8. DISCUSSION
8.1. The first research question
Os parâmetros climáticos constituem os principais dados de entrada para o uso do modelo SWAT. São esses dados que guiam todos os processos simulados em uma bacia hidrográfica. Os parâmetros diários do clima usados pelo SWAT foram:
Precipitação (mm);
Temperatura máxima e mínima (°C); Radiação solar (MJ/m²/dia);
Velocidade do vento (m/s); Umidade relativa (fração).
Utilizaram-se dados de séries históricas de duas estações localizadas próximas à sub-bacia do ribeirão Bom Jardim, visto que não existe estação meteorológica instalada dentro dos limites desta sub-bacia. A primeira é a estação meteorológica Uberlândia-A507, código 86776, localizada a 875 metros de altitude, latitude -18,92° e longitude -48,25°. A estação está situada no campus Santa Mônica da Universidade Federal de Uberlândia, na cidade de Uberlândia (MG). Esta estação possui dados desde o ano de 1981, mas só em 14 de dezembro de 2002 esses dados começaram a ser coletados de forma automática. Os dados climáticos obtidos nesta estação meteorológica foram disponibilizados pelo Laboratório de
Climatologia e Recursos Hídricos do Instituto de Geografia da Universidade Federal de Uberlândia (UFU).
A segunda estação meteorológica escolhida foi a de Uberaba, código 83577, localizada a uma altitude de 737 metros, latitude -19,73° e longitude -47,95. Os dados desta estação de Uberaba foram adquiridos pelo Banco de Dados Meteorológicos para Ensino e Pesquisa (BDMEP) do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET).
Estas duas estações meteorológicas foram escolhidas por serem as mais próximas da área da sub-bacia do ribeirão Bom Jardim, uma ao norte (Uberlândia) e a outra ao sul (Uberaba). É indicado o uso de dados climáticos com a maior qualidade e quantidade possível, a fim de não prejudicar a credibilidade dos resultados das simulações realizadas pelo modelo (SILVA; BRESSIANI; CRESTANA, 2014).
Os dados utilizados foram referentes ao período de 01 de janeiro de 1981 a 31 de dezembro de 2016, totalizando 35 anos contínuos, para ambas as estações meteorológicas. Esse período foi escolhido devido à continuidade dos dados, uma vez que existem muitas falhas nos anos anteriores.
As estações meteorológicas de Uberlândia e Uberaba não dispunham de informações de radiação solar, por se tratarem de estações convencionais. Contudo, foram disponibilizados dados de insolação. Assim, calculou-se a radiação solar necessária para alimentar o modelo hidrológico através da insolação.
Quando não medida, a radiação solar pode ser calculada usando a fórmula de Angstrom (1924), que relaciona a radiação solar com a radiação extraterreste e a insolação, representada pela Equação 1.
𝑅𝑠 = 𝑅𝑎∗ (𝑎𝑠+ 𝑏𝑠 ∗𝑁) (1)𝐼
Na qual:
Ra = radiação solar extraterrestre (MJ/m²/dia);
as e bs = constantes empíricas de Angstrom;
I = insolação (h); N = duração do dia (h).
Onde não há dados de radiação solar e nenhuma calibração dos parâmetros as e bs,
recomenda-se a utilização dos valores 0,25 para as e 0,50 para bs (FAO, 2009).
A radiação extraterreste é determinada através da Equação 2.
𝑅𝑎 =24 ∗ 60 ∗ 𝐺𝑠𝑐∗ 𝑑𝑟∗ (𝑠∗ sin() ∗ sin() + cos() ∗ cos() ∗ sin(𝑠)) (2)
Na qual:
Ra = radiação extraterrestre (MJ/m²/dia);
Gsc = constante solar (0,0820 MJ/m²/min);
dr = distância relativa inversa Terra/Sol;
s = ângulo da hora do pôr do sol (rad);
= latitude (rad);
= declinação solar (rad).
A duração do dia, N, é calculada através da Equação 3.
𝑁 =24 ∗𝑠 (3)
Na qual:
s = ângulo da hora do pôr do sol (rad).
Assim, foi possível calcular a radiação solar para as duas estações meteorológicas. Dados de precipitação
Por se tratar do parâmetro climático mais importante do SWAT, devido à sua possível variação em diferentes pontos da bacia, além das estações meteorológicas de Uberlândia e de Uberaba, foram utilizados dados de precipitação de outras 5 estações pluviométricas da região. Os dados de precipitação foram disponibilizados pelo site Hidro Web - Sistema de Informações Hidrológicas. Essas estações pluviométricas são de responsabilidade da Agência Nacional de Águas (ANA), e estão mais detalhadas na Tabela 3.
Tabela 3 – Estações pluviométricas
Código Nome Município Latitude (°) Longitude (°) Período
1948016 Patrimônio Rio do Peixe Prata -19,52 -48,50 2000 - 2016 1948005 Fazenda Paraíso Prata -19,24 -48,56 1967 - 2016 1947026 Itiguapira Uberaba -19,53 -47,81 2000 - 2016 1948006 Fazenda Letreiro Uberlândia -18,98 -48,19 1974 - 2016 1947019 Porto Saracura Indianópolis -19,06 -47,93 1977 - 1997 Fonte: Hidro Web (2016)
Uma vez que estas estações pluviométricas e as estações de Uberlândia e Uberaba se encontram fora dos limites da sub-bacia do ribeirão Bom Jardim, aplicou-se o método Inverso Ponderado da Distância (IPD), com intuito de interpolar os dados históricos de precipitação para estações fictícias localizadas no interior da sub-bacia analisada. O IPD é um modelo determinístico bastante utilizado como método de interpolação espacial. É um método relativamente rápido, fácil de computar e simples de interpretar. O princípio do IPD é que o valor de um ponto sem amostragem é a média ponderada de valores conhecidos dentro da vizinhança. Mas a semelhança entre esses pontos é inversamente relacionada com a distância entre eles (LU; WONG, 2008).
𝑃𝑖 = ∑ ( 1𝑑 𝑖 ∗ 𝑃′𝑖) 𝑛 𝑖=1 ∑ ( 1𝑑 𝑖) 𝑛 𝑖=1 (4) Na qual:
Pi = valor interpolado da precipitação;
Pi’ = valor amostrado da precipitação;
di = a distância euclidiana entre o ponto amostrado e o estimado;
n = número de pontos vizinhos utilizados na interpolação;
= expoente ponderador da distância euclidiana (ou poder).
Quando se aplica o método IPD, o valor ótimo do expoente ponderador pode variar, geralmente de 1 a 5 (LU; WONG, 2008). Lloyd (2005) adota o valor do expoente igual a 2, que é o mais frequentemente usado para interpolar precipitação. Nesse trabalho foi adotado o valor 2 para o expoente.
Optou-se por estimar a precipitação em 3 pontos diferentes da sub-bacia, constituindo estações pluviométricas internas fictícias que são utilizadas pelo SWAT. Para isso, a sub- bacia do ribeirão Bom Jardim foi dividida em 3 partes, de acordo com sua topografia, e para cada parte foi calculado o centroide respectivo (C1, C2 e C3). Foi estimada a precipitação para estes 3 pontos, interpolando os valores das estações vizinhas. A interpolação foi realizada em uma planilha eletrônica, utilizando a Equação 4. A Figura 5 mostra a localização da sub-bacia do ribeirão Bom Jardim, das estações meteorológicas e pluviométricas, além das estações fictícias (C1, C2 e C3).
Assim, por meio do método IPD, foi possível estimar a precipitação diária na sub-bacia do ribeirão Bom Jardim, utilizando os dados das 5 estações pluviométricas vizinhas mais os dados das estações de Uberlândia e Uberaba, isto é, foram interpolados dados de 7 estações para encontrar os valores nos três pontos da sub-bacia. Com isso, todos os dados diários referentes ao clima da sub-bacia foram adquiridos para a inserção no modelo hidrológico. Gerador Climático do SWAT
Para o Gerador Climático do SWAT, utilizado com o objetivo de preencher falhas nas séries de dados climáticos ou para a geração de dados que o usuário não disponha, foram usadas as séries das duas estações meteorológicas descritas anteriormente.
Para preencher o Gerador Climático do SWAT, os parâmetros climáticos obtidos das estações meteorológicas de Uberlândia e de Uberaba foram parametrizados mensalmente. Essa parametrização consiste no cálculo da média mensal e do desvio padrão. Esses cálculos foram realizados por meio de uma planilha eletrônica WGN Macro. Essa Macro é disponibilizada gratuitamente no site do SWAT.
Além dos parâmetros climáticos das estações meteorológicas (precipitação, temperatura máxima e mínima, velocidade do vento, radiação solar e umidade relativa), a Macro também requer dados de temperatura no ponto de orvalho (°C) e precipitação máxima de 0,5 hora (mm), para gerar a média mensal e o desvio padrão.
A temperatura no ponto de orvalho foi calculada usando o software livre dew02. Primeiro, o dew02 calcula a pressão de saturação de vapor, usando a Equação 5 (FAO, 2009).
𝑒𝑠 = 0,6108 ∗ exp [𝑇 + 237,3] ∗17,27 ∗ 𝑇 (10) (5)
Na qual:
es = pressão de saturação de vapor (kPa);
T = temperatura (°C);
Em seguida, calculou-se a pressão de vapor real, usando a Equação 6 (HACKEL, 1999).
𝑒𝑎 = 𝑈𝑅 ∗ (100) (6)𝑒𝑠
Na qual:
ea = pressão real de vapor de água no ar (mbar);
UR = umidade relativa do ar (%).
Finalmente, a temperatura no ponto de orvalho é calculada, através da Equação 7 (HACKEL, 1999).
𝑑𝑒𝑤 =234,18 ∗ 𝑙𝑜𝑔(𝑒8,204 − 𝑙𝑜𝑔(𝑒𝑎) − 184,2
𝑎) (7)
Na qual:
dew = temperatura no ponto de orvalho (°C).
Os valores de precipitação máxima de 0,5 hora também foram calculados, a partir dos coeficientes de desagregação de chuva. Segundo Tucci (2000), a precipitação máxima pode ser definida como “ocorrência externa, com duração, distribuição temporal e espacial crítica para uma área ou bacia hidrográfica”.
As precipitações máximas são representadas pelas curvas de intensidade, duração e frequência (IDF). Quanto menor for a duração de uma chuva, maior será sua intensidade. Essa relação de IDF é determinada através de dados de pluviógrafos da área de interesse (TUCCI, 2000).
Dentre os coeficientes de desagregação presentes na literatura, os mais difundidos são os do Departamento de Água e Energia Elétrica da Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB, 1986). Esses coeficientes foram calculados com base no estudo de chuvas intensas realizado por Pfafstetter (1982), onde estão descritas as equações de chuva para 98 estações pluviométricas brasileiras.
A Tabela 4 traz os coeficientes de desagregação de chuvas com período de retorno de 2 a 100 anos, obtidos a partir das curvas IDF de Pfafstetter (1982).
Tabela 4 – Coeficientes de desagregação de chuvas brasileiras
Relação de duração Relação de chuvas
5 min / 30 min 0,34 10 min / 30 min 0,54 15 min / 30 min 0,70 20 min / 30 min 0,81 25 min / 30 min 0,91 30 min / 1 h 0,74 1 h / 24 h 0,42 2h / 24 h 0,48 6 h / 24 h 0,72 8 h / 24 h 0,78 10 h / 24 h 0,82 12 h / / 24 h 0,85 24 h / 1 dia 1,14 Fonte: CETESB (1986)
De acordo com a Tabela 4, para a obtenção da chuva de 30 minutos a partir da chuva de um dia, a sequência dos coeficientes em cascata é igual a 0,74 multiplicado por 0,42 e por 1,14. Obtêm-se um valor de 0,354312, ou seja, a chuva máxima de 30 min corresponde a 0,354312 da chuva medida em um dia. Esse coeficiente foi aplicado aos dados de precipitação diária, obtendo assim, os valores da chuva máxima de 0,5 hora.
Com os valores de temperatura no ponto de orvalho e precipitação máxima de 0,5 hora obtidos, estes, juntamente com os outros dados climáticos foram inseridos na Macro para a parametrização. Os dados gerados da parametrização estão descritos na Quadro 3.
Esses parâmetros mensais do Quadro 3 foram inseridos no Gerador Climático do SWAT. O Gerador utilizou essas variáveis para preencher as falhas existentes nas séries históricas dos dados climáticos de precipitação, temperatura máxima e mínima, velocidade do vento, radiação solar e umidade relativa.
Quadro 3 – Parâmetros climáticos mensais gerados pela Macro e inseridos no Gerador Climático do SWAT
Parâmetro Descrição
TMPMX Média mensal da temperatura máxima diária (°C) TMPMN Média mensal da temperatura mínima diária (°C)
TMPSTDMX Desvio padrão da temperatura máxima diária de cada mês TMPSTDMN Desvio padrão da temperatura mínima diária de cada mês
PCPMM Média mensal da precipitação total (mm) PCPSTD Desvio padrão da precipitação diária do mês
PCPSKW Coeficiente de assimetria para a precipitação diária no mês
PR_W1 Probabilidade de dias úmidos seguidos de dias secos para o mês (%) PR_W2 Probabilidade de dias úmidos seguidos de dias úmidos para o mês (%)
PCPD Média mensal de dias de precipitação (dias) RAINHHMX Precipitação máxima de 0,5 hora para o mês (mm)
SOLARAV Média diária de radiação solar para o mês (MJ/m²/dia)
DEWPT Média diária da temperatura no ponto de orvalho para o mês (°C) WNDAV Média diária da velocidade do vento para o mês (m/s)
A Figura 6 apresenta, resumidamente, os passos realizados para obtenção dos dados climáticos que foram descritos anteriormente e inseridos no SWAT.
Figura 6 – Esquema dos dados climáticos para inserção no modelo SWAT