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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2017.tde-25052017-084925
Document
Author
Full name
Paulo Ponce Arroio Júnior
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Mauad, Frederico Fabio (President)
Crestana, Silvio
Minoti, Ricardo Tezini
Palhares, Julio Cesar Pascale
Wendland, Edson Cezar
Title in Portuguese
Aprimoramento das rotinas e parâmetros dos processos hidrológicos do modelo computacional Soil and Water Assessment Tool - SWAT
Keywords in Portuguese
Balanço hídrico
Evapotranspiração
SWAT
Vazão
Abstract in Portuguese
O modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) tem sido utilizado para avaliar os impactos do uso e manejo da terra nos recursos hídricos, sedimentos e agroquímicos em diversas escalas e condições ambientais em todo o mundo. Entretanto, pelo fato de ter sido desenvolvido em centros de pesquisa norte-americanos, alguns parâmetros e rotinas de simulação não refletem adequadamente determinados processos de bacias localizadas em regiões tropicais. Nesse sentido, o presente trabalho visou aprimorar a modelagem hidrológica do SWAT através da revisão e modificação de processos relacionados à simulação da evapotranspiração. Os procedimentos propostos incluíram a alteração das rotinas de dormência vegetal no código fonte do modelo e a modificação dos cronogramas de operações de manejo e parâmetros do banco de dados de crescimento das plantas, visando reproduzir com maior precisão o ciclo das culturas em bacias tropicais. As modificações foram testadas em cinco bacias localizadas no Estado de São Paulo, com áreas entre 42 e 5.959 km², sendo comparados os resultados obtidos antes e depois da implementação das mesmas. Com as alterações, a análise do balanço hídrico anual evidenciou um aumento nos valores de evapotranspiração de cerca de 61% nas bacias, aproximando-se dos totais anuais de evapotranspiração calculados através de métodos empíricos, bem como houve redução significativa do escoamento superficial. Verificou-se uma melhoria da simulação de vazão em todas as bacias, sendo obtidos valores superiores para o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) quando comparados à simulação sem as alterações. A calibração e validação foram realizadas com base na simulação modificada, sendo obtidos valores de NSE mensais entre 0,71 e 0,93 na calibração e 0,53 e 0,88 na validação, enquanto os valores diários de NSE situaram-se entre 0,51 e 0,82 na calibração e 0,38 e 0,83 na validação. A calibração a partir de uma simulação na qual as distorções dos processos hidrológicos da bacia estivessem previamente minimizadas resultou em bons resultados sem alteração excessiva dos parâmetros, indicando uma simulação hidrológica de melhor consistência.
Title in English
Improvement of routines and parameters of Soil and Water Assessment Tool hydrological processes
Keywords in English
Hydrological modelling
Streamflow
SWAT
Water balance
Abstract in English
The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been used to predict the impact of land management practices on water, sediment, and agricultural chemical yields in a wide range of scales and environmental conditions across the globe. However, originally developed in the United States, some parameters and routines are unrealistic for simulating in tropical watersheds. In this sense, this work aims to improve the hydrologic modeling of SWAT model by reviewing and modifying parameters and routines related to evapotranspiration process. In order to adequately represent crop growth in tropical basins, the proposed procedures included changes in dormancy routines of SWAT source code and modifications of scheduled management operations and plant growth database parameters. These modifications were tested in five different basins at São Paulo State, Brazil, with areas ranging from 42 to 5959 km², by comparing the results before and after their implementation. Annual water balance analysis showed an increase in evapotranspiration about 61% for basins, approaching the total annual evapotranspiration estimated by empirical methods. Hence, it was observed that surface runoff and base flow components showed a decrease. The modifications resulted in improved flow simulation for all basins, showing better Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient (NSE) values compared to the unchanged simulation. Calibration and validation processes used the modified simulation database, being achieved monthly NSE between 0.71 – 0.73 at calibration and 0.53 – 0.88 at validation, while daily NSE were 0.51 – 0.82 at calibration and 0.38 – 0.83 at validation. Overall, minimizing distortions in hydrological processes at pre-calibration step resulted in good estimations without excessive modification of parameters at calibration, attesting a consistent hydrological modeling for the basins analyzed.
 
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Publishing Date
2017-05-26
 
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