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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2022.tde-14062022-163223
Document
Author
Full name
Victor Faria Pezan
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2022
Supervisor
Committee
Oliveira, Paulo Tarso Sanches de (President)
Duarte, Sergio Nascimento
Lucas, Murilo Cesar
Title in Portuguese
Determinação do SCS-Curve Number usando dados hidrológicos observados de bacias hidrográficas brasileiras
Keywords in Portuguese
Soil Conservation Service
Bacias hidrográficas
Escoamento superficial
Hidrologia
SCSCN
Abstract in Portuguese
Estimar o escoamento superficial gerado em bacias hidrográficas é um dos grandes desafios da Hidrologia e da Engenharia de Recursos Hídricos. Neste sentido, diferentes modelos hidrológicos têm sido propostos, sendo o Soil Conservation Service – Curve Number (SCS-CN) um dos mais amplamente usados mundialmente. Neste método, os valores de CN foram obtidos a partir de estudos conduzidos em pequenas bacias rurais dos Estados Unidos da América e posteriormente tabelados, sendo assim usados para desenvolvimento de estudos e projetos de engenharia ao redor do mundo. No entanto, essa abordagem tende a gerar incertezas nas estimativas de escoamento superficial, principalmente para aplicação em condições ambientais distintas de onde o método foi proposto. Deste modo, pesquisas locais e regionais para determinação de valores de CN têm sido amplamente recomendadas. No Brasil, ainda existem poucos estudos desenvolvidos a fim de se obter valores de CN a partir de dados medidos em bacias hidrográficas. Assim, o objetivo deste trabalho é a obtenção dos valores do parâmetro CN para 57 bacias hidrográficas brasileiras. Além disso, também se investigou o efeito da abstração inicial (λ) nas estimativas de escoamento superficial. Para tanto, foram usados dados diários de precipitação e vazão de uma série histórica de 30 anos para 57 bacias hidrográficas distribuídas em quatro biomas brasileiros. Os valores de CN foram determinados através de cinco métodos: mediana, média aritmética, média geométrica, mínimos quadrados (ajuste não linear) e assintótico. Posteriormente, avaliou-se a performance do modelo SCS-CN nas estimativas de escoamento superficial a partir do CN obtido pelos cinco métodos e valores tabelados de CN. Foram avaliados valores de λ iguais a 0,2 e 0,05, que representam respectivamente, o valor padrão do método SCS-CN e o que vem sendo proposto em vários estudos recentes. Também foram desenvolvidas duas equações para conversão dos valores de CN com λ 0,2 para 0,05. Os resultados indicaram que o método dos mínimos quadrados com λ 0,05 foi o que apresentou os melhores resultados na estimativa de escoamento superficial, com valores de Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) superior a 0,5 para 42% de todas as bacias estudadas. Notou-se que valores tabelados de CN não apresentaram resultados satisfatórios (NSE < 0,5 para 98% das bacias estudas), o que indica a necessidade da calibração local do CN. Os achados sugerem o uso do λ 0,05 ao invés de 0,2; para tanto, pode-se usar a equação de conversão S0,05 = 2,287 S0,2 Pode-se concluir que o uso do método SCS-CN em bacias brasileiras é viável, sendo que sua performance ocorreu melhor em bacias do bioma Mata Atlântica que apresentaram maior geração de escoamento superficial. Em contrapartida, 32% das bacias estudadas foi observado comportamento complacente através do método Assintótico com λ 0,2, indicando que o método SCS-CN não é adequado. Isso ocorre principalmente em bacias onde os mecanismos de escoamento são dominados pelo escoamento subsuperficial.
Title in English
Determination of SCS-Curve Number using observed hydrological data of brazilian watersheds
Keywords in English
Hydrology
Runoff
SCS-CN
Soil Conservation Service
Watersheds
Abstract in English
Estimating the runoff generated in watersheds is one the greatest challenges of hydrology and water resources engineering. Thus, different hydrological models have been proposed, with the Soil Conservation Service – Curve Number (SCS-CN) being one of the most used worldwide. In this method, the CN values were obtained from studies conducted in small rural watersheds and then tabulated, therefore used for the development of studies and engineering projects around the world. However, this approach may generate uncertainties on runoff estimates, especially for the application under different conditions from where the method was proposed. As so, local and regional researches for determination of CN values have been widely recommended. In Brazil, there are still few studies developed aiming to achieve CN values from local data measured in watersheds. So, the goal of this work is the obtention of CN parameter values for 57 Brazilian watersheds. Furthermore, it was also investigated the effect of the initial abstraction (λ) on the runoff estimates. Therefore, daily data of precipitation and streamflow of a 30-year time series were used for 57 watersheds distributed in four Brazilian biomes. The CN values were determined by five methods: median, arithmetic mean, geometric mean, least squares fit method (nonlinear) and asymptotic. In sequence, the SCS-CN model performance was tested estimating the runoff generated from the obtained CN by the five methods and tabulated CN. It was evaluated λ values equals to 0,2 and 0,05, which represent respectively, the standard value of the SCS-CN and the one that has been proposed in many recent studies. Two equations were also developed to convert the CN values with λ 0,2 to 0,05. The results indicate that least squares fit method (nonlinear) with λ 0,05 showed the best results estimating the runoff, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) values higher than 0,5 for 42% of all watersheds. Tabulated CN values didn't show satisfactory results (NSE < 0,5 for 98% of all watersheds), which indicates the need of a local calibration of the CN. The results suggest the use of λ 0,05 instead 0,2, for that, it can be used the conversion equation S0,05 = 2,287 S0,2. It can be concluded that the use of the SCS-CN method in Brazilian watersheds is possible, being its performance better in watersheds of Atlantic forest biome which presented greater runoff generation. On the other hand, in 32% of the studied watersheds was observed Complacent behaviour with Asymptotic method using λ 0,2, indicating that SCS-CN method is not adequate. This occurs especially in watersheds where runoff mechanisms are dominated by subsurface stormflow.
 
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Publishing Date
2022-06-21
 
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