Modelagem hidrológica e avaliação de diferentes métodos de calibração para o modelo SWAT

Abstract

Um dos principais desafios enfrentados pela modelagem hidrológica é a calibração eficiente dos parâmetros do modelo. O objetivo deste estudo foi testar métodos de calibração hierárquicos para o modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) considerando variações da bacia. A área de estudo foi a bacia hidrográfica do Rio Negrinho, localizada no estado de Santa Catarina, com uma área de 198,5 km². Antes da primeira simulação os dados de entrada foram pré-processados: os dados de chuva (1999-2012) foram interpolados pelo método da Krigagem Simples com Diferentes Médias Locais e Elevação como Variável Externa, e um filtro automático foi usado para separar o escoamento superficial e de base a partir da vazão medida. Uma análise de sensibilidade dos parâmetros foi realizada e do total, 15 parâmetros foram selecionados. A calibração do modelo foi feita usando o algoritmo Sequential Uncertainty Fitting (SUFI2), utilizando testes de crescente complexidade. A série de vazões observadas foi dividida em períodos distintos de calibração e validação (Split Sample Test) sendo que os resultados obtidos para o intervalo mensal foram considerados aceitáveis com um coeficiente de Nash?Sutcliffe (NSE) =0,5 e Pbias=±25%. Na análise de cada ano separadamente (Differential Split-Sample Test) a calibração e validação dos anos úmidos (2008 a 2012) foi mais eficiente que dos anos secos (2003 a 2007). No processo de validação do modelo para uma bacia com uso do solo semelhante (Proxy-Catchment Test), o modelo não foi eficiente para o ajuste dos picos de vazões (NSE de 0), porém, houve uma compensação dos volumes na estimativa do balanço hídrico (Pbias de 0,1%). Os resultados indicam que a eficiência do modelo SWAT depende da quantidade de dados disponíveis e do período de calibração. Para simulação de cenários climáticos e de mudanças de uso do solo o modelo deve ser calibrado e validado usando dados espacialmente bem distribuídos e uma série de vazões suficientemente representativa que considere períodos secos e úmidos.<br>

Abstract : One of the main challenges facing hydrological modeling is the effective calibration of model parameters. The aim of this study was exemplified a calibration scheme for the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model by considering land use and climate changes. The study area was the Rio Negrinho watershed (198,5 km²), located in Santa Catarina State, Brazil. Before the first simulation, input data were preprocessed: rainfall data (1999 to 2012) were interpolated using Simple Kriging with Varying Local Means with Elevation as External variable, and an automated digital filter technique was used to separate baseflow from the measured streamflow. A parameter sensitivity analysis was carried out and 15 parameters were selected. Model calibration was performed with the Sequential Uncertainty Fitting (SUFI2) Algorithm through increasing complexity tests. The measured flow series was first divided into calibration and validation periods(Split Sample Test) wherein the predicted monthly flow matched the measured values, with a Nash?Sutcliffe coefficient (NSE) =0.5 and Pbias<±25%. When wet and dry periods were considered separately (Differential Split-Sample Test) the NSE values of wet years (2008 a 2012) were higher than dry years values (2003 a 2007). In the SWAT validation for a watershed with similar land use (Proxy-Catchment Test), the model could not capture the flow peaks well (NSE of 0), however, the water balance volumes were compensated (Pbias of 0.1%). The case study demonstrates that SWAT performance vary largely, depending on the spatial scale and calibration period. SWAT model can be used in further studies to simulate land use and climate change scenarios however it must be calibrated and validated using data spatially well distributed and recorded series segment including dry and wet periods.