Calibração e validação do modelo MUSLE para eventos de chuva na Bacia Hidrográfica do Rio dos Bugres, SC

Abstract

A erosão, com a desagregação, transporte e deposição dos sedimentos, é responsável por uma série de impactos ao meio ambiente. Principalmente durante eventos de chuvas, os sedimentos gerados, dependendo do volume transportado e da velocidade do escoamento superficial, em sua maioria chegam aos corpos d’água e são transportados em suspensão nos rios. Está previsto o uso futuro da bacia em estudo como fonte para o abastecimento de água do município de Rio Negrinho, o que indica a necessidade de assegurar a preservação e qualidade dos recursos hídricos da região. O objetivo deste estudo é calibrar e validar o modelo MUSLE para previsão da produção de sedimentos na Bacia Hidrográfica do Rio dos Bugres (RB01 de 66,41 km²) e em duas bacias embutidas nesta (RB10 de 11,45 km² e RB11 de 6,97 km²), utilizando dados do monitoramento de concentração de sedimentos em suspensão (CSS) e vazão nos exutórios da bacia e das sub-bacias, para o período entre 16 de dezembro de 2011 a 05/11/2012. A série contínua foi separada em eventos de chuvas e, para cada evento, foi feita separação do escoamento e verificação da vazão de pico e volume de escoamento superficial. Os modelos criados definiram coeficientes da MUSLE α e β para cada bacia e para as três bacias juntas. Além disso, foi feita a análise do erro percentual dos dados simulados em relação aos observados e do Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) para cada bacia individualmente e para as três bacias em conjunto. A calibração da RB-01 resultou em α de 7,86, β de 0,48 e NSE de 0,84, para a RB-10 em α de 2,30, β de 0,58 e NSE de 0,88, para a RB11 em α de 0,02, β de 0,97 e NSE de 0,37, enquanto que para as três bacias em conjunto resultou em α de 5,00 ,β de 0,51 e NSE de 0,60. A validação da RB-01 resultou em NSE de 0,78, para a RB-10 em NSE de 0,87, para a RB-11 em NSE de 0,64, e para as três bacias em conjunto resultou em NSE de 0,85. A análise da proporção do erro percentual, em relação aos eventos de validação, entre o calculado pela MUSLE com os coeficientes originais (α = 11,8 e β = 0,56) sobre o calculado pela MUSLE com os coeficientes calibrados para as bacias, indica uma aproximação dos modelos de 2 a 1000 vezes melhor, à exceção de dois eventos isolados. A avaliação da calibração indica uma aproximação de alta eficiência, com NSE entre bom e aceitável para todas as bacias, indicando uma relação significativa entre a produção de sedimentos na bacia durante o período amostrado e os modelos gerados. O resultado obtido indica que a MUSLE calibrada representa bem a média dos eventos, e que para bacias menores e em eventos de baixa magnitude, tem uma aproximação de menor eficiência.

Erosion with detachment, transportation and deposition of sediments is responsible for several environmental impacts. Mainly during rainfall events, the majority of generated sediments, depending on transported volume and surface runoff, flow to waterbodies and are carried on by the rivers, suspended. The basin under study is planned to be used as a water source for the county of Rio Negrinho in Santa Catarina, Brazil, which indicates the importance of ensuring preservation and quality of the region’s hydric resources. The main purpose of this study is to calibrate and validate the MUSLE model for predicting sediment production in Rio dos Bugres hydrographic basin (RB01, with 66.41 km²) and in two more basins built into the first one (RB10 with 11,45 km² and RB11 with 6,7 km²), using Suspended Sediment Concentration (SSC) and flow data taken from the outlets of the basin and subbasins between December 16th 2011 until November 5th 2012. The continuous series was split into rainfall events and in each event, flow separation was done and peak flow and surface runoff were obtained. The created models defined MUSLE’s α and β coefficients for each basin and for the three together. The relative error between calibrated and observed data was obtained, as well as the Nash–Sutcliffe model efficiency coeficient (NSE) for each basin individually and for the three together. RB-01 calibration resulted in α = 7.86, β = 0.48, NSE = 0,84. RB-10 calibration resulted in α = 2.30, β = 0.58, NSE = 0,88. RB-11 calibration resulted in α = 0.02, β = 0.97, NSE = 0.37. The calibration for the three basins combined resulted in α = 5.00, β = 0.51, NSE = 0.60. The validation from RB-01 resulted in NSE = 0.78, from RB-10 NSE = 0.87, and for RB-11 NSE = -0.64, and for the three basins combined NSE = 0.85. The analysis of the relative error, in relation to the validation events, between the results obtained using the original MUSLE coefficients (α = 11.8 and β = 0.56) over the one obtained with the calibrated coefficients indicate an improvement of 2 to 1000 times, with the exception of 2 isolated events. Calibration evaluation indicates a high efficiency approximation, with NSE values ranging from good to acceptable for all basins, indicating significant relation between observed sediment production and the generated models. The obtained results indicate the calibrated MUSLE is capable of well-represent the events average, and that for smaller basins and in small-magnitude events, the approximation loses efficiency.