Autores

Tavares, A.S. (UECE) ; Bastos, F.H. (UECE) ; Duarte, A.S. (UECE) ; Belarmino, Y.S. (UECE)

Resumo

Este artigo busca analisar quedas de blocos em vertentes, tendo como recorte espacial a bacia do riacho Trapiá, situada no sul da Serra da Meruoca, município de Sobral, Ceará, através da aplicação da modelagem de previsão destes processos, auxiliada pela extensão de GIS Rockfall Analyst. Os caminhos metodológicos foram: levantamento bibliográfico e cartográfico, técnicas de geoprocessamento para análise das quedas de blocos e interpretação de mapas, pesquisa de campo para validação dos resultados e identificação das vertentes de origem de blocos, finalizando com a integralização dos dados obtidos. A partir da modelagem, percebe-se que a maioria dos locais de concentração de quedas de blocos têm perigo médio (66%) a alto (83%) de sua deflagração. Este estudo explica o método matemático determinístico como caminho para análise de áreas perigosas, e também o modo como o geoprocessamento pode servir para diversos estudos sob o viés da modelagem de fenômenos naturais.

Palavras chaves

Modelagem; Método determinístico; Movimentos de massa

Introdução

Os estudos sobre movimentos de massa são abordados em Geomorfologia para o entendimento da dinâmica na superfície terrestre (ALCÁNTARA-AYALA, 2002), pois são considerados processos naturais que contribuem na disposição das vertentes e evolução do relevo. As quedas de blocos são tipos de movimentos gravitacionais que se sucedem em encostas com declividades elevadas, com um valor entre 45º e 90°, e em áreas com ausência de formação dos mantos de intemperismo, onde a ação erosiva é proporcional ao aumento da inclinação da vertente. Segundo Bastos (2012), as quedas são movimentos de massa que podem ser variados e provocados por fatores distintos, tais como o ângulo da declividade da encosta, o tamanho e a forma das juntas das rochas, tipos de rocha e deformação, e ainda pela cobertura vegetal. Somado a isto, também podem haver deflagros provenientes de eventos sísmicos. Blocos rochosos existentes em vertentes íngremes podem trazer risco às populações alocadas na base de encostas, pois a sua queda constitui um processo de energia cinética de alto poder destrutivo, de difícil previsibilidade temporal, capaz de proporcionar perdas materiais e imateriais. Logo, para um estudo de caso na finalidade de estabelecer resultados para este artigo, foi delimitada uma microbacia hidrográfica, localizada na vertente sul da serra da Meruoca, situada nos limites do município de Sobral, no norte do Estado do Ceará. A microbacia do riacho Trapiá está distante cerca de 220 quilômetros da capital Fortaleza. As localidades inseridas em seus limites são pertencentes ao território de Sobral, situadas em torno de 20 quilômetros de distância da sede municipal. São elas: Sítio São Felipe, Sítio Baracho, Santa Luzia e Trapiá (Mapa 01). A altitude da área de estudo varia de 200 a 800 metros, estando situada no setor de sotavento da Serra, ou seja, a área não se configura como um ambiente úmido. O riacho principal que corta a microbacia contribui para o aporte da sub-bacia do rio Jaibaras, que delimita a vertente oriental do maciço de Meruoca. Entende-se que a combinação de vertentes íngremes, clima seco, ausência de cobertura vegetal e afloramentos rochosos no local causa situações de perigo geológico ao deflagro de quedas de materiais rochosos. A bacia hidrográfica foi escolhida como objeto de análise pelo fato de ser um ambiente em que ocorrem inúmeras trocas particulares de matéria e energia, configurando um sistema ambiental. Além disso, a microbacia escolhida é um exemplo didático de ambiente com susceptibilidade à queda de blocos, pois apresenta encostas íngremes e formato de confluência de materiais para o seu interior, incluindo as rochas. Do mesmo modo, há presença de ocupação humana na base destas encostas, que denotam risco à ocorrência dos deflagros sobre a vida da população. Pensando neste fato, algumas técnicas de geoprocessamento foram desenvolvidas para determinar o caminho e trajetória de materiais rochosos alocados em encostas sob alguns parâmetros, a exemplo da declividade, densidade, rugosidade do terreno, velocidade inicial, altura, fricção, dentre outros. Assim, é utilizada uma ferramenta de geoprocessamento de previsão de quedas de blocos sob o método determinístico de abordagem sobre movimentos de massa. A extensão de Sistema de Informações Geográficas (SIG) é denominada por Rockfall Analyst, que está acoplada ao software ArcGIS 10.5, versão gratuita para estudantes. O presente estudo tem como objetivo principal analisar o processo de quedas de blocos em vertentes da Bacia do Riacho Trapiá a partir da modelagem auxiliada pela extensão de GIS denominada Rockfall Analyst (RA).

Material e métodos

O método para realização da aplicação desta pesquisa é caracterizado como determinístico de previsibilidade de quedas de blocos. Estes métodos concretizam análises de trajetos dos blocos rochosos que permitem determinar os pontos de chegada de massas de rocha, características da trajetória (como peso envolvido e distância percorrida), distribuição do impacto e energia cinética associada à queda (CHIESSI et al., 2010). Esse método é responsável por criar modelos de determinação de trajetórias de blocos e passam a usar o fator topográfico para avaliar as quedas, assim como os fatores condicionantes à instabilização das vertentes (KOZCIAK, 2005). Os meios utilizados para atingir os resultados estão divididos em quatro etapas, sendo elas: levantamento bibliográfico e cartográfico, técnicas de geoprocessamento e interpretação de mapas, pesquisa de campo e integralização dos dados obtidos. A etapa basilar para a construção desta pesquisa se dá através do levantamento bibliográfico e cartográfico. Inicialmente foram buscadas bibliografia que explicassem os mecanismos dos movimentos de quedas de blocos (LIMA; CORDEIRO; BASTOS, 2015; PINTO, PASSOS E CANEPARO, 2013). Também caracterizar o método de abordagem e a utilização de técnicas de geoprocessamento para estudos de susceptibilidade aos fenômenos morfodinâmicos, bem como o funcionamento da ferramenta Rockfall Analyst (CHIESSI ET AL., 2010; KOZCIAK, 2005; GOMES, 2006; SANTOS; TAVARES, 2011; LAN; MARTIN; LIM, 2007). O uso das técnicas de geoprocessamento, como segunda etapa, ajudou na análise dos eventos gravitacionais a partir do tratamento de imagens de satélite, modelos digitais de elevação, bem como pela confecção do mapa básico, e modelagem dos processos, correlacionando as informações espaciais. Alguns arquivos vetoriais e matriciais foram adquiridos por órgãos governamentais tais como IPECE (Instituto de Pesquisa e Estratégia Econômica do Ceará), USGS (Serviço Geológico Norte-americano), SRH (Secretaria dos Recursos Hídricos do Ceará), FUNCEME (Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos) e DNIT (Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes), todavia outros foram gerados a partir do processamento e vetorização em ambiente SIG. A base cartográfica utilizada e produzida foi configurada em projeção Universal Transversa de Mercator (UTM), utilizando o Datum SIRGAS 2000/fuso 24. Os arquivos vetoriais raster utilizados como base para elaboração de outros arquivos e mapas foram as imagens de satélite SPOT-5 de resolução espacial de 2,5 metros, e o Modelo Digital de Elevação (MDE) gerado pela imagem Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), adquirida através da página eletrônica Earth Explorer (USGS), de resolução espacial de 30 metros. Os mapas foram elaborados através do software ArcGIS versão 10.5 gratuita para estudantes. O trabalho de campo na área de estudo serviu para levantar e georreferenciar os principais afloramentos e blocos rochosos que seriam utilizados para a aplicação do modelo de análise do perigo e susceptibilidade às quedas. Os equipamentos auxiliares foram receptores de sinal GPS, câmera fotográfica digital para registro de imagens e computador portátil, além da caderneta de campo que serviu como material de anotação de dados da altitude dos blocos e afloramentos nas encostas. Como processo final, os dados tiveram de ser organizados e compilados em informações que trariam os principais resultados. Foram unidos os materiais de campo, junto às concepções teóricas e cartografia elaborada para se ter uma análise sobre meio físico, sua influência no comportamento dos movimentos de quedas de blocos e os ambientes que seriam mais susceptíveis ao acontecimento dos fenômenos, a partir da modelagem em ambiente SIG. Por fim, com todas as informações integradas, processadas e organizadas, foi possível realizar a escrita da redação final deste trabalho.

Resultado e discussão

A avaliação do perigo de ocorrência de quedas de blocos exige técnicas computacionais que auxiliem nas análises, assim como também possam guiar estudos que sirvam para analisar a susceptidade das encostas. A abordagem determinística para queda de blocos, utilizada como método deste trabalho, permite através de softwares e sistemas de informações geográficas (SIG), avaliar a probabilidade de propagação de blocos rochosos instáveis em encostas que venham a sofrer processos de quedas (CHIESSI et al., 2010). Kozciak (2005) afirma que o método determinístico tem como base modelos de estabilidade que levam em consideração informações detalhadas das encostas baseadas nos princípios de mecânica de solos. Como foi abordado anteriormente, é através de ferramentas SIG que é feita a modelagem dos processos nas vertentes, com base no funcionamento e estruturação dos elementos que levam à instabilidade (GOMES, 2006). O estudo sobre movimentos de massa a partir das técnicas de previsão por geoprocessamento contribui para a implementação de políticas públicas que busquem impedir ou amenizar efeitos catastróficos do desencadeamento destes processos pelas encostas. 1.Funcionamento da ferramenta RockFall Analyst A modelagem de processos de quedas de blocos presente neste trabalho utiliza os recursos da aplicação RockFall Analyst (RA) versão 1.1, desenvolvido pelo Centre for Risk Assessment for Geohazards Studies (CRAGS, Universidade de Alberta), que se trata de uma extensão do software ArcGIS. Esta ferramenta modela o evento a partir de uma determinada origem, de acordo com as características da superfície do terreno e do próprio bloco (SANTOS; TAVARES, 2011). Foram utilizados arquivos tanto matriciais, quanto vetoriais no software mencionado, manuseando dados geométricos e mecânicos. Os parâmetros para dados de entrada incluem o MDE, obtido através da página eletrônica do USGS (Serviço Geológico Norte-Americano), as áreas de origem dos blocos no movimento de quedas (seeders lines e points, de acordo com a linguagem do RA), delimitadas a partir da altura e declividade, propriedades da superfície em que estão os blocos (material properties), que identificam características físicas que deflagram os processos (coeficientes de restituição normal e tangencial, além do ângulo de atrito) e as condições iniciais do movimento (massa dos blocos, distância entre eles, velocidades inicial e final e altura da superfície topográfica). O software é capaz de apresentar a distribuição da frequência espacial dos eventos, energia potencial, altura envolvida nos deflagros, trajetórias dos blocos rochosos e ainda realizar a avaliação do perigo de ocorrência destes movimentos de massa (LAN; MARTIN; LIM, 2007). A modelagem incluiu duas partes principais: primeiro a simulação da trajetória das quedas de blocos na bacia, em que foram mostrados os trajetos possíveis, e segundo a avaliação de perigo, como objetivo principal desta pesquisa. 1.1.Simulação das trajetórias dos blocos As linhas de trajetórias dos blocos pelas encostas foram adquiridas em formado shapefile com informações em três dimensões, que são úteis para o segundo passo da modelagem, que é a avaliação de periculosidade. Para criar as linhas de trajetórias, foi necessário primeiramente configurar as propriedades dos pontos de origem dos blocos (altura, declividade, massa, velocidades inicial e final) e dos materiais da superfície por onde eles percorrerão até sua deposição (coeficiente de restituição normal e tangencial), para depois iniciar a simulação com o modelo de elevação e os dados já configurados. Após isto, foi feita a simulação das quedas com as trajetórias, apontando os possíveis alcances dos blocos rochosos ao longo das encostas (Figura 1). 1.2. Avaliação do perigo de quedas de blocos Após as trajetórias, foi possível obter os dados necessários para geração da avaliação de perigo, que são dados de frequência espacial dos blocos, altura e energia envolvida. Como arquivos de entrada é preciso incluir os rasters gerados para estes parâmetros mencionados, depois utilizar critérios de classificação da avaliação, de preferência entre 5 classes. Esta reclassificação indica os níveis de periculosidade, entre perigo muito baixo a muito elevado. A ponderação final deve incluir maior peso à frequência (0,5), depois à energia (0,3) e por último à altura (0,2), de acordo com a seguinte expressão: Score_final = [Score_frequência]*0.5 + [Score_altura]*0.2 + [Score_energia]*0.3 2.Análise do perigo no caso da bacia do Trapiá O deflagro de quedas de blocos está submetido à influência de diversos fatores que possuem diferentes funções e dinâmicas. Os agentes geológicos, geomorfológicos, pedológicos, fitogeográficos, hidroclimáticos e antrópicos desencadeiam e condicionam os movimentos de massa, implicando na mudança de estrutura dos processos, velocidade e duração (LIMA; CORDEIRO; BASTOS, 2015). Pinto, Passos e Caneparo (2013) explicam que os fatores de condicionamento de movimentos gravitacionais de massa são elementos do meio físico ou biótico, que diminuem a resistência do solo ou da rocha, contribuindo para a sua deflagração. Estes agentes fazem parte da dinâmica natural do desenvolvimento das vertentes, contudo podem ser potencializados pelas formas irregulares de uso e ocupação. Para execução da avaliação do perigo na ferramenta de GIS, foi realizada a delimitação de dezesseis afloramentos como áreas fontes de blocos que apresentassem níveis de periculosidade mais expressivos. Conforme a figura de representação do perigo a seguir (figura 2), muitos locais são classificados com perigo médio a muito alto. Para tanto, a bacia do Trapiá foi dividida em 6 locais de concentração de afloramentos, que foram ser analisados segundo suas características que proporcionam menores ou maiores susceptibilidades. A área 1 se situa a oeste da Bacia, na localidade do Sítio São Felipe, e suas vertentes trazem perigo alto no topo, porém na base destas, o perigo é classificado como médio. Isto ocorre porque a declividade na área fonte dos blocos fica em torno de 40º e ao longo das encostas ela é suavizada, estando entre 5 e 15º. Além disso, a existência de cobertura vegetal densa e baixa altura de queda não favorecem um nível elevado de susceptibilidade à ocorrência do evento morfodinâmico. Na área 2, há perigo alto ao longo de toda as trajetórias. Pode ser justificado pela declividade íngreme, em torno de 25º, como também pela ausência de cobertura vegetal e baixa rugosidade do terreno. Já a área 3, há perigo elevado pelos declives muito íngremes de 35º, porém o alcance dos blocos não são expressivos, por causa da baixa altura de queda e a presença de densidade vegetacional de mata seca. Estes setores estão a leste da Bacia, próximas à cabeceira de drenagem do lado direto do riacho principal. A área 4 está situada na localidade de Sítio Baracho, sendo a que mais se aproxima do canal principal do Riacho Trapiá, no centro da bacia. Aponta um grau moderado de perigo e um bom alcance dos blocos, devido à declividade em torno de 25º e presença de solo exposto. O que não permite maiores graus de susceptibilidade é a altura envolvida na queda (por volta de 4 metros apenas), que, consequentemente, não traz tanta energia envolvida. Nas áreas 5 e 6, estando no extremo leste da Bacia, na localidade de Santa Luzia e com altitudes que chegam a 700 metros, há níveis que variam entre baixa e muito alta periculosidade. Onde o perigo é menor, a declividade é muito íngreme (próximo de 35º), todavia rugosidade alta e vegetação densa são os fatores que diminuem a susceptibilidade e energia e velocidade do processo. Já nas áreas de perigo alto a muito alto, a combinação entre altura elevada de queda (mais de 10 metros), rugosidade baixa com presença de superfícies de afloramentos rochosos e declividades extremamente íngremes de mais de 50º, facilitam deflagros de alta energia envolvida e velocidades que podem atingir 50 m/s.

Considerações Finais

A bacia do Trapiá apresenta muitos locais de perigo médio a alto para ocorrência de quedas de blocos. Logo, 33% entre as áreas de concentração de quedas têm baixo perigo, 66% têm perigo médio, 83% têm algum grau de perigo alto e 33% perigo muito alto. Os fatores que podem interferir nestes dados sobre essas vertentes delimitadas são a cobertura vegetal, a rugosidade do solo, a altura, declividade e velocidade. Para que estas áreas de susceptibilidade não apresentem alto risco, poderia haver medidas de contenção dos blocos, como redes de captação ou muros de contenção, que funcionem como barreiras para que os materiais não atinjam casas e estradas. Além disso, demais estudos de previsibilidade de processos de quedas em vertentes merecem ser realizados em outros locais do Ceará, principalmente em áreas serranas, para que medidas de segurança sejam adotadas pelo poder público. Algumas limitações podem comprometer a acurácia da modelagem, como a resolução espacial dos dados e a sua precisão, que devem ser rigorosos. Por fim, mesmo que o RA não considere os deflagros anteriores em certa área, é muito importante realizar análises de quedas que já ocorreram, pois isto auxilia na validação dos dados de análise do perigo. O presente estudo pode ser base tanto para indicar locais do perigo de quedas de blocos, como para diversos tipos de estudos sobre temáticas geomorfológicas e auxílio do geoprocessamento, a exemplo das análises de dinâmicas de vertentes e cartografia de risco.

Agradecimentos

Agradeço à Universidade Estadual do Ceará pelo ambiente de ensino e pesquisa proporcionados, bem como pelo auxílio oferecido por meio da bolsa de monitoria acadêmica, cujo papel no desenvolvimento acadêmico é imprescindível. Agradeço também o apoio dos membros do Laboratório de Estudos Morfoestruturais e Pedológicos (LEMEP), no qual estou vinculado.

Referências

ALCÁNTARA-AYALA, I. Geomorphology, natural hazards, vulnerability and prevention of natural disasters in developing countries. Geomorphology, v. 47, p.107-124, 2002.

BASTOS, F. H. Movimento de massa no Maciço de Baturite (CE) e contribuições para estratégia de planejamento ambiental. 2012. 257 f. Tese (Doutorado de Geografia) – Programa de Pós-Graduação em Geografia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012.

CHIESSI, V.; D'OREFICE, M.; MUGNOZZA, G. S.; VITALE, V.; CANNESE, C. Geological, geomechanical and geostatistical assessment of rockfall hazard in San Quirico Village (Abruzzo, Italy). Geomorphology, v. 119, p. 147 – 161, 2010.

GOMES, R. A. T. Modelagem de previsão de movimentos de massa a partir da combinação de modelos de escorregamentos e corridas de massa. 2006. 102 f. Tese (Doutorado em Geografia), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006.

KOZCIAK, S. Análise determinística da estabilidade de vertentes na bacia do Rio Marumbi – Serra do Mar – Paraná. 2005. 141 f. Tese (Doutorado em Geologia). Pós-Graduação em Geologia, Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2005.

LAN, H.; MARTIN, C. D.; LIM, C. H. RockFall analyst: A GIS extension for three-dimensional and spatially distributed rockfall hazard modeling. Computers and Geosciences, v. 33, 262 – 279. 2007.

LIMA, D. L. S.; CORDEIRO, A. M. N.; BASTOS, F. H. Agentes condicionantes e desencadeadores de movimentos gravitacionais de massa na vertente úmida do maciço de Uruburetama, Ceará, Brasil. Revista Brasileira de Geografia Física, v. 8, n. 4, p. 1142-1157. 2015.

PINTO, R. C.; PASSOS, E.; CANEPARO, S. C. Considerações a respeito dos condicionantes utilizados em pesquisas envolvendo movimentos de massa. Geoingá, Maringá, v. 5, n. 1, p.102-124, 2013.

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