Simulações de chuva

Com o objectivo de quantificar o escoamento superficial e as perdas de solo associadas (sedimentos em suspensão), em locais com diferentes intervenções humanas, foram realizados ensaios de simulação de chuva.

A selecção deste método prende-se com o facto de se prescindir de chuva natural, conseguindo um maior controlo sobre o ensaio, bem como a réplica das mesmas condições em diferentes locais. Deste modo, é possível comparar distintas partes de uma bacia de drenagem, devido ao controlo das características da precipitação, facilitando o desenvolvimento da investigação. De referir que a realização de simulações de chuva permite a obtenção de parâmetros hidráulicos e de degradação física do solo num período de tempo relativamente curto (Clarke & Walsh, 2007). Contudo, com esta técnica, não se pretende substituir outras metodologias, realizadas com chuvas naturais, mas somente complementar e antecipar a diversidade de informação que se pode recolher através desta metodologia.

A maior desvantagem dos simuladores de chuva é a sua pequena escala espacial de operação. Apesar de também existirem simuladores de larga escala, a sua utilização não é prática, e as dificuldades no seu transporte dificultam a sua utilização no campo, em áreas por vezes com acessos difíceis. Por outro lado, é muitas vezes complicado conseguir simular as características de uma chuva natural, especialmente no que respeita à energia cinética das gotas (Prats, 2007).

Construção e calibração do simulador

O simulador utilizado é do tipo pulverizador, e foi construído segundo o modelo de Cerdà

et al. (1997), considerando algumas modificações sugeridas pelo Departamento de

Figura 7 – Simulador de chuva. O simulador de chuva (Figura 7) é constituído por uma

armação quadrangular, apoiada num suporte extensível que confere ao simulador uma altura de 2 metros sobre a superfície do solo, e um jogo de bicos da marca Hardi (por onde sai a água, e onde é colocado o “nozzle”), instalado no centro da armação. A colocação de dois fios-de-prumo permite a instalação horizontal do “nozzle”. Entre o circuito de ligação do “nozzle” e o sistema de fornecimento de água,

promovido por 2 bombas manuais (da marca Ossatu, com capacidade para 6 litros cada), existe um manómetro que controla a pressão (instalado mais próximo do “nozzle”). Esta deve ser constante durante todo o ensaio de modo a que intensidade da chuva seja também fixa. A estrutura é envolvida por uma cortina plástica para evitar a interferência do vento na direcção da queda das gotículas de chuva. No intuito de facilitar a recolha de escoamento superficial durante os ensaios, considerou-se a instalação de parcelas

rectangulares com a extremidade afunilada, com uma área de cerca de 0,15 m2 (de acordo

com o procedimento descrito para a instalação de parcelas fechadas, acima apresentado). Após a construção do simulador foi necessário proceder à sua calibração, com o objectivo

de reproduzir eventos extremos, com uma intensidade de precipitação de 45 mm h-1. A

selecção desta intensidade está associada ao facto de, segundo Prats (2007), traduzir a precipitação máxima de uma hora, para cheias com um período de retorno de 100 anos, na Serra do Caramulo, localizada a cerca de 83 km da área de estudo. Esta intensidade de precipitação foi ainda utilizada por outros investigadores em áreas de estudo localizadas na região centro de Portugal (Walsh et al., 1999; Coelho, 2002; Ferreira et al., 2007, Prats, 2007).

O processo de calibração baseou-se no ajuste da pressão para atingir os valores de intensidade de precipitação desejada e, na selecção do “nozzle” que proporciona a melhor distribuição da precipitação. Para tal recorreu-se a um sistema de copos (39 copos instalados no interior da parcela e 6 no exterior), com vista à análise da intensidade e distribuição espacial da precipitação. Os ensaios realizados tiveram a duração de dez, quinze e sessenta minutos.

A partir dos valores registados em cada um dos recipientes, foi determinado o Coeficiente de Christiansen (Christ.= (1-(Desvio Padrão/Média))x100) para avaliar a distribuição da precipitação, tendo-se admitido a rejeição de todas as calibrações com coeficientes inferiores a 70% (Prats, 2007). Admite-se como valor da intensidade, o valor médio ponderado dos trinta e nove copos dentro da parcela.

Após a selecção da pressão e do “nozzle” a utilizar no simulador de chuva, procedeu-se ao estudo do diâmetro e velocidade das gotas, e respectiva energia cinética, através de um distrómetro, que é um medidor de precipitação a laser (LPM), da marca Thies (Anexo III), proporcionado pelo Laboratório de Hidráulica da Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra.

A calibração do simulador, operado com uma pressão de 2,0 bar, instalado a uma altura de 2m do solo e operado com o “nozzle” seleccionado, revelou uma intensidade de

precipitação de 43±3 mm h-1, associada a um coeficiente de Christiansen de 83±6%. A

energia cinética (Ec) foi calculada, através do valor da intensidade de precipitação pela

fórmula proposta por Wischmeier & Smith: Ec=13,32 + 9,78 log10 I, com I em mm. Deste

modo, determinou-se que a chuva simulada pelo equipamento desenvolvido apresenta uma

energia cinética média de 29 J m-2. De acordo com os resultados do LPM, o diâmetro

mediano em número (D50) das gotas de chuva simuladas é 1,0mm. As gotas de chuva

fornecidas pelo simulador apresentam uma velocidade terminal média de 1,9 m s-1 (estes

resultados são apresentados de forma mais detalhada no Anexo III).

Localização e caracterização das parcelas

As simulações de chuva visaram o estudo de processos hidrológicos em diferentes situações que ocorrem na bacia, tendo sido seleccionados os locais em função dos objectivos:

- Estudar, numa área com características biofísicas semelhantes, as diferenças entre uma floresta preservada e uma floresta recentemente cortada;

- Compreender as implicações da realização de obras, como sejam a construção de estradas e a instalação de saneamento básico.

A localização das parcelas foi feita da forma aleatória, tentando não se dar preferência a locais homogéneos e de fácil instalação. Contudo, pormenores no micro-relevo forçaram algumas vezes à selecção do local, visto que a presença de pedras e raízes tornam bastante difícil a instalação das parcelas. A instalação das parcelas considerou os mesmos materiais e procedimentos referidos para a instalação das parcelas fechadas, acima apresentados. Antes de se iniciar cada uma das simulações de chuva, procedeu-se à quantificação do declive com auxílio de um clinómetro e, à descrição visual da cobertura do solo no interior da parcela. Numa área não alterada nas proximidades de cada parcela, foram efectuadas uma dezena de medições com um penetrómetro de bolso e um turvane, de forma a quantificar a resistência do solo à penetração e à torção. Com o objectivo de analisar a hidrofobia do solo foi utilizado o teste MED, anteriormente apresentado, a diferentes profundidades: 0 cm, 2 cm e 5 cm. A selecção destas profundidades baseou-se nas conclusões de alguns autores, que referem que os primeiros 5 cm de solo são fundamentais nos processos hidrológicos e de erosão (Ferreira, 1996; Walsh et al., 1998; Matias, 2002; Nunes, 2007). Para estas profundidades foram ainda recolhidas amostras de solo com o objectivo de determinar a humidade inicial, densidade aparente e teor de matéria orgânica.

Realização dos ensaios

A duração de cada ensaio foi de 1 hora com o objectivo de assegurar a geração de um escoamento superficial estável (Nunes, 2007). Durante o ensaio foi monitorizado o teor de humidade do solo num ponto da parcela, com recurso a uma sonda TDR TRIME – FM, a cada minuto. O tempo ao qual se inicia o escoamento superficial foi registado, e, a partir deste momento, recolhido e quantificado o escoamento a cada 15 minutos. As amostras de escoamento foram posteriormente encaminhadas para o laboratório, onde foram filtradas e secas a 105ºC, para determinação do teor de sedimentos totais, e posteriormente incineradas a 550ºC para avaliação do teor de matéria orgânica.

O momento de cessação do escoamento foi também registado, e indica o tempo que decorre entre o términos da precipitação e a finalização do escoamento na saída da

microparcela (considerou-se “sem escorrência” quando caíam menos de três gotas por segundo). Após cada experiência, procedeu-se à abertura do perfil do solo, na parte central da parcela, até à profundidade necessária para visualizar a frente de humidade.