QUERY CARDOSO FAGUNDES CARVALHO
CARACTERIZAÇÃO DO REGIME HIDROLÓGICO DA
BACIA DO RIO DAS MORTES E SUA RELAÇÃO COM A
DINÂMICA DA COBERTURA DO SOLO ENTRE 1985 E 2017
LAVRAS - MG
2019
QUERY CARDOSO FAGUNDES CARVALHO
CARACTERIZAÇÃO DO REGIME HIDROLÓGICO DA
BACIA DO RIO DAS MORTES E SUA RELAÇÃO COM A
DINÂMICA DA COBERTURA DO SOLO ENTRE 1985 E 2017
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, para a obtenção do título de Mestre.
Prof. Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira Orientador
Prof. Dr. Gilberto Coelho Coorientador
LAVRAS - MG 2019
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema de Geração de Ficha Catalográfica da Biblioteca Universitária da UFLA, com dados informados pelo(a) próprio(a) autor(a).
Carvalho, Query Cardoso Fagundes.
Caracterização do regime hidrológico da bacia do Rio das Mortes e sua relação com a dinâmica da cobertura do solo entre
1985 e 2017 / Query Cardoso Fagundes Carvalho. - 2019. 75 p. : il.
Orientador(a): Luiz Fernando Coutinho de Oliveira. Coorientador(a): Gilberto Coelho.
Dissertação (mestrado acadêmico) - Universidade Federal de Lavras, 2019.
Bibliografia.
1. Regime hidrológico. 2. Classificação de imagens de satélite. 3. Teste de Mann-Kendall. I. Oliveira, Luiz Fernando Coutinho de.
II. Coelho, Gilberto. III. Título.
QUERY CARDOSO FAGUNDES CARVALHO
CARACTERIZAÇÃO DO REGIME HIDROLÓGICO DA
BACIA DO RIO DAS MORTES E SUA RELAÇÃO COM A
DINÂMICA DA COBERTURA DO SOLO ENTRE 1985 E 2017
CHARACTERIZATION OF THE HYDROLOGICAL REGIME
OF RIO DAS MORTES WATERSHED AND ITS
RELATIONSHIP WITH LAND COVER BETWEEN 1985 AND
2017
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, para a obtenção do título de Mestre.
APROVADA em 21 de outubro de 2019.
Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira UFLA Dr. Gilberto Coelho UFLA Dr. Luiz Marcelo Tavares de Carvalho UFLA Dra. Rosângela Francisca de Paula Vitor Marques UNINCOR
Prof. Dr. Luiz Fernando Coutinho de Oliveira Orientador
Prof. Dr. Gilberto Coelho Coorientador
LAVRAS - MG 2019
AGRADECIMENTOS
A DEUS, pela força, esperança e vitória que hoje eu conquisto.
À Universidade Federal de Lavras (UFLA) e ao Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, pela oportunidade de realização do mestrado.
Ao Laboratório de Estudo e Projetos em Manejo Florestal (Lemaf) por toda a estrutura disponibilizada para a realização deste trabalho.
Ao professor Luiz Fernando Coutinho de Oliveira pela orientação, disponibilidade, amizade e dedicação que foram de grande relevância para a realização deste trabalho.
Ao professor Gilberto Coelho, pela coorientação e conhecimentos transmitidos.
Ao professor Luis Marcelo Tavares de Carvalho (Passarinho) pela amizade, pelos ensinamentos transmitidos e por aceitar o convite para participação na banca examinadora.
A professora Rosângela (Rosa) pela disponibilidade e participação na banca examinadora. A todos os professores do Departamento de Engenharia, pelos preciosos ensinamentos que durante este percurso contribuíram para a minha formação.
As amigas do laboratório de Geoprocessamento, Isabela e Samantha pela amizade, pelos momentos compartilhados, convívio e incentivo.
Aos meus colegas de curso, pelos bons momentos compartilhados.
Ao meu namorado Matheus, pelo amor, apoio, incentivo, dedicação e por acreditar no meu potencial.
Aos meus pais, Ricardo e Quezia, por serem quem são, pelos conselhos, incentivo, paciência, e por me ensinar a viver uma vida que vale a pena na presença do Senhor Jesus.
Aos meus irmãos, Ryque e Ryzia, por serem os irmãos mais lindos e fofos desse mundo, pelo carinho, amizade, parceria e momentos únicos de lazer.
A todos os meus amigos e familiares, que de alguma forma contribuíram para o meu êxito.
RESUMO
Diversas mudanças ocorrem na superfície terrestre ao longo do tempo e do espaço, causadas por ações antrópicas ou naturais. O conhecimento dessas alterações que ocorrem no âmbito das bacias hidrográficas se torna de grande importância quando se deseja garantir um meio ambiente equilibrado em que seus recursos possam ser utilizados de maneira econômica, ambiental e socialmente sustentável. O sensoriamento remoto é uma importante ferramenta que auxilia no planejamento de políticas públicas para uma gestão ambiental do uso do solo de forma mais eficaz, empregando programas de monitoramento da superfície terrestre a partir de imagens orbitais. Este trabalho teve como objetivos, a caracterização física e morfométrica da bacia hidrográfica do Rio das Mortes; a caracterização das vazões mínimas, máximas anuais, média de longa duração e vazões de referência através de análises de distribuição de probabilidade, pelo emprego do software SisCAH; a espacialização da precipitação média anual; a detecção de presença de tendências no regime vazão e precipitação da bacia hidrográfica do Rio das Mortes, e a contabilização das áreas que sofreram mudanças na cobertura e uso do solo da mesma, entre os anos de 1985 e 2017. Foram utilizados os dados históricos da estação fluviométrica de Ibituruna, MG, de código 61135000, dados de 12 estações pluviométricas e imagens orbitais dos satélites Landsat-5 e do satélite Sentinel. A classificação do uso e cobertura do solo foi realizada em ambiente eCognition Developer ® 64. Para classificação do uso e cobertura do solo, empregou-se o método de classificação automática Support Vector Machines (SVM), com base em sete classes de interesse: água, vegetação nativa, área de cultivo, pastagem, floresta plantada, solo exposto e outros usos. Para análise do comportamento da vazão e precipitação foi aplicado o teste de tendência de Mann-Kendall disponível no pacote Non-Parametric Trend Tests and Change-Point Detection, desenvolvidos na linguagem R, e o teste de Pettitt, na detecção do ponto de mudança da série histórica. Como resultado, foi encontrado uma declividade média de 10,68% e uma densidade de drenagem de 2,42 km km-2, sendo considerada como bacia medianamente drenada. O formato mais alongado indica uma menor propensão à enchentes. As estações pluviométricas de Conceição do Ibitipoca e Carandaí, apresentaram tendências crescentes nas médias anuais de precipitação, enquanto as estações de Oliveira e Vargem do Engenho apresentaram tendências de diminuição das chuvas; foi identificado uma tendência estatisticamente significativa de diminuição da vazão do mês de menor vazão ao longo dos anos de 1925 a 2014; o aumento das áreas de cultivo e florestas plantadas e uma diminuição das áreas de vegetação nativa e pastagem entre os anos de 1985 e 2017.
Palavras chave: Regime hidrológico, Classificação de imagens de satélite, Teste de Mann-Kendall.
ABSTRACT
Several changes occur in the Earth surface along time and space caused by anthropic or natural actions. The knowledge on such alterations in the context of watersheds becomes important when aiming to guarantee a balanced environment in which resources may be sustainably used attending economical, environmental and social aspects. Remote sensing represents an important tool that helps on planning public politics for the efficient environmental management of land use, employing monitoring programs of the Earth surface through orbital images. The present work aimed to conduct the physical and morphometric characterization of the Rio das Mortes watershed, the characterization of minimum, maximum annual and average long-term flow rate, as well as reference flow rates through analysis of probability distribution using the software SisCAH; the spatialization of the annual average rainfall; the detection of the presence of trends in the flow and rainfall regime of the Rio das Mortes watershed, and the accounting of areas that suffered changes in the land cover and use between 1985 and 2017. Historical data of the fluviometric station of Ibituruna, MG, code 61135000, with data on 12 rain stations and orbital images of satellites Landsat-5 and Sentinel were analyzed. The classification of land use and cover was made in the eCognition Developer ® 64 applying the method of automatic classification Support Vector Machines (SVM) based on seven classes of interest: water, native vegetation, cultivated area, pasture, planted forest, exposed soil and other uses. For the analysis of flow rate and rainfall behavior, the trend test of Mann-Kendall was applied, which is available in the package Non-Parametric Trend Tests and Change-Point Detection developed in the language R, and the Pettitt test was used to detect the turning point of the historic series. An average slope of 10.68% and drainage density of 2.42 km km-2 were
observed, with the Rio das Mortes watershed considered as moderately drained. The elongated shape indicate a lower propensity to floods. The rain stations of Conceição do Ibitipoca and Carandaí presented increasing tendencies for the annual average rainfall, while the stations of Oliveira and Vargem do Engenho presented decreasing trends of rains. A significantly decreasing tendency was identified for the flow rate of the month with lowest flow rate from 1925 to 2014. Moreover the increase of cultivated areas and planted forests and the decrease of areas with native vegetation and pasture were observed between 1985 and 2017.
SUMÁRIO
PRIMEIRA PARTE...1
1 INTRODUÇÃO ...2
REFERÊNCIAS...4
SEGUNDA PARTE...5
ARTIGO 1 – CARACTERIZAÇÃO HIDROLÓGICA DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO DAS MORTES...6
1 INTRODUÇÃO...8
2 METODOLOGIA...14
2.1 Bacia hidrográfica do Rio das Mortes...14
2.2 Caracterização física e morfométrica da bacia...17
2.3 Teste de tendência de Mann-Kendall...19
2.4 Caracterização pluviométrica...21
2.5 Caracterização fluviométrica...23
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO...25
3.1 Caracterização física e morfométrica...25
3.2 Análise de tendências...27 3.3 Precipitações...29 3.4 Vazões...32 3.4.1 Vazões mínimas...32 3.4.2 Vazões de permanência...35 3.4.3 Vazões médias...35 3.4.4 Vazões máximas...36 4 CONCLUSÕES...38 REFERÊNCIAS...39
ARTIGO 2 – INFLUÊNCIA DAS MUDANÇAS NO USO E COBERTURA DO SOLO SOBRE O REGIME HIDROLÓGICO DA BACIA DO RIO DAS MORTES...45
1 INTRODUÇÃO...48
2 METODOLOGIA...50
2.1 Área de estudo e aquisição de dados ...50
2.2 Segmentação e classificação...54
2.3 Caracterização fluviométrica...55
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO...58
3.1 Quantificação dos tipos de uso e cobertura do solo...58
3.2 Análise fluviométrica...61
4 CONCLUSÕES...65
1 INTRODUÇÃO
O ciclo hidrológico está diretamente sujeito às mudanças do uso e da cobertura da superfície terrestre, uma vez que a demanda pelos recursos hídricos cresce junto com a população, tornando os estudos dos processos hidrológicos de extrema importância (ALBUQUERQUE, et al., 2018).
A complexa interação entre o clima da região, a cobertura vegetal, o tipo de solo e o relevo da bacia reflete diretamente no regime hidrológico de uma bacia hidrográfica (OLIVEIRA et al., 2018). O estudo sobre a tendência dos componentes hidrológicos tem atraído à atenção nas últimas décadas, uma vez que a identificação de tendências, tanto no regime de chuvas quanto no escoamento fluvial é fundamental no planejamento e gestão adequada dos recursos hídricos (KIBRIA, 2016).
De acordo com a Organização das Nações Unidas (ONU, 2018) a escassez de água está relacionada às desigualdades sociais e a inexistência de manejo e usos sustentáveis desse recurso. Sendo assim, o estudo hidrológico de bacias hidrográficas se torna fundamental no gerenciamento dos recursos naturais de maneira consistente no conhecimento aprofundado de uma determinada região (VAEZA et al., 2010). É essencial a realização de estudos sobre as mudanças no regime hidrológico de extremos, como os períodos de cheias e estiagens para compreender como o regime hidrológico mudará nas próximas décadas, uma vez que a frequência, magnitude e distribuição espaço-temporal de secas e inundações tem aumentado em muitas regiões do mundo, acarretando em perdas ambientais, econômicas e sociais (DI BALDASSARRE et al., 2016; UN-ISDR, 2017; WINSEMIUS, et al., 2016).
Internacionalmente, tem havido a crescente preocupação com o aumento da redução das áreas com cobertura vegetal e quais suas implicações no escoamento hidrológico. Alguns estudos evidenciaram que o desmatamento está ligado com o aumento do pico de inundação (BATES e HENRY, 1928; FRITSCH, 1990). As mudanças no ciclo hidrológico de uma bacia hidrográfica que sofreu redução dos espaços naturais pelo aumento das atividades agrícolas, pastoris e silviculturais, ocorrem principalmente pela compactação da superfície do solo, redução da quantidade de água infiltrada no solo, aumento da erosão e deposição de material sedimentável nos cursos d’água (TUCCI, 2002).
A bacia hidrográfica do Rio das Mortes vem sofrendo modificações no uso do solo principalmente devido a expansão da atividade pecuária, em regime extensivo e semi-intensivo,
atividades agrícolas, como a cultura anual do milho e perenes como a cafeicultura e a rápida expansão da silvicultura na região, sobretudo pela cultura do eucalipto (VIOLA, 2011). Quando se substitui a vegetação natural por áreas de cultivo, por exemplo, os atributos físicos do solo são alterados, proporcionando a diminuição da porosidade do solo, do conteúdo da matéria orgânica, aumento da massa específica do solo e da resistência a penetração de raízes (VIEIRA et al., 2015; GOMES et al., 2007).
O mau uso do solo agrava os processos erosivos, causando a poluição dos cursos d’águas, o assoreamento dos reservatórios, o aumento das frequências de vazões de enchente e custos de tratamento de água, diminuindo ainda a fertilidade das terras agricultáveis e as vazões de estiagem dos cursos d’água, uma vez que as ações antrópicas, pelo manejo inadequado do solo, são responsáveis pela redução da capacidade de infiltração de água no solo, diminuindo assim a recarga dos aquíferos.
No planejamento da ocupação de uma bacia hidrográfica visando uma gestão adequada dos recursos hídricos é essencial a realização de estudos de distribuição de probabilidade de vazões para avaliar a disponibilidade hídrica e entender como as mudanças no uso e cobertura da terra afetam a quantidade e qualidade dos corpos hídricos.
Diante do exposto, este trabalho teve como objetivos, caracterizar o regime hidrológico da bacia hidrográfica do Rio das Mortes e relacionar com as mudanças do uso e cobertura do solo no decorrer dos anos de 1985 a 2017 dentro da bacia.
Os resultados estão apresentados na dissertação no formato de artigos. O artigo 1 (CARACTERIZAÇÃO HIDROLÓGICA DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO DAS MORTES) descreve sobre a caracterização hidrológica da bacia hidrográfica do Rio das Mortes e suas mudanças ao longo de um período histórico de 90 anos, e; o artigo 2 (INFUÊNCIA DA MUDANÇA NO USO E COBERTURA DO SOLO SOBRE O REGIME HIDROLÓGICO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO DAS MORTES) trata a relação entre as mudanças ocorridas no uso e cobertura do solo ao longo do período de tempo analisado e seus impactos no estado comportamental do regime hidrológico.
REFERÊNCIAS
ALBUQUERQUE, L. et al. Influence of land use on stremflow from the upper watershed of Rio Verde Grande – MG. Agrarian Sciences jornal, v. 10, n. 2, p. 15-22, 2018.
BATES, C.G., HENRY, A.J. Forest and streamflow experiment at Wagon Wheel Gap, Colorado. Monthly Weather Review Supplement, n. 30, p. 1–79. 1928.
DI BALDASSARRE, G. et al. Drought and flood in the Anthropocene: feedback mechanisms in reservoir operation. Earth System Dynamics, v. 8, p. 225-233. 2016.
FRITSCH. J.-M., Les effets du de´frichement de la foreˆt amazonienne et de la mise en
culture sur l’hydrologie des petits bassins versants. PhD Thesis. Universite´ des Sciences
et
Techniques du Languedoc, Montpellier, 392 p. 1990.
GOMES, N. M. et al. Variabilidade espacial de atributos físicos do solo associados ao uso e ocupação da paisagem. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 11, n. 4, p. 427- 435, 2007.
KIBRIA, K. N. et al. Streamflow trends and responses to climate variability and land cover change in South Dakota. Hydrology, v. 3 n. 1, 2016.
OLIVEIRA, V. A. et al. Land-use change impacts on the hydrology of upper grande river basin, Brazil. Cerne, v. 24, n. 4, p. 334-343, 2018.
ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS – ONU. 5th World Water Forum. Disponível em <http://www.unesco.org/water/wwap/wwdr/wwdr3/ >. Acesso em 24 de maio de 2018. TUCCI, C. E. M. Impactos da variabilidade climática e uso do solo sobre os recursos
hídricos. Brasilia: Fórum Brasileiro de Mudanças Climáticas. 150 p. 2002.
UN-ISDR. Flood and drought disaster statistics. 2017.
VAEZA, R. F. et al. Uso e ocupação do solo em bacia hidrográfica urbana a partir de imagens orbitais de alta resolução. Floresta e Ambiente, v. 17, n. 1, p. 23-29, 2010.
VIEIRA, C. L.; VERDUM, R. Arenização e erosão hídrica no sudoeste do Rio Grande do Sul: Análise dos agentes condicionantes e considerações básicas para intervenções mecânico-vegetativas. Revista de Geografia, v. 32, n. 1, p. 41-65. 2015.
VIOLA, M. R. Simulação hidrológica na cabeceira da bacia hidrográfica do Rio Grande
de cenários de usos do solo e mudanças climáticas A1B. Tese - UFLA. (Doutorado em
Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas). 286 p. 2011.
WINSEMIUS, H.C. et al. Global drivers of future river flood risk. Nature Climate Change, v. 6, p. 381–385. 2016.
ARTIGO 1 – CARACTERIZAÇÃO HIDROLÓGICA DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO DAS MORTES
Query Cardoso Fagundes Carvalho¹; Luiz Fernando Coutinho de Oliveira²; Gilberto Coelho²; Luis Marcelo Tavares de Carvalho³.
Artigo redigido conforme a norma para publicação periódica científica NBR 6022 (ABNT, 2003a). Esse formato segue o manual da UFLA de apresentação de teses e dissertações e será um artigo padrão que poderá atender, em qualquer momento, qualquer norma de revista científica.
1 Mestranda em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, na Universidade Federal de Lavras, Departamento de Engenharia Agrícola (DEG-UFLA), Caixa Postal 3037, CEP 37200-000 Lavras (MG). E-mail:
querycardoso@gmail.com. ²Professor, DRS-UFLA. ³Professor, DCF-UFLA.
RESUMO
Em todo o globo terrestre está havendo uma grande preocupação com as mudanças climáticas e seus impactos nos regimes hidrológicos, tais como, mudanças no regime de chuva e de vazão dos cursos d’água. Este trabalho teve como objetivos, a caracterização física e morfométrica da bacia hidrográfica do Rio das Mortes; a caracterização das vazões mínimas, médias e máximas anuais, média de longa duração e vazões de referência através de análises de distribuição de probabilidade, determinadas pelo emprego do software SisCAH, o qual utilizou as distribuições de probabilidade de Gumbell, Weibul, Pearson 3 parâmetros, LogPearson 2 e 3 parâmetros e LogNormal 2 e 3 parâmetros; a espacialização da precipitação média anual através da interpolação de dados históricos de 12 estações pluviométricas da região da bacia e a aplicação do teste de tendência de Mann-Kendall (MK) nas séries temporais de precipitação e de vazão da bacia, a um nível de significância de 5%. Foi encontrado uma declividade média de 10,68% e uma densidade de drenagem de 2,42 km km-2, sendo considerada como bacia medianamente drenada. O formato mais alongado indica uma menor propensão à enchentes. As estações pluviométricas de Conceição do Ibitipoca e Carandaí, apresentaram tendências crescentes nas médias anuais de precipitação, enquanto as estações de Oliveira e Vargem do Engenho apresentaram tendências de diminuição das chuvas. O menor valor médio mensal de escoamento também apresentou tendência declinante no período de estiagem ao longo do período de 90 anos.
ABSTRACT
All over the earth, there is a great concern about climate change and its impacts on hydrological regimes, such as changes in rainfall and watercourse leakage. The present work aimed to conduct the physical and morphometric characterization of the Rio das Mortes watershed, the characterization of minimum, maximum annual and average long-term flow rate, as well as reference flow rates through analysis of probability distribution using the software SisCAH, which used the Gumbell, Weibul, Pearson 3 parameters, LogPearson 2 e 3 parameters e LogNormal 2 e 3 parameters; the spatialization of the annual average rainfall; the detection of the presence of trends in the flow and rainfall regime of the Rio das Mortes watershed, at a significance level of 5%. An average slope of 10.68% and drainage density of 2.42 km km-2 were observed, with the Rio das Mortes watershed considered as moderately drained. The elongated shape indicate a lower propensity to floods. The rain stations of Conceição do Ibitipoca and Carandaí presented increasing tendencies for the annual average rainfall, while the stations of Oliveira and Vargem do Engenho presented decreasing trends of rains. A significantly decreasing tendency was identified for the flow rate of the month with lowest flow rate over the 90 year period.
1 INTRODUÇÃO
A disponibilidade hídrica de uma bacia hidrográfica depende de inúmeros fatores que vão desde as condições físicas da superfície, do regime pluvial, do escoamento superficial, da recarga dos aquíferos, da evapotranspiração às variabilidades climáticas, bem como da produção de sedimentos e poluição das águas superficiais (SILVA et al., 2017). O ciclo hidrológico consiste no movimento da água no nosso planeta em uma sequência fechada de fenômenos naturais (QUEIROZ e OLIVEIRA, 2013). A bacia hidrográfica pode ser definida como um meio físico que está sujeito a eventos do ciclo hidrológico, como a precipitação da água e seu escoamento superficial até sua foz, no ponto exutório da bacia, onde é aferido a vazão da mesma (LIMA, 2008).
Em 1997 foi instituída a Política Nacional dos Recursos Hídricos, Lei n° 9.433/97, em que foi estabelecida uma gestão descentralizada e participativa dos recursos hídricos no Brasil, a bacia hidrográfica foi adotada como unidade de planejamento e a água foi reconhecida como um bem finito, vulnerável e dotado de valor econômico (BRASIL, 1997). A precipitação pluvial é uma das variáveis que mais influencia na quantidade e distribuição de água em uma bacia hidrográfica. De acordo com Mello e Silva (2013), a precipitação pluvial é o principal fator de entrada de água no ciclo hidrológico. Parte da chuva precipitada é interceptada pela cobertura vegetal, que varia segundo a área foliar, sendo que da parcela não interceptada haverá a partição na superfície do solo entre o escoamento superficial e a infiltração da água no solo.
Ao se fazer uma análise de precipitação em uma bacia hidrográfica, um fator importante a ser considerado é a distribuição geográfica da precipitação. De acordo com a Organização Meteorológica Mundial (OMM), uma estação pluviométrica deve ser implantada em um local que seja representativo da região, podendo abranger um raio de até 100 km (BLAINSKI et al. 2012). Segundo Xue et al. (2019) a variabilidade espacial da precipitação é muitas vezes considerada uma importante fonte de incerteza para os modelos hidrológicos.
As vazões geradas no exutório de uma bacia hidrográfica, para um determinado regime de chuvas, são reflexos das características físicas e morfológicas de uma bacia hidrográfica e também do uso e ocupação do solo. As características físicas mais comuns são, a área da bacia hidrográfica, a amplitude altimétrica, o comprimento da drenagem principal da bacia, a declividade da drenagem e a densidade de drenagem. Para Calil et al. (2012) e Teodoro et al. (2007), as características físicas de uma bacia constituem elementos de grande importância para
avaliação de seu comportamento hidrológico de vez que, ao se estabelecerem relações e comparações entre eles e dados hidrológicos conhecidos, pode-se determinar indiretamente os valores hidrológicos em locais em que faltam dados. Antoneli e Thomaz (2007) ressaltam que a análise de aspectos relacionados à drenagem, relevo e geologia, pode levar à elucidação e compreensão de diversas questões associadas à dinâmica ambiental local.
De acordo com Collischonn e Dornelles (2015), a área de drenagem é fundamental para se definir a potencialidade hídrica de uma bacia hidrográfica, pois a lâmina precipitada multiplicada pela área da bacia define o volume de água recebido em um intervalo de tempo. O formato da bacia hidrográfica, muitas das vezes associada ao seu potencial de geração de inundações, está associado a figuras geométricas, como círculo, quadrado e retângulo, que tem sua quantificação dependente da área da bacia hidrográfica (CAMPOS et al., 2015). De acordo com seu formato, é possível afirmar se a bacia hidrográfica está sujeita ou não à enchentes (VILLELA e MATTOS, 1975).
Caracterizar uma área com base nos aspectos morfométricos permite o conhecimento dos potenciais naturais existentes nela, de modo a facilitar a identificação de áreas de risco de ocupação, ambientes frágeis, impactos ambientais, interferência antrópica e a dinâmica da evolução natural da paisagem (BENATTI et al., 2015).A partir de análises morfométricas de uma bacia hidrográfica realizadas pelo emprego de técnicas de geoprocessamento é possível inferir sobre a dinâmica hidrológica e ambiental da mesma, produzindo resultados rápidos e precisos (FONSECA et al., 2013). A utilização de Modelos Digitais de Elevação (MDE) permite o cálculo de variáveis associadas ao relevo da bacia hidrográfica gerando informações confiáveis e precisas (TRENTIN, 2015). Oliveira et al. (2010) e Batista et al. (2017) afirmam que a avaliação morfométrica pode ser realizada com o conjunto de informações do relevo em ambiente de Sistema de Informações Geográficas (SIG), ou mesmo por geotecnologias, como sensoriamento remoto e geoprocessamento.
A possibilidade de obtenção de dados georreferenciados, obtidos por sensoriamento remoto e a sobreposição de mapas, viabiliza sua elaboração com certa rapidez, permitindo um exame amplo do conjunto de variáveis que são usualmente consideradas nos planejamentos de manejo do solo. Os sistemas de informações geográficas utilizam uma base de dados computadorizada que contém informação espacial (aspectos do meio natural como relevo, solo, clima, vegetação, hidrologia, etc., e os aspectos sociais, econômicos e políticos, que permitem uma divisão temática em subsistemas que integram um SIG, sendo esses componentes os
atributos), sobre a qual atua uma série de operadores espaciais, conjunto de operações algébricas, booleanas e geométricas, utilizadas no cruzamento de dados pelo SIG (CAMPOS et al., 2015).
A rede de drenagem de uma bacia hidrográfica flui em direção à seção de controle, onde é aferida a vazão de escoamento gerada. A vazão é o reflexo dos fatores naturais e antrópicos no âmbito da bacia hidrográfica, como os eventos extremos de precipitação e mudanças no uso e cobertura do solo, podendo ser estudada em termos de sua probabilidade de ocorrência e de períodos de retorno conforme a sua variação natural ao longo do tempo (OLIVEIRA, 2008).
O estudo do comportamento da vazão de um curso d’água é de suma importância para se prever épocas de secas e cheias, implementar planos de gestão dos recursos hídricos, incluindo a outorga, além de dar subsídios ao dimensionamento de obras hidráulicas (ROSSI e THEBALDI, 2017). As vazões geradas em uma bacia hidrográfica têm sido analisadas com relação aos seus valores mínimos, médios e máximos, levando-se em consideração as relações existentes entre as características climáticas, físicas e morfológicas da bacia de drenagem (GOMES e MATTOS, 1999). As vazões mínimas indicam a disponibilidade de água de uma bacia hidrográfica, representando a condição crítica da bacia e, são caracterizadas pelos menores valores de uma série histórica de vazões, sendo importantes para o desenvolvimento de projetos de abastecimento de água, irrigação, energia elétrica, outorga de água, entre outros (TUCCI, 2002).
As vazões mínimas ocorrem quando há uma menor disponibilidade de água, e muitas vezes há uma maior demanda, ou seja, durante os períodos secos (ZHANG et al., 2007). A vazão mínima estatística mais utilizada em estudos de disponibilidade é a Q7,10, valor
correspondente à média da vazão de estiagem com duração de 7 dias consecutivos com período de retorno de 10 anos, a qual é fornecida pela distribuição estatística que melhor se ajusta a esta variável. A Q7,10 representa a situação crítica de escassez, onde sua adoção como vazão de
referência elimina o risco de suspensão dos usos outorgados na bacia (OLIVEIRA e FIOREZE, 2011).
As vazões de referências Q90% e Q95%, que representam as vazões em que 90% ou 95%
do tempo, se têm valores iguais ou superiores em uma determinada seção do curso d’água, são também utilizadas como critério para outorga por órgãos gestores (BEZERRA et al., 2013). Essas vazões de referência são extraídas da curva de permanência, a qual é definida por Vogel e Fennessey (1994) como a relação entre a magnitude e frequência de vazões, na qual se obtem
a estimativa de percentagem de tempo em que uma dada vazão é superada ou igualada. A curva de permanância relaciona a vazão com a sua probabilidade de ocorrência ao longo do tempo e, o período de retorno corresponde a uma vazão ao tempo médio em que esta pode ser inferiorizada ou igualada (BAZZO et al., 2017).
As vazões máximas correspondem à maior vazão que ocorre em uma seção de controle de um rio e representa a condição de inundação do local, tendo grande importância no planejamento ambiental e na segurança de obras hidráulicas. Essa variável hidrológica é necessária no controle, atenuação das cheias e segurança dos projetos de engenharia, como o dimensionamento de bacias de contenção, redes de drenagens urbanas e rurais e obras hidráulicas de uma maneira geral (TUCCI, 2002).
Para a estimativa das vazões de projeto, geralmente, ajusta-se uma distribuição teórica de probabilidade aos dados observados e, com base nesta distribuição estatística, estima-se os valores da vazão mínima ou máxima, associada à uma dada probabilidade (BARROS et al., 2018). Existem várias distribuições de probabilidade que podem ser aplicadas nos estudos das vazões, dentre as quais, Naghettini e Pinto (2007) destacam as distribuições generalizadas de eventos extremos (GEV), Gumbel, LogNormal, Pearson, LogPearson, Weibull e Exponencial.
Silva et al. (2006) avaliaram a aplicação de modelos de probabilidade às séries históricas de vazões mínimas diárias anuais e mínimas anuais das médias de 7 dias consecutivos, para 7 estações fluviométricas à montante do reservatório da Usina Hidrelétrica de Camargos e verificaram que, os modelos de probabilidade Gumbel e LogNormal a 3 parâmetros mostraram-se adequados aos dados de vazões mínima diária anual e mínima média de 7 dias; no entanto o modelo LogNormal 3 parâmetros produziu ajustes de melhor qualidade. Pereira e Caldeira (2018) avaliaram a adequabilidade da distribuição de Gumbel ao ajuste da série histórica de 33 anos de vazões mínimas provenientes da sub-bacia do Rio Negro e verificaram que a aplicação do modelo de Gumbel demonstrou adequado para períodos de retorno menores que 20 anos, após isso a distribuição não se adere à série histórica.
Os principais problemas ligados aos recursos hídricos são os períodos de cheias e de estiagem. A necessidade de compreender as tendências das séries temporais se torna imprescindível nos estudos que envolvem os impactos antrópicos no regime hidrológico. Uma vez que as atividades antrópicas alteram continuamente as características de ambos os extremos hidrológicos (DESTOUNI et al., 2013; HALL et al., 2014).
Ao se trabalhar com séries históricas de dados, muitas vezes ocorrem falhas na coleta das informações em decorrência de vários fatores, como por exemplo, a ausência do medidor, mau funcionamento dos equipamentos ou erros sistemáticos de leitura, os quais podem ser preenchidos aplicando registros regionais que permitem a estimativa confiável dos valores de precipitações faltantes usando dados de outra bacia (OLIVEIRA et al., 2010).
Nas análises de séries históricas, a tendência das informações temporais, geralmente é verificada com aplicação de testes não paramétricos. O teste de Mann-Kendall vem sendo muito utilizado em estudos hidrológicos com o objetivo de avaliar a significância de tendências temporais de variáveis como precipitação, vazão e qualidade da água (ANDRADE et al., 2019). Wang et al. (2013) analisaram 75 estações pluviométricas utilizando o teste de Mann-Kendall na bacia hidrográfica do rio Amarelo, na China, no período temporal de 1959 a 2008. Foram encontradas tendências positivas e negativas nos índices de precipitação, mas a maioria das séries históricas não apresentaram tendências significativas ao nível de confiança de 95%. Mediero (2014), Bormann (2011), Do (2017) e Chang (2018) também utilizaram o teste de Mann-Kendall para detecção de tendências em séries hidrológicas. Mediero et al. (2014) detectou tendência decrescente na magnitude e frequência de inundações na Espanha no período de 1942 a 2009. Do et al. (2017) analisou tendências em séries históricas de vazão e encontrou mais tendências decrescentes significativas do que tendências crescentes de dados do Global Runoff Data Center, que possui registros de todo o mundo. Chang et al. (2018) analisou os dados de estações fluviométricas da bacia hidrográfica do Rio Amarelo, na China, e não encontrou tendências significativas a um nível de significância de 95%, no período de 1956 a 2013. Bormann et al. (2011) analisou tendências de 5 rios da Alemanha, e encontrou tendências decrescentes de vazão para os rios Danúbio e Weser, e tendências crescentes para os rios Ems, Fulda e Leine.
Este trabalho teve como objetivos, a caracterização física e morfométrica da bacia hidrográfica do Rio das Mortes; a caracterização das vazões mínimas, médias e máximas anuais, média de longa duração e vazões de referência através de análises de distribuição de probabilidade, determinadas pelo emprego do software SisCAH; a espacialização da precipitação média anual através da interpolação de dados históricos de 12 estações pluviométricas da região da bacia e a aplicação do teste de tendência de Mann-Kendall (MK) nas séries temporais de precipitação e de vazão da bacia, a um nível de significância de 5%.
2 METODOLOGIA
2.1 Bacia hidrográfica do Rio das Mortes
A escolha da área estudada nesse trabalho foi devida principalmente à importância da área na disponibilidade hídrica da região, e no tocante à preservação ambiental pois a área é propensa a erosão do tipo voçoroca.De acordo com Ferreira e Ferreira (2009), a porção central da bacia do Rio das Mortes, sofre alterações pelas atividades antrópicas, interferindo em áreas com solos e relevo que favorecem os processos erosivos. Essas atividades impactam na dinâmica hidrossedimentológica, inferindo no ciclo hidrológico e na biodiversidade aquática. Os processos erosivos da região da bacia do Rio das Mortes, são frutos principalmente de práticas agrícolas inadequadas, aberturas de estradas vicinais, exploração dos recursos minerais, dentre outros, os quais colaboram para a degradação dos recursos hídricos, pelo carreamento de sedimentos para os mananciais (IGAM, 2013). Vale ressaltar que nas cidades as margens dos cursos d’águas, como Barbacena, Dores de Campo e Carandaí, por exemplo, sofreram uma degradação acelerada dos mananciais, principalmente pela retirada total das proteções ciliares, disposição de dejetos e lixo, alterando o corpo hídrico da região (IGAM, 2013).
A bacia hidrográfica do Rio das Mortes, está inserida na Unidade de Planejamento e Gestão de Recursos Hídricos Vertentes do Rio Grande (UPGRH-GD2), que contempla as bacias do Rio da Mortes, do Rio Jacaré e do Rio Cervo (IGAM, 2013). O Rio das Mortes é um dos principais tributários do Rio Grande, cuja nascente localiza-se entre as divisas dos municípios de Barbacena e Senhora dos Remédios, nas encostas da serra da Mantiqueira, a uma altitude de 1.200 m e percorre 250 km até desaguar no reservatório da usina hidrelétrica do Funil (UHE FUNIL), situado no rio Grande, dentro dos limites do município de Ibituruna, MG (MINAS GERAIS, 2010). A bacia hidrográfica do Rio das Mortes possui área de drenagem de 6.050 km² e engloba (total ou parcialmente) 23 municípios com população estimada em 522.135 habitantes (ANA, 2017).
A bacia hidrográfica do Rio das Mortes localizada na mesorregião dos Campos das Vertentes em Minas Gerais, possui relevo ondulado a suave-ondulado, com predominância de Cambissolos na região de cabeceira e Latossolos nas regiões onde o relevo é mais suave. A medida com que o Rio das Mortes vai se encaminhando para sua foz, os solos Latossolos vermelho-amarelo distróficos vão aparecendo com maior frequência (AMÂNCIO, 2016). Os
usos do solo mais encontrados na bacia segundo o Plano Diretor de Recursos Hídricos do Rio das Mortes (IGAM, 2013) estão relacionados à agropecuária, como as lavouras irrigadas e a pecuária, associados a manejos inadequados, com a ocorrência de voçorocas e processos erosivos localizados. Atividades de extrativismo mineral também são bem expressivas na região (MINAS GERAIS, 2010). A unidade geomorfológica Planalto dos Campos das Vertentes, onde está inserida a bacia hidrográfica do Rio das Mortes, é caracterizada por paisagens conhecidas como “mares de morros”, em que o relevo possui formas alongadas com topos convexos e ravinamentos, principalmente onde as rupturas de declive são mais acentuadas (IGAM, 2013). A declividade média da bacia varia entre 8,0 e 20,0%.
Na região do Rio Elvas, o principal tributário do Rio das Mortes, próximo a São João Del Rei, estão as áreas mais expressivas de acumulação fluvial, chamada planície fluvial, propícia a inundações periódicas (IGAM, 2013). Já nas regiões dos municípios de São Tiago e Bom Sucesso, são encontradas as maiores concentrações de voçorocas, em diversos estágios, variando entre ativas, em processo de ocupação por vegetação, e inativas, já cicatrizadas (IGAM, 2013).
No Plano Diretor de Recursos Hídricos do Rio das Mortes, o Instituto Mineiro de Gestão das Águas – IGAM (2013) ressalta que foram encontrados elevados teores de sólidos em suspensão na calha principal do Rio das Mortes, resultado do carreamento de sedimentos oriundos de processos erosivos, como voçorocas, da disposição inadequada de rochas ornamentais extraídas na região, e de agregados de construções civis das cidades ribeirinhas.
Com relação à vegetação, a bacia do Rio das Mortes está inserida em uma área de transição entre os Biomas Cerrado e Floresta Atlântica (VIOLA, 2011), onde as principais regiões fitoecológicas encontradas são do tipo Campo e Campo Rupestre nas regiões de cabeceira e, Floresta Estacional Semidecidual Montana, Floresta Ombrófila Alto Montana e Floresta Ombrófila Montana ao longo de sua extensão territorial (MINAS GERAIS, 2008; SCOLFORO; CARVALHO, 2006).
O clima predominante na bacia hidrográfica do Rio das Mortes é o tropical de altitude, com as médias mensais variando entre 18 e 22°C. Nas regiões mais altas que se localizam na serra da Mantiqueira, as mínimas absolutas chegam a valores inferiores a 5°C, já nos vales fluviais, na região central da bacia, as temperaturas máximas atingem valores extremos de até 35°C.
De acordo com a classificação de Köppen, o clima da bacia é do tipo Cwb, ou seja, subtropical de altitude com inverno seco e verão ameno. Os meses de setembro a março, coincidentes com as estações primavera/verão, são os mais chuvosos, enquanto que os meses de estiagem coincidem com o outono/inverno, de abril a setembro. Os índices pluviométricos variam de 1.000 mm a 1.500 mm anuais, sendo a ocorrência dos maiores índices nas regiões mais altas da bacia e, os menores se encontram nas regiões dos vales fluviais (IGAM, 2013).
A Figura 1 apresenta o mapa da bacia hidrográfica do Rio das Mortes, o mapa de solos (IBGE, 2001) e vegetação (IBGE, 1992), com destaque para os municípios inseridos dentro da sua área de drenagem (ANA, 2017).
Figura 1 Bacia hidrográfica do Rio das Mortes.
2.2 Caracterização Física e Morfométrica da Bacia hidrográfica do Rio das Mortes
A projeção dos mapas apresentados nesse estudo foi definida para o sistema de coordenadas Universal Transversa de Mercato (UTM) com referência geográfica Datum WGS1984, zona 23, Hemisfério Sul. As características físicas e morfométricas da bacia hidrográfica do Rio das Mortes foram obtidas por meio de Sistema de Informações Geográficas (SIG) em ambiente ArcGIS 10.3 (ESRI, 2015).
A bacia hidrográfica do Rio das Mortes foi delimitada considerando como ponto de controle a estação fluviométrica de Ibituruna, última estação fluviométrica antes do seu deságue no Rio Grande. Para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes, foi gerado um Modelo Digital de Elevação (MDE), a partir de curvas de nível com equidistâncias de 30m referente à folha de nome 21S45ZN, disponibilizadas no site do Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais (INPE, 2016), adquiridos pelo programa espacial Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), em escala de 1:250.000, os quais fornecem informações altimétricas da terra. Esses dados foram disponibilizados gratuitamente na internet.
Foi realizado o preenchimento das depressões com base na média das altitudes para garantir o delineamento adequado de bacias e fluxos. Determinou-se a direção de fluxo do terreno a partir do Modelo Numérico do Terreno e os limites da bacia foram definidos a partir da identificação dos canais de fluxo de vazão e pontos de cumeadas.
O comprimento dos cursos d’água da bacia, assim como do Rio das Mortes, foram extraídos de dados disponibilizados pelo IGAM (2010).
O mapa de declividade da bacia hidrológica foi executado a partir do cálculo de declividade em graus a partir do MDE. A declividade média da bacia está relacionada com a velocidade em que se dá o escoamento superficial, ou seja, o tempo que leva a água da chuva para concentrar-se nos leitos fluviais. Obteve-se o mapa clinográfico a partir de transformação do MDE.
Existem vários índices na literatura que relacionam o formato de uma bacia hidrográfica às formas geométricas, como o coeficiente de compacidade (Kc) e o fator de forma (Kf), os quais foram utilizados neste trabalho.
O fator de forma (Kf) (Equação 1) relaciona a largura média e o comprimento axial da bacia. De acordo com Villela e Mattos (1975) uma bacia com fator de forma baixo, corresponde a uma bacia mais estreita e longa, onde a contribuição de seus tributários chega ao rio principal
em vários pontos ao longo de sua trajetória, diminuindo a concentração de todo o deflúvio em um ponto só. Kf = A L ² (1) em que: Kf = fator de forma;
A = área da bacia hidrográfica (km²);
L = comprimento axial da bacia hidrográfica (km).
O coeficiente de compacidade (Kc) ou índice de Gravelius (Equação 2) é um número adimensional que estabelece a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual à da bacia, variando com a forma da bacia independente do seu tamanho. Quanto maior este índice (Tabela 1), mais irregular será a bacia, e menores os riscos de concentração rápida da água das chuvas para o canal principal (VILLELA e MATTOS, 1975).
Kc = 0,28 P
√A
(2) em que:
Kc = coeficiente de compacidade;
P = perímetro da bacia hidrográfica (km); e A = área da bacia hidrográfica (km²).
Tabela 1 Valores e interpretação do coeficiente de compacidade (Kc) e fator de forma (Kf). Kc Kf Formato da bacia Interpretação ambiental da bacia 1,00 - 1,24 1,00 - 0,75 Redonda alta tendência à enchentes 1,25 - 1,50 0,75 - 0,50 Ovalada tendência mediana à enchentes 1,50 - 1,70 0,50 - 0,30 Oblonga baixa tendências à enchentes
> 1,70 < 0,30 Comprida bacia com tendência a conservação Fonte: adaptado de Villela e Mattos (1975).
A densidade de drenagem é reconhecida como uma das variáveis mais importantes para a análise morfométrica das bacias de drenagem, representando o grau de dissecação topográfica em paisagens elaboradas pela atuação fluvial, ou expressando a quantidade disponível de canais
para o escoamento e o controle exercido pelas estruturas geológicas (CARDOSO et al., 2006). A densidade de drenagem Dd (Equação 3), é definida como a relação entre o comprimento dos
canais que compõem a rede de drenagem e a área da bacia hidrográfica, estabelecendo assim um importante índice morfométrico para o estudo dos diversos controles atuantes sobre a drenagem (SILVA et al., 2009).
Dd = ∑ L
A
(3) em que:
Dd = densidade de drenagem (km);
∑ L = soma dos comprimentos dos cursos d’água que compõem a rede drenagem (km km-2).
A = área da bacia hidrográfica (km²).
De acordo com Villela e Mattos (1975), a densidade de drenagem pode variar de 0,5 km km-2, em bacias com baixa drenagem, à 3,5 km km-2 ou mais, em bacias bem drenadas. Em locais onde a infiltração é mais dificultada, ocorre maior escoamento superficial, sendo possível também maior esculturação da rede hidrográfica, cuja consequência é uma densidade de drenagem mais alta (CALIL et al., 2012).
2.3 Teste de tendência de Mann-Kendall
A análise de tendência no comportamento das vazões e precipitações foi realizada com aplicação do teste não paramétrico sequencial de Mann-Kendall, metodologia que vem sendo muito utilizada em estudos hidrológicos com o objetivo de avaliar a significância de tendências temporais de variáveis como precipitação, vazão, temperatura e qualidade da água (ANDRADE et al., 2019). Para tal, as séries históricas foram analisadas aplicando o teste de Mann-Kendall (SNEYERS, 1975) em algoritmos do pacote Non-Parametric Trend Tests and Change-Point
Detection, desenvolvidos na linguagem R.
Inicialmente em uma série temporal de N termos (Z1, Z2, ..., Zn) independentes e
hipótese alternativa H1, é aceita quando existe tendência na série de dados. Ao se comparar
cada valor da série temporal, par a par, sempre em ordem sequencial cronológica de todos os pares de elementos da série histórica, e somando 1, 0 ou -1, segundo a ordem crescente ou decrescente, é obtida a estatística “T” do teste (Equação 4).
T = ∑𝑁−1𝑖=1 ∑𝑁𝑗=𝑖+1𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙[𝑍𝑗 − 𝑍𝑖] (4) em que: sinal (Zi – Zj) = { +1; 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑍𝑗 − 𝑍𝑖 > 0 0; 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑍𝑗 − 𝑍𝑖 = 0 −1; 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑍𝑗 − 𝑍𝑖 < 0
Como os cálculos do teste de Mann-Kendall, baseiam-se no sinal das diferenças e não nos valores da variável, os resultados são pouco afetados por outliers.
Segundo Moreira et al. (2016), a estatística do teste apresenta média E(S) e variância (S) dadas respectivamente por (Equação 5).
E[S] = 0 Var[S] = 𝑛 (𝑛−1)(2𝑛+5)
18
(5)
O valor da estatística Z é dado pela Equação 6.
Z = { 𝑆 − 1 √𝑉𝑎𝑟(𝑆); 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑆 > 0 0; 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑆 = 0 𝑆 + 1 √𝑉𝑎𝑟(𝑆); 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑆 < 0 (6)
A estatística Z é, portanto, apresentada na Equação 7. Z= |𝑇|
√𝑉𝑎𝑟(𝑆)
(7)
O valor crítico do teste de Mann-Kendall é definido em α/2, sendo que hipótese nula (Ho) é rejeitada se o valor da estatística do teste é maior do que o valor crítico da estatística do teste, ou seja, quando existe uma tendência significativa na série temporal e vice-versa.
As tendências foram analisadas a um nível de significância de 5% neste trabalho, o que retorna um valor de Z = 1,96. O nível de significância pode ser interpretado como a probabilidade de cometer-se o erro de rejeitar as hipóteses quando estas forem verdadeiras. Analisando o sinal da estatística Z, conclui-se que a tendência é positiva (Z > 0), na qual os dados crescem com o tempo, ou negativa (Z < 0), quando há uma tendência decrescente dos dados.
2.4 Caracterização pluviométrica
Os dados de precipitações utilizados nesse estudo foram extraídos do sistema de informações hidrológicas HidroWeb da Agência Nacional de Águas (ANA). As estações analisadas foram selecionadas a partir do critério de distribuição espacial das estações localizadas no interior da bacia e no seu entorno, que possuíam uma série histórica de no mínimo 49 anos de observação, resultando em 12 estações pluviométricas listadas na Tabela 2.
Tabela 2 Estações pluviométricas utilizadas. Código da Estação Estação Pluviométrica Município Latitude S Longitude O Altitude (m) Período dos dados 2144007 Madre de Deus de Minas Madre de Deus de Minas 21°29’31” 44°19’33” 875 1942 - 2016 2143011 Conceição do
Ibitipoca Lima Duarte 21°45’28” 43°55’04” 970 1942 - 2010 2044001 Oliveira Oliveira 20°41’00” 44°49’00” 967 1941 - 1989 2144005 Itumirim Itumirim 21°19’15” 44°52’22” 807 1942 - 2015 2143007 Vargem do
Engenho Barbacena 21°11’34” 43°36’50” 1120 1942 - 2015 2044009 Fazenda Campo
Grande Passa Tempo 20°37’31” 44°26’00” 915 1943 - 2016 2043018 Carandaí Carandaí 20°57’21” 43°48’03” 1057 1942 - 2015 2143006 Barroso Barroso 21°11”13” 43°58’48” 881 1942 - 2000 2143009 Usina Barbacena Barbacena 21°16’28” 43°52’42” 1030 1942 - 2014 2143005 Campolide Barbacena 21°16’44” 43°49’12” 997 1942 - 2010 2144009 Porto do Elvas Tiradentes 21°09’54” 44°08’08” 880 1942 - 2000 2144002 Porto Tiradentes Santa Cruz de
Minas 21°07’21” 44°13’57” 956 1941 - 2003
Foi realizado o preenchimento de falhas das séries históricas da precipitação média mensal empregando o método do Inverso do Quadrado das Distâncias (IQD) com base nas informações coletadas nas estações pluviométricas vizinhas, entre os períodos de 1941 a 2016, totalizando uma série histórica de 76 anos. A essa série histórica, assim como para cada série histórica de precipitação de cada estação pluviométrica, foram aplicados o teste de tendência de Mann-Kendall.
Foi produzido um mapa de distribuição espacial da precipitação média anual da bacia hidrográfica do Rio das Mortes utilizando dados de precipitações interpolados pelo inverso do quadrado da distância, assumindo que cada valor diminui com a distância de sua localização, usando uma combinação linear ponderada dos pontos amostrados.
2.5 Caracterização fluviométrica
A estação fluviométrica utilizada neste estudo está localizada na foz do Rio das Mortes, dentro dos limites do município de Ibituruna, MG, (Código 61135000), cujo ponto exutório encontra-se nas coordenadas de latitude 21°08’35” S e longitude 44°44’18” O.
Para as análises das vazões, empregou-se a série histórica extraída do sistema HidroWeb e o Sistema Computacional para Análises Hidrológicas – SisCAH em sua versão 1.0, software desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa em Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, que processam dados das séries históricas obtidas nas estações fluviométricas (SOUZA et al., 2009).
Nas análises da série histórica de vazão foram determinadas as vazões máximas e mínimas anuais associadas aos períodos de retorno de 5, 10, 25, 50 e 100 anos, as vazões médias mensais e as de longa duração, a vazão mínima média no intervalo de 7 dias e período de retorno de 10 anos (Q7,10), vazão média dos períodos de cheia (novembro a abril) e seca (maio a
outubro), vazão média do mês de maior e menor vazão e a curva de permanência.
Para estimar as vazões para diferentes períodos de retorno é necessário o ajuste dos parâmetros das distribuições de probabilidade. No SisCAH estão implementadas as distribuições de probabilidade de Gumbel, LogNormal tipo 2 e 3, Pearson tipo 3, LogPearson tipo 3 e Weibull. A magnitude do evento associado ao período de retorno é obtida pelo emprego da Equação 6, em que o valor do fator de frequência é obtido conforme as funções de distribuição de frequência contempladas no SisCAH.
M = μ + K σ (6)
em que:
= média dos eventos; K = fator de frequência; e σ = desvio padrão dos eventos.
O intervalo de confiança do evento foi determinado para o nível de confiança de 95%, ou seja (Equação 7).
M – 1,96 < < M – 1,96 (7)
em que:
M = magnitude do evento;
= erro padrão pertinente a cada função de probabilidade; e = intervalo de confiança ao nível de confiança de 95%.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Caracterização Física e Morfométrica da Bacia Hidrográfica do Rio das Mortes
As características físicas e morfológicas de uma bacia hidrográfica são importantes porque essas influenciam diretamente no seu regime de escoamento das águas. Essas características são analisadas com o intuito de prever o comportamento do escoamento da bacia em eventos de fortes precipitações (SINGH, 2015). Na tabela 3 estão apresentados os parâmetros de caracterização física e morfométrica da bacia hidrográfica do Rio das Mortes analisados. A área da bacia hidrográfica do Rio das Mortes obtida via SIG foi de 6.050,0 km² e o comprimento do rio principal de 245,0 km.
Tabela 3 Características físicas e morfométricas da bacia hidrográfica do Rio das Mortes. Características Parâmetro Valor Unidades Geométrica e
morfométrica
Área da bacia (A) 6050,17 km² Perímetro (P) 522,34 km Comprimento axial da bacia (L) 120,96 km Coeficiente de compacidade (Kc) 1,88 -
Fator de forma (Kf) 0,42 -
Relevo
Declividade média da bacia (S) 10,68 % Atitude mínima 842,57 m Altitude média 1042,49 m Altitude máxima 1407,14 m Rede de drenagem
Comprimento do curso d'água principal (Lr) 245,36 km
Comprimento total dos cursos d'água (Lt) 14617,87 km
Densidade de drenagem (Dd) 2,42 km km-2
A Figura 2 apresenta o Modelo Digital de Elevação da bacia hidrográfica do Rio das Mortes e o mapa clinográfico, a partir do qual foram extraídas as informações de altitude. A altitude média da bacia gira em torno de 1.042 m, enquanto a maior é 1.407 m e a menor, 842 m. No mapa as áreas mais azuladas apresentam as regiões mais baixas, enquanto as áreas mais avermelhadas são as regiões mais altas da bacia.
Figura 2: Modelo Digital de Elevação e declividade da bacia hidrográfica do Rio das Mortes – MG.
Fonte: autor.
A declividade média encontrada para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes foi de 10,68%, que corresponde a um relevo ondulado, segundo classificação da Embrapa (1979). Oliveira (2013) encontrou declividade de 17,5% em estudo sobre regionalização de vazões para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes. Tal diferença também pode ter se dado pela divergência de localização do ponto exutório da bacia. Apesar da divergência na declividade da bacia, os coeficientes de compacidade (Kc) e de forma (Kf) foram de 1,88 e 0,42, respectivamente,
valores próximos aos encontrados por Oliveira (2013), de 2,0 e 0,44, respectivamente. De acordo com os coeficientes Kc e Kf da bacia hidrográfica do Rio das Mortes, a bacia apresenta
menor tendência a enchentes, por apresentar formato mais alongado. Esses índices sugerem que seu formato, retarde e reduza as vazões de pico, ou seja, em uma bacia de mesma área, o mesmo volume de chuva precipitado teria maior fluxo de vazão e menor tempo de duração em bacias de formato mais arredondados, apresentando maior risco de enchentes.
Somando todos os comprimentos de todos os talvegues de cursos d’água que compõem a rede de drenagem da bacia hidrográfica do Rio das Mortes, obteve-se o comprimento total
dos cursos d’água de 14.617,0 km. Na totalização do comprimento dos cursos d’água que compõem a rede de drenagem, permitindo assim a obtenção da densidade de drenagem de 2,42 km km-2. Resultado parecido foi encontrado por Cardoso et al. (2006) que obteve a densidade de drenagem na bacia hidrográfica do rio Debossan de 2,35 km km-2, em que os autores enquadraram a bacia como medianamente drenada, valor próximo ao obtido neste trabalho.
3.2 Análise de tendências
O resultado do teste não paramétrico de Mann-Kendall para a precipitação total anual da bacia hidrográfica do Rio das Mortes apresentou estatística de Z = 0,6413, mostrando que a série histórica de precipitação média da bacia não possui tendência (Hipótese Ho), dentro dos limites de confiabilidade a nível de 95%. A hipótese aceita foi a de que as observações da série histórica são independentes e identicamente distribuídas, ou seja, os valores da sequência flutuam aleatóriamente em torno de um valor médio, que permanece constante no tempo, e a dispersão dos dados em torno da média também permanece constante, o que caracteriza a estacionariedade da série histórica (CLARKE, 2003). A série histórica de precipitação total anual média para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes é considerada uma série estacionária, onde os parâmetros estatísticos permanecem constantes ao longo do tempo.
Analisando os dados históricos de cada estação pluviométrica individualmente, foi observado a presença de tendências significativas em 4 estações pelo teste de Mann-Kendall (Tabela 4). O nível de significância α descreve a probabilidade de ser encontrado um valor mais extremo que o observado na amostra. Para as estações pluviométricas de Conceição do Ibitipoca e Carandaí foram observadas tendências crescente da precipitação ao longo dos anos, enquanto que para as estações pluviométricas de Oliveira e Vargem do Engenho foram detectadas tendências decrescente da precipitação no período de tempo analisado. As outras 8 estações analisadas não apresentaram tendências nos seus dados, pois possuem eventos de chuvas em torno da média de suas precipitações anuais.
Tabela 4 Teste de tendências de Mann-Kendall para as estações pluviométricas analisadas. Estação n Resultado Tendência |Z| valor - p Madre de Deus de Minas 76 Não rejeita Ho NE 0,148 0,882 Conceição do Ibitipoca 69 Rejeita Ho Positiva 2,429 0,015 Oliveira 49 Rejeita Ho Negativa 4,370 0,000 Itumirim 76 Não rejeita Ho NE 0,283 0,778 Vargem do Engenho 76 Rejeita Ho Negativa 2,077 0,038 Fazenda Campo Grande 76 Não rejeita Ho NE 0,875 0,382 Carandaí 76 Rejeita Ho Positiva 3,054 0,002 Barroso 59 Não rejeita Ho NE 0,902 0,367 Usina Barbacena 76 Não rejeita Ho NE 0,875 0,382 Campolide 69 Não rejeita Ho NE 1,777 0,076 Porto do Elvas 59 Não rejeita Ho NE 0,105 0,917 Porto Tiradentes 63 Não rejeita Ho NE 0,113 0,910
n = número de eventos da série histórica; NE = não existe tendência nos dados.
O teste de tendência de Mann-Kendall foi aplicado para a série histórica de vazão dividida nas séries históricas apresentadas na Tabela 5. Foi encontrada tendência significativa apenas para a série histórica da média do mês de menor vazão, apresentando tendência decrescente, indicando uma diminuição do fluxo de escoamento da bacia nos períodos de seca ao longo dos anos. As séries históricas de vazões mínimas, médias e máximas anuais, assim como as séries históricas de vazão média mensal, vazão média dos períodos de cheia (novembrio a abril) e seca (maio a outubro) e vazão média do mês de maior vazão não apresentaram tendências significativas no período de tempo analisado. Mostrando que seus valores estão em torno de uma média, sem a presença de uma tendência crescente ou decrescente ao longo dos anos analisados para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes.
Melo et al. (2019) analisando dados de 13 estações fluviométricas da bacia hidrográfica do Rio das Velhas (MG) não encontraram tendência estatística significativa em nenhuma das séries históricas de vazões utilizando o teste de tendência de Mann-Kendall.
Os valores do mês de menor vazão vêm diminuindo ao longo dos anos, como comprova o teste de Mann-Kendall para a série histórica. Na figura 3 é possível a observação da tendência decrescente pela plotagem da série histórica com linha de tendência em ambiente GRETL.
Tabela 5 Resultados do teste de tendência de Mann-Kendall para as séries históricas de vazões máximas, médias, mínimas anuais, média mensal, média do período chuvoso, média do período de estiagem e média do mês de menor vazão por ano.
Séries históricas n Resultado Tendência |Z| valor - p Vazão mínima anual 90 Não rejeita Ho NE 0,962 0,336 Vazão média anual 90 Não rejeita Ho NE 0,977 0,329 Vazão média mensal 1061 Não rejeita Ho NE 1,539 0,124 Vazão média do período de cheia 89 Não rejeita Ho NE 1,244 0,214 Vazão média do período de seca 90 Não rejeita Ho NE 1,599 0,109 Vazão média do mês de maior valor 89 Não rejeita Ho NE 1,067 0,286 Vazão média do mês de menor valor 90 Rejeita Ho Negativa 1,969 0,049 Vazão máxima anual 90 Não rejeita Ho NE 1,662 0,097 NE = não existe.
Figura 3 Série histórica da média do mês de menor vazão por ano.
3.3 Precipitações
Analisando a série temporal das precipitações totais anuais da bacia hidrográfica do Rio das Mortes, observa-se um comportamento sazonal e estacionário (Figura 4). Na análise
exploratória dos dados compreendidos entre os anos de 1941 a 2016 foram verificados que a média da precipitação média total anual para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes foi de 1.469,81 mm, a mediana 1.464,80 mm, com desvio padrão de 238,60 mm. A maior média de precipitação observada foi referente ao ano de 1983, atingindo o valor de 2.095, 21 mm, e a menor média foi de 745,60 mm observada no ano de 1963. Castro et al. (2008) comenta que a precipitação média anual da região compreendida pelos municípios de Bom Sucesso, São Bento Abade e São João del Rei é de 1411 mm. Amâncio et al. (2018) verificaram que as médias anuais de precipitação são de 1470 mm para as sub-bacias hidrográfica dos Rios Capivari e Mortes.
Figura 4 Precipitações médias anuais na bacia hidrográfica do Rio das Mortes para o período de 1941 a 2016.
Na Tabela 6 pode-se observar que as médias pluviais da bacia hidrográfica do Rio das Mortes variam de 1391 a 1605 mm anuais. De acordo com o mapa de distribuição espacial e temporal de chuvas para a bacia hidrográfica do Rio das Mortes (Figura 5), observa-se uma maior concentração nas áreas mais elevadas da bacia, enquanto que as áreas mais próximas ao leito fluvial apresentam menores valores, como na estação de Vargem do Engenho, que possui a cota altimétrica e média pluviométrica mais altas, 1120 m de altitude e 1605,10 mm de média, localizada na região nordeste do município de Barbacena e na estação pluviométrica de
Conceição do Ibitipoca, a 970 m de altitude e média pluviométrica de 1581,90 mm, no município de Lima Duarte.
Tabela 6 Precipitação média anual para cada estação.
Estação Pluviométrica Precipitação média (mm) Altitude (m) Madre de Deus de Minas 1.511 875
Conceição do Ibitipoca 1.581 970 Oliveira 1.363 967 Itumirim 1.474 807 Vargem do Engenho 1.605 1.120 Fazenda Campo Grande 1.497 915
Carandaí 1.466 1.057 Barroso 1.391 881 Usina Barbacena 1.444 1.030 Campolide 1.450 997 Porto do Elvas 1.425 880 Porto Tiradentes 1.490 956
Figura 5 Mapa de distribuição espacial da precipitação média anual da bacia do Rio das Mortes – MG.
3.4 Vazões
A Figura 6 apresenta o comportamento das vazões médias mensais observadas na estação fluviométrica de Ibituruna, no período de 1925 à 2014, na qual pode-se observar uma sazonalidade na série temporal, com valores flutuando entre 18,55 e 603,43 m3s-1. Na sequência serão analisadas as vazões mínimas, máximas e média na bacia hidrográfica do Rio das Mortes.
Figura 6 Comportamento sazonal da vazão média mensal para o período de 1925 à 2014.
3.4.1 Vazões mínimas
As vazões mínimas com 7 dias de duração e período de recorrência de 10 anos (Q7,10)
foram estimadas pelas distribuições estatíticas de Weibull, Pearson a 3 parâmetros, LogPearson a 3 parâmetros, LogNormal 2 e 3 parâmetros, apresentando valores entre 25,53 e 26,02 m³s-¹ (Tabela 7). Verificou-se que as distribuições de Weibull, LogPearson 3 e Pearson 3 foram as que apresentaram os menores erros padrões, portanto melhor ajuste, enquanto as distribuições que apresentaram os maiores erros padrões foram as distribuições de LogNormal 2 e 3 parâmetros. Almeida et al. (2014) também encontraram em análises de vazões mínimas Q7,10,
que a distribuição LogNormal foi a que apresentou pior distribuição para a bacia hidrográfica do Rio Miranda (MS), onde foram também testadas as distribuições Normal, LogNormal 2, Weibull, Gumbel e LogGumbel.
Em estudo realizado pelo Zoneamento Ecológico-Econômico de Minas Gerais (MINAS GERAIS, 2008) foi encontrado o valor de 29,28 m³s-¹ para vazão mínima Q7,10 com erro relativo
de 27,01% para a mesma estação fluviométrica deste estudo. Melo et al. (2019) encontraram valores próximos de Q7,10 para estação fluviométrica do Rio Jequitibá (MG), 23,597 m³s-¹, a
qual possui área de drenagem similar à da bacia do Rio das Mortes.
Tabela 7 Distribuições estatísticas usadas na estimativa da vazão mínima com duração de sete dias e período de retorno de 10 anos da Q7,10.
Distribuição Q7,10 (m³s-¹) Intervalo de confiança (95%)
Parâmetros Erro padrão (m³s-¹) Limite superior Limite inferior α β
Weibull 25,85 27,56 24,14 1,59 38,91 21,66 0,87 Pearson 3 26,02 27,87 24,17 5,41 3,41 18,65 0,94 LogPearson 3 25,84 27,62 24,06 0,01 257,12 -0,57 0,90 LogNormal 2 25,53 27,73 23,34 1,12 LogNormal 3 25,76 27,77 23,74 1,02 parâmetro de formaparâmetro de escala parâmetro de posição
Os modelos de distribuição de probabilidade que proporcionaram os menores erros padrões de estimativa foram as distribuições de Weibull, Pearson 3, LogPearson 3 e LogNormal 2 e 3 parâmetros, para vazões mínimas com os tempos de retorno de 5, 10, 25, 50 e 100 anos (Tabela 8). Na estimativa das vazões mínimas a distribuição que apresentou melhor ajuste para as séries históricas com tempos de retorno de 25, 50 e 100 anos foi a LogPearson 3 parâmetros, apresentando a menor amplitude entre os intervalos de confiança e erro padrão, mostrando-se a mais adequada para o cálculo de vazões mínimas. Por outro lado, das distribuições de probabilidade elencadas pelo aplicativo SisCah, a distribuição Pearson 3 parâmetros apresentou os piores resultados para estes três tempos de retorno.
Silva et al., (2006) analisando vazões mínimas anuais na região do Alto Rio Grande (GD1) também encontrou que a distribuição Lognormal a 3 parâmetros melhor representou a série histórica, em comparação com as distribuições de Weibull e Gumbel.
Para as vazões mínimas com tempos de retorno de 5 e 10 anos, as distribuições de Weibull e LogPearson 3 parâmentros proporcionaram os menores erros padrão da estimativa,
