Integrated modeling of quality and quantity for water resources management: case study in the Upper Paranapanema Basin

ABSTRACT This study introduces an integrated model for water resources planning and management that accounts for both the quantity and quality of water in watersheds and reservoirs. Therefore, it provides a comprehensive approach for better understanding and assessing water systems. The model facilitates analyses of the spatial and temporal dynamics of hydrological processes, pollutant transport, and the behavior of rivers and reservoirs. The study evaluated pollutant load transport in the Upper Paranapanema Basin by applying the Soil Moisture Accounting Procedure (SMAP) model, Muskingum method, Streeter-Phelps buildup/washoff model, and zero-dimensional (0D) models to estimate inflows to the Jurumirim reservoir. A Python-based public library was developed to model all hydrological processes. The model calibration yielded a NSE, KGE, PBIAS and RMSE result of 0.746, 0.778, 6.5% and 73.3 m 3 s − 1, respectively. Indicating a robust simulation that attests to the versatility and reliability of the proposed approach. The methodology outlined in this research enables comprehensive water quality simulation at basin scale, thereby serving as a tool for understanding water quantity and quality dynamics and support decision-making regarding water resource planning and management. RESUMO Este estudo apresenta um modelo integrado de planejamento e gestão de recursos hídricos que leva em conta tanto a quantidade quanto a qualidade da água em bacias hidrográficas e reservatórios. Portanto, fornece uma abordagem abrangente para uma melhor compreensão e avaliação dos sistemas hídricos. O modelo facilita análises da dinâmica espacial e temporal dos processos hidrológicos, do transporte de poluentes e do comportamento de rios e reservatórios. O estudo avaliou o transporte de cargas poluentes na Bacia do Alto Paranapanema aplicando o modelo Soil Moisture Accounting Procedure (SMAP), método Muskingum, modelos de acúmulo/lavagem, Streeter-Phelps e de dimensão zero (0D) para estimar afluências no reservatório de Jurumirim. Uma biblioteca pública baseada em Python foi desenvolvida para modelar processos hidrológicos. A calibração do modelo resultou em NSE, KGE, PBIAS e RMSE de 0,746; 0,778; 6,5% e 73,3 m 3 s − 1, respectivamente. Indicando uma simulação robusta que atesta a versatilidade e confiabilidade da abordagem proposta. A metodologia delineada nesta pesquisa permite uma simulação abrangente da qualidade da água à nível de bacia, servindo assim como uma ferramenta para co