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

Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/878452
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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorRoig, Henrique Llacer-
Autor(es): dc.contributorKalin, Latif-
Autor(es): dc.contributorwellber@gmail.com-
Autor(es): dc.creatorAlves, Welber Ferreira-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-10-23T15:15:22Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-10-23T15:15:22Z-
Data de envio: dc.date.issued2021-07-16-
Data de envio: dc.date.issued2021-07-16-
Data de envio: dc.date.issued2021-07-16-
Data de envio: dc.date.issued2021-04-09-
Fonte completa do material: dc.identifierhttps://repositorio.unb.br/handle/10482/41442-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/878452-
Descrição: dc.descriptionTese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2021.-
Descrição: dc.descriptionA gestão dos recursos hídricos torna-se cada vez mais difícil e necessária, haja vista o cenário de indícios de mudanças/variações climáticas que tem ocorrido no Mundo e no Brasil, somado aos fenômenos de expansão demográfica e ocupação desordenada em áreas metropolitanas que acabam gerando conflitos por esses recursos e alterações em seu ciclo natural. O cenário de escassez hídrica no Brasil tornou-se mais comum na vida de muitos brasileiros, principalmente em grandes cidades como São Paulo e Fortaleza, e, mais recentemente, em Brasília, uma cidade planejada com pouco mais de 60 anos de fundação. Localizada no Centro-Oeste brasileiro, com sazonalidade climática bem definida, secas prolongadas e chuvas concentradas, a Capital brasileira vive diante desse cenário, despontando entre os anos de 2016 e 2018 para uma situação de estresse hídrico, que conduziu a várias ações como racionamento semanal e obras emergenciais para captação em novas fontes. Nesse sentido, tanto uma compreensão ampliada dos fenômenos hidrológicos, como também uma política de planejamento no uso desses recursos que permita a inclusão de análises hidrológicas mais representativas é de grande urgência. Diante desse quadro, urge a necessidade do desenvolvimento de sistemas/modelos que permitam ao tomador de decisões uma análise mais consistente da disponibilidade hídrica frente à atual e às futuras demandas, com o objetivo de fazer planejamentos exequíveis e sustentáveis. Este estudo pretendeu desenvolver melhorias no SWAT (Soil and Water Assessment Tool), um modelo hidrológico amplamente consagrado na literatura, a fim de que trouxesse melhores resultados nas aplicações de gestão de recursos hídricos em regiões de monções. As melhorias foram implementadas junto com o programa de calibração de modelos, SWAT CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Program). Para tanto, o presente trabalho foi desenvolvido em quatro fases. A primeira verificou que, para a região e período estudados, não havia evidências significativas de tendência de redução ou aumento das chuvas, principalmente nas áreas de abastecimento humano. Foram analisados 21 pluviômetros, anualmente e em períodos hidrológicos (DJF, MAM, JJA e SON), por meio de quatro testes estatísticos: Mann-Kendall (MK), Cox- Stuart (CS), Spearman (SP) e Wald- Wolfowitz (WW). Os resultados gerais indicam que a percentagem de medidores / períodos apresentando tendências pelo MK foi de 10,48%, CS 9,52%, SP 12,38 e WW 8,57%. Além disso, apenas uma estação apresentou tendência de redução das chuvas no período DJF, e não está em uma região voltada para o abastecimento humano. Os demais pluviômetros que apresentaram tendência decrescente, apresentaram-no para o período JJA, que apresenta valores de chuva insignificantes para gestão hídrica. A segunda fase adaptou o módulo de gestão de reservatórios do SWAT à realidade de regiões que apresentam grande variabilidade no consumo humano. Isso é relevante, pois o SWAT aceita apenas o consumo médio mensal histórico de água. O modelo modificado obteve NSE de 0,71 para volume do reservatório em contraste com o uso do modelo padrão que obteve NSE de - 0,18, aplicado na bacia de Santa Maria. A terceira determinou a melhor fonte de dados de precipitação, bem como o padrão de distribuição para geração de dados hidrológicos para uso no SWAT. Foram utilizados dois pluviômetros (em três abordagens: em conjunto, apenas um e usando a média aritmética de ambos), buscando a melhor composição para a modelagem. Também foram verificados dois produtos de estimativa que combinam dados de satélite e estações terrestres, CHIRPS e MSWEP. CHIRPS, MSWEP e a média aritmética das duas estações obtiveram um desempenho “satisfatório” com base em NSE, R2 e PBIAS durante a etapa de calibração. No entanto, para a etapa de validação, apenas o CHIRPS obteve um resultado “satisfatório” para as três funções objetivo. Os outros dois métodos falharam em relação ao R2. As estações, tanto juntas quanto isoladas, não apresentaram resultados satisfatórios com o R2 na calibração e apresentam baixo desempenho na validação. A quarta etapa fez duas adaptações no código-fonte do SWAT, alterando o método de cálculo do escoamento de base, além de incorporar a possibilidade de calibrar as abstrações iniciais para estimar o escoamento superficial, utilizando o modelo SCS- CN. O modelo acoplado com essas duas modificações demonstrou melhor desempenho na previsão de vazão para uma bacia hidrográfica de monção coberta por vegetação de cerrado. As Modificações permitiram uma representação mais realista e precisa dos processos físicos presentes na bacia do Rodeador. Embora tanto o modelo de fluxo de base, quanto aquele que permite a calibração das abstrações iniciais, individualmente, tenham mostrado benefícios para a bacia estudada, o modelo combinado apresentou melhores resultados. A título de comparação, o modelo contendo as duas modificações apresentou NSE de 0,66 para as duas etapas de análise (calibração e validação), enquanto o modelo padrão apresentou 0,59 e 0,57, respectivamente. Com relação ao índice de verificação das simulações realizadas, o fator p, o modelo combinado obteve 0,93 e 0,85, enquanto o modelo padrão registrou 0,39 e 0,34, tanto para as etapas de calibração quanto para verificação, respectivamente. Em última análise, a tese também apresenta, uma proposta de sistema de gestão de recursos hídricos focado na otimização dos recursos hídricos, auxiliado pelas mudanças desenvolvidas no modelo hidrológico SWAT, para regiões com a sazonalidade climática acima mencionada. O sistema segue um fluxo de trabalho em que o usuário é responsável por inserir principalmente dados climáticos, consumo de água e uso / cobertura do solo, que convergem para disponibilizar os resultados em um painel. Através da integração destes dados, bem como as melhorias desenvolvidas no SWAT, este projeto também visa apresentar uma proposta de um sistema eficaz de gestão dos recursos hídricos, permitindo a criação de possíveis cenários e desenvolvimentos futuros, tanto de natureza hidrológica, considerando possíveis longos períodos de escassez, bem como fatores sociais, como o crescimento populacional e / ou mudança de hábitos de consumo.-
Descrição: dc.descriptionCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).-
Descrição: dc.descriptionManagement of water resources is becoming increasingly challenging and necessary, due to growing evidence of climate variations around the world, including Brazil. This disruption to natural water cycles along with demographic expansion, and often disorderly occupation in metropolitan regions, has resulted in conflicts over these resources. Water scarcity in Brazil has become a reality for many Brazilians, especially in larger cities such as São Paulo and Fortaleza, and more recently in Brasília, the planned capital city just over 60 years old. Located in the midwest of the country and with well-defined climatic seasonality, punctuated by prolonged droughts and concentrated rains, the capital city has emerged through 2016 and 2018 years as a water stressed location, resulting in various actions such as water rationing, and emergency projects aimed at the capture of new sources. This situation urgently requires both a amplified understanding of hydrological phenomena, as well as a planning policy for the use of these resources with the inclusion of more robust hydrological analyses. In light of this situation, systems must be developed that enable decision-makers to more consistently analyze water availability based on current and future demand, and that results in more feasible and sustainable planning. This study intended to develop improvements in SWAT (Soil and Water Assessment Tool), a hydrological model ingrained in the literature, in order bring better results in water resources management applications in monsoon regions. The improvements were associated along with the model’s calibration program, SWAT CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Program). To this end, the present work has developed in four phases. The first verified that, for the studied region and period, there was no significant evidence of reduction trends or increase in rainfall, principally in areas used for human supply. Twenty-one rain gauges were analyzed, both annually and in hydrological periods (DJF, MAM, JJA and SON), using four statistical tests: Mann- Kendall (MK), Cox-Stuart (CS), Spearman (SP) and Wald-Wolfowitz (WW). The overall results indicate that the percentage of gauges/periods displaying trends by the MK was 10.48%, CS 9.52%, SP 12.38, and WW 8.57%. Besides, only one station showed a tendency for rainfall reduction in the DJF period, and it is not in a region focused on human supply. The other rain gauges that showed a decreasing trend, presented it for the JJA period, which presents insignificant rain values related to water management. The second phase adapted the SWAT hydrological reservoir module to the reality of regions that have high variability in human consumption. This is relevant since SWAT does accept only historic average monthly water consumption. The modified model achieved NSE of 0.71 for volume of the reservoir in contrast to the use of the standard model that obtained NSE of - 0.18, applied in Santa Maria basin. The third determined the best source of rainfall data as well as the distribution pattern for generation of hydrological data for inclusion in the SWAT model. Two rain gauges were used (in three conditions: together, only one, and using arithmetic mean), seeking the best composition for the modeling. It was also verified two estimation products that combine satellite data and ground stations, CHIRPS and MSWEP. CHIRPS, MSWEP, and arithmetic mean of the two stations achieved a “satisfactory” performance based on NSE, R2 and PBIAS during the calibration step. However, for the validation step, only CHIRPS achieved a “satisfactory” result for the three objective functions. The other two methods failed with respect to R2. The stations, both together and isolated, did not show satisfactory results using R2 in the calibration, and present low performance in the validation. The fourth made two adaptations to the SWAT source code, changing the method of calculating base flow, as well as incorporating the possibility of calibrating initial abstractions to estimate surface runoff, using the SCS-CN model. The coupled model demonstrated a better performance in the forecast of flow for a monsoon hydrographic basin covered by savanna vegetation. The Modifications allowed a more realistic and accurate representation of the physical processes present in the Rodeador basin. Although both the base flow model, as well as the one that allows the calibration of the initial abstractions, individually, have shown benefits for the studied watershed, the combined model showed better results. As a comparison, the model containing the two modifications presented an NSE of 0.66 for the two stages of analysis (calibration and validation), while the standard model presented 0.59 and 0.57, respectively. With respect to the verification index of the performed simulations, the p-factor, the combined model obtained 0.93 and 0.85, while the standard model registered 0.39 and 0.34, both for the calibration and validation steps, respectively. Ultimately the thesis also presents a proposal of a water resource management system focused on optimization of water resources, aided by changes to the SWAT hydrological model, for regions with the above mentioned climatic seasonality. The system follows a workflow in which the user is responsible for inputting especially climatic data, water consumption and land use/land cover, that converges to make dashboard results available. Through integration of this data as well as the improvements in the SWAT model, the project aims to present a proposal of an effective system for the management of water resources, enabling creation of possible future scenarios and developments for both hydrological nature, considering possible long periods of scarcity, as well as social factors, such as population growth and/or changing consumption habits.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
Direitos: dc.rightsA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.-
Palavras-chave: dc.subjectGestão de recursos hídricos-
Palavras-chave: dc.subjectSWAT-CUP-
Palavras-chave: dc.subjectHidrologia-
Título: dc.titleImprovements in SWAT model for regions with a monsoon climate, high population density, and water scarcity : a case study in the Federal District of Brazil-
Título: dc.titleMelhorias no modelo SWAT para aplicação em regiões de clima monsonico, alta densidade populacional e escassez-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional – UNB

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