PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS UTILIZADOS NAS PESQUISAS SOBRE O ÍNDICE “ABSTRAÇÃO INICIAL” DA PRECIPITAÇÃO

Autores

Carvalho, F. (IFG) ; Confessor, J.G. (UFU) ; Rodrigues, S.C. (UFU)

Resumo

O método Curve Number tornou-se importante ferramenta para profissionais que objetivam conhecer o processo de escoamento superficial. Entretanto, seus resultados são questionados, exemplo dos índices de Ia (abstração inicial) serem elevados, ou mesmo sofrerem variações conforme as condições edafoclimáticas, e devido as características do evento pluviométrico no tempo e espaço. Procedimentos metodológicos são utilizados no conhecimento da abstração inicial, como o método 'análise de evento', que consiste no monitoramento do evento pluviométrico para a determinação da Ia. Os resultados indicam grande variação dos índices de Ia, principalmente, quando se tem eventos pluviométricos de baixa intensidade e volume. As pesquisas apontam que quanto menor o valor CN (curve number) adotado no cálculo, maiores são as variações dos índices de Ia. Estudos indicam que o índice de 0,05 para a abstração inicial pode apresentar-se mais apropriado, ao invés de 0,2 estipulado originalmente no modelo.

Palavras chaves

escoamento superficial; método curve number; abstração inicial

Introdução

Inicialmente, no processo de desenvolvimento do método Curve Number, os esforços foram para o conhecimento do processo de infiltração das bacias hidrográficas do território continental dos EUA, realizando milhares de testes de infiltração em áreas experimentais para a definição de um parâmetro que representasse a retenção da precipitação de um determinado evento pluviométrico, considerando-se os solos e o uso e ocupação da terra, com o objetivo de conhecimento do processo de escoamento superficial (WOODWARD, et al., 2002; PONCE; HAWKINS, 1996; NRCS, 2002; HAWKINS, 1993; WOODWARD, et al., 2003). A maior parte dos testes foram realizados com o infiltrômetro de aspersão, pois, considerou-se que este procedimento apresentou-se adequado para simular o impacto das gotas das chuvas no processo de infiltração e de erosão. Estudos de solos dos estados do Texas, de Oklahoma, do Arkansas e da Louisiana concluíram que a textura dos solos constitui-se fator fundamental no processo de infiltração, e consequentemente, no escoamento superficial. Desenvolveram- se gráficos para a estimativa do escoamento superficial considerando-se a textura do solo, tipo e a porcentagem de cobertura vegetal, e também, as práticas conservacionistas, denominando-se 'complexo solo-cobertura vegetal' (soil-cover complex) (ANDREWS, 1954 apud WOODWARD et al., 2002; NRCS, 2002). Os parâmetros utilizados no desenvolvimento do método CN levaram em consideração os usos da terra, o tipo de solo e a localização geográfica. De acordo com Manso (2010), o método do curve number assenta-se em duas hipóteses que são: 1º - o “escoamento superficial” inicia-se quando alcançado um “limiar de escoamento - abstração inicial”. 2º - o quociente entre a “retenção real de água” e a “retenção máxima” é igual ao quociente entre o “escoamento superficial direto” e o “escoamento superficial máximo”. Depois dos estudos e levantamento de dados hidrológicos (principalmente a infiltração) de bacias hidrográficas nos territórios dos Estados Unidos, o SCS (Soil Conservation Service) posteriormente denominado NRCS (Natural Resouces Conservation Service) publicou tabelas que relacionam os usos do solo, os grupos hidrológicos dos solos, as práticas de cultivo e as condições hidrológicas. O valor CN - parâmetro utilizado na determinação do escoamento superficial - expressa a probabilidade de determinado tipo de solo e uso da terra produzir escoamento superficial quando da ocorrência de um evento pluviométrico (TUCCI, 2009; MANSO, 2010; D’ASARO; GRILLONE, 2010; WOODWARD, et al., 2002; PONCE; HAWKINS, 1996; NRCS, 2002; HAWKINS, 1993; WOODWARD, et al., 2003). No processo de desenvolvimento do método CN várias proposições foram criada para simular a relação chuva-escoamento superficial, sendo que as primeiras versões não enquadravam a abstração inicial (Ia), que constitui-se no conjunto composto pela água evaporada diretamente para a atmosfera durante e após os eventos pluviométricos, pela água interceptada pela vegetação, pelo armazenamento superficial e também a infiltração inicial, instantes antes ao início do processo de escoamento superficial (runoff). O Natural Resouces Conservation Service (NRCS) estabeleceu a relação entre a abstração inicial e a capacidade de armazenamento do solo, sendo a abstração inicial (Ia) representada por 20% da capacidade de armazenamento de água pelo solo (Ia/S) (TUCCI, 2009; SHEEDER et al., 2002 apud MELLO et al., 2003, WOODWARD, et al., 2002; PONCE; HAWKINS, 1996; NRCS, 2002; HAWKINS, 1993; WOODWARD, et al., 2003). Objetiva-se neste trabalho apresentar o parâmetro abstração inicial (Ia) utilizado pelo método Curve Number, bem como procedimentos metodológicos utilizados em pesquisas para a obtenção dos índices de Ia e alguns resultados das pesquisas selecionadas. Dados hidrológicos e principalmente de escoamento superficial em bacias hidrográficas do Cerrado são escassos, necessitando de estudos hidrológicos aprofundados, a exemplo do parâmetro Ia.

Material e métodos

Para alcançar os objetivos propostos foram selecionadas literaturas nacionais e internacionais para o conhecimento dos procedimentos metodológicos utilizadas nas pesquisas para a determinação dos índices de abstração inicial (λ). Selecionadas a literaturas, apresenta-se um quadro-resumo de algumas literaturas concernente a localização e/ou fonte de dados principais, os principais usos da terra e as amostragens e métodos de pesquisa utilizadas (Tabela 1). TABELA 1 Hawkins e Khojeini (2000), utilizaram dados de diversas fontes como do Departamento de Agricultura dos EUA (USDA) com a utilização do método análise de evento em áreas de agricultura. O banco de dados analisados com emprego do General Model Fitting foram mais amplos. Observa-se que vários são os estudos que utilizaram o método análise de evento. No artigo de Yuan et al. (2012), realizou-se uma análise de sensibilidade que envolveu uma análise do efeito da relação Ia/S no escoamento superficial e os impactos do valor CN e da precipitação no Ia/S e no escoamento superficial, e também, avaliou o impacto das mudanças dos índices de Ia na determinação dos dados de escoamento superficial para a área de estudo de sua pesquisa.

Resultado e discussão

O método frequentemente utilizado em diversas pesquisas para a determinação dos índices de Ia denomina-se 'análise de evento', que consiste em monitorar os eventos pluviométricos, conhecendo-se o hietograma e o hidrograma da bacia hidrográfica. A análise de evento inicia-se com a observação dos eventos pluviométricos, sendo que o volume de precipitação desde o início do evento até o instante que inicia-se o escoamento superficial direto constituí a Ia. Com este método cada evento pluviométrico forneceu uma relação Ia/S (denominada de 'λ'), e os valores médios desta relação foram usados para caracterizar a bacia hidrográfica (WOODWARD, et al., 2003; HAWKINS; KHOJEINI, 2000; BALTAS et al., 2007). No artigo apresentado por Hawkins e Khojeini (2000), objetivou-se adequar os percentuais de abstração inicial, utilizando-se dados de precipitação e escoamento superficial de bacias hidrográficas através de 'análise de evento'. Analisou-se dados de precipitação e escoamento superficial em pequenas bacias hidrográficas dos EUA com o predomínio da agricultura, e os eventos pluviométricos selecionados foram superiores ou iguais a uma polegada (2,54 cm), e também, em bacias hidrográficas onde observou-se no mínimo 20 eventos desta mesma natureza. Os dados forneceram um gráfico de frequência acumulada da média de Ia/S, onde os valores encontrados de Ia/S foram predominantemente menores dos que os 0,20 proposto pelo SCS, sendo o mínimo de 0,0005, a média encontrada foi de 0,0607, a mediana de 0,0380 e o máximo de 0,2907. Das 86 bacias hidrográficas analisadas, apenas 5 apresentaram valores maiores que 0,20, e afirmam que 0,05 apresenta-se como um índice mais apropriado para a relação Ia/S (HAWKINS; KHOJEINI, 2000). De acordo com Hawkins e Khojeini (2000), a partir do procedimento estatístico denominado General Model Fitting (método estatístico dos mínimos quadrados) ajustou-se os índices de abstração inicial e a capacidade de armazenamento de água do solo. Conforme a Tabela 1, para a aplicação do General Model Fitting (ordered data) utilizou-se dados de quatro fontes diferentes. Para as os dados obtidos nas bacias hidrográficas (urbanas) de Tucson (Arizona) os valores de abstração inicial tanto para a média como para a mediana foi de zero. Prosseguindo com a discussão, Hawkins e Khojeini (2000) trazem que um dos maiores índices médios de Ia/S foram obtidos nas bacias hidrográficas agrícolas localizadas no leste e no meio oeste estadunidense, com λ = 0,0755, mas, mesmo assim inferior a λ = 0,2. Nos dados naturais fornecidos por Hewlett et al. (1984) citado por Hawkins e Khojeini (2000), a partir de 17 bacias hidrográficas florestadas, a média de Ia/S foi de 0,0584 e a mediana zero. As análises dos dados ajustados apresentaram uma média de 0,1143 e uma mediana de 0,0215, superior aos dados naturais. Nos dados fornecidos pela Jornada, os dados naturais apresentaram uma média de 0,0122 e a mediana zero. Nos dados ajustados a média foi de 0,1699 e a mediana 0,0037, superior a apresentados com dados naturais e inferior aos 0,2 do SCS. Os dados de precipitação e de escoamento superficial das bacias hidrográficas agrícolas fornecidos pelo Departamento de Agricultura dos EUA apresentaram para os dados naturais uma média de 0,0755 e a mediana zero. Os dados ajustados apresentaram uma média de 0,1572 e a mediana 0,0966. Somente as médias dos dados ajustados apresentaram valores próximos aos 0,2, sendo que a mediana foi próximo a 0,05. As médias dos dados naturais ficaram próximos a 0,05, distante dos 0,2 (HAWKINS; KHOJEINI, 2000). Em um estudo objetivando a definição dos índices de abstração inicial através do método análise de evento, realizado no Brasil, no sul do Estado de Minas Gerais, os índices médios da abstração inicial foi de 0,0155, e uma enorme variabilidade de λ (0 a 0,081), concluindo não ser eficiente a determinação da abstração inicial "[...] baseada apenas no armazenamento potencial do solo (MELLO et al. 2003, p.494)". No artigo publicado por Yuan et al. (2012), relata não ser eficiente a taxa de λ = 0,2 para as bacias hidrográficas analisadas que localizam-se no sudeste do Arizona, região de clima semi-árido e, portanto, afirmam que a estimativa do escoamento superficial pode ser prejudicada pelos valores da abstração inicial, principalmente em eventos de baixa intensidade e volume, e em bacias hidrográficas que possuem solos profundos e porosos, características de climas semi-áridos a exemplo do Arizona (EUA). Concluiu-se que quanto maior a área do canal de drenagem da 'bacia hidrográfica intermitente' e a presença de solos profundos, com textura grosseira e com boa porosidade, muitos dos que são encontradas em bacias hidrográficas de regiões semi-áridas, menores são os índices de Ia, e que, a interferência da Ia na determinação do escoamento superficial aumenta com a redução dos valores CN's, a exemplo de bacias hidrográficas de regiões semi- áridas, as quais tendem a possuir valores CN's baixos. Salienta-se, os valores ideais para os índices de Ia para bacias hidrográficas localizadas no semi- árido podem variar de 0,01 a 0,53. Também, afirmam que quanto maior a área do canal de drenagem da bacia hidrográfica, maior será o potencial de armazenamento de água no solo, e quanto mais grosseira a textura maior será a Ia (YUAN et al., 2012). Conforme Baltas et al. (2007), a partir de um estudo conduzido em uma bacia hidrográfica experimental em Attica (Grécia), monitoraram-se eventos pluviométricos (pluviômetros) e de escoamento superficial (estações hidrométricas) com o objetivo de determinar os índices de Ia. A área de estudo compôs-se por duas sub-bacias hidrográficas que apresentam características geológicas e de uso e ocupação distintas, no geral predominando pastagens. Para compor o banco de dados foram selecionados eventos pluviométricos com características específicas, como por exemplo, a distribuição espacial uniforme da precipitação por toda a bacia analisada. As vazões médias do hidrograma consideradas no estudo foram superiores a 0,2 m³/s devido a área de 15 km² da bacia hidrográfica. Foram definidos as condições de umidade antecendente para cada evento analisado, considerando o volume de precipitação nos cinco dias anteriores. A separação do escoamento superficial direto do escoamento superficial de base procedeu-se com a observação dos pontos de inflexão do hidrograma, indicando o início e o fim do escoamento superficial direto. Finalmente definiu-se a abstração inicial como parte da precipitação desde o início do evento pluviométrico até o instante em que se inicia o escoamento superficial direto. O parâmetro capacidade de armazenamento de água do solo (S) obteve-se com o emprego da equação geral do método CN, e dividindo-se a abstração inicial por S, obteve-se os índices de abstração inicial (BALTAS et al., 2007). A média do índice Ia para as bacias hidrográficas (bacia hidrográfica norte e bacia hidrográfica sul) analisadas foi de 0,014, com um máximo de 0,037 e um mínimo de 0,004, predominando valores de 0,01, e afirmam que estes dados não estão relacionadas com a intensidade da precipitação. A sub-bacia hidrográfica do norte apresentou uma oscilação na Ia de 0,014 a 0,054, com média de 0,037, superior a média aritmética de toda a bacia hidrográfica, provavelmente devido a maior capacidade geológica de reter chuva (maior capacidade de infiltração) e a menor antropização se comparada em relação a bacia do sul. Na bacia hidrográfica do sul encontram-se áreas residenciais, estradas e formações rochosas impermeáveis (BALTAS et al., 2007). Para Ponce e Hawkins (1996), a quantificação da abstração inicial pode constituir-se em uma complexa questão, todavia, necessitando de investigação e do seu conhecimento. Em cálculos de escoamento superficial com a utilização do método CN adotando os seus parâmetros originais podem incorrer em erros na determinação do escoamento superficial, subestimando-o, podendo gerar graves problemas para o meio ambiente.

Tabela 1 - Relação dos principais trabalhos analisados e características principais das pesquisas

Considerações Finais

O método Curve Number apresenta-se como uma ferramenta para o conhecimento do processo de escoamento superficial e da capacidade de armazenamento de água de bacias hidrográficas, visto à sua simplicidade e objetividade, e também, pelo mesmo ser incorporado a programas computacionais. Todavia, devido seus parâmetros serem desenvolvidos em condições edafoclimáticas específicas, os resultados em algumas condições climáticas, geológicas e de solos podem ser subestimados ou superestimados. Os variados artigos científicos analisados neste trabalho suscitam variações nos valores da abstração inicial (λ), muitas vezes diferentes dos adotados originalmente pelo SCS. Algumas pesquisas apontam que os valores de Ia são superestimados, apontando uma melhor relação entorno de λ=0,05. Assim, o emprego do método CN para algumas regiões necessita-se de cautela, e estudos científicos que forneçam melhores índices para a relação Ia/S (λ) tornam-se necessários. Os valores da relação Ia/S devem ser conhecidos para as diferentes condições edafoclimáticas encontradas na Terra, pois, os valores CN's adotados pelo método CN são correlacionados λ = 0,2, e portanto, o seu conhecimento para as diferentes regiões naturais da Terra são importantes para a execução de projetos e no planejamento territorial dos Estados.

Agradecimentos

Agradeço ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás no incentivo para a realização desta pesquisa no Programa de Pós-Graduação em Geografia da Universidade Federal de Uberlândia. Agradeço também aos meus familiares pelo apoio na realização desta pesquisa. Agradeço, também, o meu orientador Prof. Doutor Silvio Carlos Rodrigues pela amizade, pela paciência e pela dedicação com os meus estudos e as pesquisas.

Referências

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