Autores
Demarchi, J.C. (UNESP - CÂMPUS DE PRESIDENTE PRUDENTE) ; Pisani, R.J. (UNIFAL - UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS) ; Piroli, E.L. (UNESP - CÂMPUS DE OURINHOS)
Resumo
A erosão constitui o principal fator de degradação dos solos rurais e urbanos, e é provocada pela interação de fatores relacionados ao solo, ao relevo, ao clima e à cobertura da terra. Nesse contexto, este trabalho objetivou realizar estimativas de aporte de sedimentos no exutório da bacia hidrográfica do Ribeirão das Perobas, município de Santa Cruz do Rio Pardo – SP, em episódios de chuvas de diferentes intensidades e períodos de retorno, por meio da Equação Universal de Perda de Solo Modificada, e relacionar o processo erosivo ao formato do terreno. O volume de sedimentos estimado aumentou de forma mais intensa que o aumento da intensidade pluviométrica, mas os valores totais elevados evidenciam a necessidade de calibração do modelo a partir de dados hidrossedimentológicos medidos. Embora a erosão resulte de uma conjunção de fatores naturais e antrópicos, os relevos convergentes e os divergentes côncavos foram responsáveis pelos maiores volumes de sedimentos produzidos pela bacia.
Palavras chaves
produção de sedimentos; forma das vertentes; conservação do solo
Introdução
A erosão pode ser conceituada como uma série de transferências de energia e matéria gerada por um desequilíbrio do sistema água-solo-cobertura vegetal, resultando na perda progressiva do solo (MAFRA, 1999). Os fatores controladores da erosão, os quais determinam a variação em sua taxa, são: erosividade da chuva, erodibilidade do solo, características das encostas e natureza da cobertura vegetal. A intervenção do homem pode alterar esses fatores, acelerando ou retardando os processos erosivos (GUERRA, 2005). Dando destaque ao fator relevo, os elementos que controlam o processo erosivo são a declividade, o comprimento e a forma da encosta. A declividade das encostas tem efeito direto na velocidade do escoamento superficial. Porém, em encostas muito íngremes a erosão pode diminuir em razão do decréscimo de material disponível para desagregação e transporte, e geralmente há menor formação de crostas, resultando no aumento das taxas de infiltração. À medida que o comprimento de rampa aumenta, o escoamento superficial aumenta em velocidade e quantidade (GUERRA, 2005). As formas das vertentes, côncava, convexa e retilínea, definem o tipo de escoamento das águas pluviais, sendo que as encostas de contorno convexo são geralmente distribuidoras de água, enquanto as encostas côncavas são coletoras e concentradoras de água (WEILL; PIRES NETO, 2007). Como o manejo adequado dos solos visando à redução dos processos erosivos requer o entendimento das complexas relações entre os processos físicos, químicos, meteorológicos e hidrológicos que os desencadeiam, o que dificilmente pode ser feito experimentalmente, a modelagem de erosão é uma forma prática de descrever matematicamente o processo, investigar os impactos decorrentes da adoção de diferentes práticas agrícolas e avaliar a eficiência das medidas a serem adotadas visando ao controle da sua degradação (AMORIM et al., 2009). A Equação Universal de Perda de Solo Modificada (MUSLE, em inglês) foi desenvolvida por Williams (1975) a partir do modelo empírico EUPS com o objetivo de prever o aporte de sedimentos nas bacias hidrográficas a partir da substituição do fator R (erosividade da chuva) por fatores que representam os processos hidrológicos das bacias. A equação é dada por: Y=11,8*(Q*qp)^0,56*K*LS*C*P Em que: Y é o aporte de sedimentos em determinado exutório da bacia hidrográfica após um evento chuvoso, medido em toneladas (t); Q é o volume do escoamento superficial (m³); qp é a vazão de pico (m³/s); K é a erodibilidade do solo (t.ha.h.ha-1.MJ-1.mm-1); LS é o fator topográfico (comprimento de rampa e declividade); C é o fator uso e manejo do solo e P é o fator práticas conservacionistas, todos adimensionais. Os valores de Q e qp são obtidos a partir de um modelo de escoamento superficial. Embora Q e qp sejam altamente correlacionados, Q está mais relacionado ao processo de destacamento de partículas e qp define o transporte de sedimentos. Quando o fluxo é retardado pela vegetação, estruturas, etc., o fator qp é reduzido, diminuindo assim o transporte de sedimentos (WILLIAMS; BERNDT, 1977). A bacia hidrográfica do Ribeirão das Perobas, objeto de estudo deste trabalho, está ocupada por diversos usos agrícolas em diferentes níveis de manejo e mantém apenas 7,41 % de sua área ocupada por mata nativa ou ciliar. É uma bacia exclusivamente rural e apresenta evidências de processos erosivos, sobretudo laminares. Ademais, é caracterizada por diversas classes de solo, com diferentes graus de suscetibilidade à erosão, e seu relevo apresenta diferentes graus de declive, formas e comprimentos de rampa. Inserido nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi realizar estimativas de aporte de sedimentos no exutório da referida bacia hidrográfica, localizada no município de Santa Cruz do Rio Pardo – SP, em episódios de chuvas de diferentes intensidades e períodos de retorno, por meio da Equação Universal de Perda de Solo Modificada, e relacioná-los ao formato do terreno.
Material e métodos
A bacia hidrográfica do Ribeirão das Perobas está localizada no município de Santa Cruz do Rio Pardo - SP. É limitada pelas coordenadas geográficas: latitude 22º47’15.04”S a 22º50’44.29”S; longitude 49º38’55.13”W a 49º43’46.42”W, e sua área é de 30,611 km². A estimativa de aporte de sedimentos no exutório da área de estudo pela MUSLE foi realizada em diferentes períodos de retorno de chuvas intensas, de 5, 10, 25 e 50 anos. Para obter a intensidade pluviométrica equivalente a cada período de retorno, utilizou-se a equação de Intensidade-Duração- Frequência (BERTONI; TUCCI, 2007), cujos parâmetros foram estimados pelo programa Plúvio 2.1 (GPRH, 2005). O tempo de duração da precipitação adotado foi 60 minutos, para que as intensidades das chuvas obtidas correspondessem ao índice pluviométrico total. Para a obtenção do fator Q da MUSLE, utilizou-se o método do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos (SCS, 1972), no qual o potencial máximo de retenção de água no solo S é estimado pelo Número da Curva (ou Curve Number – CN), proposto pelo SCS (1986). Neste trabalho, foram utilizados os valores CN tabelados por Bielenki Jr. e Barbassa (2012) para os solos e padrões de uso da terra brasileiros. Os solos da área de estudo foram classificados nos grupos hidrológicos A a D conforme os critérios de Sartori et al. (2005). O fator vazão de pico (qp) foi determinado pela equação de Genovez (1993) em função da área da bacia (nesse trabalho, utilizou-se a área do pixel – 4 m²), a vazão Q e o tempo de concentração da bacia, obtido pelo método de Pickering (MATA-LIMA et al., 2007). Os fatores K, LS, C e P da MUSLE foram elaborados por Demarchi (2012) conforme a metodologia referida a seguir. O fator K (erodibilidade do solo) foi estimado para todas as classes de solo da bacia o Ribeirão das Perobas pela equação de Mannigel et al. (2002), a partir das porcentagens médias de areia, silte e argila dos horizontes superficiais dos solos amostrados. O fator topográfico (LS) foi gerado pelo programa Usle2D 4.1 (VAN OOST; GOVERS, 2000) a partir do modelo digital de elevação (MDE) da bacia. O MDE foi obtido pela ferramenta “Topo to raster” do SIG ArcMap 10. O algoritmo de modelagem de rota de fluxo utilizado foi o Flux decomposition (algoritmo de fluxo múltiplo), e o utilizado no cálculo do fator LS foi o de “McCool et al. (1987, 1989)”. Escolheu-se a opção “Rill < Interrill – fator C < 0,15”, requerida pelo programa, pois a erosão entressulcos é mais expressiva que a erosão em sulcos na área de estudo e a maioria dos usos e manejos possui fator C inferior a 0,15. O mapa de uso da terra da área de estudo foi elaborado por meio da análise visual das classes de uso sobre a imagem ALOS, fusão PRISM/AVNIR-2, de 11/03/2007, e os usos da terra foram atualizados para o mês de janeiro/2011 por meio de imagens Landsat-5 e IRS-P6. Os valores de fator C utilizados foram obtidos por Wischmeier e Smith (1978), Donzelli et al. (1992), Angima et al. (2003) e Silva et al. (2010). Para a elaboração do fator P (práticas conservacionistas), foram atribuídos às classes mata nativa/ciliar, açudes, plantio morro abaixo os valores 0,001 (GONÇALVES, 2002), 0 e 1 (BERTONI; LOMBARDI NETO, 2005), respectivamente. O subfator P das áreas cultivadas em nível foi calculado pela equação de Lagrotti (2000) em função da declividade do terreno. Em áreas cultivadas em nível e terraceadas, o fator P foi o produto desses dois subfatores. O subfator terraceamento foi obtido a partir do grau de espaçamento entre os terraços (RENARD et al., 1997). A álgebra de mapas dos fatores da MUSLE foi realizada no SIG Idrisi Selva. Os mapas resultantes tiveram seus pixels somados para a obtenção do aporte de sedimentos promovido por cada evento de chuva intensa. Por fim, realizou- se a análise zonal dos valores médios da contribuição ao aporte de sedimentos por classe de forma do terreno, a partir do mapa de curvatura horizontal e vertical do terreno do projeto TOPODATA (VALERIANO, 2011).
Resultado e discussão
Como o processo erosivo e a produção de sedimentos em bacias hidrográficas
são resultados de uma conjunção e interação de fatores naturais e
antrópicos, os mapas dos fatores que compõem a MUSLE da bacia hidrográfica
do Ribeirão das Perobas são apresentados a seguir (Figura 1) e, por fim,
integrados nas estimativas de aporte de sedimentos.
Em relação aos fatores Q e qp, as áreas representadas em branco nos mapas
não produziram escoamento superficial no evento de precipitação de 72,85 mm.
Este comportamento hidrológico ocorreu em função de o índice pluviométrico
ser inferior à abstração inicial, ou seja, P < 0,2*S, sendo o fator S
determinado em função do valor do Número da Curva que, por sua vez, é
formada pelo uso e manejo do solo e pelo seu grupo hidrológico. Portanto, o
uso da terra combinado com a permeabilidade do solo propiciou a infiltração
ou interceptação de toda a água pluvial sem a geração do escoamento
superficial. Em geral, parte das áreas de mata nativa e pastagem com manejo,
localizadas sobre solos dos grupos hidrológicos A e B, apresentaram essa
característica.
As áreas ocupadas por pastagem sem manejo, milho e solo exposto,
principalmente, e até mesmo as de pastagem com manejo em solos de grupo
hidrológico C e D apresentaram as taxas mais elevadas de escoamento
superficial e, consequentemente, de vazão de pico. O parâmetro vazão de
pico, calculado em função do tempo de concentração, da área do pixel e da
vazão (Q), é diretamente proporcional a este fator, já que seus demais
fatores são invariáveis.
O mapa de erodibilidade do solo mostra que os solos oriundos do basalto, em
geral, apresentam menores índices de erodibilidade que os originados do
arenito, sobretudo em razão da textura argilosa, dos minerais de argila
presentes em maior quantidade e de sua natureza coloidal, que conferem a
eles maior agregação e estabilidade dos agregados e, portanto, maior
resistência ao processo erosivo. Exemplos de solos de baixa erodibilidade da
bacia são os Latossolos e Nitossolos Vermelhos Eutroférricos e os Latossolos
Vermelhos Distroférricos. Já os Argissolos e os Latossolos de textura média
apresentam índices mais elevados de erodibilidade.
A análise conjunta dos mapas do fator LS e declividade mostra uma grande
influência da declividade na configuração do fator topográfico, ou seja, o
fator LS aumenta numericamente à medida que cresce a declividade do terreno.
As áreas mais distantes dos divisores de água da bacia e das áreas de topo,
porém, apresentam valores LS mais elevados que naquelas áreas, ou seja,
maior comprimento de rampa. Embora o fator LS máximo seja 171,03, o valor
médio é baixo (4,093). Já as classes de declividade predominantes são: 6 –
12 % (relevo ondulado), ocupando 38,3 % da área total, 3 – 6 % (relevo suave
ondulado), representando 24,38 % da bacia e 12 – 20 % (forte ondulado), que
ocupa 20,98 % de sua superfície. Essas declividades conferem média
suscetibilidade aos processos erosivos.
O mapa de uso e manejo do solo aponta que as pastagens predominam na bacia e
equivalem a 43,48 % de sua área total. Tais usos agrícolas estão presentes
em todos os seus compartimentos de relevo. A lavoura de cana-de-açúcar com
palha incorporada representa 17,61 % da bacia e, por ser uma cultura
semiperene, oferece maior proteção ao solo que as culturas anuais. Estas são
representadas, principalmente, pelos cultivos milho e soja, que juntas
perfazem 21,17 % da área de estudo e são rotacionadas no inverno com outras
culturas, como o milho safrinha e a aveia para proteger o solo e propiciar
uma segunda colheita anual. Parte das áreas mapeadas como solo exposto é
cultivada em outros períodos do ano com cana-de-açúcar, principalmente, ou
com culturas anuais. A vegetação nativa e as matas ciliares ocupam apenas
7,41 % da área total da bacia.
Em relação ao fator práticas conservacionistas, 75,52 % da superfície da
bacia hidrográfica estava cultivada em nível e terraceada. O mapa do fator P
se apresenta bastante complexo em razão da influência conjunta dos fatores
terraceamento e plantio em nível, da redução do efeito do plantio em nível
com o aumento da declividade e da variação do espaçamento entre os terraços.
A contribuição para o aporte de sedimentos no exutório da bacia do Ribeirão
das Perobas estimado pela MUSLE em diferentes intensidades pluviométricas é
apresentada na Figura 2.
A produção de sedimentos resulta da interação e conjunção de diversos
fatores, como o uso da terra (as áreas de solo exposto, cultivadas com
mandioca, banana, milho e soja apresentaram maior aporte de sedimentos), a
erodibilidade do solo, a declividade, o comprimento de rampa, as práticas
conservacionistas, o escoamento superficial e a vazão de pico, sendo difícil
destacar a influência de um fator na análise dos mapas. Nas áreas mapeadas
em verde claro, ocupadas com pastagens, cana-de-açúcar, mata e outros usos,
a quantidade de sedimentos produzida que chega ao exutório da bacia é
inferior a 5 g por pixel de 4 m². Já as áreas em branco não produzem
sedimentos por não gerarem escoamento superficial em razão da combinação
entre o uso e manejo do solo e sua permeabilidade, expressa pelo valor do
Número da Curva utilizado na obtenção do fator Q. Quanto maior a intensidade
pluviométrica, menores são as áreas não geradoras de escoamento superficial
e sedimentos.
A Tabela 1 apresenta o aporte de sedimentos no exutório da bacia estimado
pela MUSLE em diferentes intensidades pluviométricas.
Os resultados mostram que quanto maior o índice pluviométrico e a
intensidade da chuva, maior será o volume do escoamento superficial, a taxa
de erosão e o aporte de sedimentos no exutório da bacia hidrográfica.
Considerando os períodos de retorno de 5 e 50 anos, uma chuva de intensidade
38,05 % maior propiciou um aporte de sedimentos da ordem de 104,47 % maior.
No entanto, para o evento de 72,85 mm de precipitação, a bacia produziu a
média de 0,1154 t/ha de sedimentos, considerada a área geradora de
escoamento superficial de 2.519,27 ha, o que não reflete a realidade, pois
tal valor corresponde ao volume de sedimento que chega ao exutório da bacia,
já subtraída a deposição de sedimentos nas vertentes e fundos de vale. Esses
resultados evidenciam a necessidade de calibração do modelo MUSLE ao
comportamento hidrológico dos solos brasileiros em função dos usos da terra
predominantes no país, já ele foi desenvolvido para os solos e usos da terra
dos Estados Unidos. A calibração pode ser realizada por meio da medição do
aporte de sedimentos no exutório das bacias hidrográficas em eventos
chuvosos de diferentes intensidades, seguido do ajuste de um coeficiente do
modelo para que os valores estimados por ele sejam compatíveis aos valores
medidos, a exemplo do trabalho de Silva et al. (2011).
A Figura 3 apresenta as formas do terreno da bacia do Ribeirão das Perobas,
extraídas do projeto TOPODATA.A análise zonal dos valores médios de produção
de sedimentos por classe de forma do terreno do episódio estimado de
precipitação de 72,85 mm mostrou que as maiores contribuições para o aporte
de sedimentos ocorreram nas formas divergente côncava, convergente côncava,
convergente retilínea e convergente convexa, com os valores 47, 46, 46 e 37
g por pixel de 4 m² , respectivamente. Os relevos convergentes retilíneos se
estendem no sentido do declive por todos os setores de algumas vertentes e
por pequenos afluentes do rio principal, direcionando e concentrando o
escoamento superficial nessas áreas e contribuindo para processo erosivo,
sobretudo o linear. Já os relevos divergentes e convergentes côncavos
coincidem com os fundos de vale e baixas vertentes, respectivamente, áreas
mais úmidas e que concentram e/ou drenam as águas pluviais, apresentando
também declividades elevadas nas baixas vertentes. Portanto, apesar de não
ser considerado na modelagem por meio da MUSLE, o fator de geometria das
vertentes tem papel fundamental no direcionamento do escoamento superficial
e no mecanismo da erosão hídrica.
Fatores da Equação Universal de Perda de Solo Modificada
Contribuição para o aporte de sedimentos em diferentes intensidades pluviométricas
Aporte de sedimentos por intensidade pluviométrica
Adaptado de Projeto Topodata - Valeriano, 2011.
Considerações Finais
No presente trabalho, a MUSLE superestimou o aporte de sedimentos no exutório da bacia hidrográfica do Ribeirão das Perobas, o que evidencia a necessidade de calibração do modelo, tarefa dificultada na maioria das bacias hidrográficas brasileiras, que não dispõem de rede de monitoramento hidrossedimentológico. O aporte de sedimentos aumentou de forma mais intensa que o aumento da intensidade pluviométrica simulada. A forma do terreno, sobretudo das vertentes, tem relação direta com a concentração/difusão do escoamento superficial e com os processos erosivos. Porém, as únicas variáveis geomorfológicas utilizadas na MUSLE são a declividade do terreno e o comprimento de rampa. Comparado ao modelo EUPS original, a MUSLE tem a vantagem de ser um modelo do tipo evento-resposta, ou seja, que prevê o aporte de sedimentos no exutório da bacia a partir de um evento de chuva, o que aumenta sua precisão, enquanto a USLE estima a perda de solos anual e não guarda relação com a intensidade das chuvas e com o escoamento superficial. Por fim, destaca-se a importância dos modelos MUSLE e USLE para as pesquisas sobre erosão no Brasil, pois apesar de serem modelos empíricos e suscetíveis a erros por não representarem os processos hidrológicos e físicos de ocorrência da erosão, são simples, exigem poucos parâmetros de entrada, integram fatores naturais e antrópicos e podem ser facilmente implementados em Sistemas de Informação Geográfica.
Agradecimentos
Referências
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