METODOLOGIA PARA CÁLCULO DE LARGURA DE FAIXA DE MATA CILIAR PARA CONTROLE DE POLUIÇÃO DISPERSA: ESTUDO DE CASOS COM AMÔNIA E FÓSFORO

METODOLOGIA PARA CÁLCULO DE LARGURA DE FAIXA DE MATA CILIAR PARA CONTROLE DE POLUIÇÃO DISPERSA:

ESTUDO DE CASOS COM AMÔNIA E FÓSFORO

Lília Maria de Oliveira⁽¹⁾

Engenheira Civil. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo - EESC-USP.

Luiz Antonio Daniel

Prof. Dr. Departamento de Hidráulica e Saneamento - EESC-USP.

Atuação em ensino e pesquisa na área de controle de poluição, qualidade ambiental e reuso de águas.

Endereço⁽¹⁾: Rua: Mercês, 29 - apto. 1004 - Prado - Belo Horizonte - MG - CEP: 30410-540 - Brasil - Tel (031) 295-6821 - e-mail: lilmaria@sc.usp.br RESUMO

A qualidade das águas superficiais não é alterada somente pelo lançamento de esgotos sanitários e efluentes industriais. Parcela significante de poluentes advém de fontes dispersas, seja de áreas agrícolas ou urbanas. Portanto, o gerenciamento da qualidade destas águas deve, necessariamente, considerar as fontes dispersas. As matas ciliares atuam como unidades de contenção e controle do afluxo de poluentes e nutrientes para o interior dos copos d’água. A retenção da água promovida pela vegetação possibilita que haja a decomposição de compostos tóxicos como, por exemplo, agrotóxicos, pela microfauna do solo. Os produtos dessas decomposição são utilizados pelos vegetais como fonte de nutrientes. O Código Florestal Brasileiro (Lei Federal n^o 4771 de 15.09.1965, com alterações introduzidas pela Lei n^o 7.803 de 18.07.1989) estipula largura mínima de mata ciliar, variando de acordo com a dimensão do corpo d’água. Entretanto, esta largura poderá não ser suficiente para atender ao objetivo de controle de poluição dispersa. O presente trabalho aborda sobre o cálculo de largura de mata ciliar considerando a remoção de poluentes, as características físicas do solo e o uso e ocupação do solo, utilizando modelo matemático acoplado a sistema de informação geográfica.

PALAVRAS-CHAVE: Mata Ciliar, Poluição Dispersa, Sistema de Informação Geográfica.

INTRODUÇÃO

A poluição dispersa, proveniente de áreas agrícolas, tem contribuído para a contaminação de corpos de água (rios, lagos naturais ou artificiais) em maior intensidade nos últimos anos em decorrência da maior tecnificação da agricultura, com o uso intensivo de insumos e agrotóxicos. Diante desta situação faz-se necessária a proposição de alternativas que visem minimizar os efeitos deste tipo de poluição.

Uma solução que vem sendo largamente utilizada por países da Europa e também nos Estados Unidos da América é o estabelecimento ou recuperação da mata ciliar ao longo dos corpos d’água.

FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL

Embora a utilização da mata ciliar tenha se apresentado satisfatória, no sentido de reduzir a entrada de poluentes e sedimentos nos corpos d’água, ainda existem algumas questões não muito claras a seu respeito. Uma delas é qual seria a largura “ótima” de mata ciliar a ser estabelecida para que certa eficiência fosse obtida na remoção de um dado poluente.

Esta não é uma questão facilmente respondida, uma vez que muitos fatores devem ser levados em consideração. O tipo de solo e suas propriedades físicas, a cobertura vegetal e também o poluente que se deseja remover são variáveis importantes para a determinação desta largura.

Outra importante consideração é com relação ao manuseio dos parâmetros envolvidos no modelo de cálculo de largura, que são geralmente em grande número, tornando o processo extremamente difícil de ser realizado sem o auxílio de computadores e softwares específicos.

No trabalho desenvolvido por XIANG (1993) a solução proposta para este problema calcula a largura utilizando o Sistema de Informações Geográficas (SIG) no tratamento e cruzamento de informações.

Neste trabalho é apresentada metodologia para cálculo de largura de faixas de mata ciliar necessárias para remover amônia e fósforo presentes no escoamento superficial e subsuperficial, incluindo também a avaliação da influência da constante de degradação de poluente na largura desta faixa, considerando inalterados todos os demais parâmetros.

METODOLOGIA

A metodologia apresentada neste trabalho é simples e de fácil aplicação, elaborada a partir de trabalhos desenvolvidos por PHILLIPS (1989) e XIANG (1993) e implementada através do Sistema de Informações Geográficas utilizando o software IDRISI.

O modelo denominado “Modelo de Detenção”, desenvolvido por PHILLIPS (1989), a partir da lei de Darcy, da equação de Manning e da equação de transporte de sedimento pelo escoamento superficial foi utilizado. Este modelo leva em consideração características do solo como permeabilidade e capacidade de campo, cobertura vegetal , rugosidade e declividade da superfície. A determinação da largura de mata ciliar pressupõe a existência de uma faixa de referência, para qual se conhece a largura. Com base nessa faixa de referência e no estabelecimento da eficiência que se deseja atingir, a largura da mata ciliar é obtida conforme a equação (1),

(((( )))) (((( )))) (((( )))) (((( ))))

[[[[

]]]]

r 0,5

b p L n n K K s s C C

L ==== ×××× ×××× ⁻⁻⁻⁻ (1)

L_b: largura de mata ciliar a ser obtida(m) p: eficiência esperada para a largura (Lb) n: rugosidade

K: permeabilidade s: declividade

C: capacidade de campo

O índice r representa uma faixa de referência, inicialmente conhecida e o índice b representa a faixa que se deseja obter.

A largura de referência é calculada pela equação (2).

0,4 s -0,3 r r 0,6 r

s n L s q

T ==== ⁻⁻⁻⁻ (2)

Ts: tempo necessário para se obter a remoção desejada de poluente, calculado a partir da velocidade de degradação, considerando cinética de primeira ordem.

q_s: vazão superficial (vazão por unidade de largura)

Os dados necessários para a utilização do modelo são obtidos na forma de mapa, ou seja, os mapas são digitalizados e dão entrada no IDRISI. A partir daí cada célula da grade raster passa a ter um valor característico da propriedade que representa, por exemplo, permeabilidade do solo.

Quando todos os mapas representantes das propriedades necessárias ao cálculo da largura de mata ciliar estão prontos, inicia-se o cálculo da mesma tendo com base a equação (1).

Nesta fase obtêm-se valores de largura por pixel (célula da grade raster).

O segundo passo consiste em traçar a largura de mata ciliar para o corpo d’água que se deseja proteger. Uma metodologia para a realização deste traçado foi desenvolvida por XIANG (1993) e XIANG (1996) e utilizada no SIG/ARCINFO.

Nesta metodologia foi criada a “função b” que realiza um controle de células (pixel) individuais, possibilitando o traçado da largura de mata ciliar obtida pela equação (1). A figura 1a representa esquema de mapa com os valores de L_b reclassificados por faixas de largura e a figura 1b os valores de L_b para o mesmo mapa, mas por células individuais.

Neste ponto entra a “função b” que nada mais é do que uma função de distância ponderada. O índice de contribuição unitário das parcelas pi,j deve ser então calculado, de tal forma que indique quanto cada unidade de distância (cada metro de distância) de p_ij contribui para se atingir a razão de eficiência (p) da mata ciliar. Desde que a largura da mata ciliar L_i¹_, em metros, corresponda a um valor máximo (isto é, 100% de eficiência alcançado por Li para p=1) cada metro da mata ciliar contribuiu em 1/ Li para que isto ocorra. Esta contribuição é denominada índice de contribuição por metro (equação 3).

Figura 1: Representação raster das parcelas do solo e corpo d’água.

P1

P3 P2 P0 P1 P2

P3 P4

P5

(a)

p24 p23 p22 p21 p12 p11 p00 p11 p12 p13 p14 p15 p21 p22 p23 p24

p23 p22 p21 p13 p12 p11 p00 p11 p12 p13 p14 p15 p21 p22 p23 p24

p31 p23 p22 p21 p12 p11 p00 p11 p12 p13 p14 p15 p21 p22 p23 p24

p31 p23 p22 p21 p12 p11 p00 p00 p11 p12 p13 p21 p22 p23 p24 p41

p31 p23 p22 p21 p13 p12 p11 p00 p11 p12 p21 p22 p23 p41 p42 p43

p23 p22 p21 p14 p13 p12 p11 p00 p11 p31 p41 p42 p43 p44 p45 p55

p17 p16 p15 p14 p13 p12 p11 p00 p11 p12 p13 p51 p52 p53 p54 p55

(b)

P₀ representa o conjunto de pixel que contém o segmento de rio em estudo.

1 Os valores de L_i são os valores de L_b obtidos na equação (1) aqui denominados L_i para indicar que os mesmos variam por pixel.

Li 1

ci ==== ci ∈∈ [0,1]∈∈ (3)

A partir daí pode-se calcular o índice de contribuição para cada pixel pij.Obtido o índice de contribuição c_i por metro, νij pode ser calculado através da multiplicação de c_i pela resolução da célula r², ou seja

ir

====c

ννννij ννννij ∈∈∈∈ [0,1] (4)

Para que a eficiência desejada seja satisfeita é necessário que se faça o somatório dos índices de contribuição das células (pixel) até que seja atingido valor igual a 100%, ou seja, p atinja o valor 1 (equação 5)

∑

∑

∑

∑==== ∑∑∑∑

==== ====

ΛΛΛ

Λ m

1 i

n 1

j ij ΛΛΛΛ ∈∈∈∈ [0,+∞∞∞∞] (5)

Quando Λ se iguala a 1, a eficiência de remoção de poluente pela faixa é igual à eficiência esperada, obtida pela faixa de referência. Com isso é possível delimitar a faixa, somando-se os pixel.

Os mapas de topografia, pedologia, uso do solo e hidrografia foram digitalizados. A partir do mapa de pedologia foram criados dois outros mapas, sendo um com os valores de capacidade de campo e outro com os valores de permeabilidade obtidos em ensaios de laboratório. Ao mapa de uso do solo foram atribuídos valores de rugosidade, função do tipo de cobertura do solo que se desejava para a mata ciliar, ou seja, nb igual 0,1 para floresta com cobertura total do solo por vegetação rasteira. Os valores de declividade foram obtidos pelo IDRISI a partir do mapa de topografia.

O estudo se concentrou inicialmente em apenas uma micro-bacia da região, para que fosse possível desenvolver uma metodologia que utilizasse o modelo proposto em conjunto com o software IDRISI. Verificada a aplicabilidade do modelo, o estudo poderá ser ampliado para toda a bacia.

Os dados de chuva foram obtidos na Estação Climatológica do Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada da Escola de Engenharia de São Carlos - USP e os dados relativos à degradação de substâncias químicas no solo foram retirados da literatura (HAMMER, 1989), utilizando-se coeficientes médios de degradação (k_méd) de 0,0545 h^-1 para amônia e 0,0102 h^-1 para fósforo.

Os valores de referência (Kr, Cr, sr e nr) são relativos às condições médias encontradas na microbacia Conde do Pinhal. A permeabilidade do solo foi adotada igual a 17,72 cm/h, capacidade de campo igual a 7,88 cm, valores estes referentes a areia quartzosa, maior classe pedológica encontrada na região. A declividade da área de estudo varia de 1 a 36%

com valor médio de 6,88%, o qual foi adotado. A rugosidade escolhida para a simulação é relativa a floresta com cobertura total do solo por vegetação rasteira (nr=0,1). Foram realizadas duas simulações distintas com os mesmos valores de Kb, Cb, nb, sb.

Na primeira simulação realizada considerou-se remoção de 90% de amônia, obtendo-se tempo de detenção de 42,25 h e L_r de aproximadamente 30 metros. Para o segundo estudo

2 Dimensão da célula (pixel)

de casos relativo ao fósforo obteve-se tempo de detenção de 225,75 horas e L_r de aproximadamente 155 metros, também para 90% de remoção.

RESULTADOS

As simulações foram feitas utilizando-se o software IDRISI obtendo-se as faixas de mata ciliar para a amônia (fig. 2) e para o fósforo (fig. 3). Para que houvesse 90% de remoção de amônia foram necessários larguras de mata ciliar, para as condições da microbacia Conde do Pinhal, da ordem de 10 a 50 metros. Para manter o mesmo nível de remoção, ou seja, 90% para o fósforo, foram necessárias larguras da ordem de 50 a 280 metros.

Observa-se que a velocidade de degradação do fósforo pela microfauna autóctone do solo é 434% menor que a velocidade de degradação da amônia e o tempo de detenção do fósforo por sua vez é 398% maior que o tempo de detenção da amônia o que consequentemente é refletido na largura de referência da mata ciliar e nos resultados apresentados nas figuras 2 e 3.

Figura 2: Traçado da largura de mata ciliar realizado pelo IDRISI, para a amônia.

Figura 3: Traçado da largura de mata ciliar realizado pelo IDRISI, para o fósforo.

Analisando os mapas obtidos nas figuras 2 e 3 através do módulo CROSSTAB do IDRISI, percebe-se que a área de mata ciliar aumentou em aproximadamente 450 %, ou seja, para remoção de amônia de 90% foram necessários 0,184 km² de área de mata ciliar nas margens do córrego da microbacia Conde do Pinhal, enquanto que para a mesma microbacia foram necessários 1,011 km² para obter a mesma remoção de fósforo.

A tabela 1, na qual os valores são o resultado do cruzamento da figura 3 com a figura 2 comprova esta conclusão. O significado dos índices que aparecem nesta tabela são:

0 - Área externa à microbacia Conde do Pinhal, 1 - Área da microbacia Conde do Pinhal, 2 - Mata ciliar,

3 - Córrego Conde do Pinhal

Tabela 1: Resultado da aplicação de CROSSTAB (módulo do IDRISI) entre as figuras 1 e 2.

Figura 2

0 1 2 3 Total

0 111755 102 0 0 111857

Figura 1 1 0 37644 8271 0 45915

2 0 0 1841 0 1841

3 0 0 0 387 387

Total 111755 37746 10112 387 160000

Analisando a tabela 1 tem-se, por exemplo, que a área externa à microbacia Conde do Pinhal, índice 0 (zero) nos dois mapas, possui exatamente a mesma área, ou seja, 111755

pixel (células do mapa). Como neste trabalho a resolução é de 10 metros, esta área eqüivale a aproximadamente 11,18 Km².

Observa-se ainda que o valor de 102 na tabela 1 é um erro que ocorre devido a delimitação da faixa de mata ciliar na direção externa à microbacia em consideração. Este valor deveria estar embutido no valor da coluna 1 - linha 1.

Os valores que se desejam realmente comparar são o valores de 1841 células (pixel) que são comuns a mata ciliar delimitada para os dois mapas e o valor de 8271 células (pixel) correspondente ao excedente de células obtidas para a mata ciliar delimitada, considerando a remoção do fósforo, ou seja, isto comprova que a largura de faixa de mata ciliar para remover 90% de fósforo deve ser 450% vezes maior que mata ciliar obtida para a mesma remoção de amônia. Estas considerações podem ser também visualizadas na figura 3.

Figura 3: Crosstab do mapa da figua 3 com o da figura 2.

CONCLUSÕES

Para as condições utilizadas na pesquisa pode-se concluir que:

A implantação de modelo de decomposição de poluentes por mata ciliar em sistema de informação geográfica possibilitou espacializar os dados, tornando viável o estudo para

recomposição de mata ciliar com objetivo de melhoria de qualidade das águas superficiais pela contenção de poluentes dispersos.

A largura mínima para a remoção pré-fixada depende do poluente, ou seja, quanto maior a resistência à degradação biológica, maior a largura de faixa, como ficou comprovado pela simulação empregando amônia (k = 0,0545 h^-1) e fósforo total (k = 0,0102 h^-1).

Quando se considera a remoção de amônia a largura de mata ciliar na maior parte da microbacia estudada é superior ao estipulado pelo Código Florestal Brasileiro (Lei Federal n^o 4771 de 15.09.1965). Quando se considera a retenção de fósforo o Código Florestal é insuficiente em toda a microbacia.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. HAMMER, D. A. CONSTRUCTED WETLANDS FOR WASTEWATER TREATMENT:

MUNICIPAL, INDUSTRIAL AND AGRICULTURAL. PROCEEDINGS FROM THE FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE ON CONSTRUCTED WETLANDS FOR WASTEWATER TREATMENT, HELD IN CHATTANOOGA, TENNESSEE, JUNE 13-17, 1988, LEWIS PUBLISHERS, INC., USA. 819 P., 1989.

2. PHILLIPS, J. D. AN EVALUATION OF THE FACTORS DETERMINING THE EFFECTIVENESS OF WATER QUALITY BUFFER ZONES. J. HYDROLOGY, V.107, P. 133-145, 1989.

3. PHILLIPS, J. D. EVALUATING ESTUARINE SHORELINE BUFFER ZONE FOR NONPOINT SOURCE POLLUTION CONTROL. PROCEEDING OF COASTAL ZONE, P. 399-411, 1989 4. PHILLIPS, J. D. EVALUATION OF NORTH CAROLINE´S ESTUARINE SHORELINE AREA

OF ENVIRONMENTAL CONCERN FROM WATER QUALITY PERSPECTIVE. COASTAL MANAGEMENT, V. 17, P. 103-117, 1989.

5. PHILLIPS, J. D. NONPOINT SOURCE POLLUTION CONTROL EFFECTIVENESS OF RIPARIAN FORESTS ALONG A COASTAL PLAIN RIVER. J. OF HYDROLOGY, V.110, P. 221- 237, 1989

6. XIANG, W-N GIS-BASED RIPARIAN BUFFER ANALYSIS: INJECTING GEOGRAPHIC INFORMATION INTO LANDSCAPE PLANNING. LANDSCAPE AND URBAN PLANINNIG, V.

34, P. 1-10, 1996.

7. XIANG, W-N. A GIS METHOD FOR WATER QUALITY BUFFER GENERATION. INT. J.

GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS, V.7, N.1, P.57-70, 1993.