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UNIDADE 5 MODELOS COMPUTACIONAIS 1
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UNIDADE 5
MODELOS COMPUTACIONAIS
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS…………………...……………...…………………..
1 SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA……………...……………...……………
2 APRESENTAÇÃO DE ALGUNS MODELOS DISPONÍVEIS………..
2.1 SWAT(Soli and Water Assesment Tool)……………...…………….
2.2 USLE (Universal Soil Loss Equation)……………...………………
2.3 RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)…………………
2.4 WEPP (Water Erosion Prediction Project)………………………..
2.5 Plúvio 2.1 ……………...……………...……………...………………..
2.6 Hidrograma 2.1 ……………...……………...……………...…………
2.7 Terraço 3.0 ……………...……………...……………...………………
2.8 Estradas ……………...……………...……………...………………….
2.9 NetErosividade……………...……………...……………...…………
2.10 ClimaBR……………...……………...……………...………………..
REFERÊNCIAS……………...……………...……………...……………...
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representação do uso do solo no programa SWAT.............................7
Figura 2. Tela de abertura do software Plúvio 2.1..............................................11
Figura 3. Tela para seleção do estado a ser estudado......................................12
Figura 4. Tela para obtenção dos parâmetros da equação de
intensidade-duração-frequência da precipitação determinados para uma
localidade do Estado de São Paulo....................................................................13
Figura 5. Tela de apresentação do software Hidrograma 2.1............................15
Figura 6. Tela referente ao módulo de entrada de dados..................................17
Figura 7. Tela relativa à visualização do perfil de uma encosta irregular, sendo
esta dividida em quatro trechos..........................................................................18
Figura 8. Tela relativa ao módulo hidrograma, o qual permite traçar o
hidrograma na encosta ou canal........................................................................19
Figura 9. Tela relativa ao hidrograma de escoamento superficial......................19
Figura 10. Tela de abertura do software Terraço 3.0..........................................20
Figura 11. Tela de parâmetros para o projeto.....................................................22
Figura 12. Resultados para sistema de terraceamento em nível.......................23
Figura 13. Tela de simulação do desempenho de sistemas de terraceamento
com gradiente.....................................................................................................24
Figura 14. Tela de locação de sistemas de terraceamento em nível.................26
Figura 15. Tela de apresentação do software Estradas.....................................27
Figura 16. Tela para entrada dos dados referentes à precipitação....................28
Figura 17. Tela para entrada dos dados referentes ao leito da estrada.............29
Figura 18. Tela para entrada dos dados referentes à bacia de acumulação.....31
Figura 19. Tela com os resultados fornecidos pelo software Estradas..............32
Figura 20. Tela de apresentação do software NetErosividade MG....................32
Figura 21. Tela principal do software NetErosividade MG, em que se pode ver o
mapa de MG com duas linhas (horizontal e vertical), indicando em seu encontro
a localidade selecionada....................................................................................34
Figura 22. Relatório gerado pelo NetErosividade MG para a localidade de
Viçosa-MG..........................................................................................................35
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Figura 23. Sistema de ajuda do NetErosividade MG.........................................36
Figura 24. Tela de apresentação do software ClimaBR.....................................38
Figura 25. Tela de entrada de dados relativos à precipitação do software
ClimaBR..............................................................................................................40
Figura 26. Tela de série sintética de dados climáticos gerada para a localidade
selecionada.........................................................................................................41
Figura 27. Tela que mostra o perfil instantâneo de um evento de precipitação
diário...................................................................................................................42
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1 SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA
A atividade antrópica é o principal fator que ocasiona modificações nas
bacias hidrográficas, pois influencia tanto quantitativamente quanto
qualitativamente os processos hidrológicos. Na maioria dos casos essas
alterações são percebidas apenas quando ocorrem grandes eventos
hidrológicos e suas consequências, como estiagens severas, inundações e
destruições, transporte de sedimento para bacias hidrográficas podendo
aumentar a descarga de nutrientes nos mananciais e assim influenciar
diretamente a qualidade da água (ANDRADE et al., 2013).
Com o avanço da tecnologia a utilização dos computadores permitiu que
um novo método fosse usado no campo da hidrologia, sendo chamado de
simulação hidrológica por computador. A grande velocidade dos computadores
atuais permite que cálculos sejam realizados rapidamente, permitindo
programar todo o ciclo do escoamento e obter um fluxo contínuo de vazões por
meio de incrementos elementares de tempo. Desta forma é necessário que
haja um estabelecimento das relações e que cada fase do ciclo hidrológico seja
representada, desde a precipitação medida até a vazão final procurada
(PORTO; ZAHED FILHO, 2014)
A simulação hidrológica pode ser usada com diferentes finalidades,
como por exemplo: a estimativa de disponibilidade de recursos hídricos,
previsão de vazão de curto e médio prazo, análise de variabilidade hidrológica
e consequências de mudanças do uso do solo. Esses estudos podem ser
realizados em bacias hidrográficas de diferentes portes, desta forma, ao se
retratar processos hidrológicos, estes podem variar em função da magnitude da
bacia, com os objetivos dos estudos, a disponibilidade de dados e a precisão
desejada. Sendo assim, os modelos hidrológicos adequados para pequenas
bacias não são, em sua maioria, adequados para a simulação de grandes
bacias (COLLISCHONN, 2001).
A realização destes estudos surge da necessidade de compreensão do
funcionamento do balanço hídrico, dos processos que controlam o movimento
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da água e seus possíveis impactos sobre a disponibilidade e qualidade da água
(ANDRADE et al., 2013). Os modelos hidrológicos podem ser utilizados para a
avaliação de estratégias de gerenciamento de recursos hídricos, a resposta de
bacias hidrográficas a variações climáticas periódicas, cheias de projeto, cheias
em tempo real e condições de contorno para modelos de circulação
atmosférica. Os modelos hidrológicos são uma ferramenta desenvolvida para
avaliação dos processos hidrológicos em diversas escalas temporais e
espaciais (SPRUILL et al., 2000; WAGENER et al., 2004).
2 APRESENTAÇÃO DE ALGUNS MODELOS DISPONÍVEIS
Modelos computacionais para controle da erosão hídrica vêm sendo
utilizados como subsídios para o planejamento adequado dos recursos
naturais, reduzindo o processo erosivo e diminuindo as grandes amplitudes de
vazões que têm sido observadas em cursos de água e que tem ocasionado
prejuízos às atividades de agricultura e pecuária, assim como para as
populações que vivem às margens destes (PRUSKI, 2009).
2.1 SWAT (Soil and Water Assesment Tool)
Este programa foi desenvolvido na década de 90, nos Estados Unidos,
pelo Agricultural Research Service e pela Texas A&M University. Trata-se de um
modelo matemático que possibilita que diferentes processos físicos sejam
simulados em uma bacia hidrográfica, tais como vazão, produção de
sedimentos e contaminação por agroquímicos. Este modelo tem sido adaptado,
desde o seu surgimento, para algumas áreas especificas sendo integrado aos
Sistemas de Informações Geográficas (SIG) (ARNOLD; ALLEN, 1996).
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Assim é possível a entrada de banco de dados, a elaboração e edição
de cenários ambientais e sua representação em forma de gráficos e mapas,
controle e simulações, além de extrair e organizar saídas do modelo
(MARCHIORO, 2008).
Figura 1. Representação do uso do solo no programa SWAT
Fonte: Panhalkar, 2014
2.2 USLE (Universal Soil Loss Equation)
Este modelo de predição de erosão foi desenvolvido por Wischmeier;
Smith (1965) e é um dos modelos de erosão empíricos mais utilizados, pois
permite estimar a perda anual de solo com base em dados de precipitação,
características do solo e do terreno e uso e manejo do solo. Foi desenvolvido a
partir de ensaios de perdas de solo utilizando-se parcelas unitárias padrão com
comprimento de rampa de 22m e declividade de 9% (AMORIM, 2004).
Este modelo permite estimar a perda média anual de solo provocada
pelas erosões laminar e em sulcos, para as condições em que foram obtidos os
valores de seus componentes. Devido à base totalmente empírica, a aplicação
em situações diferentes daquelas para as quais foi desenvolvida requer a
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realização de pesquisas para a obtenção dos termos componentes do modelo
(LOCH; ROSEWELL, 1992; FERNANDES, 1997).
2.3 RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation)
A RUSLE foi obtida por meio de uma revisão feita no modelo USLE, e
permite estimar a perda de solo média anual causada pela precipitação e o
escoamento associado a mesma. A estrutura da equação da USLE é a mesma
da RUSLE, porém vários conceitos de modelagem da erosão baseada na
descrição do processo físico foram incorporados para melhorar as predições de
erosão (AMORIM, 2004).
Com a utilização da RUSLE podemos estimar as perdas de solo para
situações em que não é possível utilizar a USLE, assim como em locais em
que não há dados de perdas de solo para determinação dos componentes do
modelo. A implementação computacional da RUSLE incorporou os conceitos de
base física para determinação de alguns dos seus componentes reproduzindo
mais fielmente o sistema. Assim, tornou-se mais fácil e rápido o processo de
estimativa das perdas de solo, sendo assim, uma ferramenta útil para o
planejamento de uso e conservação do solo (AMORIM, 2004).
2.4 WEPP (Water Erosion Prediction Project)
Trata-se de um modelo computacional de simulação contínua que
permite a estimativa da perda e da deposição de solo e não apenas da perda
média de solo (FLANAGAM; NEARING, 1995). A WEPP baseia-se nos
princípios físicos dos processos inerentes à erosão do solo, apresenta várias
vantagens sobre os modelos empíricos, pois leva em consideração os efeitos
das mudanças de uso do solo, além de modelar a variabilidade espacial e
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temporal dos fatores que afetam os processos hidrológicos que ocorrem em
uma encosta.
Consiste em um modelo dinâmico de simulação que incorpora conceitos
de erosão entressulcos e nos sulcos. Com o uso deste programa pode-se
simular os processos que ocorrem em determinada área em função do estado
atual do solo, cobertura vegetal, restos culturais e umidade do solo (AMORIM,
2004).
Os programas apresentados a seguir estão disponíveis para download
gratuito na página http://www.gprh.ufv.br/?area=softwares do Grupo de
Pesquisa em Recursos Hídricos vinculado ao Departamento de Engenharia
Agrícola da Universidade Federal de Viçosa (DEA-UFV).
O Grupo de Pesquisas em Recursos Hídricos (GPRH) da Universidade
Federal de Viçosa desenvolveu um conjunto de softwares chamado Hidros
com o objetivo de implementar diversos modelos a serem usados no
dimensionamento e manejo de projetos hidroagrícolas (PRUSKI, 2009), dentre
eles temos:
2.5 Plúvio 2.1
Este software permite determinar os parâmetros de chuvas intensas
para um grande número de localidades brasileiras.
O principal fator climático que interfere no processo erosivo é sem
dúvidas a chuva. O conhecimento da equação que relaciona a intensidade,
duração e frequência da precipitação é de vital importância para estimativa da
erosão. Este software possibilita a obtenção da equação de chuvas intensas
para qualquer localidade dos Estados de Minas Gerais, São Paulo, Paraná, Rio
de Janeiro, Espírito Santo, Bahia e Tocantins, para os demais estados,
permite-se a sua obtenção apenas para localidades em que já existem as
equações (PRUSKI, 2009), neste caso cabe ao usuário fornecer a latitude e a
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longitude da localidade de interesse ou identificá-la a partir de um banco de
dados em que constam as latitudes e longitudes de sedes de municípios, vilas
e distritos. Este software permite a obtenção dos parâmetros K, a, b, c da
equação de intensidade-duração-frequência da precipitação (SILVA et al.,
2006).
Figura 2. Tela de abertura do software Plúvio 2.1
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Figura 3. Tela para seleção do estado a ser estudado
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Figura 4. Tela para obtenção dos parâmetros da equação de
intensidade-duração-frequência da precipitação determinados para uma localidade do
Estado de São Paulo.
2.6 Hidrograma 2.1
A estimativa do escoamento superficial é uma das grandes dificuldades
em projetos de obras hidráulicas e de obras para a contenção do escoamento
superficial. O software Hidrograma 2.1 permite a obtenção do hidrograma de
escoamento superficial ao longo de uma encosta ou em secções transversais
do canal de terraços ou drenos de superfícies (PRUSKI, 2009).
Por meio deste software pode-se obter o hidrograma de escoamento
superficial ao longo de uma encosta, considerando-se condições uniformes ou
não; ou em secções transversais do canal de terraços ou drenos superficiais; a
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vazão máxima e seu tempo de ocorrência; a profundidade e a velocidade
máximas do escoamento superficial; e o volume e a lâmina de escoamento
superficial em áreas agrícolas (PRUSKI, 2009).
O hidrograma 2.1 fornece o hidrograma de escoamento superficial, emite
relatórios e simula o efeito sobre a vazão máxima e o volume escoado
decorrente da variação de: comprimento, taxa de infiltração estável, declividade
e rugosidade para condições de canal de terraços ou drenos de superfície.
Figura 5. Tela de apresentação do software Hidrograma 2.1
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Figura 6. Tela referente ao módulo de entrada de dados
Fonte: Silva et al., 2006
14
Figura 7. Tela relativa à visualização do perfil de uma encosta irregular, sendo esta
dividida em quatro trechos
Fonte: Silva et al., 2006
15
Figura 8. Tela relativa ao módulo hidrograma, o qual permite traçar o hidrograma na
encosta ou canal
Fonte: Silva et al., 2006
Figura 9. Tela relativa ao hidrograma de escoamento superficial
Obs: considerando condições de escoamento no canal, visualizando-se o valor da vazão máxima (Qmáx)
e seu tempo de ocorrência, a altura (hmax) e a velocidade (Vmax) máximas de escoamento e o volume
(VES) e a lâmina de escoamento superficial (LES)
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Fonte: Silva et al., 2006
2.7 Terraço 3.0
O software Terraço 3.0 tem como principal objetivo permitir o
dimensionamento de sistemas de conservação de solos e drenagem de
superfície, realizar a locação, em planta, de sistemas de terraceamento em
nível, acessar bancos de dados relativos à descrição dos principais tipos de
sistemas de terraceamento e critérios para sua seleção; e simular o
comportamento de sistemas de terraceamento. Segundo seus
desenvolvedores possui uma interface amigável e sua utilização é simples,
contando com um sistema de ajuda, em que encontram-se informações
técnicas sobre os procedimentos empregados para os cálculos e sobre o uso
do software (PRUSKI, 2009).
Este software permite racionalizar o uso das principais práticas
conservacionistas utilizadas para controle da erosão em áreas agrícolas
(PRUSKI, 2009).
Figura 10. Tela de abertura do software Terraço 3.0.
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Figura 11. Tela de parâmetros para o projeto
Obs: onde 1. Sistema de conservação de solos e drenagem de superfície; 2. Precipitação (parâmetros da
equação de chuvas intensas); 3. Canal; 4. Terreno; 5. Espaçamento entre terrenos e drenos; 6. Solo
(velocidade de infiltração básica); 7. Cobertura vegetal
Fonte: Manual do software Terraço 3.0, disponível em http://www.ufv.br/ctq/terraco
/Menu2.html
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Figura 12. Resultados para sistema de terraceamento em nível
Obs: onde 1. Apresenta valores da lâmina de escoamento superficial máxima (LES), altura de água
acumulada no canal de terraço (H), altura recomendável para o terraço (Hr) para as condições de
funcionamento do sistema especificadas pelo usuário, neste campo também são apresentados os valores
da VIB e do espaçamento entre terraços; 2. Opções de gráficos para análise das alternativas possíveis
para a implantação ou o manejo do sistema de conservação do solo em terraços em nível; 3. Valores da
altura da água acumulada no terraço (H); 4. Valores da altura recomendada para o terraço (Hr)
Fonte: Manual do software Terraço 3.0, disponível em http://www.ufv.br/ctq/terraco/
Menu2.html
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Figura 13. Tela de simulação do desempenho de sistemas de terraceamento com
gradiente
Fonte: Pruski, 2009
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Figura 14. Tela de locação de sistemas de terraceamento em nível
Fonte: Pruski, 2009
2.8 Estradas
O software Estradas permite dimensionar sistemas de drenagem e
bacias de acumulação em estradas não pavimentadas. O espaçamento
máximo entre desguadouros é aquele em que a perda provocada pelo
escoamento se iguala à perda tolerável. O software requer as informações de
precipitação e de escoamento, obtidas com os softwares Plúvio 2.1 e
Hidrograma 2.1, respectivamente, assim como as características relativas ao
leito da estrada e às demais áreas de contribuição (PRUSKI, 2009).
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Além disso, permite a determinação do espaçamento entre
desaguadouros; a quantificação da vazão e o volume escoado, possibilitando o
dimensionamento do canal e do sistema para acumulação da água (PRUSKI,
2009).
Figura 15. Tela de apresentação do software Estradas.
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Figura 16. Tela para entrada dos dados referentes à precipitação.
Figura 17. Tela para entrada dos dados referentes ao leito da estrada.
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Figura 18. Tela para entrada dos dados referentes à bacia de acumulação.
Figura 19. Tela com os resultados fornecidos pelo software Estradas.
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2.9 NetErosividade
Na Equação Universal de Perdas de Solo a estimativa do fator
erosividade é de fundamental importância para o planejamento
conservacionista de uso e manejo do solo. Moreira et al. (2005) desenvolveram
uma rede neural artificial (RNA) para estimar o valor de R para qualquer
localidade do Estado de São Paulo, o NetErosividade SP (PRUSKI, 2009). Na
mesma linha de pesquisa outros estudiosos desenvolveram os softwares
NetErosividade MG e NetErosividade RS.
Figura 20. Tela de apresentação do software NetErosividade MG
Fonte: Moreira et al., 2008
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Figura 21. Tela principal do software NetErosividade MG, em que se pode ver o mapa
de MG com duas linhas (horizontal e vertical), indicando em seu encontro a localidade
selecionada
Fonte: Moreira et al., 2008
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Figura 22. Relatório gerado pelo NetErosividade MG para a localidade de Viçosa-MG
Fonte: Moreira et al., 2008
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Figura 23. Sistema de ajuda do NetErosividade MG
Fonte: Moreira et al., 2008
2.10 ClimaBR
Geradores climáticos são modelos de simulação matemáticos utilizados
na modelagem hidrológica, simulação de crescimento de culturas e na predição
do processo erosivo. Modelos que permitem a geração de séries de sintéticas
de precipitação diária, duração da precipitação, intensidade máxima
instantânea e seu tempo padronizado de ocorrência, temperaturas máxima e
mínima, radiação solar, velocidade do vento e umidade relativa do ar
(OLIVEIRA, 2003; ZANETTI, 2003; BAENA, 2004).
O ClimaBR foi desenvolvido para ser um banco de dados com registros
pluviométricos e climatológicos com a finalidade de fornecer dados de entrada
necessários para a execução do modelo. O software permite a geração de
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séries sintéticas de dados climáticos, bem como a visualização do perfil do
evento de precipitação e informações representativas da série gerada, como
gráficos de dados diários, mensais e regressão linear (PRUSKI, 2009).
Figura 24. Tela de apresentação do software ClimaBR.
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Figura 25. Tela de entrada de dados relativos à precipitação do software ClimaBR.
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Figura 26. Tela de série sintética de dados climáticos gerada para a localidade
selecionada.
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Figura 27. Tela que mostra o perfil instantâneo de um evento de precipitação diário.
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REFERÊNCIAS
ANDRADE, M. A.; MELLO, C. R.; BESKOW, S. Simulação hidrológica em umabacia hidrográfica representativa dos latossolos na região do Alto Rio Grande,MG. R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.17, n.1, p.69-76. 2013.
ARNOLD, J. G.; ALLEN, P. M. Estimating hydrologic budgets for three Illinoiswatersheds. Journal of Hydrology, v.176, p.57‐77, 1996.
BAENA, L. G. N. Modelo para geração de séries sintéticas de dadosclimáticos. Viçosa, MG: Universidade Federal de Viçosa (UFV), Tese deDoutorado (Doutorado em Engenharia Agrícola) 2004. 154f.
COLLISCHONN, W. Simulação hidrológica de grandes bacias. Rio Grandedo Sul, RS. Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Tese deDoutorado (Doutorado em Engenharia de Recursos Hídricos e SaneamentoAmbiental) 2001. 270f.
MARCHIORO, E. Modelagem hidrossedimentológica na bacia do córregoSanta Maria: Subsídios à aplicação de práticas de conservação de água esolo no noroeste fluminense. Rio de Janeiro: UFRJ, 2008. 189p. TeseDoutorado
MOREIRA, M. C.; PRUSKI, F. F.; OLIVEIRA, T. E. C.; PINTO, F. A. C.; SILVA, D.D. NetErosvidade MG: Erosividade da chuva em Minas Gerais. R. Bras. Ci.Solo, v.32, p. 1349-1353. 2008.
OLIVEIRA, V. P. S. Modelo para a geração de séries sintéticas deprecipitação. Viçosa, MG: Universidade Federal de Viçosa (UFV). Tese deDoutorado (Doutorado em Engenharia Agrícola) 2003. 156f.
PANHALKAR, S. S. Hydrological modeling using SWAT model andgeoinfromatic techniques. The Egyptian Journal of Remote Sensing andSpace Science. v.17, n.2, p.197-207. 2014.
PORTO, R. L.; ZAHED FILHO, K. Introdução à hidrologia – Ciclohidrológico e balanço hídrico. 2014. Disponível em:www.files.engflorestal.webnode.com.br/.../apostila_balanco_hidrico.pdf. Acessoem Feb/2015
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PRUSKI, F. F. Modelos computacionais desenvolvidos pelo grupo depesquisa em recursos hídricos visando o controle da erosão. p.260-277.2009. In: PRUSKI, F. F. Conservação de solo e água: Práticas mecânicas parao controle da erosão hídrica. Editora UFV. 279p. 2009.
SILVA, J. M. A.; PRUSKI, F. F.; SILVA. D. D.; CECÍLIO, R. A. Metodologia paraobtenção do hidrograma de escoamento superficial em encostas e canais.Parte II: Modelo computacional e análise de sensibilidade. Eng. Agríc.Jaboticabal, v.26, n.3, p.704-712. 2006.
SPRUILL, C. A.; WORKMAN, S. R.; TARABA, J. L. Simulation of daily andmonthly stream discharge from small watersheds using the SWAT model.Transactions of the ASAE, v.43, p.1431-1439, 2000.
ZANETTI, S. S. Modelo computacional para geração de séries sintéticasde precipitação e do seu perfil instantâneo. Viçosa, MG: UniversidadeFederal de Viçosa (UFV), Dissertação de Mestrado (Mestrado em EngenhariaAgrícola) 2003. 71f.
WAGENER, T.; WHEATER, H.; GUPTA, H. V. Rainfall-runoff modeling ingauged and ungauged catchments. 1.ed. Londres: Imperial College, 2004.306p.
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