Análise da integração das ferramentas de hidrologia espacial “cor das águas” para o monitoramento e a modelagem SWAT dos processos hidrosedimentológicos na bacia do Rio São Francisco - Brasil
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| Data de Publicação: | 2021 |
| Tipo de documento: | Tese |
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| Título da fonte: | Repositório Institucional da UnB |
| Texto Completo: | https://repositorio.unb.br/handle/10482/41460 |
Resumo: | Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2021. |
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Análise da integração das ferramentas de hidrologia espacial “cor das águas” para o monitoramento e a modelagem SWAT dos processos hidrosedimentológicos na bacia do Rio São Francisco - BrasilHidrologia espacialSedimentos (Geologia)Transporte de sedimentosModelagem hidrossedimentológicaCurva-chave de sedimentosTese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2021.Este trabalho teve como objetivo caracterizar as dinâmicas espacial, sazonal e interanual dos fluxos de sedimentos na Bacia do Rio São Francisco (BRSF) para identificar o papel das atividades antrópicas e quantificar essas alterações. O trabalho foi realizado a partir de uma metodologia original e completa, integrando medições convencionais, dados de sensoriamento remoto (SR) MODIS e modelagem baseada no SWAT. Os dados de reflectância do sensor MODIS dos satélites TERRA e AQUA foram utilizados para estimar a concentração de material particulado em suspensão de superfície (Csup) nos rios e reservatórios da BRSF. Dados espectroradiométricos foram obtidos em campo para elaboração e validação dos algoritmos para transformação de reflectância de superfície em dados Csup. Coletas de sedimentos em suspensão na coluna d’água foram realizadas para transformar Csup de SR em concentração em suspensão integrada na coluna d’água (CSR) e, após, cálculo da descarga sólida integrada na coluna d’água de SR (QsSR). Na validação da C foram obtidos coeficiente de determinação de 0,55 e RMSE-log de 0,33 mg/L (N = 211) enquanto que na validação da Qs foram obtidos coeficiente de determinação igual a 0,78 e um RMSE-log igual a 0,34 T/d (N = 211). As séries de C e Qs de 44 estações virtuais foram analisadas e utilizadas para caracterizar as dinâmicas espacial, sazonal e interanual dos fluxos de sedimentos na BRSF. Os resultados foram comparados com trabalhos já desenvolvidos e publicados em periódicos científicos e teses/dissertações. Os resultados obtidos pelas validações e comparações mostraram a robustez dos dados e a viabilidade da utilização do SR no monitoramento da CSR e da Qs SR ao longo do Rio São Francisco (RSF). A partir dos dados de Qs de SR (QsSR) e de campo da rede sedimentométrica da ANA (QsANA), e com a finalidade de obtenção de séries diárias de QsSR e QsANA, foram elaboradas e analisadas estatisticamente curvas-chave de sedimentos (C-Csed) de SR (CsedSR ) e de campo (C-CsedANA). Com as C-CsedSR e C-CsedANA foram calculadas séries de QsSR e QsANA que foram analisadas, sendo comparadas individualmente e entre si. Foi encontrada uma grande aproximação das estimativas calculadas com os dois conjuntos de dados QsSR e QsANA nas baixas e médias vazões (Q). Entretanto, nas médias-altas e altas Q há um distanciamento dos resultados de QsANA em decorrência da ausência de medições in situ de QsANA em condições de altas vazões, o que levou a uma extrapolação equivocada da curva chave quando o rio alcança o seu leito maior (planície de inundação), o que só foi possível observar na análise dos dados de QsSR. Acima de 10 mil T/d, as QsANA sobrestimaram, em média, 100 % as QsSR, variando de 20 a até 400 % pela falta de calibração nas faixas das mais altas vazões. Consequentemente, o uso de C-CsedSR possibilitou a obtenção de dados diários a um custo muito mais baixo e muito mais representativo da amplitude de Q ocorrente no RSF, quando comparada com as C-CsedANA. As séries de QsSR e QsANA foram calculadas com as C-CsedSR e C-CsedANA e foram transformadas em descarga sólida total de SR (QstSR) e de campo (QstANA) pela equação elaborada que relaciona os dados de QsANA com os dados de QstANA disponíveis no banco Hidro da ANA. Os dados de QstSR e QstANA das estações Cachoeira do Manteiga, São Francisco, Carinhanha, Gameleira e Morpará foram usados na modelagem hidrosedimentologica com vista a integração do QstSR no processo de modelagem com SWAT. Este processo de modelagem foi realizada na Bacia do Alto-Médio Rio São Francisco, que utilizou além dos dados de QstSR, uma base de dados revisada e original para as condições regionais (condições tropicais, em especial para as variáveis de solo) e com resolução espacial adequada para a escala de estudo. Os resultados das calibrações manual e automática conseguiram reproduzir muito bem a vazão ocorrente nas estações. Os resultados da calibração final (automática) foram: Cachoeira do Manteiga (NS=0,88; PBIAS=4,3); São Francisco (NS=0,83; PBIAS=2,7); Carinhanha (NS=0,81; PBIAS=0,2); Gameleira (NS=0,76; PBIAS=3,7) e Morpará ((NS=0,69; PBIAS=-2,5). A comparação dos resultados obtidos no trabalho com dois estudos de modelagem com o SWAT realizados na BRSF mostra que o esforço na elaboração de uma base de dados de solos regional, a utilização de bases com melhor resolução, a inserção dos dados do reservatório Três Marias e a realização de calibração manual seguida por calibração automática no SWAT-CUP contribuiu para um melhor ajuste do modelo. A partir do modelo hidrológico calibrado, a análise dos resultados obtidos nas modelagens com dados de descarga sólida total (Qst), de SR (QstSR) e de campo (QstANA), além de dados oriundos de trabalhos anteriores, demostrou que é possível utilizar QstSR para melhorar as estimativas de sedimentos em modelos como o SWAT. A integração de dados de sedimentos obtidos por SR com a modelagem com o SWAT permite agregar as principais vantagens dos dois métodos, possibilitando a obtenção de dados robustos em áreas com baixa frequência ou nenhum monitoramento a um custo mais baixo, obtenção de séries do passado em função da disponibilidade de dados de satélite, oferecendo uma visão sinóptica do fluxo de sedimentos e a criação de cenários futuros para avaliação de mudanças climáticas e mudança do uso da terra, dentre outros. Embora tenha sido calibrada a estação do exutório (Morpará), nenhuma das modelagens realizadas com as equações de roteamento de sedimentos do SWAT, seja com QstSR ou de QstANA conseguiu propagar corretamente os sedimentos ao longo do trecho do RSF estudado. Por outro lado, utilizando um novo módulo para propagação dos sedimentos com base hidráulica desenvolvido SANTINI (2020), foi possível propagar os sedimentos ao longo do Rio São Francisco e obter bons resultados: Cachoeira do Manteiga (NS=0,84; PBIAS= 3,70), São Francisco (NS=0,74; PBIAS=24,4), Carinhanha (NS=0,52; PBIAS=38,5), Gameleira (NS=0,45; PBIAS=31,2) e Morpará (NS=0,42; PBIAS=34,6).Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).This work aimed to characterize the spatial, seasonal and interannual dynamics of sediment flows in the São Francisco River Basin (BRSF) to identify the role of anthropic activities and to quantify these changes. The work was carried out from an original and complete methodology, integrating conventional measurements, MODIS remote sensing (RS) data and SWAT-based modeling. The reflectance data from the MODIS sensor of the TERRA and AQUA satellites were used to estimate the concentration of particulate matter in surface suspension (Csup) in BRSF rivers and reservoirs. Spectroradiometric data were obtained in the field to develop and validate the algorithms for transforming surface reflectance into Csup data. Collections of sediments suspended in the water column were performed to transform Csup of RS into concentration in suspension integrated in the water column (CRS) and, after, calculation of the solid discharge integrated in the water column of RS (QsRS). In the validation of C, a determination coefficient of 0.55 and RMSE-log of 0.33 mg.L -1 (N = 211) were obtained, while in the validation of Qs, a determination coefficient of 0.78 and a RMSE-log were obtained. equal to 0.34 T / d (N = 211). The C and Q series of 44 virtual stations were analyzed and used to characterize the spatial, seasonal and interannual dynamics of sediment flows in the BRSF. The results were compared with works already developed and published in scientific journals and theses / dissertations. The results obtained by the validations and comparisons showed the robustness of the data and the feasibility of using the RS in monitoring the CRS and the Qs RS along the São Francisco River (SFR). Based on the Qs of RS (QsRS) and field data from the ANA sedimentometric network (QsANA), and in order to obtain daily series of QsR and QsANA, key sediment curves with remote sensing data and field data were developed and analyzed, being compared individually and with each other. A great approximation of the estimates calculated with the two datasets QsSR and QsANA was found in the low and medium flows (Q). However, in the medium-high and high Q there is a gap in the QsANA results due to the absence of in situ measurements of QsANA in high flow conditions, which led to an erroneous extrapolation of the sediment rating curve when the river reaches its largest bed (floodplain), which was only possible to observe in the analysis of the QsSR data. Above 10,000 T.d-1 , the QsANA overestimated, on average, 100% the QsRS, varying from 200 to 400% due to the lack of calibration in the highest flow ranges. Consequently, the use of remote sensing rating curve made it possible to obtain daily data at a much lower cost and much more representative of the Q amplitude occurring in RSF, when compared sediment rating curve elaborated with field data. The QsSR and QsANA series were calculated with remote sensing rating curve and field rating curve and were transformed into remote sensing total solid discharge (QstRS) and field total solid discharge (QstANA) by the elaborated equation that relates the QsANA data with the available QstANA data at ANA's Hydro bank. The QstSR and QstANA data from Cachoeira do Manteiga, São Francisco, Carinhanha, Gameleira and Morpará virtuals stations were used in hydrosedimentological modeling in order to integrate QstRS into the SWAT modeling process. This modeling process was carried out in the Upper-Middle Rio São Francisco Basin, which used in addition to the QstRS data, a revised and original database for regional conditions (tropical conditions, especially for soil parameters) and with resolution suitable for the study scale. The results of the manual and automatic calibrations were able to reproduce the flow occurring in the stations very well. The results of the final (automatic) calibration were: Cachoeira do Manteiga (NS = 0.88; PBIAS = 4.3); San Francisco (NS = 0.83; PBIAS = 2.7); Carinhanha (NS = 0.81; PBIAS = 0.2); Gameleira (NS = 0.76; PBIAS = 3.7) and Morpará ((NS = 0.69; PBIAS = -2.5). The comparison of the results obtained in the work with two modeling studies with SWAT carried out at BRSF shows that the effort in the elaboration of a regional soil database, the use of bases with better resolution, the insertion of data from the Três Marias reservoir and the realization of manual calibration followed by automatic calibration in SWAT-CUP contributed to a better adjustment of model. From the calibrated hydrological model, the analysis of the results obtained in the modeling with total solid discharge (Qst), RS (QstRS) and field (QstANA) data, in addition to data from previous works, demonstrated that it is possible to use QstRS to improve sediment estimates in models like SWAT. The integration of sediment data obtained by RS with the modeling with SWAT allows to aggregate the main advantages of the two methods, making it possible to obtain robust data in areas with low frequency or no monitoring at a lower cost, obtaining series from the past in function of the availability of satellite data, offering a synoptic view of the flow of sediments and the creation of future scenarios for assessing climate change and land use change, among others. Although the exutory station (Morpará) was calibrated, none of the modeling carried out with the SWAT sediment routing equations, either with QstRS or QstANA managed to properly propagate the sediments along the studied SFR section. On the other hand, using a new hydraulic based sediment propagation module developed by SANTINI (2020), it was possible to propagate the sediments along the São Francisco River and obtain good results: Cachoeira do Manteiga (NS = 0.84; PBIAS = 3.70), São Francisco (NS = 0.74; PBIAS = 24.4), Carinhanha (NS = 0.52; PBIAS = 38.5), Gameleira (NS = 0.45; PBIAS = 31.2) and Morpará (NS = 0.42; PBIAS = 34.6).Martinez, Jean-MichelRoig, Henrique Llacerritacondebrasil@hotmail.comCondé, Rita de Cássia Cerqueira2021-07-20T19:04:06Z2021-07-20T19:04:06Z2021-07-202021-02-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCONDÉ, Rita de Cássia Cerqueira. Análise da integração das ferramentas de hidrologia espacial “cor das águas” para o monitoramento e a modelagem SWAT dos processos hidrosedimentológicos na bacia do Rio São Francisco - Brasil. 2021. 395 f., il. Tese (Doutorado em Geociências Aplicadas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2021.https://repositorio.unb.br/handle/10482/41460A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2023-07-10T13:24:05Zoai:repositorio.unb.br:10482/41460Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2023-07-10T13:24:05Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false |
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