Existem três desvios propostos para a bacia do São Francisco, que foram considerados e estão em fase de planejamento na CODEVASF. São eles: 1. Empreendimento Túnel de São Marcos 2. Empreendimento Bebedouro do Paranaíba 3. Empreendimento Vertedor de Furnas Um quarto projeto foi considerado pela CODEVASF para desviar a água da bacia do Tocantins para a bacia do São Francisco, mas não está sendo considerado neste relatório. O Empreendimento Túnel de São Marcos consiste em uma transferência de 70 cms (2.207.520.000 m3 por ano) da Bacia do Rio São Marcos para o Rio Paracatu (veja a Figura 68). Esta localização corresponde à bacia SWAT 67 no modelo. O Empreendimento Bebedouro do Paranaíba consiste em uma transferência de 120 cms (3.784.320.000 m3 por ano) da Bacia do Rio Paranaíba para o Rio Paracatu ( veja a Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 6 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


Figura 68). Esta localização também corresponde à bacia SWAT 67 no modelo, que traz o desvio total do Rio Paracatu de 190 cms. O Empreendimento vertedor de Furnas consiste em uma transferência de 62 cms (1.955.232.000 m3) da Bacia do Rio Grande para o Rio São Francisco (veja a Figura 68). A localização do desvio corresponde à bacia SWAT 76. Figura 68: Planejamento de Recursos Hídricos CODEVASF Proposto

Existem vários métodos disponíveis na ferramenta SWAT, a fim de simular o fluxo adicional nas bacias. A opção Ponto Fonte de Descarga foi selecionada, e os fluxos diários associados foram adicionados ao Modelo de Condições Futuras.

Elaborado pelo USACE, Distrito de Mobile e CODEVASF, Escritório em Brasilia 7 Relatório Final do Modelo da Bacia do São Francisco VERSÂO JANEIRO DE 2014


6.6.2

Barragens Propostas

A CODEVASF está propondo três novas barragens na bacia do Paracatu, e uma barragem em ambas as bacias hidrográficas de Urucuia e Velhas. A Figura 69 mostra a zona que em última análise contribui para cada um dos reservatórios propostos. O armazenamento e a área do reservatório, bem como a altura da barragem, e correspondente ID da Bacia SWAT são mostrados na Tabela 21. Tabela 5: Barragens Propostas e Parâmetros SWAT Associados Watershed

Reservoir Name

SWAT Basin

Velhas Paracatu Paracatu Paracatu Urucuia

Santo Hipólito Paracatu1 Caatinga Sono2 Urucuia

73 67 65 65 58

Normal Volume (RES_VOL) (10 4 m 3 ) 440200 155600 255500 206700 320300

Emergency Volume (RES_EVOL) (10 4 m 3 ) 484220 171160 281050 227370 352330

Emergency

Normal Reservoir Reservoir Area Dam Height Area (RES_PSA) (RES_ESA) (m) (ha) 29350 19030 21670 10990 19620

(ha) 32285 20933 23837 12089 21582

46 11 45 57 50

Estas barragens foram adicionadas ao modelo SWAT usando a opção "Adicionar Reservatório" dentro da ferramenta "Delineador de Bacia Hidrográfica". Uma vez que ambos os reservatórios de Caatinga e Sono2 estão localizados na mesma bacia, os volumes (e domínios) foram somados e simulados como um represamento.

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Figura 20: Reservatórios Propostos para Gerenciar Descargas de Nascentes

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6.6.3

Conversão do Uso do Solo

A tendência atual de conversão de uso do solo nos limites do Rio São Francisco é de pastagens para lavouras de linha de alta intensidade (como milho, soja e algodão). Embora a quantidade específica de desenvolvimento da pastagem não esteja atualmente prevista nos planos de uso do solo futuros na CODEVASF, presume-se que a tendência irá continuar. Um valor estimado de 25% da pastagem foi convertido para culturas de linha no modelo de Condições Futuras da bacia do Rio São Francisco. Isto foi concluído no menu Editar Atualização de Uso do Solo (para mais detalhes consulte o Apêndice A).

6.6.4

Captação de Água do Sistema Proposta

A CODEVASF desenvolveu um plano de condições futuras para desviar a água por meio de canais de irrigação em todo o Nordeste do Brasil. Este projeto é chamado de Projeto Semiárido e atualmente consiste de 11 locais de retirada de água distintos. Muitas das captações são feitas diretamente do Reservatório de Sobradinho (correspondente a Bacia SWAT 17). Captações adicionais estão localizadas em posições a jusante da Barragem de Sobradinho. O fluxo operacional total de todos os projetos propostos é de 252 cms (equivalente ao desvio de fluxo para a bacia). Um esquema conceitual dos projetos é mostrado na Figura 70. Os dados associados com os projetos estão incluídos na Tabela 22.

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Figura 21: Esquema Conceitual de Projetos de Irrigação Propostos

Canais de Irrigação propostos são mostrados em vermelho. Nomes de Projetos de Irrigação específicos são rotulados de T1-A a T4. Os nomes de projeto estão listados na Tabela 22.

Tabela 6: Captações de Água Propostas (Projetos de Irrigação) Name Bahia Norte Sertão Pernambucano Jacaré Verde Terra Nova Piauí Canindé Arco Íris Eixo Norte Eixo Leste Sertão Alagoano Dois Irmãos Xingó

Code T1-A T1-B T1-C T1-D T1-E T2-A E-N E-L T3-A T3-B T-4

SWAT Basin 17 17 17 17 17 7 7 7 8 8 14 TOTAL

Min Flow, cms 10 10 10 10 10 4 99 28 10 10 10 211

Operational Flow, cms 29 17 17 11 19 4 99 28 10 10 10 252

Max Flow, cms 120 70 70 45 80 15 99 28 40 40 41 648

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Estas captações adicionais de água foram acrescentadas ao modelo SWAT, pelo ajuste de parâmetros na Tabela Uso de Água (ou seja, a tabela .wus na A ferramenta SWAT). Detalhes adicionais podem ser encontrados no Tutorial (Apêndice A) que acompanha este relatório. 6.6.5

Resultados do Cenário Futuro de Uso do Solo Os vários cenários de condições futuras foram adicionados ao modelo SWAT para avaliar os impactos para a provisão de sedimentos, e para a hidrologia do sistema. Um mapa dos impactos hidrológicos (saídas) está incluído na Figura 71. Este mapa mostra um grande aumento nas saídas de fluxo na bacia onde os desvios propostos trazem água para a bacia, e diminuições significativas nos fluxos associados às bacias a jusante das grandes retiradas (para irrigar o Nordeste). O modelo também mostra um aumento positivo para os fluxos no canal de navegação do Médio São Francisco, o que será um benefício positivo para a navegação neste trecho. O foco deste relatório é determinar os impactos potenciais futuros para o canal de navegação, a fim de determinar os impactos de navegação futuros associados com as mudanças de uso do solo propostas. Inicialmente, foi calculada a provisão de sedimento total. As fontes de sedimentos totais podem ser vistas na Figura 72 e o total de zonas profundas de sedimentos podem ser vistas na Figura 73.

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Figura 22: Impactos no Escoamento Anual da Bacia do Cenário de Condições Futuras

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Figura 23: Fontes Erosão Bruta do Cenário de Condições Futuras

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Figura 24: Zonas Profundas de Deposição do Cenário de Condições Futuras

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O Quadro 23 resume os resultados globais da provisão de sedimentos. A provisão total de sedimentos futuros mostra que há um aumento líquido esperado na produção de sedimentos a partir do escoamento superficial, e pequenos afluentes. Isso pode ser explicado devido à conversão de faixa de uso do solo para as culturas de linha de alta intensidade, que normalmente produzem mais sedimentos do que pastagens. Há também um aumento de aproximadamente 39% de armazenamento de sedimentos nos reservatórios propostos futuros. A erosão de margem e armazenamento de várzea futuros não serão significativamente afetadas pelas condições futuras. Ambas as fontes de leito e o armazenamento de leito são reduzidos. Este é um resultado de haver menos sedimento entregue ao Rio São Francisco por causa das 5 barragens propostas a montante. Isto resulta em menos degradação de sedimentos no sistema. Uma vez que a maior parte do sedimento sendo transportado no canal de navegação sofre tanto erosão como deposição em uma escala anual, a redução de sedimentos sendo entregue ao canal de navegação pode também reduzir a quantidade de sedimentos disponível para erosão, que conduz à redução da erosão. Além disso, parte da redução na erosão é devido à conversão de rios de cabeceira erosivos em uma área de reservatório de deposição, levando a uma menor erosão de sedimento nestes rios de cabeceira. Tabela 7: Comparação das Condições de Provisão de Sedimentos Existentes e Futuras Erosion (Sources) Bed Bank Upland / Tributaries Deposition (Sinks) Bed Floodplain Reservoirs Ocean

Current Conditions Sediment Loads (tonnes/year) 50,700,317 5,236,226 87,970,369 Current Conditions Sediment Loads (tonnes/year) 73,790,408 298,073 67,519,632 2,298,800

Future Conditions Sediment Loads (tonnes/year)

Change

23,761,114 5,094,537 95,877,235

-53% -3% 9%

Future Conditions Sediment Loads (tonnes/year)

Change

30,468,533 289,715 93,772,990 201,648

-59% -3% 39% -91%

Portanto, o cenário de uso de solo futuro irá provavelmente melhorar as condições de navegação e não degradar a navegação. Isto é especialmente devido à captação de sedimentos nas barragens nas cabeceiras. O âmbito desta análise considera apenas os impactos para o canal de navegação, embora se reconheça que existem múltiplos usuários, os quais se espera que venham a ser afetados de diversas de formas, devido a quaisquer planos propostos feitos pela CODEVASF ou outras partes interessadas na bacia. A ferramenta SWAT desenvolvida poderá também ser utilizada por outras partes interessadas para determinar os possíveis impactos a outras áreas de interesse, ou a

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CODEVASF poderá usar o modelo para analisar uma variedade de cenários de alternativas futuras de uso do solo.

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7.0

RESUMO E CONCLUSÕES

7.1

Sumário

Um modelo de hidrologia e produção de sedimentos do São Francisco foi desenvolvido a fim de analisar a provisão de sedimentos da bacia do São Francisco. Após uma tarefa de seleção de modelo, a ferramenta de avaliação de Solo e Água (SWAT) foi selecionada para a modelagem da bacia. Esta ferramenta utiliza um conceito chamado Unidades Hidrológicas de Resposta (HRUs), que são compostas das características do solo, uso do solo e as características de declive de pequenas unidades de área dentro de uma sub-bacia hidrográfica. O modelo SWAT é uma ferramenta poderosa que permite que o usuário analise reservatórios, irrigação, águas subterrâneas e hidrologia de superfície, produção de sedimentos e contaminantes (entre outros). O modelo SWAT foi calibrado para dezoito diferentes medidores de fluxo, um medidor de sedimento, e onze cargas sedimentares originadas de fluxos de entradas dos afluentes. A calibração alcançou classificações de Satisfatória a Muito Boa para todos os medidores analisados. O modelo SWAT foi usado para calcular uma provisão de sedimentos para a bacia hidrográfica. Várias conclusões associadas a esta provisão de sedimentos são descritas na seção seguinte. Depois que o modelo SWAT foi calibrado, ele foi usado para analisar dois cenários adicionais. Estes cenários são as condições pré-colonização europeia (antes de grandes conversões de uso do solo e da construção de barragens) e uma condição de uso do solo futura proposta. Insights sobre a dinâmica dos sedimentos do sistema foi desenvolvido com base na sondagem dos resultados destes três cenários.

7.2

Conclusões:

Várias observações foram feitas sobre a dinâmica de sedimentos da bacia hidrográfica do Rio São Francisco usando o modelo SWAT. A seguir está uma lista de conclusões feitas a partir deste estudo: •

Foi demonstrado que o modelo SWAT é uma ferramenta que pode ser usada para analisar o sedimento e hidrologia dentro da bacia hidrográfica do Rio São Francisco. Esta ferramenta também foi utilizada para desenvolver insights sobre as condições históricas, atuais e, potencialmente, futuras da bacia do Rio São Francisco.

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Os engenheiros ou analistas da CODEVASF podem agora utilizar as orientações deste relatório e do apêndice A para modelar cenários adicionais. Perguntas como "o que poderia ocorrer se apenas as barragens propostas fossem construídas?" ou "que impactos resultariam de apenas desviar o fluxo de fontes externas para a bacia?" podem ser analisados diretamente pela CODEVASF usando a ferramenta SWAT.

No geral, somente uma pequena parte da provisão de sedimentos existente é devido a erosão das margens do rio São Francisco. Cerca de 6% do sedimento que está causando bancos de areia no rio São Francisco pode ter originado nas margens do Rio São Francisco ou às margens dos principais afluentes. Cerca de 94% dos sedimentos que estão causando bancos de areia originaram de fontes de sedimentos terrestres.

Devido à elevada percentagem de sedimentos que tiveram origem nas regiões montanhosas e afluentes menores, as medidas de erosão de margem sozinhas terão um efeito insignificante sobre os bancos de areia existentes no canal de navegação do rio São Francisco.

A produção de água na bacia do rio São Francisco é geralmente concentrada nas cabeceiras, o que é um achado consistente com estudos anteriores da CODEVASF e da ANA.

A produção de sedimentos na bacia do rio São Francisco é geralmente concentrada nas cabeceiras, o que é uma observação consistente com estudos anteriores da CODEVASF e da ANA.

A carga de leito é uma dinâmica muito importante que impacta o canal de navegação, e ainda não é bem compreendida. Recomenda-se que valores de carga de leito sejam recolhidos ao longo da bacia hidrográfica para confirmar a suposição de que 20% dos sedimentos sendo transportados no Rio São Francisco estão na carga de leito, e 80% estão em suspensão. Isso também ajudará na validação das taxas de reenchimento do reservatório, e da quantidade de material arenoso que está se movendo ativamente no canal de navegação.

O resultado da produção de sedimentos do Rio São Francisco pode ser usado como uma variável de entrada para o modelo de transporte de sedimentos do rio São Francisco. Estes dados foram, de fato, alavancados no modelo de transporte de sedimentos do canal de navegação (Projeto nº 7 do programa CODEVASFUSACE).

O modelo previu uma condição de referência das fontes de sedimentos e zonas profundas/sinks da bacia do Rio São Francisco. Estas condições podem ter existido antes das principais alterações antropogênicas da bacia, tais como a

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conversão do uso do solo nativo em pastagens e culturas de linha, e da construção de barragens. O modelo prevê que todas, menos uma fonte e zona profunda (sink) aumentaram desde a pré-colonização europeia. Erosão de margens, erosão de leito e cargas terrestres de recalque por adensamento aumentaram. A acumulação de leito, acumulação de planície aluvial e acumulação de reservatório também aumentaram desde as condições históricas. A única zona profunda/sink que diminuiu desde a pré-colonização europeia foi a carga sedimentar para o Oceano Atlântico. Este é um resultado esperado, devido à construção de grandes barragens a montante da foz, o que levou à captura de sedimentos. •

O modelo SWAT foi utilizado para analisar as condições futuras para as partes interessadas na bacia sob uma ampla gama de cenários. O modelo de condições futuras mostra que as condições para a navegação podem melhorar devido à construção das barragens propostas. Além dos impactos para o canal de navegação, reconhece-se que existem vários usuários, que podem vir a ser afetados de diversas formas, devido a quaisquer planos propostos elaborados pela CODEVASF ou outras partes interessadas na bacia. A ferramenta SWAT desenvolvida poderá também ser utilizada por outras partes interessadas para determinar os possíveis impactos a outras áreas de interesse, ou a CODEVASF poderá usar o modelo para analisar uma variedade de cenários futuros de uso do solo de alternativos.

O modelo SWAT desenvolvido é uma ferramenta que pode auxiliar os gestores de uso do solo na compreensão da reação de bacias hidrográficas (hidrológico e sedimentos) para diversas atividades de uso do solo. A escala do modelo SWAT é muito grosseira, o que significa que somente as conclusões gerais relacionadas às reações de bacias hidrográficas à mudanças de larga escala podem ser extraídas do modelo. As tendências gerais de respostas de bacias hidrográficas podem ser extraídas do modelo, mas o tomador de decisão deve usar valores numéricos exatos do modelo com cautela e estes não devem ser superinterpretado. O modelo é uma ferramenta poderosa para entender de modo geral os impactos atuais e potenciais associados com mudanças para a bacia hidrográfica do Rio São Francisco.

Um tutorial do desenvolvimento do modelo SWAT está disponível no Apêndice A deste relatório. Este tutorial pode ajudar engenheiros de recursos hídricos técnicos na compreensão do desenvolvimento do modelo, e seu uso em outras aplicações.

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8.0

REVISÃO

Uma revisão de garantia de qualidade / controle de qualidade (QA / QC) foi realizada neste relatório. A intenção da análise de QA/QC foi de que pessoas não relacionadas ao projeto inspecionassem o relatório para assegurar o fácil entendimento e clareza desta análise, e que as análises realizadas foram suficientes. Os revisores forneceram comentários que foram avaliados pelos autores/projetistas originais. As reavaliações necessárias foram incorporadas ao relatório e análises. A versão final revisada foi fornecida aos revisores para nova verificação e para garantir que os comentários foram devidamente considerados. O processo QA/QC foi documentado em um formulário e pode ser encontrado no Apêndice B.

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9.0

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Appendix B – QA/QC

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