Monitoring and modeling of hidrossedimentologic processes in forestry watershed in southern Brazil

The effect of eucalyptus forests in hidrossedimentologic processes has been little explored by the scientific community, which results in a database containing information related to these incipient effects, especially at the watershed scale. The monitoring and the mathematical modeling are recognized as effective tools of science to supply the lack of information, particularly in natural resource management, in the representation and prediction of these processes. In this sense, the aim of this study was to describe the monitoring data to assess effects of eucalyptus cultivation in the hidrossedimentological processes, to calibrate the input parameters and to verify the potential application of the Limburg Soil Erosion Model (LISEM) in the representation of watershed hydrological processes embedded with forest cover. The study was conducted in two forest watersheds located in Eldorado do Sul - RS, and the watershed has an area of 94.46 ha and drainage sub-watershed, which is embedded in the amount and terms of the watershed, has a drainage area of 38.86 ha. The hidrossedimentometrical monitoring began in February 2011 and was conducted within the limits of the watershed in two automatic sections, composed of linigraph, turbidimeters and pluviographs. This work has included monitoring over a period of six months from 02/16/2011 to 08/15/2011. The sediment yield was determined by multiplying the data of sediment concentration and flow. The model LISEM was calibrated from six different rain events. The model input parameters were obtained through surveys conducted in the watershed and literature data. To evaluate the model ability in representing the hydrological processes hydrographs measured in the watershed exutory were used. The monitoring results demonstrated that periods with higher rainfall volume presented a significant increase in peak flows in relation to the driest intervals, as well as an increase in the suspended sediments concentration in the watershed and in the sub-watershed. The events with greater rainfall intensity demonstrated that the smallest drainage area of the subwatershed generated faster answers in flow and sediment concentration. For the watershed, in most events occurred flood wave attenuation with least steeply sloping and lowest hydrograph peaks than the sub-watershed. Specifically, the sediment yield was 38.41 and 33.65 t km-2, during the six months of monitoring for the watershed and for the subwatershed, respectively. The magnitude of sediment yield was 0.77 t ha-1 yr-1 for the watershed and 0.67 t ha-1 yr-1 for the sub-watershed. The LISEM model was able to reproduce adequately the peak flow and direct runoff for the six events used for calibration. On the other hand, the peak time and shape of the hydrograph did not have adequate fit. O efeito das florestas de eucalipto nos processos hidrossedimentológicos tem sido pouco explorado pela comunidade científica, o que resulta em banco de dados contendo informações incipientes relacionadas a esses efeitos, principalmente na escala de bacias. O monitoramento e a modelagem matemática são reconhecidos como eficientes ferramentas científicas para suprir a carência de informações, principalmente na gestão dos recursos naturais, na representação e na predição desses processos. Nesse sentido, objetivou-se com este estudo, descrever os dados do monitoramento, avaliar os efeitos dos cultivos de eucalipto nos processos hidrossedimentológicos, calibrar os parâmetros de entrada e verificar o potencial de aplicação do modelo Limburg Soil Erosion Model (LISEM) na representação dos processos hidrológicos de bacias hidrográficas embutidas, com cobertura florestal. O estudo foi desenvolvido em duas bacias hidrográficas florestais situadas em Eldorado do Sul RS, sendo que a bacia possui área de drenagem de 94,46 ha e a sub-bacia, que se encontra à montante e embutida em relação à bacia, possui área de drenagem de 38,86 ha. O monitoramento hidrossedimentométrico teve início em fevereiro de 2011 e foi realizado no exutório das bacias, em duas seções automáticas, compostas de linígrafos, turbidímetros e pluviógrafos. O presente trabalho contemplou o monitoramento durante um período de seis meses, de 16/02/2011 a 15/08/2011. Os resultados do monitoramento demonstram que os períodos com maior volume de precipitação apresentaram aumento significativo nos picos de vazão em relação aos intervalos mais secos, assim como aumento na concentração de sedimentos em suspensão, para a bacia e para a subbacia. Os eventos com maior intensidade máxima de precipitação demonstraram que a pequena área de drenagem e o relevo mais acentuado da sub-bacia geraram respostas rápidas na vazão e concentração de sedimentos. Para a bacia hidrográfica, na maioria dos eventos, ocorreu amortização da onda de cheia com hidrogramas menos íngremes e ocorrência após o pico de vazão da sub-bacia. A produção de sedimentos foi de 38,41 e 33,65 Mg km-2, durante os seis meses de monitoramento para a bacia e para a sub-bacia, respectivamente. O modelo LISEM foi calibrado a partir de seis eventos de chuva. Os parâmetros de entrada utilizados para o modelo foram obtidos por meio de levantamentos realizados na bacia e de dados da literatura. Para avaliar a capacidade do modelo em representar os processos hidrológicos, foram utilizados hidrogramas medidos no exutório da bacia. A análise estatística aplicada foi o teste BIAS (Erro (%)) para os parâmetros vazão de pico, escoamento superficial direto e tempo de pico. Para avaliar a eficiência do modelo em reproduzir adequadamente o formato dos hidrogramas, foi utilizado o Coeficiente de eficiência Nash-Sutcliffe (COE) para os seis eventos utilizados na calibração. O modelo LISEM foi capaz de reproduzir adequadamente a vazão de pico e o escoamento superficial direto para os seis eventos utilizados na calibração, indicado pelos baixos erros percentuais. Por outro lado, o tempo de pico e a forma do hidrograma não apresentaram ajuste adequado, indicado pelos elevados erros e valores negativos para o erro e para o COE, respectivamente.