Structural Best Management Practices (BMPs) and hydrological effects modelling using swat for urban watershed
Resumo
Resumo: As Best Management Practices (BMPs) têm sido usadas como solução para mitigação de condições de pós-desenvolvimento em bacias urbanas e rurais. Estes dispositivos regulam vazões e volumes, além de capturar poluentes do escoamento superficial usando vários mecanismos. Estes dispositivos têm sido estudados e seu uso disseminado em vários países. Concomitantemente, o melhoramento de modelos de transporte e destinação de constituintes para investigar os efeitos, algoritmos para otimizar a busca por locais ótimos de instalação e facilitação da avaliação de entradas e saídas trouxe à luz vários desafios no que tange a modelagem dos fenômenos, incluindo a seleção de escalas de dimensão e tempo adequadas à representação dos fenômenos. A revisão de literatura demonstra uma fronteira clara entre usar inputs massivos de dados e computação exaustiva em modelos para descrição detalhada dos processos ou a adoção de abordagens mais simplificadas que capturem áreas maiores a custos menores de levantamento de dados. Neste estudo o Soil and Water Assessment Tool (SWAT) é utilizado como solução harmônica para modelagem em bacias com usos do solo mistos. Para vencer os desafios acima citados, BMPs são tratadas como zonas de recarga, isto é, zonas com Números de Curva (CN) menores. A localização destes dispositivos no modelo é realizada utilizando critérios consolidados de viabilidade através de ferramentas já desenvolvidas. Quatro cenários de redução percentual são utilizados para avaliação das melhoras de fluxo nas escalas da Hydrological Response Unit (HRU), subbacia e curso do rio(reach): 10%, 30%, 50% e 70%. As mudanças foram avaliadas na escala diária e anual, usando aplicações desenvolvidas em Python para automatizar a parametrização do modelo e a entrada e saída de dados. O estudo foi bem-sucedido em conceber a geração de múltiplos cenários, assim como em produzir ferramentas que auxiliem a entrada e saída de dados. Os resultados demonstram que a criação de zonas de recarga é mais eficaz em regiões onde há mais capacidade de retenção do solo. Do contrário, a redução do escoamento superficial tende a chegar em um limite, a partir do qual não há mais roteamento do escoamento superficial. Em HRUs e subbacias onde as condições de solo são favoráveis, a dinâmica de roteamento superficial e subsuperficial é modificada, fazendo com que a recarga dos aquíferos aumente e as recessões sejam mais lentas. Em geral, não são visíveis efeitos na escala da subbacia e no curso principal do rio, uma vez que muito do escoamento superficial é roteado como escoamento lateral ou fluo de subsuperfície. Além disso, a superposição dos efeitos para o resto da bacia é muito pequena na escala diária. Palavras-chave: SWAT. Bacias Urbanas. Python. Best Management Practices Hidrologia. Abstract: Best Management Practice (BMP) devices have been employed as a solution for both agricultural and urban watershed post-development effect mitigation. These devices regulate flow and capture runoff pollutants using various mechanisms. Such devices have been studied and its use disseminated in several countries. Concurrently, the enhancement of pollutant fate and transport models to assess the effects, search for optimal locations and facilitate inputs has brought to light several challenges concerning the modelling of physical phenomena, especially the one related to selecting time and size scales for adequate representation. The literature revision demonstrates that a clear boundary between using massive data inputs and computation-exhaustive models for thorough process description or more simplified approaches that capture larger areas at a more affordable data cost has limited the comprehension and description of BMP hydrological processes at the subbasin and watershed scale. In this study, SWAT is used a harmonic solution for modelling mixed land-use watersheds. To overcome the challenges stated, BMPs are treated as recharge - lower Curve Number (CN) zones, in feasible scenarios generated using an pre-built-tool and consolidated feasibility topographic, hydrological and space-distribution features. Four scenarios were generated: 10, 30, 50 70% CN reductions were tested and evaluated at the daily HRU/subbasin and subbasin yearly average scales, using developed applications for automating the parameter change and Input/output operations. The study was successful in automating the BMP scenario generation and multiple scenario generation as well as output data analysis. Results show that the creation of recharge zones is more effective at regions where more soil storage is available. Otherwise, runoff reduction tends to reach a limit. In HRUs and subbasins where soil conditions are favorable, the entire soil water and groundwater flow dynamics is modified, causing aquifer recharge to increase on average and recessions to be slower. Generally, no effects can be noticed at the subbasin o reach scale, as much of the runoff is also routed either as lateral flow or groundwater flow. The superposition of such effects to the rest of the watershed results in small differences at the daily scale. Keywords: SWAT. Urban watersheds. Python. Best Management Practices. Hydrology.
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