SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA NA GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS

SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA NA GESTÃO DE RECURSOS

HÍDRICOS

RODRIGUES, José Inácio de Jesus; ISIDORO, Jorge Manuel Guieiro Pereira

Resumo

Neste artigo é apresentado um modelo de erosão hídrica baseado na Equação Universal da Perda do Solo (USLE), onde se pretende demonstrar as capacidades e possíveis vantagens na utilização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Esta temática reveste-se de grande importância devido aos problemas de ordem ecológica, económica e social que os fenómenos erosivos podem causar. A quantificação e previsão da erosão são tema de trabalho entre os profissionais do campo da hidrologia na medida em que cada vez mais, estes problemas afectam a decisão de gestores ambientais e responsáveis do planeamento. O modelo em causa foi aplicado à Ribeira de Alcantarilha (Silves, Algarve), obtendo-se um mapa final das zonas mais sensíveis à erosão. Mostra-se assim que este tipo de abordagem, combinando modelos e funcionalidades dos SIG´s pode contribuir para o desenvolvimento de novas ferramentas de planificação.

Abstract

In this paper a hydric erosion model based on the Universal Soil Loss Equation (USLE) is presented to demonstrate the capacities and possible advantages in the use of Geographical Information Systems (GIS). This thematic is armed with great importance due to the problems of ecological, economical and social order that erosive phenomenon can cause. Quantification and forecast of erosion are work subjects between hydrologists because these problems affect the decision of ambient managers and planners. The model was applied to the Ribeira of Alcantarilha (Silves, Algarve), obtaining a final map of the more sensible areas to erosion. One reveals thus, that this type of approaching, matching models and functionalities of GIS can contribute for the development of new tools of planning.

Introdução

Uma das maiores questões da actualidade no campo da gestão ambiental, corresponde à necessidade de quantificar a erosão do solo devida a fenómenos hídricos e à definição das áreas de maior susceptibilidade, onde quer por razões naturais ou por acção das actividades humanas, os índices de perda de solo, por vezes em grandes extensões, tornam-se muito elevados criando problemas de ordem ecológica, económica e social. Partindo das capacidades de análise espacial dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG´s), integradas com um modelo matemático que permita quantificar a erosão e a produção de sedimentos numa bacia hidrográfica, consegue-se obter uma ferramenta de trabalho, mais ou menos complexa e que visa responder às questões atrás referidas. Neste estudo, utilizou-se um modelo matemático extensamente testado e com resultados comprovados, a Equação Universal da Perda de Solo ou USLE (do inglês – Universal Soil Loss Equation), deduzida empiricamente pelo USDA-SCS (Unites States Department of Agriculture - Soil Conservation Service) com base em mais de dez milhares de medições em diferentes condições ambientais.

No presente texto, é descrita de forma sumária a evolução do processo de previsão da erosão até à publicação da USLE, sendo de seguida apresentada a definição e as formas existentes de erosão hídrica, e depois introduzidos alguns conceitos relativo aos SIG´s e vantagens na utilização dos mesmos. É então descrito o equipamento utilizado para elaboração do estudo em causa e quais os dados de base utilizados. O modelo matemático é apresentado, sendo descrita a forma de determinação de cada um dos factores da USLE, sendo finalmente apresentadas as conclusões retiradas e as propostas de continuação do estudo, que se pensa serem de interesse realizar.

Equação Universal da Perda de Solo

A primeira referência conhecida em que se descreve um processo de previsão da erosão, é normalmente atribuída a Zingg (1940), baseando-se apenas na relação entre a inclinação de uma encosta e o seu comprimento. Smith e Whitt (1948) adicionaram a esta expressão parâmetros que traduzem a influência do coberto vegetal e das medidas de protecção do solo. Durante as décadas de 40 e 50, foram adicionados termos à expressão base de modo a contemplar o efeito de erosividade da chuva e da erodibilidade do solo. A par desta evolução, desenvolvia-se o conceito de tolerância de perda de solo (Stamey e Smith, 1964; ASA, 1982) como a quantidade de solo que um terreno tolera perder até os danos serem excessivos, no qual se consideravam as diferenças de características de cada local ao contrário da expressão obtida por Zingg e suas posteriores modificações, de carácter mais generalista do ponto de vista geográfico. Embora desde o início da década de 50 existissem para os Estados Unidos da América uma série de equações para cada região que permitiam prever a quantidade de solo erodível, o Serviço de Conservação do Solo do Departamento de Agricultura (USDA-SCS) insistiu na necessidade de uma expressão com um sentido mais universal ao invés das formulações com cariz regional. Assim, a partir do meio da década de 50, um grupo de trabalho liderado por W. H. Wischmeier e D. D. Smith, iniciou a compilação e análise de grandes quantidades de informação obtida a partir de trabalhos de campo que o SCS possuía, resultando em 1965 na USLE, sendo desde então a formulação mais utilizada.

Erosão hídrica

A erosão hídrica define-se como a quantidade de sedimentos que sai da bacia hidrográfica CARDOSO (1998), podendo ser dividida em três diferentes tipos, consoante a sua origem: erosão superficial, erosão concentrada ou ravinosa e movimentos de massa. A primeira é uma forma de erosão muito lenta que se caracteriza por uma remoção espacialmente uniforme das partículas, em que por meio de pequenos sulcos que se geram e cuja duração é efémera, quantidades significativas de sedimentos são transportados para jusante. Caso exista um canal de grande inclinação e se reunam condições que propiciem o início da erosão, como uma precipitação de grande intensidade associada à falta da existência de coberto vegetal que garanta a protecção necessária ao solo, aparecem ravinas que vão avançando para montante e provocam o destacamento de parcelas de solo que é quase de imediato transportado para jusante. A esta forma de erosão dá-se o nome de concentrada ou ravinosa. Finalmente, os movimentos de massa, traduzidos por grandes parcelas de terra que escorregam pelas encostas, sendo transportadas quase instantaneamente para jusante.

A Equação Universal da Perda do Solo refere-se apenas à erosão superficial, sendo por isso esta a única forma de erosão considerada neste modelo de análise.

Aplicação de modelos SIG

Os modelos analíticos no domínio da hidrologia são geralmente baseados em dados de natureza espacial. A USLE, cuja formulação é composta por seis factores relacionados com dados relativos a ocorrências sobre a superfície terrestre, como sejam a distribuição de pluviosidade, coberto vegetal, uso e praticas de conservação do solo e a própria configuração do relevo, é disso exemplo.

Um Sistema de Informação Geográfica, é constituído por uma tecnologia de gestão de bases de dados para armazenamento e consulta de dados e funcionalidades de análise, visualização e comunicação de informação geográfica. De uma forma geral, através destes sistemas, podem ser objecto de representação e análise os diversos fenómenos que ocorrem sobre a superfície terrestre com representação cartográfica.

Tirando partido desta capacidade, pretende-se desenvolver um método para avaliação da erosão do solo. Para o efeito, utilizando como plataforma programas no domínio dos SIG’s, procurou-se implementar o modelo atrás referido (USLE).

Este tipo de abordagem, combinando funcionalidades dos SIG´s com modelos podem, de uma forma geral, contribuir para o desenvolvimento de novas e importantes ferramentas de apoio à tomada de decisão possibilitando, de entre várias aplicações:

- a predição e constituição de cenários; - a análise do impacto de políticas;

Equipamento e software utilizado

Computador pessoal equipado com processador Pentium e 64 Mb de memória ram Scanner Contex A0

ArcView 3.20 e extensões Spatial Analyst e 3D Analyst ArcInfo 7.2

Dados utilizados

Carta Militar de Portugal em suporte papel à escala 1:25000, série M888, folhas 587, 595, 596, 604 e 605.

Carta CORINE à escala 1:1000000, em suporte digital, Serviço Nacional de Informação Geográfica Atlas de Portugal em suporte digital à escala 1:1000000, Direcção Geral de Ambiente

Modelo matemático

Como já foi referido anteriormente a equação utilizada neste modelo é a Equação Universal da Perda do Solo. Segundo LENCASTRE (1992):

A R K L S C P

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

A - Perda de solo em toneladas métricas por hectare (t/ha) R - Factor energético da chuva (kW.cm/ha)

K - Factor de erodibilidade do solo (t/kW.cm) L - Factor de comprimento (adimensional) S - Factor de inclinação (adimensional) C - Factor de técnica cultural (adimensional) P - Factor de práticas de conservação (adimensional)

A principal dificuldade associada a este tipo de estudo é conseguir aplicar uma expressão obtida experimentalmente para talhões com uma determinada dimensão, numa malha cujas células praticamente representam um domínio diferencial. Tentou-se assim, que cada célula fosse apenas parte de um conjunto e não uma “área de terreno” por si.

O quadro 1, adaptado de MEIJERINK, mostra para cada parâmetro da USLE, a informação de base necessária e quais os procedimentos a utilizar para conversão dos dados para formato SIG.

Parâmetros da USLE Informação necessária Procedimentos para conversão dos dados para formato SIG

Erosividade Pluviometria Interpolação espacial dos valores da precipitação e intensidade pluviométrica

Erodibilidade Variação espacial dos tipos e famílias de solo.

Tabelas de classificação do solo (F.A.O.)

Atribuição de valores correspondentes do factor K aos polígonos do mapa de tipos de solo, por reclassificação do mesmo.

Comprimento das encostas Modelo numérico do relevo (DTM – do inglês Digital

Terrain Model)

Operações topológicas de conectividade e proximidade, que permitam criar uma função para calculo do factor L na bacia hidrográfica.

Inclinação das encostas Modelo numérico do terreno Reclassificação dos valores da inclinação por classes. Obtenção do factor S por aplicação de uma expressão com esse fim ao mapa das inclinações.

Técnica cultural Variação espacial dos tipos de cultura;

Cadastro das zonas agrícolas

Atribuição de valores correspondentes do factor C aos polígonos do mapa de ocupação do solo, por reclassificação do mesmo.

Práticas de conservação Variação espacial das obras de

conservação Reclassificação dos mapas com o valor do factor P, utilizando-se a unidade para zonas onde não existam práticas de conservação.

Aplicação do modelo à Ribeira de Alcantarilha

Elaboraram-se cinco mapas, correspondendo às parcelas da USLE, com excepção do factor de práticas de conservação, por este ter valor constante em toda a área da bacia hidrográfica. A figura 1 apresenta o modelo numérico de terreno criado, onde estão definidas as linhas de água e é apresentado o perímetro de contorno da bacia em causa. Esta desenvolve-se segundo uma diagonal com cerca de 27500 m, desde a cota 340 m até ao nível do mar, estendendo-se por uma área de 204 km2_.

Figura 1 – Modelo numérico do terreno e bacia hidrográfica - Factor energético da chuva (R)

A energia específica da chuva “e”, que está relacionada com a energia cinética das gotas e a intensidade de precipitação, é obtida empiricamente através da seguinte expressão, onde I corresponde à intensidade de precipitação em cm/h.

e 0,572 0,242 log I

=

+

⋅

Dado que não se dispunha dos registos pluviográficos necessários à quantificação da intensidade de precipitação, foi considerado um valor de 10 mm/h para a mesma, uniforme em toda a bacia e correspondente a uma intensidade média. A precipitação utilizada corresponde à média aos valores anuais entre os anos hidrológicos de 1984 e 1994. Visto que a energia de uma chuvada é dada pelo produto da sua energia especifica pela precipitação, e como a intensidade é constante, vem que:

E = e h

⋅

R = e I

⋅

- Factor de erodibilidade do solo (K)

A erodibilidade do solo refere-se à maior ou menor resistência por parte dos solos à erosão, dependendo do teor em argila, silte, areia e matéria orgânica e da estrutura e permeabilidade do solo. A determinação de “K”, é feita com base na caracterização pedológica da região, a partir da Carta de Solos de Portugal Continental do Atlas de Portugal, sendo os valores de K retirados de PIMENTA (1998).

- Factor de comprimento (L)

Para obtenção deste mapa, foi inicialmente elaborado um modelo numérico do terreno a partir de uma cobertura de vectores e pontos contendo informação altimétrica, cuja dimensão da célula definida foi de 25 m, sendo posteriormente efectuadas as correcções necessárias para solucionar possíveis problemas causados por “poços” existentes devido à geração do referido modelo numérico.

A partir deste modelo, foram determinadas as linhas de escoamento, e posteriormente o comprimento de cada, correspondendo em termos diferenciais, à distância de cada célula ao inicio da linha de escoamento em que essa célula se inclui. É ainda de referir que as linhas de escoamento obtidas, apresentaram concordância bastante aceitável, relativamente às digitalizadas a partir das cartas militares.

O factor de comprimento foi calculado a partir deste ultimo tema criado, pela inserção da seguinte expressão.

( )

L

=

λ

₂₅

em que:

λ - distância entre o início do escoamento e a célula em causa (m) - Factor de inclinação (S)

Este factor visa relacionar a erosão que ocorreu no terreno em causa e a erosão que ocorreria se o terreno tivesse a inclinação de 10 %.

A inclinação das encostas foi determinada a partir do modelo numérico do terreno, aplicando-se em seguida a seguinte expressão para se determinar o factor de inclinação:

(

)

S

₌

0,043 s

_⋅

₊

0,03 s 0.43 7,73

_{⋅ +}

em que:

s - inclinação (%) - Factor de técnica cultural (C)

O factor de técnica cultural visa reflectir a influencia das culturas agrícolas no fenómeno da erosão. A cobertura vegetal, protege os terrenos da erosão devido às folhas das plantas promoverem a diminuição da energia da chuva por absorção da mesma. O mapa foi obtido por reclassificação da carta CORINE, com base em PIMENTA (1998).

- Factor de práticas de conservação (P)

Visto que este factor só se aplica a zonas agrícolas nas quais existam praticas de conservação do solo como o cultivo em faixas, terraços ou curvas de nível, e estas não serem aplicadas na bacia em causa, o factor P toma o valor de 1,0 para toda a área da mesma, tornando-se assim elemento neutro da equação.

A figura 2, apresenta o resultado obtido pelo produto dos seis factores anteriormente descritos, sendo notórias as áreas de potencial risco de erosão (numa tonalidade mais escura). Os valores de pico, que se situavam principalmente sobre as linhas de água, foram “amaciados” através da atribuição de uma coloração de tonalidade menos intensa, pois representam descontinuidades que não existem no modelo matemático utilizado.

Figura 2 – Mapa de erosão potencial

Conclusões

Foi realizada a aplicação de um modelo matemático para a elaboração de cartas de erosão hídrica, recorrendo a um sistema de informação geográfica. O modelo utilizado foi a USLE ou equação universal da perda do solo, tendo sido elaborados mapas para cada um dos parâmetros da mesma. Foi elaborada uma aplicação do modelo à Ribeira de Alcantarilha, localizada no Concelho de Silves, Distrito de Faro, visto a sua bacia hidrográfica ser de dimensões relevantes (aproximadamente 204 km2_{), nascendo na serra Algarvia e} desaguando no oceano. O mapa resultante foi reclassificado em cinco classes de potencial de erosão, revelando zonas de diferente risco, de acordo com o previsto, isto é, principalmente onde os declives são maiores, ou as linhas de água apresentam maior comprimento ou densidade. Os resultados apresentam descontinuidades traduzidas pelo aparecimento de valores de pico, o que não corresponde ao tipo de modelo matemático em causa. Tal anomalia deve-se à demasiada relevância que o factor de comprimento toma, sendo um parâmetro a rever em futuros trabalhos.

Para o cálculo do factor energético da chuva, foi considerado um valor uniforme no espaço e no tempo para a intensidade de precipitação, pelo que é importante obter os registos pluviográficos das estações meteorológicas em causa, para ser possível conhecer os registos de precipitação em contínuo e dai retirar os respectivos valores de intensidade.

Os autores esperam que o presente estudo seja encarado como um simples exercício onde se pretende demonstrar as vantagens na utilização dos sistemas de informação geográfica na análise espacial de fenómenos relacionados com a área ambiental e em especial com os recursos hídricos.

Bibliografia

• Agassi, Menachem, Soil Erosion, Conservation, and Rehabilitation, 1995, Marcel Dekker, inc., Estados Unidos da América

• Cardoso, António Heleno, Hidráulica Fluvial, 1998, Fundação Calouste Gulbenkian

• Lencastre, A.; Franco, F. M., Lições de Hidrologia, 1992, Universidade Nova de Lisboa - Faculdade de Ciências e Tecnologia, Lisboa

• Meijerink, Allard M. J.; de Brouwer, Hans A. M.; Mannaerts, Chris M.; Valenzuela, Carlos R., Introduction to the Use of Geographic Information Systems for Practical Hydrology, 1994, International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC), Holanda

• Pimenta, Maria Teresa, Directrizes para a Aplicação da Equação Universal de Perda dos Solos em SIG - Factor de Cultura C e Factor de Erodibilidade do Solo K, 1998

URL’s a partir de onde foi retirada informação

• WWW.INAG.PT (Instituto da Água)

• WWW.CNIG.PT (Centro Nacional de Informação Geográfica) • WWW.DGA.MIN-AMB.PT (Direcção Geral do Ambiente)