Tank model modificado para escoamento e produção de sedimentos

Abstract

O Tank Model é um modelo hidrológico conceitual do tipo chuva-vazão, muito simples, aplicável para diversas situações e objetivos. Sua base conceitual, que considera a representação de sistemas através da associação de reservatórios, é bastante utilizada para desenvolvimento de modelos hidrológicos. O modelo, inicialmente concebido para descrever a produção de escoamento, também vem sendo utilizado para outros fins, tal como simular a produção de sedimentos em bacias hidrográficas. Contudo, a sua utilização é limitada pela escassez de dados hidrológicos/hidrossedimentológicos para calibração dos parâmetros do modelo. Para superar esse problema, pesquisas buscam desenvolver a regionalização do Tank Model para simulação do escoamento a partir da definição de relações entre características da bacia hidrográfica e os parâmetros do modelo. O objetivo da presente pesquisa foi avaliar a aplicação do Tank Model para estimativa do escoamento e da produção de sedimentos em bacias hidrográficas e, como objetivo adicional, testar a regionalização do modelo. O Tank Model foi modificado e a estrutura do modelo foi baseada em dois módulos, um para simulação de escoamento e outro para simulação de descarga de sedimentos. Para o módulo de escoamento foram utilizados dois tanques em série e para o módulo de descarga de sedimentos foi utilizado apenas um tanque. A abordagem em relação ao período simulado foi baseada em eventos hidrossedimentológicos. Considerando a disponibilidade de dados, a área de estudo foi composta por quatro bacias localizadas na região norte de Santa Catarina. Os valores ótimos dos parâmetros do modelo foram determinados por calibração utilizando o algoritmo NSGA-II. As simulações dos escoamentos e das descargas de sedimentos apresentaram boa concordância em relação aos valores observados para a maioria dos eventos hidrossedimentológicos. Para representar as características da bacia foram calculadas 37 métricas relacionadas à fatores morfológicos, geológicos, do solo, da vegetação e climático-hidrológicos. As características da bacia que apresentaram correlação significativa com os parâmetros do Tank Model foram selecionadas para desenvolver a regionalização utilizando o método de regressão linear múltipla. Os indicadores de qualidade da regressão foram satisfatórios e as métricas mais relevantes para explicar os parâmetros do modelo estão relacionadas à declividade, tipo de solo e uso do solo. Os resultados apontaram que o Tank Model pode ser adaptado para uma abordagem hidrossedimentológica e ser utilizado para simular a produção de sedimentos em bacias. Além disso, os resultados indicaram que a regionalização do Tank Model para produção de sedimentos também é viável apesar das limitações da pesquisa.

The Tank Model is a very simple hydrologic conceptual model, applicable for different situations and objectives. Its conceptual basis, which considers the representation of systems through the association of reservoirs, is widely used for the development of hydrological models. The model, initially designed to describe runoff, has also been used for other purposes, such as simulating the sediment yield in watersheds. However, the diffusion of its use is limited by the lack of observed data for calibration of the model parameters. To overcome this problem, researches have sought to develop the regionalization of the Tank Model by the definition of relations between watershed characteristics and model parameters. The objective of this work was to evaluate the application of the Tank Model to estimate runoff and sediment yield in watersheds and, as an additional objective, to test the regionalization of the model. The Tank Model was modified, and the structure of the model was based on two modules, one for runoff simulation and the other for sediment discharge simulation. Two tanks were used for the runoff module and only one tank was used for the sediment discharge module. Considering the availability of data, the study area was composed of four watersheds located in the northern region of Santa Catarina. The simulation time was event-based and the optimal values for the Tank Model parameters were determined by calibration using the NSGA-II algorithm. The simulations of runoff and sediment yield were in good agreement with observed data for most events. Then 37 metrics related to morphological, geological, soil, vegetation and climatic-hydrological factors were calculated to describe the watershed characteristics. The characteristics of the watershed that showed significant correlation with the Tank Model parameters were selected to develop the regionalization using the multiple linear regression method. The regression results were satisfactory and the most relevant metrics to explain the parameters of the model are related to watershed slope, soil type and soil use. The results indicated that the Tank Model can be adapted to a hydrosedimentological approach and be used to simulate sediment yield in watersheds. In addition, the results indicate that the regionalization of the Tank Model for sediment yield is also feasible despite the research limitations.