2º Ciclo
Sistemas de Informação Geográfica e Ordenamento do Território
Modelação de ravinas pelo SIMWE e
validação com recurso a MDE de elevada
resolução. Região Demarcada do Douro,
Quinta do Bonfim.
João Paulo Da Silva Carvalho
M
João Paulo Da Silva Carvalho
Modelação de ravinas pelo SIMMWE e validação com recurso a MDE
de elevada resolução. Região Demarcada do Douro, Quinta do
Bonfim
.
Dissertação realizada no âmbito do Mestrado em Sistemas de Informação Geográfica e Ordenamento do Território, orientada pelo Professor Doutor Carlos Valdir de Meneses
Bateira.
Modelação de ravinas pelo SIMMWE e validação com recurso a MDE de
elevada resolução. Região Demarcada do Douro, Quinta do Bonfim.
João Paulo Da Silva Carvalho
Dissertação realizada no âmbito do Mestrado em Sistemas de Informação Geográfica e Ordenamento do Território, orientada pelo Professor Doutor Carlos Valdir De Meneses
Bateira
Membros do Júri
Professor Doutor Carlos Bateira Faculdade de Letras - Universidade do Porto
Sumário
Declaração de honra ... 5 Agradecimentos ... 6 Resumo ... 7 Abstract ... 8 Índice de ilustrações ... 9 Introdução ... 11Capítulo 1 – Estado da Arte e Enquadramento Conceptual ... 14
1.1 Erosão Hídrica de Solos - Conceitos e tipos de processos ... 14
1.2 Modelação da erosão hídrica de solos ... 17
1.2.1 Tipos de modelos ... 17
1.2.1.1 Modelos matemáticos de base física ... 18
1.2.1.2 Modelos Conceptuais ... 19
1.2.1.3 Modelos Empíricos ... 20
1.2.1.4 Modelos Semi-Quantitativos ... 20
1.3 Estudos de erosão hídrica de solos ... 20
1.3.1 Referências internacionais e nacionais relevantes ... 21
Capítulo 2 – Caracterização da área de estudo e enquadramento do processo erosivo ... 24
2.1. Características da área em estudo ... 24
2.1.1. Caracterização do processivo erosivo em estudo ... 29
2.1.2. Episódios de precipitação intensa na Região Demarcada do Douro e tipos de processos erosivos ... 31
Capítulo 3 –Materiais e métodos: modelação ... 32
3.1. Breve introdução ... 32
3.2. Modelo de erosão hídrica SIMWE ... 33
3.3 Informação de base utilizada ... 36
Capítulo 4 -Apresentação dos resultados ... 38
4.1 -Resultados do modelo SIMWE ... 38
4.1. Processo de validação dos resultados ... 41
4.3. Resultados da erosão calculada do MDE e da erosão simulada com o SIMWE ... 43
4.4. Validação dos Resultados ... 45
Considerações Finais ... 47
Declaração de honra
Declaro que a presente dissertação é de minha autoria e não foi utilizado previamente noutro curso ou unidade curricular, desta ou de outra instituição. As referências a outros autores (afirmações, ideias, pensamentos) respeitam escrupulosamente as regras da atribuição, e encontram-se devidamente indicadas no texto e nas referências bibliográficas, de acordo com as normas de referenciação. Tenho consciência de que a prática de plágio e auto-plágio constitui um ilícito académico.
Agradecimentos
A elaboração desta dissertação de Mestrado só foi possível, de uma forma direta e indireta, com o apoio fundamental de várias pessoas, desde professores, amigos e família às quais aqui presto o meu reconhecimento e gratidão.
Manifesto primeiramente estas palavras ao Professor Doutor Carlos Bateira, pela orientação exímia. A sua proximidade, atenção e paciência foram fulcrais para que este projeto se concretizasse, assim como a sua total disponibilidade. Fico grato não só pelo que aprendi no que toca ao tema da dissertação em si, mas também pelos conselhos e método de trabalho, que me ajudaram em muito a crescer como pessoa e profissional. Aos meus colegas de mestrado que, de uma forma ou outra foram fundamentais nestes dois anos de aprendizagem, assim como todo o corpo docente do Departamento de Geografia da Faculdade de Letras, Universidade do Porto, pela atenção e esforço notórios durante estes dois anos. Aos Mestres António Costa e Joana Fernandes que demonstraram total disponibilidade desde o início e pelos conselhos sábios.
Dedico de um modo especial estas palavras à minha colega e companheira Cláudia Guise, que caminhou comigo lado a lado nesta longa caminhada. O seu amor, carinho, presença, paciência e atenção nos bons e maus momentos foram indispensáveis para que atingisse esta meta com sucesso. Por isso, o meu reconhecimento e gratidão serão eternos.
À dona Manuela e ao senhor Armando pelo carinho e apoio desde sempre, sem eles certamente que as dificuldades teriam sido maiores.
Por último, e de um modo especial, expresso estas palavras à minha família. À minha mãe e aos meus irmãos pelo apoio incondicional, amor e compreensão que marcaram esta etapa da minha vida. Com um especial reconhecimento pela minha mãe que, apesar de todas as dificuldades, esteve sempre presente e predisposta a ajudar, por isso, e por muito mais, dedico-lhes esta dissertação.
Resumo
A quinta do Bonfim, local onde se situa a área em estudo, situa-se na freguesia do Pinhão, pertencente ao concelho de Alijó, que por sua vez integra o distrito de Vila Real. Enquadra-se na ilustre paisagem cultural do Alto Douro Vinhateiro (ADV), classificada desde 2001 como Património Mundial da UNESCO, dedicando a maior parte da sua área à produção de vinho, de que se destaca o famoso vinho do Porto.
Atendendo à morfologia que caracteriza esta área, modificada desde há séculos pela armação do terreno predisposto em patamares construídos, importa depreender os riscos associados, nomeadamente à erosão hídrica dos solos.
O terreno de forte declive (que chega a ultrapassar os35 graus) que define a paisagem do vale do Douro, potencia a ocorrência de processos erosivos resultantes de episódios de precipitação, que por vezes pode ser muito intensa. Estes eventos traduzem-se em custos económicos, ocorrendo quebras de produção, danos materiais e ainda perda de vidas humanas.
O intento deste trabalho passa pela validação da modelação de ravinas com recurso ao modelo de erosão de base física SIMWE (SIMulated Water Erosion) definido por Mitas e Mitasova (1998), aplicado numa micro bacia hidrográfica da Quinta do Bonfim. Esta metodologia foi aplicada em secções que revelaram, na sequência do trabalho de campo, uma maior suscetibilidade a este tipo de erosão. Procedeu-se à sua validação, por comparação dos valores altimétricos de dois modelos digitais de elevação (MDE): um modelo construído antes do episódio chuvoso do dia 28 de maio de 2018 e outro imediatamente após essa ocorrência, quantificando assim os valores de erosão. Foi
Abstract
The Bonfim estate is located in the parish of Pinhão, belonging to the municipality of Alijó, which integrates the district of Vila Real. It fits into the illustrious cultural landscape of the Alto Douro Wine Region (ADV), which has since 2001 been a UNESCO World Heritage Site, devoting most of its area to the production of wine, the famous Port wine.
Given the morphology that characterizes this area, the terrain with agricultural terraces, it is important to understand the risks associated, particularly the soil erosion.
The highly steep terrain (about 35 degrees in the study area) that defines the landscape of the Douro Valley makes it prone to suffer consequences resulting from intense precipitation episodes, although with low frequency. These events promote economic costs, production failures, material damage and loss of human life.
The goal of this work is the validation of the gully bank erosion modeling using the physical based model SIMWE (SIMulated Water Erosion) (Mitas and Mitasova 1998) in a micro watershed on this estate. This methodology was applied in areas where there was a priori greater susceptibility to this type of erosion. This validation developed using terrain information (digital elevation model) at two different moments, a model built before the rainy episode of May 28, 2018 and another two days after this occurrence. The process of the gully erosion validation used the comparing of the altimetry values of the two DEMs.
Índice de ilustrações
Figura 1- Esquema metodológico ... 12 Figura 2- Inter-relação entre os fatores que condicionam a erosão. Extraído de Soares, 2008. ... 14 Figura 3– Características dos diferentes subtipos do processo de erosão hídrica do solo. Extraída de J. Fernandes, 2014. ... 16 Figura 4- Critérios de classificação dos modelos, processos de erosão simulados e dados de input. Extraído de Fernandes (2014)... 18 Figura 5 -Mapa de Enquadramento da área em estudo ... 24 Figura 6 – A- Mapa de Declives da área em estudo. B- Mapa de declives aproximado de uma área de erosão padrão... 26 Figura 7 -Rede hidrográfica da bacia do Bonfim. ... 27 Figura 8 - Terraços com taludes em terra. ... 28 Figura 9- Ravinamento na Bacia do Bonfim em maio de 2018. Fotografia do autor. ... 29 Figura 10 -Mapa de localização das 3 áreas de ravinamentos em estudo ... 30 Figura 11 -Módulos do modelo hidrológico SIMWE no Grass Gis ... 35 Figura 12 -Modelo Digital de Elevação anterior ao episódio chuvoso que originou ravinas. ... 37 Figura 13 -Resultado do Modelo SIMWE: A- Profundidade da água; B- Concentração de Sedimentos; C- Erosão/Deposição; D- Fluxo de Sedimentos. ... 39 Figura 14 -Resultados do Modelo SIMWE: E- Caudal; F- Capacidade de transporte; G- Transporte limitado pela erosão/deposição ... 40
Figura 19 -Gráfico de correlação da erosão da Área 2. ... 46 Figura 20 -Gráfico de correlação da erosão da Área 3 ... 46
Introdução
A Região Demarcada do Douro (RDD), vastamente conhecida pelos seus famosos vinhos (vinho do Porto), caracteriza-se essencialmente pela sua paisagem agrícola, artificialmente talhada pela atividade vitivinícola. Esta paisagem é, desde dezembro de 2011, reconhecida como Património Mundial da UNESCO, sendo a região vitícola regulamentada mais antiga do mundo.
A RDD está subdivida em 3 sub-regiões principais, sendo o Douro Superior uma das mais representativas. Aqui, o vale do Douro caracteriza-se pelas suas encostas declivosas e solos pobres, dificultando o maneio de qualquer atividade agrícola pelo ser humano desde tempos ancestrais.
A técnica de armação das encostas tem variado ao longo dos séculos, estando esta mudança associada a um acréscimo ou decréscimo da população, da economia e da tecnologia (Fauvrelle, 2007). Desde socalcos a escadaria este arranjo do terreno assume diferentes designações das mais características às mais técnicas. Este tipo de armação do terreno facilita a locomoção de maquinaria, porém, ao recorrer ao surribamento dos patamares com destino à plantação de novas vinhas, a exposição do solo aos processos de erosão hídrica é substancialmente maior. Assim, assiste-se a um abandono da forma tradicional de armação do terreno, ou seja, os muros de pedra em seco, pelos taludes de terra, tal como a dimensão dos patamares e o número de bardos que comportam.
Uma das formas de degradação dos solos é a erosão hídrica, que, consoante o regime de precipitação, as características morfológicas, o uso do solo e a ocupação humana em determinados territórios, pode atingir uma grande relevância. Nesta região de
prejuízos económicos. É aqui que o papel da tecnologia e da ciência faz a diferença, com a recolha de informação em tempo real e detalhada, como por exemplo os modelos digitais de terreno de elevado pormenor, o estudo do regime de precipitações na região e dos processos erosivos de origem geomorfológica com especial incidência na erosão hídrica e movimentos de vertente. Estes são alguns dos processos que têm sido trabalhados nos últimos anos e que apresentam resultados promissores nomeadamente no apoio à tomada de decisão.
Esta dissertação, tem como principal objetivo a validação da aplicação de modelos de base física, em setores do terreno com maior suscetibilidade à erosão hídrica, tendo como referência, para a respetiva validação, a ocorrência de um evento extremo de precipitação ocorrido a 28 de maio de 2018. Para o efeito, foi definida uma metodologia de trabalho estruturada em várias etapas, tal como se pode observar na figura 1.
Pesquisa bibliográfica acerca do tema e sobre a área em estudo.
Trabalho de campo: identificação das áreas onde os processos erosivos foram mais evidentes após o evento e medições da profundidade dos ravinamentos.
Elaboração da cartografia de suscetibilidade: aplicação do Modelo de base física SIMWE (Mitas e Mitasova 1998).
Análise e validação da aplicação do modelo com os dados obtidos após o evento.
Esta dissertação está organizada em quatro pontos. O primeiro capítulo dedicado ao estado da arte e enquadramento conceptual, visando a bibliografia de referência sobre o tema aqui retratado, que foi tida em conta ao longo da elaboração da componente prática e teórica deste projeto. Existiu a pertinência de consultar artigos, teses e dissertações que abordassem projetos já desenvolvidos na região do Douro, mas também na Península Ibérica, contemplando de igual modo obras de referência no que aos processos de erosão hídrica de solos diz respeito.
No segundo capítulo procede-se à caracterização da área em estudo, assim como do episódio chuvoso que deu origem aos processos que foram modelados e validados neste projeto.
Na sequência do anterior, o terceiro capítulo expõe a metodologia implementada, destacando o trabalho de campo, onde foram identificadas as áreas mais afetadas e ainda os parâmetros e os procedimentos da aplicação do modelo SIMWE.
No quarto e último capítulo são explicitados e discutidos os resultados relativos à validação da modelação da erosão hídrica do solo com recurso ao modelo acima mencionado, o SIMWE, tendo como referência a informação obtida após a ocorrência do episódio chuvoso acima descrito.
Para concluir esta investigação, é feita uma análise sobre o resultado desta dissertação e apontada ainda matéria com potencial de investigação futura, tendo em conta a problemática da erosão hídrica de solos nesta região.
Capítulo 1 – Estado da Arte e Enquadramento Conceptual
1.1 Erosão Hídrica de Solos - Conceitos e tipos de processos
A erosão hídrica de solos, desencadeada pela ação mecânica da precipitação e pelo escoamento superficial, é entendida como um processo de remoção ou desprendimento das partículas que compõe o solo levando os componentes mais finos que podem ser transportados por grandes distâncias e reduzindo a fertilidade dos solos (Pedrosa, A et
al.) .Este processo pode ter uma maior ou menor intensidade conforme as características
dos materiais existentes e a influência do meio onde este ocorre.
A suscetibilidade de um solo à erosão depende de um conjunto de fatores, entre eles o regime de precipitação, dependendo da sua intensidade, duração e quantidade, a erosividade e os fatores de erodibilidade (características dos materiais, uso do solo, contexto morfoestrutural, entre outros) onde o evento ocorre (figura 2).
Segundo Morgan (2005), a erosão hídrica do solo é dividida em três fases tendo em conta os processos inerentes às mesmas, sendo estas o desprendimento das partículas mais finas que compõe o solo, através do processo de rainsplash; o transporte dessas partículas soltas através de escoamento superficial que pode ser concentrado ou difuso, mediante fatores como a capacidade de infiltração da água no solo e o declive; por último, dá-se a deposição dos materiais transportados.
Atribuindo a principal causa da erosão hídrica à precipitação e por consequência e ao escoamento superficial, Bryan (1987) subdivide estes eventos em cinco subprocessos, retomando parcialmente o esquema anterior: em primeiro lugar, a ocorrência da precipitação que desencadeia aquele que será o primeiro processo erosivo, o impacto da gota de água no solo (rainsplash); na sequência do anterior, o processo da erosão laminar ou em manto (sheetwash); depois, a erosão em sulcos (rill erosion), sendo uma etapa precedente da erosão linear que desenvolve sulcos persistentes; a erosão em ravinas (gully erosion), verificada na área em estudo após o evento extremo de precipitação; por fim, a erosão em túneis (pipe erosion) associada ao escoamento subsuperficial.
O conceito de erosão e os subprocessos que estão intrinsecamente relacionados com este, são motivo de diferentes abordagens no que à sua classificação e explicação diz respeito. Após uma abordagem a diversas obras de alguns autores acerca deste tema, verifica-se que não existe um termo consensual e polivalente para a sua caracterização. A Figura 3, extraída da obra de Fernandes (2014), demonstra a panóplia de conceitos técnicos para cada subprocesso, tendo como referência os trabalhos de Laflen et al. (1985), Foster (1986) e Poesen et al. (2003).
Figura 3– Características dos diferentes subtipos do processo de erosão hídrica do solo. Extraída de J. Fernandes, 2014.
1.2 Modelação da erosão hídrica de solos
A modelação da erosão hídrica de solos, requer um conhecimento prévio da área onde o modelo irá ser aplicado. Segundo Joana Fernandes (2014): A escolha do modelo
mais adequado irá depender dos objetivos da sua aplicação e dos resultados que se pretende obter, considerando ainda as características da área em estudo, a escala de análise espacial e temporal, a precisão e validação do modelo, bem como os requisitos de hardware. Segundo Vente e Poesen (2005), entre outros autores, podem ser
considerados três tipos de modelos com maior destaque: os modelos empíricos, os conceptuais e os fisicamente baseados.
1.2.1 Tipos de modelos
O modelo mais ajustado para o exercício da modelação da erosão hídrica do solo, tem necessariamente de cumprir um conjunto de requisitos, dependendo dos processos físicos a simular. A variabilidade, da escala temporal, da área onde se pretende aplicar o
estudo, que tanto pode ser uma parcela experimental como uma bacia hidrográfica, o tipo de feição erosiva, entre outros fatores. Todos estes aspetos podem condicionar a qualidade dos resultados, caso o modelo utilizado não seja o mais indicado.
Assiste-se a uma tendência para a modelação de processos específicos, constatando-se que grande parte deles modelam a erosão laminar em sulcos. Existem vários critérios de classificação dos modelos (figura 4), que nos permitem definir o que melhor se adapta
Figura 4- Critérios de classificação dos modelos, processos de erosão simulados e dados de input. Extraído de Fernandes (2014)
Com efeito, a compreensão da natureza de cada modelo e as suas principais características, é um processo fundamental na tomada de decisão quanto à modelação da erosão. Por isso, de seguida é feita uma abordagem a cada tipo de modelo, atendendo à finalidade de cada um e apontando as principais diferenças entre eles.
1.2.1.1 Modelos matemáticos de base física
Os modelos de base física ou fisicamente baseados são utilizados em estudos onde existe uma clara perceção da relação causa-efeito do risco associado. Estes combinam um conjunto de saberes das mais variadas áreas científicas, como a Física, Hidrologia ou a Hidráulica. São modelos constituídos por equações e funções matemáticas que traduzem detalhadamente os mais variados parâmetros (i.e., escoamento superficial ou escoamento sub-superficial) expressando através de um mapa o tipo de erosão em causa. Para tal, é necessária informação do terreno de grande pormenor, ou seja, um modelo digital de elevação que, consoante a área de estudo, possa variar entre centímetros de resolução até metros. Esta informação é deveras importante na medida em que permite indicar ao
modelo os valores específicos das variáveis que integra. A possibilidade de definir a escala temporal dos processos erosivos que se pretende analisar é um aspeto importante, constituindo-se como uma vantagem na medida em nos permite introduzir o valor da precipitação associado a eventos considerados excecionais, o que permite modelar com maior precisão o seu efeito sobre o processo erosivo. Assim, tendo em conta o conhecimento de causa-efeito dos episódios de precipitação ocorridos, esta modelação permite definir limiares críticos de precipitação, a partir dos quais existe um maior risco de ocorrência de erosão em setores mais suscetíveis do local em análise.
Fernandes (2014) salienta que uma das vantagens destes modelos reside precisamente no facto de poderem ser aplicados (...) em função da escala temporal de
análise (análise temporal definida versus físicos contínuos) e de incorporarem ou não parâmetros espacialmente distribuídos ou homogéneos.
A aplicação destes modelos pressupõe um conhecimento dos processos erosivos dominantes que tendem a ocorrer na área em estudo, através da observação direta de feições erosivas, atendendo que a base teórica que compõe o modelo de base física é complexa. Porém, cada modelo só pode ser aplicado no processo para que foi construído. Uns têm em conta a erosão por ravinamentos (i.e., SIMWE – Simulated Water Erosion), e outros, por exemplo o KINEROS (Kinematic Erosion Simulation) exclui este tipo de erosão.
1.2.1.3 Modelos Empíricos
Com base em experiências em laboratório e na observação direta dos fenómenos, estes modelos são considerados mais acessíveis na sua aplicação, pois procura a previsão de eventos com base em experiências laboratoriais. Fernandes (2014) refere que (...) este tipo de modelos revelam-se pouco satisfatórios no que se refere ao conhecimento mais detalhado dos processos de erosão hídrica e das feições erosivas resultantes, aplicando-se geralmente para calcular a erosão média anual provocada por processos laminares e lineares (sheet/interrill and rill erosion). Um dos modelos empíricos mais utilizados e bem difundidos pela comunidade científica, é a Equação de Perda de Solo (EUPS) num formato mais primordial, tendo em conta às suas reformulações (USLE – Universal Soil Loss Equation; MUSLE – Modified Universal Soil Loss Equation; RUSLE – Revised Universal Soil Loss Equation) efetuadas.
1.2.1.4 Modelos Semi-Quantitativos
Fernandes (2014) ressalva que os modelos semi-quantitativos são modelos de regressão mas com diferenças entre os mesmos. O facto de alguns utilizarem apenas um fator e outros modelos utilizarem diversos fatores, como por exemplo a dimensão da área em estudo, tornam estes últimos mais próximos da realidade, uma vez que trabalham com os processos de erosão e transporte de sedimentos.
Um exemplo deste tipo de modelo é o FSM (Factorial Scoring Model), trata-se de um modelo que modela os processos de erosão linear, tal como todos os modelos Semi-Quantitativos e pode ser aplicado em diferentes escalas espaciais.
1.3 Estudos de erosão hídrica de solos
O estudo da temática da erosão hídrica de solos implica a consulta de obras de referência que têm como assunto principal a temática da erosão hídria de solos e que em muito auxiliam a produção de novo conhecimento.
Nos tópicos seguintes, é feita uma abordagem a obras que se enquadra no mesmo contexto geomorfológico da região em estudo. Posto isso, recorreu-se a estudos efetuados sobretudo na Península Ibérica, com especial enfoque na região do Douro.
1.3.1 Referências internacionais e nacionais relevantes
O ponto de partida dos estudos da erosão hídrica de solos data sensivelmente a partir da primeira década do século XX nos Estados Unidos da América, com a aplicação da Uniform Soil Conservation Law no ano de 1936. Desde então, vários modelos têm vindo a ser aplicados sobretudo nos USA e alvo de várias modificações ao longo das décadas. Um dos primeiros modelos a difundir-se é a USLE, da autoria de W. Wischmeier e D. Smith (1965).
O facto de serem aplicados parâmetros com valores pré-determinados em contextos específicos, torna a aplicação deste último modelo pouco adequada num contexto espacial diferente para o qual foi destinado. Face à inexistência de modelos que pudessem ser aplicados em áreas distintas e adaptados a processos erosivos de natureza diferentes, outros como a RUSLE, o WETPP (Water Erosion Prediction Project), o EUROSEM (European Soil Erosion Model), este último aplicado e publicado na Europa, surgiram numa fase posterior aos estudos elaborados nos EUA para dar resposta a esta disparidade espacial dos processos de erosão.
Em Espanha, na década de 1980 iniciam os estudos desta matéria e, como Soares (2008) refere, a publicação do manual Métodos y técnicas para la medicion en el campo
pesquisas ao longo de cerca de vinte anos, resultou numa obra de consulta fundamental. Se em Espanha os estudos sobre erosão foram sendo publicados a bom ritmo face ao conteúdo científico que era produzido em países como os Estados Unidos da América, em Portugal, os estudos acerca da conservação dos solos e os estudos de erosão hídrica, tiveram início sensivelmente a partir da segunda metade do século XX, tendo-se construído três centros experimentais coordenados pelo engenheiro agrónomo Ernesto Araújo, com o intuito de estudar a problemática da perda de solo em áreas agrícolas e aplicação de medidas mitigadoras desta problemática.
A construção do Centro de Investigação de Erosão de Vale Formoso (CEEVF) permitiu a coleta de dados de elevada importância para o estudo da matéria de erosão dos solos em Portugal e, desde cedo constituiu-se como um dos centros de referência a nível europeu, dada a importância e o valor da recolha de dados que foi sendo feita desde o início da sua atividade (1961). Com o aumento do número de anos de registos de diversos parâmetros, a produção científica não tardou em avançar. Com base na utilização desses registos, foram elaboradas obras de referência como a de Ferreira et al., (1985), a dissertação de Tomás (1992) e a tese de doutoramento de Roxo (1994).
Um dos fatores que desencadeia e potencia o processo de erosão dos solos, principalmente em áreas de floresta, são os incêndios rurais. Em Portugal, foram dois o número de polos dinamizadores e pioneiros nestes estudos, sendo eles a Universidade de Coimbra (Instituto de Estudos Geográficos) sob a coordenação do Professor Doutor Luciano Lourenço e o Departamento de Ambiente e Ordenamento do Território da Universidade de Aveiro a cargo da Professora Doutora Celeste Coelho. No entanto, surgiram novos e variados estudos sobre essa problemática, destacando Coelho e Ferreira (2004), entre outros.
Com a proliferação de investigação científica no domínio da erosão, não tardou que outras instituições de ensino e centros de investigação iniciassem o estudo desta matéria. A Faculdade de Letras da Universidade do Porto, é uma das instituições que desde cedo começou a envolver-se em projetos e dissertações com base neste tema. O estudo de Silvério (2000) que deu origem à sua dissertação intitulada de Erosão Hídrica de solos
na Serra da Aboboreira, teve como suporte o projeto Processos Erosivos no Norte de
Portugal: Definição de Áreas de Risco sob coordenação do Professor Doutor António Pedrosa, e incidiu-se no estudo da erosão hídrica, mas também dos movimentos de vertente. Também a dissertação de Bateira (2001) debruça-se sobre parte deste último projeto, contudo, mais voltada para os estudos dos movimentos de vertente e a aplicação dos sistemas de informação geográfica aos mesmos.
Ainda na mesma instituição, o projeto TERRISC (Recuperação de Paisagens de Terraços e Prevenção de Riscos Naturais) que contou com a colaboração de outras instituições de países como França e Espanha, em que o grupo correspondente à Faculdade de Letras da Universidade do Porto ficou incumbido de aplicar um estudo em micro-bacias hidrográficas na região do Douro, onde foram instaladas parcelas de erosão em terraços agrícolas, deu origem à produção de conteúdo científico pioneiro nesta região (Bateira et al,.(2007b); Bateira et al,.(2010)). Desde então, a região do Douro tem sido alvo de alguns estudos desta natureza científica. Martins (2005), aborda os processos erosivos, tendo em conta a morfologia e o uso do solo da área em estudo. Mais tarde, Catalão et al,. (2010) aplicam o modelo USLE com vista a avaliação da erosão numa bacia hidrográfica.
As dissertações de Pereira (2009) intitulada de Perigosidade a Movimentos de Vertente na Região Norte de Portugal, Fernandes (2014) com o título Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz e Costa 2016 denominada de O Contributo para a modelação da suscetibilidade à erosão por sulcos e ravinas na Quinta de S- Luiz, são alguns exemplos de trabalhos que vêm a ser elaborados na região norte de Portugal e que em muito enriquece o estudo da
Capítulo 2 – Caracterização da área de estudo e
enquadramento do processo erosivo
2.1. Características da área em estudo
Este trabalho tem como área de estudo uma bacia hidrográfica localizada na Quinta do Bonfim, que integra a região do Alto Douro Vinhateiro (ADV). Esta quinta, propriedade da família Symington, situa-se na freguesia do Pinhão no concelho de Alijó, que pertence ao distrito de Vila Real (Figura 5). Enquadra-se na típica paisagem do douro vinhateiro, apresentando vertentes íngremes sobranceiras ao rio Douro com altitudes que variam entre 90 e 400 metros, com vinha disposta em patamares agrícolas de talude em terra.
Inserida no ADV, que é reconhecido como Património Mundial pela UNESCO desde 2001, esta área localiza-se na sub-região do Cima Corgo, que corresponde a uma das 3 sub-regiões do Douro que apresentam características e condições climáticas únicas e excecionais pela sua posição geográfica. Segundo Fernandes (2014, p.77) “A sua topografia acidentada, que se caracteriza globalmente pelo profundo encaixe entre vertentes extensas de forte declive principalmente na parte portuguesa, é condicionada por uma estrutura geológica complexa, onde a rede de fracturação, dobras e deformações extensas expressas por cavalgamentos e mantos de carreamento se articulam com a diversidade das formações metassedimentares (...), num contexto fortemente influenciado pela orogenia Hercínica.”
O clima nesta região é um fator crucial no que diz respeito às condições necessárias à produção do vinho do Porto, mas também no que concerne aos eventos de erosão hídrica dos solos. Segundo a classificação de Suzzane Daveau (1977/1988) esta área é abrangida pelo clima mediterrânico de influência continental, acentuado pela posição geográfica, o que explica a existência de uma amplitude térmica anual elevada, originando invernos e verões rigorosos no que à temperatura diz respeito, e ainda episódios de precipitação intensa. Esta ocorre com alguma frequência e deixa um testemunho bem evidente na região, promovendo a ocorrência de erosão na forma de sulcos, outras vezes, quando se trata de episódios mais acentuados, origina ravinamentos. São ainda alguns os registos de eventos extremos que originaram processos erosivos de grande magnitude e, por consequência, levaram a perdas económicas dos proprietários, tais como os que ocorreram em 2014 e mais recentemente em 2018.
A bacia hidrográfica em estudo (figura 7), está inserida numa quinta cuja atividade agrícola principal é a viticultura. Por isso, a pouca presença de vegetação e os solos desagregados pelo arranjo do terreno para a plantação da vinha são algumas das suas características. Esta bacia tem uma extensão aproximada de 1170 metros, e tem início sensivelmente a partir da margem direita do Rio Douro a cerca de 91 metros de altitude, culminando e 392 metros no topo da bacia. Tem ainda uma área total de 35,2 hectares e declives acentuados, em média 23 graus, que se pode constatar na Figura 6. Aqui é bem evidente a presença dos socalcos e respetivos taludes, onde o declive é
aproximadamente de 45º, e o patamar onde a vinha é plantada. Estas características tornam esta área propícia a sofrer episódios de erosão.
Figura 6 – A- Mapa de Declives da área em estudo. B- Mapa de declives aproximado de uma área de erosão padrão.
Figura 8 - Terraços com taludes em terra.
A técnica de armação do terreno com taludes em terra (figura 8) nem sempre foi a mesma. Na generalidade da região do Douro, com a necessidade de mecanização desta atividade, procedeu-se ao surribamento de patamares com taludes de terra sem necessidade de construção de muros. A altura dos patamares depende da vertente onde se inserem e o respetivo declive natural. A sua largura relaciona-se com a necessidade de tornar viável a passagem de maquinaria por entre a vinha e, por isso, dificilmente se encontram plataformas com menos de 2 metros. As plataformas de dois bardos têm 3,5m e as de 1 bardo têm 2,3m. É aqui que se faz grande parte do escoamento da precipitação que não se infiltra no solo, podendo este arranjo ser feito com uma ligeira inclinação para montante, no sentido do escoamento ser direcionado para a base do talude de modo a evitar maior risco de erosão. São também colocadas no terreno manilhas com vista a canalizar a pluviosidade, a fim de evitar a erosão nas áreas de maior concentração de água e orientar o escoamento, sendo que algumas são enterradas para permitir a passagem das máquinas durante os trabalhos agrícolas.
2.1.1. Caracterização do processivo erosivo em estudo
A formação de ravinas (Figura 9) pode ocorrer durante episódios chuvosos de menor frequência, mas com uma elevada intensidade. O tipo de ravina que se forma está associado a diversos fatores como o declive, a morfologia do solo, a sua capacidade de infiltração, o regime de precipitações e o factor de pedregosidade superficial.
As áreas na bacia hidrográfica em análise onde ocorreram ravinamentos, estão geralmente associadas a setores para zonas onde é derivado grande parte do escoamento superficial, pela diminuição progressiva da infiltração da água no solo, a que também se associa a concentração, velocidade e transporte de sedimentos.
Foram identificadas diversas áreas com este tipo de feição erosiva, nomeadamente localizadas na secção inferior da bacia hidrográfica, onde o escoamento superficial é feito com maior velocidade.
Neste trabalho foram selecionadas três áreas-amostra para validar a modelação de ravinas feita do modelo SIMWE (Figura 10). A área representada pelo número 1, coincide com a parte mais a jusante desta bacia, onde ocorreram ravinamentos de maior profundidade (cerca de 1,5m). Nas áreas 2 e 3 registaram-se ravinamentos de 0,8 e 0,5 metros de profundidade respetivamente.
2.1.2. Episódios de precipitação intensa na Região Demarcada do Douro e tipos de processos erosivos
Como já referimos, a Região Demarcada do Douro, segundo a classificação de Daveau (1988), insere-se no contexto do clima mediterrâneo de influência continental, acentuado pela posição topográfica. Com efeito, a presença de sistemas montanhosos como o Alvão-Marão e Montemuro, promove a definição de um microclima sensivelmente seco que se traduz em valores de precipitação mais baixos, uma vez que existe uma barreira aos ventos húmidos de oeste.
Fernandes (2014) refere que a partir dos dados da estação meteorológica de Adorigo, a precipitação média anual é de 686,6mm e os anos mais pluviosos foram 1997/98 e 2000/01 respetivamente. Contudo, é nas estações da primavera e no verão que se regista uma pequena parte do valor anual de precipitação, nomeadamente com a ocorrência de chuvas convectivas de elevada intensidade e que dão origem a processos erosivos como ravinamentos e sulcos, atuando sobretudo nos taludes de terra. Com efeito, alguns dos episódios de precipitação intensa ocorreram nos anos 1995/1996 (Costa 2016), em 2000/20001 (Bateira, 2006), em 2014 (Fernandes, 2014) e em 2018. Este último, desencadeou os processos erosivos que são tratados neste trabalho.
No dia 28 de maio de 2018, a estação meteorológica instalada na Quinta do Bomfim registou, no início da manhã, o valor de 80mm de precipitação em apenas 45 minutos, ou seja, 11,6% do valor médio de precipitação anual, registados em 45min. Este evento desencadeou vários processos erosivos nesta quinta, designadamente a formação de diversos sulcos e ravinamentos. Na região do Douro, o tipo de feições erosivas dominantes são os sulcos, em maior quantidade, e os ravinamentos que estão
Capítulo 3 –Materiais e métodos: modelação
3.1. Breve introduçãoA sucessão de episódios de precipitação extrema na região do Douro desencadeia, por vezes, processos erosivos com elevado poder destrutivo. No final do capítulo anterior, referiram-se os anos mais recentes em que se sucederam episódios de instabilidade hidrogeomorfológica, nomeadamente no verão de 2014 (Fernandes, 2014) e na primavera do ano de 2018, que corresponde ao evento que aqui é retratado.
A aplicação do modelo matemático de base física SIMWE, escolhido para simular a formação de ravinas na área em estudo, implica dois requisitos essenciais. É necessária a existência de informação do terreno (um modelo digital de elevação) antes e após a ocorrência do episódio de precipitação intensa, com o objetivo de validar os processos erosivos modelados previamente. A disponibilidade do valor da precipitação que foi registada na estação meteorológica da Quinta do Bomfim, permitindo inserir no modelo esse valor em milímetros por hora, mas também permitiu aferir a duração do episódio chuvoso.
Como vimos no primeiro capítulo, a escolha de um modelo de erosão hídrica de solos tem por base vários critérios, como as escalas de análise espacial e temporal, os processos dominantes e ainda os dados disponíveis que se traduzem em parâmetros nos modelos. Para esta área, existem registos de que as feições erosivas predominantes são maioritariamente sulcos de pequena dimensão e os ravinamentos. Contudo, estes últimos têm um maior impacto devido ao seu maior poder destrutivo, na medida em que há uma maior capacidade de transporte de materiais heterométricos.
A utilização do modelo SIMWE prende-se não só com a necessidade de modelar a erosão em ravinamentos, mas também com o facto de se tratar de uma área de terraços agrícolas, extremamente alterada para o cultivo da vinha. A aplicação deste modelo nesta região tem surtido bons resultados, como demonstra a dissertação de mestrado de
Fernandes (2014), que afirma que a sua utilização se tornou fulcral para o desenvolvimento do trabalho.
3.2. Modelo de erosão hídrica SIMWE
Este modelo de erosão hídrica foi desenvolvido por Mitas e Mitasova (1998), sendo designado como um modelo bivariado que tem em conta as equações de Foster e Meyer (1972) e Bennet (1974) para a produção do fluxo de água e de sedimentos. É pouco utilizado em Portugal no âmbito da produção científica, uma vez que, tal como refere Mitas e Mitasova (1998), se trata de um modelo criado especificamente para áreas onde a morfologia e o uso do solo são complexos. Contudo, a modelação de ravinamentos na região do Douro tem-se mostrado bastante efetivo, como demonstram os trabalhos (para além do já citado) de Bateira et al, (2014, 2015 e 2017).
Este modelo é constituído por dois módulos, em que o primeiro aplica a modelação de fluxos de água superficial (overland water flow) e utiliza a equação elaborada por Julien et al.; (1995) abaixo descrita:
𝝏𝒉(𝒓, 𝒕)/𝝏𝒕 = 𝒊(𝒓, 𝒕) − 𝛁. 𝒒(𝒓, 𝒕)
Parâmetros da equação: h (r,t) -Profundidade da água; t -Tempo;
𝝏[𝒑 𝒄(𝒓, 𝒕)𝒉(𝒓, 𝒕)]/𝝏𝒕 = 𝒊(𝒓, 𝒕) + 𝛁. 𝒒𝒔(𝒓, 𝒕)
Parâmetros da equação:
𝒒𝒔(𝒓, 𝒕) -Fluxo de sedimentos por unidade de largura; 𝒄(𝒓, 𝒕) -Concentração de sedimentos;
p -Massa por partículas de sedimentos; D(r,t) -Taxa de deposição
D(r) -Resultado da capacidade de transporte de sedimentos; T(r) -Capacidade de transporte de sedimentos;
𝒒𝒔(𝒓) Taxa do fluxo de sedimentos
A equação abaixo é indicada por Foster e Meyer (1972), permitindo calcular a taxa do fluxo de sedimentos:
D(r)= 𝛔 (𝐫) [𝑻(𝒓) − |𝒒𝒔(𝒓)|]
O parâmetro ϭ(r) é determinado através da equação seguinte, também de Foster e Meyer (1972):
𝑫(𝒓)/𝑫𝒄(𝐫) + |𝒒𝒔(𝒓)|/𝑻(𝒓) = 𝟏
𝑫𝒄(𝐫) -Capacidade de desagregação
O modelo SIMWE é aplicado no software livre GRASS-GIS e foram utilizados dois módulos do modelo hidrológico que o incorpora cujos layouts estão representados na figura 11. O primeiro, denominado de r.sim.water, elabora o escoamento superficial enquanto que o segundo faz o cálculo da erosão do solo, o transporte e a deposição dos sedimentos, designado de r.sim.sediment.
Figura 11 -Módulos do modelo hidrológico SIMWE no Grass Gis
Como inputs no módulo de cálculo do escoamento superficial, é necessário introduzir um modelo digital de elevação (MDE), cujo campo é denominado de elevation, os vetores do gradiente do fluxo resultante do MDE que se designam de dxin e dyin, a taxa de excesso de precipitação, onde pode ser introduzido um mapa ou o valor de precipitação em milímetros por hora (rainfall excess), e por fim o coeficiente de rugosidade (manin) Os outputs deste cálculo são o mapa da profundidade da lâmina de água (water depth), expresso em metros e um mapa da descarga de água (Water
discharge), expresso em metros cúbicos por segundo.
Alguns dos inputs do módulo de cálculo da erosão do solo, o transporte e a deposição dos sedimentos (r.sim.sediment) correspondem a informação gerada a partir do módulo antecedente. São eles o MDE (elevation), o mapa da profundidade da lâmina de água (water depth), o vetor do gradiente do fluxo dxin, o vetor do gradiente do fluxo dyin,
3.3 Informação de base utilizada
Este trabalho iniciou-se primeiramente com a identificação das feições erosivas na área em estudo, logo após a ocorrência de um episódio de intensa precipitação. Verificou-se que numa área correspondente à parte a jusante da bacia hidrográfica,onde é produzido grande parte do escoamento, existia uma maior ação dos processos erosivos e, por sua vez, os maiores danos. Esta área corresponde ao objeto da validação da aplicação do modelo de erosão que é feita neste projeto.
A informação de base necessária para este estudo, passa por dois modelos digitais de terreno de grande pormenor (Figura 12), designados em diante por pre_erosao e
pos_erosao, que correspondem a momentos diferentes da sua aquisição tendo em conta a
ocorrência do evento erosivo, e dados da pluviosidade ocorrida no evento em questão. A utilização do mde é necessária no módulo de produção de sedimentos, sendo um parâmetro obrigatório. Os dados pluviométricos são também um input importante no módulo da modelação de fluxos, onde é indicado o valor de precipitação em milímetros por hora. Este valor foi facultado pela Quinta do Bonfim, uma vez que tem instalada uma estação meteorológica nesta área, que permite o registo horário do volume de precipitação tendo este instrumento registado, como já referimos, 80mm por centímetro quadrado de precipitação, em apenas 45 minutos.
Os MDEs foram fornecidos pelos proprietários da Quinta, através da requisição de um serviço de aquisição de informação geográfica a que recorreram, e sendo posteriormente facultados para a elaboração do nosso projeto. Foram necessárias algumas correções nos dois modelos cedidos, nomeadamente na precisão da georreferenciação e na generalização da informação, ou seja, os modelos tinham uma resolução espacial de cerca de 5cm que para o nosso estudo não permite modelar os processos erosivos em questão, dado que a micro topografia gerada tem um detalhe que não expressa a dinâmica do escoamento. Para isso, ambos os modelos foram generalizados para 40cm de resolução. Na Figura 12, através do mapa de elevação com efeito hillshade, é possível observar as altitudes da bacia hidrográfica e o contexto onde a mesma se insere.
Capítulo 4 -Apresentação dos resultados
4.1 -Resultados do modelo SIMWENas Figuras 13 e 14 são apresentados os mapas gerados pelo SIMWE para a área da bacia hidrográfica em estudo. Na Figura 13.A observa-se a profundidade da água, que varia entre 0 e 70 centímetros, verificando-se que as áreas cuja profundidade é maior coincidem com caminhos rurais e setores preferenciais de escoamento nas vertentes.
A concentração de sedimentos (B) tem valores relativamente baixos, que variam entre 0 e 3 partículas. Por sua vez, a erosão e deposição (C) verifica-se sobretudo em áreas de maior concentração de fluxos em que os valores variam na sua maioria entre 1 e -1 Kg por m2/s. Quanto ao fluxo de sedimentos (D), os valores variam entre 0,9 e 10 Kg/m/s e este processo efetua-se sobretudo em áreas cujo escoamento assume uma importância significativa, tal como a concentração de sedimentos acima descrita.
Na Figura 14, consta o caudal (E) expresso em m3/segundo cujos valores se situam entre 0 e 0,15 tendo influência direta no fluxo de sedimentos. Quanto à distribuição destes valores na bacia hidrográfica, tal como na capacidade de transporte (F) cujos valores variam entre 63,3 e 200 Kg/m por segundo, verifica-se aqui mais uma vez a importância dos caminhos rurais, mas também a presença destes processos em áreas convexas e de fundo de vale. Atendendo à Figura 14.F constata-se a forte dinâmica na capacidade de transporte associada à presença de caminhos rurais. Por último, o transporte limitado pela erosão/deposição expresso em kg/m2 por segundo e tem como valor máximo 10 e mínimo de -0,5. São valores relativamente baixos tendo em conta à capacidade de transporte em determinadas áreas justificada pelos baixos valores de concentração de sedimentos.
4.1. Processo de validação dos resultados
No sentido de validar os resultados obtidos, foram delineadas três áreas na bacia hidrográfica (figura 15). O traçado das áreas teve como critério, áreas onde tenham ocorrido ravinamentos, sendo o processo erosivo a que o SIMWE se aplica, com intensidades distintas que se podem constatar na Figura 15. Verificou-se ainda que o processo erosivo em estudo tem um maior impacto em áreas mais próximas da base da bacia, onde se verificam ravinamentos com profundidades de 1,5 metros na Área 1, 0,8 metros na Área 2 e 0,5 metros na Área 3. Por fim procedeu-se à validação da erosão modelada.
Uma das primeiras etapas com vista à validação dos resultados, consistiu em apurar a diferença entre os mde’s, ou seja, através da ferramenta raster calculator subtraiu-se o modelo pré-erosão pelo modelo pós-erosão, de modo a obter a variação altimétrica nos setores em estudo. Por conseguinte, foi possível constatar visualmente onde é feita a erosão real e a erosão modelada, através da sobreposição do modelo com a erosão subtraída pelo modelo gerado pelo SIMWE, resultado apresentado na figura 16. Com isso, foram correlacionados espacialmente os valores de erosão de ambas as metodologias, para a validação da simulação do modelo nas três áreas de estudo, cujos resultados são apresentados no quarto capítulo.
Ortos do modelo pré-erosão Ortos do modelo pós-erosão Perfis e dimensões das Áreas | Modelo pós-erosão
Dimensão da Área de estudo 3
Comprimento: 79 metros Largura: 5 metros
Dimensão da Área de estudo 2
Comprimento: 60 metros Largura: 4.5 metros
Dimensão da Área 1
Comprimento: 96 metros Largura: 5 metros
4.3. Resultados da erosão calculada do MDE e da erosão simulada com o SIMWE
O primeiro método aplicado, com o objetivo de quantificar o volume de erosão nas áreas em estudo, teve como metodologia a subtração do mde sem erosão pelo mde com erosão. Na Figura 16, constam os resultados dessa abordagem e é feita uma comparação a partir dos mapas A, B e C, cuja informação de base reflete a erosão resultante da subtração dos modelos, com mapas D, E e F, que correspondem à erosão simulada pelo modelo.
Conclui-se que a erosão calculada com a subtração dos modelos, corresponde à erosão observada in situ, porém, através da comparação atenta entre os três mapas de erosão do modelo matemático e os mapas da erosão calculada, existe um desfasamento relativamente às áreas de erosão do SIMWE, podendo concluir-se que este modelo não consegue modelar com precisão áreas como esta, em que parte do escoamento superficial é feito a partir de caminhos rurais que existem em grande parte da área da bacia hidrográfica.
4.4. Validação dos Resultados
Após os resultados da modelação com o SIMWE e a subtração dos mde’s, foi feita a respetiva validação destes recorrendo à correlação espacial dos valores de erosão simulados pelo modelo matemático com os valores originados pelo exercício da subtração. A correlação espacial dos valores não surtiu um bom resultado, uma vez que a incidência espacial da erosão de ambos os cálculos não é coincidente, obtendo-se um baixo valor do R2 é baixo como se pode ver na figura 17.
Figura 17 - Gráfico de correlação espacial da erosão da Área 1.
Numa segunda fase, recorreu-se novamente à correlação dos dados e, após uniformizar os valores (eliminando alguns valores considerados outliers que não tinham
Figura 18 -Gráfico de correlação da erosão da Área 1.
Considerações Finais
Constatou-se que a aplicação do modelo SIMWE para o estudo de ravinas em terrenos acidentados gera resultados promissores, principalmente no que concerne à quantificação de erosão e identificação de áreas suscetíveis à ocorrência deste tipo de processos. Ainda assim, alguns elementos como os caminhos rurais e estruturas de escoamento, podem constituir-se como fatores condicionantes do sucesso da validação dos resultados deste modelo, uma vez que o escoamento superficial acompanha o desnível associado a esses caminhos, não se efetuando o escoamento natural ao longo da vertente. Por consequência, a aplicação espacial deste modelo revelou que a sua incidência espacial é pouco precisa.
Uma das conclusões positivas da aplicação deste modelo, passa pelo sucesso na validação da quantificação de erosão que o mesmo efetuou, verificando-se uma boa correlação dos valores quando comparados com os valores reais de erosão.
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