Use of the swat model for hydro-sedimentologic simulation in a small rural watershed

Abstract

Mathematical models have great potential to support land use planning, with the goal of improving water and land quality. Before using a model, however, the model must demonstrate that it can correctly simulate the hydrological and erosive processes of a given site. The SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was developed in the United States to evaluate the effects of conservation agriculture on hydrological processes and water quality at the watershed scale. This model was initially proposed for use without calibration, which would eliminate the need for measured hydro-sedimentologic data. In this study, the SWAT model was evaluated in a small rural watershed (1.19 km²) located on the basalt slopes of the state of Rio Grande do Sul in southern Brazil, where farmers have been using cover crops associated with minimum tillage to control soil erosion. Values simulated by the model were compared with measured hydrosedimentological data. Results for surface and total runoff on a daily basis were considered unsatisfactory (Nash-Sutcliffe efficiency coefficient – NSE < 0.5). However simulation results on monthly and annual scales were significantly better. With regard to the erosion process, the simulated sediment yields for all years of the study were unsatisfactory in comparison with the observed values on a daily and monthly basis (NSE values < -6), and overestimated the annual sediment yield by more than 100 %.

Modelos matemáticos apresentam grande potencial para serem utilizados como instrumento de apoio ao planejamento de uso da terra, com o propósito de melhorar a qualidade do solo e da água. A utilização de um modelo, no entanto, deve ser antecedida de uma etapa inicial, a fim de verificar o desempenho dele em simular corretamente os processos hidrológicos e erosivos de um dado local. O modelo SWAT (Soil and Water Acesamente Tool) foi desenvolvido nos Estados Unidos para avaliar os efeitos da agricultura conservacionista sobre os processos hidrológicos e de qualidade de água na escala de bacia. Esse modelo foi inicialmente proposto para ser utilizado sem a necessidade de calibração, o que dispensaria o uso de dados hidrossedimentológicos medidos. Nessa condição, o modelo SWAT foi avaliado em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada nas encostas basálticas do Estado do Rio Grande do Sul, onde culturas de cobertura associadas com o cultivo mínimo vêm sendo empregadas pelos agricultores para controlar o processo erosivo. Valores simulados pelo modelo SWAT foram comparados com dados hidrossedimentológicos medidos. Como resultado da simulação, verificou-se que o escoamento superficial e o total, para a escala de tempo diária, foram considerados insatisfatórios (valores de COE < 0,5). Já as mesmas simulações para as escalas mensal e anual apresentaram resultados sensivelmente melhores. Com relação ao processo erosivo, verificou-se para todos os anos que a produção de sedimentos simulada, quando comparada com os valores observados, foi insatisfatória para as simulações diárias e mensais (valores de COE < -6) e superestimou em mais de 100 % a produção de sedimentos anual.