dissertação

Modelagem da qualidade de água na bacia hidrográfica do Rio Umbeluzi – Moçambique: integração dos modelos SWAT e QUAL-UFMG

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ODS 3: Saúde e bem-estar
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ODS 8: Trabalho decente e crescimento econômico
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima
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Dados abertos

Resumo

A crescente pressão antrópica sobre os recursos hídricos e a escassez de dados monitorados dificultam a gestão da qualidade da água em bacias hidrográficas de países em desenvolvimento. Nesse contexto, esta dissertação teve como objetivo avaliar a qualidade da água no rio Umbeluzi, em Moçambique, por meio da integração dos modelos SWAT (Soil and Water Assessment Tool) e QUAL-UFMG, permitindo a simulação acoplada de processos hidrológicos e de transporte de poluentes em uma bacia tropical de dados escassos. A abordagem adotada envolveu três etapas principais: caracterização fisiográfica, morfométrica e hidrológica da bacia com uso de geotecnologias e determinação do índice de qualidade de água; aplicação do modelo SWAT para o período de 1994 a 2023 e análise da qualidade da água em 65 km do curso principal do rio Umbeluzi, segmentado em três trechos com diferentes pontos de monitoramento. O modelo SWAT obteve bom desempenho na simulação das vazões, com coeficiente de Nash-Sutcliffe (NSE) de 0,76, R2 de 0,78 e PBIAS de 13% na calibração, evidenciando sua confiabilidade na geração de vazões médias mensais para apoiar a modelagem qualitativa. Já o modelo QUAL-UFMG, aplicado para as variáveis OD, DBO5, NT, PT e coliformes termotolerantes (CTerm), apresentou resultados mistos: desempenho razoável para oxigênio dissolvido (NSE = 0,20; R2 = 0,20; RMSE = 1,22), mas desempenho insatisfatório para as demais variáveis, com valores de NSE negativos (DBO5 = –3,71; NT = –2,34; PT = – 1,71; CTerm = –12,73). Esses resultados refletem a limitação do cenário simulado, que não incorporou fontes pontuais e difusas de poluição, bem como as contribuições e influência dos tributários, o que comprometeu a representatividade de picos de carga orgânica e microbiológica observados. A simulação ao longo dos 65 km do rio evidenciou uma tendência de autodepuração, especialmente para o OD, mas também destacou a subestimação de poluentes em áreas com intensa atividade urbana e agrícola. Apesar das limitações, a integração SWAT– QUAL-UFMG demonstrou ser uma estratégia promissora para diagnóstico ambiental e planejamento de gestão hídrica em bacias com limitada infraestrutura de monitoramento. Conclui-se que, para melhorar a acurácia das simulações futuras, é essencial incorporar dados de carga poluidora realista (pontual e difusa), considerar a sazonalidade climática, modelar previamente os tributários e refinar os parâmetros cinéticos. A abordagem integrada adotada nesta dissertação oferece suporte técnico e científico para subsidiar políticas públicas de saneamento, planejamento ambiental e adaptação às mudanças climáticas na bacia do rio Umbeluzi.

Abstract

The increasing anthropogenic pressure on water resources and the scarcity of monitoring data hinder water quality management in river basins of developing countries. In this context, this dissertation aimed to assess water quality in the Umbeluzi River, Mozambique, through the integration of the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) and QUAL-UFMG models, enabling the coupled simulation of hydrological processes and pollutant transport in a tropical, data-scarce basin. The adopted approach involved three main steps: (i) physiographic, morphometric, and hydrological characterization of the basin using geotechnologies and determination of the Water Quality Index; (ii) application of the SWAT model for the period 1994–2023; and (iii) analysis of water quality along 65 km of the Umbeluzi River main course, divided into three reaches with distinct monitoring points. The SWAT model showed good performance in streamflow simulation, with a Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE) of 0.76, R2 of 0.78, and PBIAS of 13% during calibration, evidencing its reliability in generating monthly mean flows to support qualitative modeling. Conversely, the QUAL-UFMG model, applied to DO, BOD5, TN, TP, and thermotolerant coliforms (CTerm), presented mixed results: reasonable performance for dissolved oxygen (NSE = 0.20; R2 = 0.20; RMSE = 1.22 mg/L), but unsatisfactory results for the other variables, with negative NSE values (BOD5 = –3.71; TN = –2.34; TP = –1.71; CTerm = –12.73). These results reflect the limitations of the simulated scenario, which did not include point and diffuse pollution sources, nor the contributions and influence of tributaries, compromising the representativeness of observed peaks of organic and microbiological loads. The 65 km simulation highlighted a self-purification trend, especially for DO, but also revealed pollutant underestimation in areas with intense urban and agricultural activity. Despite these limitations, the SWAT–QUAL-UFMG integration proved to be a promising strategy for environmental assessment and water management planning in basins with limited monitoring infrastructure. It is concluded that, to improve the accuracy of future simulations, it is essential to incorporate realistic pollutant load data (point and diffuse), consider climatic seasonality, previously model tributaries, and refine kinetic parameters. The integrated approach adopted in this dissertation provides technical and scientific support to inform public policies for sanitation, environmental planning, and climate change adaptation in the Umbeluzi River basin.

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TIMANO, Samuel José Marquês. Modelagem da qualidade de água na bacia hidrográfica do Rio Umbeluzi – Moçambique: integração dos modelos SWAT e QUAL-UFMG. 2025, 120 p. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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