Autores

Sampaio, A.C.P. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Bastos, F.H. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ) ; Cordeiro, A.M.N. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ)

Resumo

A construção de modelos para simular processos em bacias hidrográficas tem ganhado notoriedade nas pesquisas que contribuem para o ordenamento do uso do solo. Objetivou-se elaborar uma modelagem numérica da aptidão ao escoamento superficial na bacia de drenagem do alto e médio curso do rio Mundaú, Ceará Brasil. Foram utilizadas técnicas de Análise de Multicritério, e o método Analytic Hierarchy Process(AHP) associado à lógica fuzzy. O AHP consiste na atribuição de valores ponderados entre os critérios envolvidos na análise segundo um objetivo comum, através de uma matriz de comparação pareada. A definição dos critérios está fundamentada no coeficiente de escoamento superficial (C), arbitrado em função do uso e cobertura do solo, da declividade, do grupo hidrológico dos solos e da precipitação média. O modelo final de aptidão demostrou que análise multicriterial associada à lógica fuzzy permite criar modelos menos subjetivos e mais flexíveis no espaço estratégico de decisão.

Palavras chaves

Análise de Multicritério; Escoamento superficial; Lógica fuzzy

Introdução

A elaboração de modelos para quantificar o potencial hidrológico superficial ponderando os fatores condicionantes constitui uma ferramenta de auxílio para projetos de contenção de eventos erosivos provocados pelo deslocamento dos fluxos superficiais, como a erosão laminar e linear provocadas pelo fluxo em folha (sheet-wash) e concentrado respectivamente. Entretanto, atribuir modelos para simular processos em bacias hidrográficas tem sido um grande desafio entre os pesquisadores, tendo em vista que os processos fluviais e seus fatores condicionantes são dinâmicos e difíceis de serem apreendidos e parametrizados (MIRANDA, 2010). Isso em muito se deve à escassa disponibilidade de dados fluviométricos que, de acordo com Sartori, Lombardi Neto e Genovez (2005), viabiliza a utilização de modelos que considerem as propriedades do solo e sua cobertura na análise do escoamento superficial para subsidiar medidas conservacionistas em bacias. A análise das condições fisiográficas do terreno proporciona a diferenciação de áreas com potencial para escoamentos rápidos em superfície de outras com potencial para infiltração e escoamentos lentos em subsuperfície, a qual Coelho Netto (1995) denominou de vocação hidrológica natural, que pode ser usada para nortear o ordenamento do uso do solo. Análise de Multicritério (AMC) tem sido aplicada em associação aos Sistemas de Informações Geográficas (SIG) na construção de modelos para estimar o potencial de escoamento superficial e susceptibilidade à erosão dos solos em bacias (BARRETO-NETO; SOUZA FILHO, 2007; SIQUEIRA, 2012). De acordo com Moreira et al. (2001), os modelos que utilizam AMC podem ser classificados quanto ao tratamento dos dados de entrada em: modelos teóricos, quando são processados por equações que descrevem princípios mecânicos, físicos e matemáticos; e os modelos empíricos, nos quais os dados são trabalhados conforme relações estatísticas ou baseadas em conhecimento dos especialistas. Chorley e Haggett (1975) diferenciam os modelos hidrológicos de sínteses de sistemas, que se baseiam na simulação dos fenômenos hidrológicos a partir da interação das partes componentes através de relações empíricas. Sua construção, entretanto, pressupõe decisões subjetivas na ordenação dos parâmetros e de suas relações, mas que podem ser tomadas com auxílio de técnicas objetivas. A aplicação desses modelos tem como produto final um mapa síntese que satisfaz ao objetivo da análise. Florenzano (2008) ressalta que com o advento de técnicas de sensoriamento remoto associadas ao SIG, as metodologias de mapeamento integrado e elaboração de cartas síntese foram favorecidas. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar a distribuição espacial da aptidão ao escoamento superficial na bacia do alto e médio curso do rio Mundaú, Ceará Brasil, a partir da interação entre seus componentes fisiográficos, com aplicação da AMC. A técnica de AMC pode ser definida como uma ferramenta matemática capaz de simular cenários alternativos, fundamentados em vários critérios de escolha, com o objetivo de apontar a opção mais adequada na tomada de decisão (ROY, 1996). Ao indicar as áreas com maior potencial para o escoamento em superfície, esses dados podem ser usados para selecionar áreas preferenciais para recuperação e conservação da cobertura vegetal para atenuar os efeitos da erosão, oferecendo suporte para a tomada de decisões estratégicas no manejo de bacias hidrográficas. A bacia do alto e médio curso do rio Mundaú está localizada no norte do Estado do Ceará, abrangendo os municípios de Uruburetama, Itapipoca, Tururu e Trairi. Drena uma área de 500 km², tendo como curso principal o rio Mundaú, que tem suas cabeceiras à montante, no maciço de Uruburetama, e deságua no Oceano Atlântico entre os municípios de Itapipoca e Trairi. A bacia contribui em parte com o aporte hídrico do açude Mundaú, o a montante da cidade de Uruburetama, e como um todo, deságua para o açude Gameleira, entre os municípios de Itapipoca e Trairi.

Material e métodos

A AMC foi aplicada na modelagem da aptidão ao escoamento superficial, com a adoção das etapas: primeiro a definição dos critérios, onde foram elaborados os mapas: declividade, grupo hidrológico do solo, uso e cobertura do solo e pluviosidade. Na etapa seguinte foram definidos os pesos de importância relativa entre os critérios, com o método Analytic Hierarchy Process (AHP). Na terceira etapa os dados de cada critério foram realocados para uma escala fuzzy. Na última etapa os critérios foram agregados com a técnica de AMC Combinação Linear Ponderada (CLP). O mapa de declividade foi gerado pelo processamento do Modelo Digital de Elevação da Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). As classes de declividade foram definidas com base nas adotadas pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) (1979), convertidas em graus. Para o mapa de uso e cobertura do solo foi realizada a classificação supervisionada pixel a pixel, classificador MAXVER do software TerraView 4.2.2, que se trata do reconhecimento dos padrões e objetos semelhantes na imagem através de suas informações espectrais. Utilizou-se uma imagem do sensor OLI/LDCM (Operational Land Imager/Thermal Infrared Sensor) do satélite LandSat 8, de 26 de agosto de 2016, composição RGB nas bandas 6, 5, 4. Foram coletadas amostras espectrais para as classes definidas por McCuem (1998): florestado (caatinga), campo, lote residencial, solo cultivado. O mapa de pluviosidade foi elaborado pela interpolação das médias históricas anuais de precipitação para o período de 1986 a 2015, de pontos amostrados para os postos pluviométricos dos municípios de Irauçuba, Itapajé, Itapipoca, Miraíma, Pentecoste, São Luís do Curu, Umirim, Uruburetama, Tururu. Foi utilizada a krigagem ordinária para estimar uma superfície aproximada para os valores desconhecido. Esse método estima os valores a partir da correlação espacial entre os pontos amostrados através da análise do semivariograma (YAMAMOTO; LANDIM, 2013). O mapa de tipo hidrológico dos solos foi elaborado pela classificação do mapa de solos do Zoneamento Agrícola do Estado do Ceará de 1988, elaborado pela Secretaria de Agricultura e Reforma Agrária (SEARA) e Instituto do Desenvolvimento Agrário do Ceará (IDACE), na escala de 1:200.000. Os solos foram classificados quanto ao seu tipo hidrológico com base na proposta de Lombardi Neto et al. (1989), adaptada por Sartori (2004) para os solos do Brasil, que se baseia na classificação do Soil Conservation System (SCS) (1972). A definição dos pesos de prioridade entre cada critério se fez pela construção de uma matriz de comparação pareada pelo método AHP, desenvolvido por Saaty (1977). Após construir a matriz de comparação pareada (A), esta foi normalizada dividindo-se cada um de seus valores pelo total de sua respectiva coluna. A matriz dos vetores de prioridades (w) foi calculada pela média aritmética de cada linha da matriz normalizada. A Razão de Consistência (RC) avalia a coerência do modelo, cujo valor deve ser inferior a 10 %, sendo obtida pela razão entre o Índice de Consistência (IC) e o Índice Randômico (IR) (padronizado para cada ordem de matriz). Para calcular o IC teve de se obter o maior autovalor (λmax) da matriz A. Onde (λmax) é obtido pela média da matriz resultante da Equação 1.

Resultado e discussão

A declividade da bacia varia de 0 a 68 graus (Figura 1.B). A predominancia dos declives mais acentuados está localizada nas vertentes do maciço de Uruburetama e nas cristas residuais circuntantes. Nessas áreas o gradiente só é suavisado nas planícies alveolares e nas reentrâncias erosivas (embayments). Por outro lado, na superficie pediplanada a nordeste predomina um relevo do tipo plano ou suave ondulado. Nessa unidade os maiores declives ficam a cargo dos inselbergs e afloramentos rochosos. Os tipos de uso e cobertura do solo (Figura 1.A) estão muito associados com os aspectos edáficos e condições climáticas e hidrológicas. Nesse sentido, as atividades agrícolas, cuja principal é a bananicultura, se estabelecem preferencialmente encaixadas nos fundos de vales ou concavidades (hollows) das vertentes, para onde convergem os fluxos subsuperficiais, tendo em vista o aproveitamento das melhores condições de umidade dos solos. Por outro lado, a caatinga arbórea e arbustiva ocupa a maior parte da superfície pediplanada, apesar de apresentar evidencias de degradação, sendo interrompida por áreas de cultivo, preferencialmente próximas à calha dos rios, e por campos de solo exposto. A região pode ser enquadrada, na classificação proposta por Nimer (1989), sob o domínio de regime climático tropical semiárido quente, com período de seis a oito meses de seca. O mapa de pluviosidade (Figura 1.C) demostra que a precipitação aumenta em direção ao litoral e ao maciço de Uruburetama. Onde as maiores médias históricas de precipitação foram verificadas no município de Itapipoca e Uruburetama respectivamente. A classificação hidrológica dos solos, fundamentada na metodologia do SCS (1972) classifica os tipos de solo em quatro grandes grupos: A, com baixo potencial de escoamento; B, moderado potencial de escoamento; C, alto potencial de escoamento e D, muito alto potencial de escoamento. Dos quais apenas os tipos B, C e D foram identificados na bacia (Figura 1.D). No domínio das cabeceiras de drenagem sobre o maciço de Uruburetama, e nas baixas encostas ao sopé do mesmo maciço predominam os Argissolos Vermelho Amarelo, de textura arenosa a argilosa, com argila de baixa atividade e variações abrúptico, plíntico; geralmente bem drenados, apresentando profundidade média a alta. (SEARA; IDACE, 1988; BRANDÃO, 2003). Segundo Sartori, Lombardi Neto e Genovez (2005), os Argissolos não são hidromórficos, mas podem apresentar hidromorfia temporária em decorrência da mudança textural abrupta entre os horizontes A e B textural, elevando as taxas de escoamento superficial nos períodos de chuva. Os Argissolos Vermelho Amarelo foram classificado na área de estudo como de tipo hidrológico C. Nas encostas externas mais íngremes do maciço de Uruburetama e nas cristas residuais da bacia, ocorrem os Neossolos Litólicos, de textura arenosa a média cascalhenta e fase pedregosa, associados a afloramentos de rocha. São solos rasos, pouco desenvolvidos, não hidromórficos e bem drenados. (SEARA; IDACE, op.cit. ; BRANDÃO, op. cit.). Segundo Sartori, Lombardi Neto e Genovez (op. cit.), esses solos são muito suscetíveis à erosão em virtude de seu potencial muito alto para o escoamento superficial. Os Neossolos Litólico foram classificados na área de estudo como do tipo hidrológico D. No domínio da superfície pediplanada que se estende ao sopé das vertentes norte do maciço de Uruburetama verificam-se os Neossolos Regolíticos e os Planossolos. Esses solos se caracterizam pela baixa profundidade, textura arenosa a média, com baixa capacidade de infiltração e retenção de água e elevado potencial de escoamento superficial (MARQUES et al., 2014 e BRANDÃO, op. cit.). Tanto os Neossolos Regolíticos como Planossolos foram classificados na área de estudo como tipo hidrológico D. Em uma faixa estreita correspondente à margem esquerda do rio Mundaú a nordeste da bacia hidrográfica, ocorrem Latossolos Amarelos de textura arenosa a média. Esses solos são característicos de relevos planos ou suave ondulados, com profundidade alta e horizontes bem desenvolvidos, apresenta porosidade elevada e boa condutividade hidráulica, resultando em baixa erodibilidade e baixo potencial para o escoamento superficial (SARTORI; LOMBARDI NETO; GENOVEZ, 2005; MARQUES et al., 2014). Os Latossolos foram classificados na área de estudo como tipo hidrológico B. MacCuen (1998) define o coeficiente de escoamento superficial (C) em diferentes configurações fisiográficas da bacia de drenagem com base em relações empíricas entre os critérios uso e cobertura do solo, grupo hidrológico do solo e declividade. Os escores de importância relativa entre os critérios foram obtidos com base no C sugerido por MacCuen (1998). O critério pluviosidade foi priorizado de forma crescente com 2 em relação ao uso e cobertura do solo, 3 em relação à declividade e 4 em relação ao tipo hidrológico do solo. Segundo Grandzol (2005), o AHP se define pela decomposição do problema de decisão em comparações aos pares, para atribuir pesos de importância relativa entre os critérios, onde 1 indica igual importância e 2,3 ... 9 indicam maior importância em ordem crescente. O Quadro 1 mostra a matriz de comparação pareada com o vetor de prioridades relativas entre os critérios e a Razão de Consistência dos julgamentos. Observa-se que o RC encontrado foi de 0,38 %, mostrando que o modelo é coerente. Os mapas de critérios realocados segundo os conjuntos fuzzy puderam ser integrados, analisados e comparados, uma vez que compartilham da mesma escala de pertença ou não pertença à aptidão ao escoamento superficial. Segundo Burrough e McDonnell (1998), os conjuntos fuzzy foram criados para tratar de fenômenos inexatos, onde cada elemento é definido por um grau de pertinência. Os critérios qualitativos (Uso e Cobertura e Grupo Hidrológico) receberam escores discretos na escala fuzzy, segundo as relações empíricas definidas por MacCuen (1998). Quanto aos critérios quantitativos, o mapa de declividade foi reescalonado com uma função senoidal crescente com pontos de inflexão em 0° e 45°, o critério de pluviosidade foi reescalonado com uma função linear crescente para o critério de pluviosidade, conforme ilustrado pela Figura 2. A agregação dos fatores padronizados na escala fuzzy a partir do método da CLP com os escores de prioridades definidos pelo método AHP resultaram em um mapa final de aptidão ao escoamento superficial, que consiste em um modelo matricial com valores de 36, para menor aptidão, a 200, para maior aptidão, numa escala fuzzy (0 a 256). O modelo utilizando a CLP colocou a análise de pertinência no centro da tomada de decisão estratégica, ou seja, baseado nas médias entre o risco mínimo e máximo do processo de escolha. O mapa final de aptidão ao escoamento superficial é demostrado pela Figura 3. Os valores foram divididos em classes para efeitos de representação cartográfica. Pode-se constatar que as vertentes mais a nordeste do maciço de Uruburetama e as áreas mais rebaixadas próximas à cidade de Itapipoca apresentam as maiores aptidões para o escoamento superficial. Muito em virtude da associação entre altas médias pluviométricas e declives acentuados. As regiões com mais áreas cultivadas sobre as vertentes úmidas do maciço de Uruburetama, apresentaram aptidão moderada a alta. Nesse caso, fez-se valer a compensação dos Argissolos e das declividades levemente menos íngremes em relação às vertentes nordeste. Ainda assim, essas áreas merecem atenção especial devido às altas taxas de escoamento. De maneira geral a aptidão decresce à medida que se desloca para leste da bacia, evidenciando a forte influência da declividade e da pluviosidade, e em menor intensidade, do tipo de uso e cobertura do solo e do grupo hidrológico dos solos.

Fonte: Elaborado pelos Autores


Fonte: Elaborado pelos Autores


Fonte: Elaborado pelos Autores


Fonte: Elaborado pelos Autores

Considerações Finais

Os resultados da modelagem de aptidão ao escoamento superficial da bacia do alto e médio curso do rio Mundaú demostraram o potencial da Análise de Multicritério para representar fenômenos geográficos imprecisos de grande valia para a tomada de decisão no ordenamento do uso do solo. Por outro lado, a técnica de WLC permitiu que os fatores se compensassem uns aos outros, gerando um resultado baseado nas médias e não nos extremos. O método AHP permitiu dividir o problema de decisão, facilitando as comparações entre os fatores e diminuindo a influência da subjetividade no modelo final, através da comparação aos pares para gerar os escores de prioridades relativas. Por outro lado, a lógica fuzzy possibilitou que os dados fossem comparados em uma mesma unidade, para gerar um produto final sem limites rígidos, abrangendo a incerteza e a imprecisão que acompanha os modelos comprometidos com a representação dos fenômenos geográficos.

Agradecimentos

Referências

BARRETO-NETO, A. A.; SOUZA FILHO, C. R. de. Modelagem Hidrológica Utilizando Lógica Fuzzy, SIG e Dados de Sensoriamento Remoto. Anais. XIII Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis, v. 1, p. 3287-3294, 2007.
BRANDÃO, R. L.; COLARES, J. Q. dos S.; GOMES, F. E. M.; SOUZA, M. J. N. Zoneamento Geoambiental da Região de Irauçuba. CPRM. Fortaleza, ago. 2003, 67p.
CEARÁ. Secretaria de Agricultura e Reforma Agrária-SEARA/Instituto do Desenvolvimento Agrário do Ceará Zoneamento Agrícola do Estado do Ceará-IDACE. Zoneamento Agrícola do Estado do Ceará. Fortaleza, 1988.
CHORLEY, R. J.; HAGGET, P. Modelos Físicos e de Informação em Geografia. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos / EDUSP, 1975. 270 p.
COELHO NETO, A. L. Hidrologia de encosta na interface com a geomorfologia. In: GUERRA A. J. T.; CUNHA, S. B. Geomorfologia: uma atualização de bases e conceitos. 2. Ed. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 1995, p. 93-148.
EASTMAN, J. R. IDRISI taiga Tutorial. Worcester: Graduate School of Geography, Clark University. 333p, 2009.
EMBRAPA. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Serviço Nacional de Levantamento e Conservação de Solos. Súmula da 10. Reunião Técnica de Levantamento de Solos. Rio de Janeiro:1979. 83p.
FLORENZANO, T. G. Cartografia. In: Florenzano, T. G. (Org.). Geomorfologia: Conceitos e tecnologias atuais. 1 Ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2008, v. 4, p. 105-128.
GRANDZOL, J. R. Improving the Faculty Selection Process in Higher Education: A Case for the Analytic Hierarchy Process. Bloomsburg University of Pennsylvania. IR Applications, v. 6, 2005.
LOMBARDI NETO, F.; BELLINAZZI JÚNIOR, R.; GALETI, P. A.; BERTOLINI, D.; LEPSCH, I. F.; OLIVEIRA, J. B. Nova abordagem para cálculo de espaçamento entre terraços. Simpósio sobre Terraceamento Agrícola. Campinas, p. 99-124, 1989.
MARQUES, F. A.; NASCIMENTO, A. F.; ARAÚJO FILHO J. C.; SILVA, A. B. Solos do Nordeste (Cartilha). Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA), Rio de Janeiro, 2014.
MCCUEN, R. H. Hydrologic analysis and design. Prentice-hall, Inc. New Jersey, 1998, 814p.
MIRANDA, J. I. Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas. Capítulo 04: Modelo de Dados. 2 Ed. rev. atual. – Brasília, DF: Embrapa Informação Tecnológica, p.115 – 1138; 2010.
MOREIRA, F. R.; BARBOSA, C.; CÂMARA, G.; ALMEIDA FILHO, R. Inferência Geográfica e Suporte à Decisão. Cap 9. In: CÂMARA, G.; DAVIS JUNIOR, C. A.; MONTEIRO, A. M. V. Introdução à Ciência da Geoinformação. São José dos Campos: INPE (livro online), 2001, p.1 – 49. Disponível em: <http://www.dpi.inpe.br/gilberto/ livro/introd/> Acesso em: 15 jul. 2017.
NIMER, E. Climatologia do Brasil. 2 Ed. Rio de Janeiro: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, 1989.
ROY, B. Multicriteria Methodology for Decision Aiding. Dordrecht Kluwer Academic. 1996.
SAATY, T. L. A Scaling Method for Priorities in Hierarchical Structures. Journal of mathematical psychology. San Diego, v. 15, n. 3, p. 234-281, 1977.
SARTORI, A. Avaliação da Classificação Hidrológica do Solo para a Determinação do Excesso de Chuva do Método do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos. Campinas, 2004. Dissertação de Mestrado - Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo – Universidade Estadual de Campinas, 2004.
SARTORI, A.; LOMBARDI NETO, F.; GENOVEZ, A. M. Classificação hidrológica de solos brasileiros para a estimativa da chuva excedente com o método do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos Parte 1: Classificação. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 10, n. 4, p. 05-18, 2005.
SCS - Soil Conservation Service. National Engineering Handbook, USDA, 1972.
SIQUEIRA, G. M. de. Modelo baseado na lógica Fuzzy para a avaliação do potencial de erosão dos solos no alto e médio curso da bacia do Rio Macaé, RJ. 2012, 115f. Dissertação de Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Computação, Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2012.
YAMAMOTO, J. K.; LAMDIM, P. M. B. Geoestatística: Conceitos e Aplicações. São Paulo: Oficina de Textos. 2013, 215p.
ZADEH, L. A. Fuzzy sets. Information and Control, v. 8, p. 338-353, 1965.