A TECNOLOGIA SIG APLICADA AO ESTUDO
DA VULNERABILIDADE À POLUIÇÃO DAS
ÁGUAS SUBTERRÂNEAS NA BACIA
HIDROGRÁFICA DAS RIBEIRAS DO OESTE
ii
A TECNOLOGIA SIG APLICADA AO ESTUDO DA
VULNERABILIDADE À POLUIÇÃO DAS ÁGUAS
SUBTERRÂNEAS NA BACIA HIDROGRÁFICA DAS
RIBEIRAS DO OESTE
Trabalho de projeto orientado por: Professora Doutora Ana Cristina Costa
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AGRADECIMENTOS
Foram várias as pessoas que contribuíram, de diferente forma, para que este trabalho pudesse ser levado a bom termo. A todas elas que, direta ou indiretamente, me deram apoio, incentivo, equilíbrio e amizade, o meu mais sincero agradecimento.
Em primeiro lugar, devo um agradecimento especial à minha orientadora, a Professora Doutora Ana Cristina Costa, não apenas pela sua orientação e apoio, mas também pela sua disponibilidade, ajuda na elaboração e redação deste relatório e, finalmente, pelas palavras de permanente incentivo que transmitiu ao longo do último ano.
Em segundo lugar, agradeço à minha família o amor, estabilidade e educação. Sem o apoio e ensinamentos que os meus pais – Carlos e Rosa - e a minha irmã – Teresa – me deram ao longo da vida, nunca teria chegado até aqui.
Ao meu amigo Paulo Galeão, um indivíduo de qualidades humanas singulares, fundamentais para proporcionar um excelente ambiente de trabalho e pelo apoio permanente; foram também determinantes as sugestões para valorização dos textos. Por fim é de salientar as palavras de amizade nos momentos mais duros.
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A TECNOLOGIA SIG APLICADA AO ESTUDO DA
VULNERABILIDADE À POLUIÇÃO DAS ÁGUAS
SUBTERRÂNEAS NA BACIA HIDROGRÁFICA DAS RIBEIRAS
DO OESTE
RESUMO
As potencialidades dos Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permitem que os gestores ambientais tenham ao seu dispor modernas ferramentas de gestão e ordenamento do território, com aplicação crescente em todas as áreas das Geociências e do Ambiente, ao nível do processamento e análise de dados georreferenciados e da criação de Sistemas de Apoio à Decisão.
Segundo a Diretiva 2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro, ou Diretiva Quadro da Água (DQA), que estabelece um quadro de ação comunitária no domínio da política da água, as massas de água subterrâneas em risco, carecem de estudos hidrogeológicos apropriados e instalação de redes de monitorização (monitorização de vigilância e operacional) apropriadas.
Neste contexto, com o presente trabalho, pretende-se demonstrar a importância dos SIG, na avaliação da vulnerabilidade das águas subterrâneas à poluição, na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste. Foram utilizados e comparados vários modelos (DRASTIC, DRASTIC PESTICIDE, GOD e IS) e critérios litológicos (EPPNA), para avaliação da vulnerabilidade/suscetibilidade dos aquíferos à poluição.
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GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM TECHNOLOGY
APPLIED TO THE STUDY OF THE VULNERABILITY TO
POLLUTION OF THE SUBTERRANEAN WATERS OF THE
RIVER BASINS OF THE WEST
ABSTRACT
The power of Geographic Information Systems (GIS) allows environment managers to have at their disposal modern land management and planning tools, with increasing application in all areas of Geosciences and Environment, at the level of processing and analysis of geo-referenced data and for creating Decision Support Systems.
According to Directive 2000/60/EC of the European Parliament and Council of 23 October, or the Water Framework Directive (WFD), which establishes a framework for Community action in the field of water policy, the subterranean bodies of water at risk are lacking appropriate hydro-geological studies and the installation of adequate monitoring networks (monitoring of surveillance and of use).
In this context, the present work is intended to demonstrate the importance of GIS in assessing the vulnerability of subterranean water to pollution in the river basins of the west. Several models (DRASTIC, DRASTIC PESTICIDE, GOD and IS) and lithological criteria (EPPNA) were used and compared for the evaluation of the vulnerability / susceptibility of aquifers to pollution.
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PALAVRAS-CHAVE
Águas Subterrâneas Análise Espacial em SIG Modelação Geográfica Monitorização
Sistemas de Informação Geográfica Vulnerabilidade à poluição
KEYWORDS
Groundwater GIS Spatial Analysis Geographic Modeling Monitoring
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ACRÓNIMOS
ARH – Administração da Região Hidrográfica
AVI – Índice de Vulnerabilidade do Aquífero
CLC – CORINE Land Cover
DQA – Diretiva Quadro da Água
DRASTIC – Método de Avaliação de Vulnerabilidade (Depth to the water table; Net recharge; Aquifer material; Soil type; Topography; Impact of the unsaturated zone; Hydraulic
Conductivity)
EKv – Método de Avaliação de Vulnerabilidade (Espessura da zona não saturada, Condutividade vertical).
EPIK – Método de Avaliação da Vulnerabilidade das Águas Subterrâneas em Aquíferos cársicos (Epikarst, Protective cover, Infiltration conditions, Karst network development)
EPPNA - Método de Avaliação de Vulnerabilidade da Equipa de Projeto do Plano Nacional da Água
EPSG – European Petroleum Survey Group
ESRI – Environmental Systems Research Institute
ETRS 89 – Sistema de Referência Terrestre Europeu (European Terrestrial Reference System)
FAO – Food and Agriculture Organization
GOD – Método de Avaliação de Vulnerabilidade (Groundwater, Overal, Depth)
HTD – Homogeneous Tectonic Domain
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INAG – Instituto Nacional da Água
IS – Índice de Suscetibilidade
IGeoE – Instituto Geográfico do Exército
LNEG – Laboratório Nacional de Energia e Geológica
MAE – Erro Absoluto Médio (Mean Absolute Error)
MDT – Modelo Digital do Terreno
ME – Erro Médio (Mean Error)
ONU – Organização das Nações Unidas
OMS – Organização Mundial de Saúde
RMSE – Raiz Quadrada do Erro Quadrado Médio (Root Mean Square Error)
SIG – Sistemas de Informação Geográfica
SINTACS – Método de Avaliação de Vulnerabilidade (Soggiacenza; Infiltrazione; Non saturo; Tipologia della copertura; Acquifero; Conducibilità; Superfície topográfica)
SROA - Serviço de Reconhecimento e Ordenamento Agrário
TIN – Rede Irregular Triangulada (Triangulated Irregular Network)
UNESCO – United Nations Educational, Scientific, and Cultural Organization
USGS – United States Geological Survey
VULFRAC – Método de Avaliação da Vulnerabilidade das Águas Subterrâneas em Aquíferos Fraturados
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ÍNDICE DO TEXTO
AGRADECIMENTOS ... III
RESUMO ... IV
ABSTRACT ... V
PALAVRAS-CHAVE ... VI
KEYWORDS ... VI
ACRÓNIMOS ... VII
1 – INTRODUÇÃO ... 1
1.1ENQUADRAMENTO ... 1
1.2OBJETIVOS ... 4
1.3PREMISSAS E HIPÓTESES DE TRABALHO ... 5
1.4METODOLOGIA GERAL ... 6
1.5ESTRUTURA DO TRABALHO DE PROJETO ... 6
2 – TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA, COMO INSTRUMENTO NO APOIO À GESTÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS ... 8
2.1OS RECURSOS HÍDRICOS ... 8
2.1.1INCIDÊNCIA DAS ATIVIDADES HUMANAS NOS RECURSOS HÍDRICOS ... 8
2.1.2AS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ... 11
2.2OS SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA (SIG) ... 19
2.3ANÁLISE ESPACIAL E MODELAÇÃO GEOGRÁFICA EM SIG ... 23
2.3.1MÉTODOS DE INTERPOLAÇÃO ESPACIAL ... 24
2.3.2ESTATÍSTICAS DE VALIDAÇÃO CRUZADA ... 29
2.4AS TECNOLOGIAS SIG NA GESTÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ... 31
3 – MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DA VULNERABILIDADE DOS AQUÍFEROS À POLUIÇÃO ... 33
3.1OCONCEITO DE VULNERABILIDADE E RISCO DE CONTAMINAÇÃO DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS . 33 3.2METODOLOGIAS PARA QUANTIFICAÇÃO DA VULNERABILIDADE DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ... 35
3.2.1MÉTODO DRASTIC ... 38
3.2.2MÉTODO DRASTICPESTICIDE ... 39
3.2.3MÉTODO IS ... 40
3.2.4MÉTODO SINTACS ... 41
3.2.5MÉTODO GOD ... 42
3.2.6MÉTODO EPPNA ... 43
3.2.7MÉTODO AVI ... 44
x
3.2.9MÉTODO EPIK ... 45
3.2.10MÉTODO VULFRAC ... 46
4 – ENQUADRAMENTO GEOGRÁFICO E CARACTERIZAÇÃO BIOFÍSICA DA ÁREA DE ESTUDO ... 48
4.1CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ... 48
4.1.1ENQUADRAMENTO GEOGRÁFICO E ADMINISTRATIVO ... 48
4.1.2CARATERIZAÇÃO HIDROGRÁFICA E HIDROLÓGICA ... 50
4.1.3CARATERIZAÇÃO GEOLÓGICA E HIDROGEOLÓGICA ... 52
4.1.4CARATERIZAÇÃO CLIMÁTICA ... 54
4.1.5CARATERIZAÇÃO DOS SOLOS ... 55
4.1.6CARATERIZAÇÃO TOPOGRÁFICA ... 58
5 – AVALIAÇÃO DA VULNERABILIDADE À POLUIÇÃO NA BACIA HIDROGRÁFICA DAS RIBEIRAS DO OESTE ... 61
5.1DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE VULNERABILIDADE À POLUIÇÃO ... 61
5.1.1MÉTODO DRASTIC ... 61
5.1.2MÉTODO DRASTICPESTICIDE ... 74
5.1.3MÉTODO IS ... 75
5.1.4MÉTODO GOD ... 78
5.1.5MÉTODO EPPNA ... 82
5.2VALIDAÇÃO COM OS REGISTOS DE MONITORIZAÇÃO DA QUALIDADE DAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS ... 83
6 – CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 88
6.1DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 88
6.2PRINCIPAIS LIMITAÇÕES EVIDENCIADAS ... 90
6.3PERSPETIVAS FUTURAS... 90
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 92
ANEXOS ... 99
ANEXOI–VALORES DA PIEZOMETRIA RELATIVOS AO ANO DE 2011... 100
ANEXOII–ANÁLISE EXPLORATÓRIA,VARIOGRAFIA E ESTIMAÇÃO DO PARÂMETRO D(MÉTODO DRASTIC) ... 101
ANEXOIII–MATERIAL DO AQUÍFERO ... 103
ANEXOIV–CARATERÍSTICAS DOS SOLOS ... 105
ANEXOV–IMPACTO DA ZONA NÃO SATURADA ... 106
ANEXOVI–CONDUTIVIDADE HIDRÁULICA ... 107
ANEXOVII-ESTRATOS DE COBERTURA (LITOLOGIA) ... 108
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ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Principais métodos para determinação da vulnerabilidade à poluição de aquíferos e
águas subterrâneas ... 36
Tabela 2 – Peso de cada parâmetro do método DRASTIC ... 39
Tabela 3 – Classes de vulnerabilidade ... 39
Tabela 4 – Peso de cada parâmetro do método DRASTIC PESTICIDE ... 40
Tabela 5 – Classes de vulnerabilidade ... 40
Tabela 6 – Fator de ponderação ... 40
Tabela 7 – Classes de vulnerabilidade do índice IS ... 41
Tabela 8 – Peso de cada parâmetro do método SINTACS ... 41
Tabela 9 – Classes de vulnerabilidade segundo critérios litológicos ... 44
Tabela 10 – Classes de Vulnerabilidade do Índice EKv ... 45
Tabela 11 – Índice EPIK e classes de vulnerabilidade ... 46
Tabela 12 – Classes de vulnerabilidade VULFRAC ... 47
Tabela 13 – Caraterísticas hidrogeológicas das massas de água subterrâneas abrangidas pelas Bacias Hidrográficas das Ribeiras do Oeste ... 53
Tabela 14 - Valores médios de precipitação e temperatura (1961-1990), nas 17 estações meteorológicas do IM ... 54
Tabela 15 – Índice do Parâmetro D – Profundidade do Nível de Água ... 61
Tabela 16 - Estatísticas da validação cruzada ... 65
Tabela 17 – Índice do Parâmetro R – Recarga do Aquífero ... 66
Tabela 18 – Valores de Recarga por Massa de Água ... 67
Tabela 19 – Índice do parâmetro A – Material do Aquífero ... 68
Tabela 20 – Índice do parâmetro S – Tipo de Solo ... 69
Tabela 21 – Índice do parâmetro T – Topografia ... 70
Tabela 22 – Índice do parâmetro I – Impacto da zona não saturada ... 72
Tabela 23 – Índice do parâmetro C – Condutividade Hidráulica do Aquífero ... 73
Tabela 24 – Classes definidas para os parâmetros D, R, A e T e valores atribuídos a cada classe ... 75
Tabela 25 – Classificação da ocupação de solo, com base na carta Corine Land Cover ... 76
Tabela 26 - Tipos de aquíferos por massas de água subterrâneas abrangidas pelas Bacias Hidrográficas das Ribeiras do Oeste ... 79
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Tabela 28 - Normas e limiares de qualidade para o estabelecimento do estado químico das
massas de água subterrâneas ... 85
Tabela A. 1. 1 – Dados de piezometria, relativos ao ano de 2011 ... 100
Tabela A. 2. 1 – Modelo e parâmetros do variograma final, relativo à piezometria ... 102
Tabela A. 2. 2 – Estratégia de pesquisa da vizinhança local para a estimação, relativo à piezometria ... 102
Tabela A. 3. 1– Material do Aquífero – Parâmetro A... 104
Tabela A. 4. 1 – Tipos de Solo, segundo a Classificação FAO e a Classificação SROA – Parâmetro S ... 105
Tabela A. 5. 1 – Impacto da Zona Saturada – Parâmetro I ... 106
Tabela A. 6. 1 – Condutividade Hidráulica – Parâmetro C ... 107
Tabela A. 7. 1 – Classificação Litológica – Parâmetro O ... 108
Tabela A. 8. 1 – Dados de Monitorização de Qualidade das Águas Subterrâneas, relativos a 2010 ... 123
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 – Ciclo Hidrológico ... 8
Figura 2 – Distribuição da água no Planeta ... 9
Figura 3 – Tipo de Aquíferos, quanto à pressão ... 13
Figura 4 – Tipos de aquíferos quanto à porosidade ... 13
Figura 5 – Poluição da água subterrânea com diferentes origens ... 14
Figura 6 – Parâmetro incorporado no método DRASTIC. ... 38
Figura 7 – Sistema de avaliação do índice de vulnerabilidade natural dos aquíferos pelo método GOD... 43
Figura 8 – Enquadramento Geográfico da Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 49
Figura 9 – Bacias Hidrográficas das Ribeiras do Oeste ... 50
Figura 10 – Massas de Água Subterrânea da Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 51
Figura 11 – Geologia na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 52
Figura 12 – Tipos de Solos na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 56
Figura 13 – Ocupação do Solo na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 58
Figura 14 – Modelo Digital da Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 59
Figura 15 – Carta de Declives na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste ... 60
Figura 16 – Mapa de Estimação da Profundidade do Topo do Aquífero, usando IDW ... 62
Figura 17 – Mapa de Estimação da Profundidade do Topo do Aquífero, usando Ordinary Kriging ... 63
Figura 18 - Mapa de Estimação da Profundidade do Topo do Aquífero, usando Simple Kriging ... 64
Figura 19 - Mapa de Estimação da Profundidade do Topo do Aquífero, usando Universal Kriging ... 64
Figura 20 – Carta do Parâmetro D - Profundidade do Topo do Aquífero ... 65
Figura 21 – Carta do Parâmetro R - Recarga do Aquífero ... 67
Figura 22 – Carta do Parâmetro A - Material do Aquífero ... 69
Figura 23 - Carta do Parâmetro S - Tipo de Solo ... 70
Figura 24 – Carta do Parâmetro T - Topografia ... 71
Figura 25 – Carta do Parâmetro I - Impacto da Zona não Saturada ... 72
Figura 26 - Carta do Parâmetro C - Condutividade Hidráulica ... 73
Figura 27 – Carta do Índice DRASTIC de vulnerabilidade à Poluição das Águas Subterrâneas . 74 Figura 28 – Carta do Índice DRASTIC de vulnerabilidade à Poluição das Águas ... 75
Figura 29 - Carta do Parâmetro LU – Ocupação do Solo ... 77
Figura 30 - Carta do Índice de Suscetibilidade à Poluição das Águas Subterrâneas ... 78
xiv
Figura 32 - Carta do Parâmetro O – Caraterísticas Litológicas da Zona não Saturada... 80
Figura 33 – Parâmetro D – Distância do Nível de Água Subterrânea ... 81
Figura 34 - Carta do Índice GOD de vulnerabilidade à Poluição das Águas Subterrâneas ... 82
Figura 35 - Carta do Índice EPPNA de vulnerabilidade à Poluição das Águas Subterrâneas ... 83
Figura 36 – Rede de Monitorização da Qualidade das Águas Subterrâneas ... 86
Figura 37 – Qualidade do Estado Químico das Águas Subterrâneas ... 87
Figura A. 2. 1 – Análise exploratória dos dados de piezometria ... 101
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1 – INTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento
A vida e a sustentação da humanidade dependem da água. A procura de água potável aumenta continuamente, ao ritmo do crescimento populacional. Os recursos mundiais acessíveis de água estão a diminuir, devido ao seu elevado uso e à sua poluição. Quando a quantidade de água se revela insuficiente para abastecer uma população crescente, que atribui ao recurso uma série de usos distintos, a qualidade do recurso poderá condicionar a saúde da população (TEMPELHOFFet al., 2009). Segundo BUNNELL et al. (2005), confirma-se que a água constitui uma forma de transmissão de doenças, em virtude do seu grau de contaminação ou poluição. O equilíbrio entre o consumo e os recursos, começa a deixar de existir.
A utilização dos recursos hídricos subterrâneos tem crescido e tende a aumentar nos próximos anos, não só devido ao crescimento demográfico, mas também pela expansão económica e pelas relativas vantagens sobre as águas superficiais. Os recursos hídricos são fontes naturais e vitais, para o abastecimento humano e nas atividades agrícolas e industriais. No entanto, o próprio aumento da população humana, as modificações do uso da terra e a industrialização acelerada, colocam os recursos hídricos, nomeadamente a água subterrânea, em perigo. Desta forma, o reconhecimento de que as águas subterrâneas são uma reserva estratégica e vital para o abastecimento público, exige uma especial atenção no que se refere à sua proteção, para evitar a sua contaminação.
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entanto, uma vez conseguida, tal cooperação durará (ELHANCE, 1999). Deste modo, a ciência e a tecnologia encontram-se cada vez mais empenhadas em ajudar, de forma a evitar os efeitos mais nocivos. Os preciosos recursos de água subterrânea precisam, cada vez mais, de ser protegidos e bem geridos, de forma a permitir a sua utilização sustentável a longo prazo.
Em algumas áreas, a água subterrânea pode conter elevados níveis de substâncias naturais que limitam o seu uso, como por exemplo, quando a água do mar invade um aquífero. Na água subterrânea podem encontrar-se dissolvidas substâncias naturais como o arsénio, flúor, nitratos ou sulfatos, que limitam ou impedem o seu uso direto, devido a questões de saúde pública. Podem existir processos adequados de tratamento, de forma a diminuir ou a remover as substâncias nocivas, mas este procedimento tem, muitas vezes, um custo elevado. Em geral, portanto, a qualidade da água subterrânea deve ser controlada, tanto antes como durante e após a sua utilização.
Nesse sentido, o estudo da vulnerabilidade dos recursos hídricos subterrâneos é fundamental, pois através deste é possível conhecer os fatores que comprometem a qualidade da água e os riscos pelos quais ela pode ser poluída.
A análise da vulnerabilidade serve ainda como parâmetro para atuação a nível da gestão das captações das águas subterrâneas, bem como para a gestão, por parte dos serviços públicos, relativamente à implementação de políticas de controlo e proteção. O crescimento da consciência pública, a necessidade de utilização de medidas mais rigorosas e a promulgação de novas leis na área de recursos hídricos, têm levado à necessidade da utilização de tecnologias avançadas. Com a explosão da informática, tornou-se possível e fácil, desenvolver ferramentas para resolver o problema de armazenamento, manipulação e análise de grandes volumes de dados geográficos, relacionados com os recursos hídricos.
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sistemas de informação geográfica (SIG) são um instrumento eficaz para armazenar, analisar e exibir dados espaciais, sendo frequentemente utilizados na gestão de recursos hídricos. Segundo FERNANDEZ (2004), a Hidrologia enquanto disciplina de análise de informação espacial não é exceção, podendo mesmo afirmar-se que, atualmente, os SIG são uma ferramenta imprescindível nos estudos de âmbito hidrológico. No entanto para MEJUTO et al. (1999), os SIG são instrumentos de extremo interesse no estudo do risco de contaminação das águas subterrâneas. A aplicação dos SIG em Recursos hídricos encontra-se em constante ascensão.
É neste enquadramento que se julga ser de todo pertinente e atual, o estudo da análise da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, utilizando os sistemas de informação geográfica, os quais têm possibilitado aplicar e melhorar as técnicas de análise permitindo a elaboração de mapas de vulnerabilidade, bem como a sua rápida atualização.
Pretende-se que este estudo permita o auxílio na tomada de decisão ao nível do planeamento e gestão das águas subterrâneas, de modo a garantir a proteção e a utilização das águas subterrâneas, permitindo uma planificação integrada e uma gestão sustentável. Assim, poder-se-á evitar um agravamento da poluição, manter a qualidade das águas subterrâneas não poluídas, e restabelecer se for caso disso, a qualidade das águas subterrâneas poluídas.
A principal preocupação com a contaminação das águas subterrâneas é o impacto que esta poderá ter na saúde pública, através do consumo humano. Pretende-se desta forma indicar quais as áreas, na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste, mais suscetíveis à contaminação das águas subterrâneas.
A Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste estende-se ao longo de 2 400 km2 numa
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Na elaboração do Plano da Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste, publicado em Julho de 2001, foi efetuada uma análise da vulnerabilidade dos aquíferos das Ribeiras do Oeste, no entanto, a caraterização destes sistemas hídricos é ainda muito incipiente, quer em termos hidrológicos, quer biológicos e de qualidade da água. Deste modo, é importante a realização de estudos que investiguem os recursos hídricos subterrâneos, nomeadamente as Ribeiras do Oeste, porque os aquíferos desta área são muito utilizados em captações subterrâneas para consumo humano e para rega das predominantes zonas agrícolas.
São assim, necessárias investigações que controlem a exploração das águas subterrâneas, bem como, a caracterização da vulnerabilidade natural dessas áreas. É neste contexto, que se pretende usar uma nova abordagem da análise de vulnerabilidade à poluição, utilizando vários métodos e melhorando os procedimentos de análise; reduzindo o tempo de elaboração de mapas; ampliando a precisão na definição das classes de vulnerabilidade, com base no conhecimento do fluxo subterrâneo e mecanismos de transporte de contaminantes; permitindo a atualização rápida dos mapas existentes com a entrada de novos dados.
1.2 Objetivos
O presente trabalho de projeto tem como objetivo global, demonstrar como os SIG, e as suas capacidades analíticas, disponibilizam ferramentas fundamentais, para responder a uma das maiores necessidades, em termos de análise da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas. Nesse sentido, são definidos como objetivos específicos os dois vetores seguintes:
− Utilizar vários métodos de quantificação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, utilizando métodos de Análise Espacial e Modelação em SIG.
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Pretende-se, como resultado final, um mapa temático, que descreva a avaliação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste. Esta avaliação é de grande importância e constitui um instrumento fundamental na gestão dos recursos hídricos, nomeadamente na gestão das águas subterrâneas, diante das mais diversas atividades antropogénicas, tornando-se uma mais-valia no apoio à tomada de decisão.
1.3 Premissas e Hipóteses de Trabalho
A água subterrânea é um dos recursos mais importantes para a nossa sobrevivência, devendo ser muito bem gerida, de modo a não sujeitar as gerações futuras ao seu desaparecimento. Um dos nossos maiores desafios é diminuir os efeitos da carência e poluição da água. Assim, devem ser realizadas ações preventivas, a fim de evitar contaminações futuras, e ações corretivas, com o fim de controlar as ameaças de poluição representadas por atos passados e atuais (FOSTERet al., 2006).
Neste contexto, na origem do desenvolvimento do presente trabalho de projeto esteve a definição de premissas e hipóteses de investigação. O estudo assenta no princípio de que uma boa gestão dos recursos hídricos subterrâneos e o estudo da vulnerabilidade à poluição dos mesmos, permitirá as Entidades Públicas, responsáveis pela gestão dos recursos hídricos, proteger os aquíferos subterrâneos, minimizando a prática das atividades antrópicas potencialmente poluidoras. Assim sendo, as hipóteses de trabalho são as seguintes:
− O estudo da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas é essencial nos processos de gestão dos recursos hídricos.
− As crescentes funcionalidades dos SIG atuais, nomeadamente processos de análise espacial e modelação em SIG (ex: Geoestatística), permitem efetuar estudos sobre a quantificação da vulnerabilidade das águas subterrâneas à poluição, usando parâmetros hidrogeológicos e atividades antropogénicas
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1.4 Metodologia Geral
Este trabalho de projeto tem como principal intuito a produção de um mapa temático que descreva a vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, na Bacia Hidrográfica das Ribeiras do Oeste. Espera-se que os resultados obtidos permitam contribuir para a gestão dos recursos hídricos subterrâneos, em particular a proteção das águas subterrâneas, sendo esta uma das competências da Administração da Região Hidrográfica do Tejo.
Neste contexto, em termos genéricos, propõe-se que a metodologia a adotar considere as seguintes tarefas:
− Fase de diagnóstico, com o objetivo específico de avaliar a importância da aplicação dos SIG na gestão dos recursos hídricos subterrâneos.
− Pesquisa bibliográfica sobre métodos de quantificação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas.
− Seleção dos métodos de quantificação que melhor se aplicam ao objetivo do estudo, tendo em consideração a disponibilidade de dados.
− Desenvolvimento, aplicação e comparação dos vários métodos de quantificação selecionados, usando diferentes métodos de interpolação espacial (e.g., inverse distance weighting e ordinary kriging) dos parâmetros que contribuem para a quantificação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, usando o ArcGIS 10.
− Validação do método de quantificação da vulnerabilidade à poluição dos recursos hídricos subterrâneos, que melhor representa a realidade, através de cruzamento com dados de monitorização de captações de águas subterrâneas.
1.5 Estrutura do Trabalho de Projeto
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Inicia-se com um capítulo introdutório, onde se faz um enquadramento de problema em estudo e se descrevem os principais objetivos, pressupostos e motivações que servem de base para fundamentar o desenvolvimento deste trabalho.
No segundo capítulo, salienta-se a importância dos recursos hídricos, destacando-se aspetos como a poluição e proteção das águas subterrâneas, relacionando estes aspetos com o tema principal, que é a avaliação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas. Neste capítulo será também apresentada uma breve noção dos conceitos associados aos SIG e à modelação geográfica, evidenciando-se os conceitos associados à modelação determinística e geoestatística. Por fim, ressalta a importância da aplicação dos SIG e da modelação estatística, na gestão das águas subterrâneas. O terceiro capítulo corresponde a uma breve descrição sobre os métodos de quantificação da vulnerabilidade à poluição dos recursos hídricos subterrâneos, os parâmetros utilizados, bem como as suas particularidades e pesos.
O quarto capítulo inicia a parte efetivamente prática deste projeto, refere-se ao enquadramento e caracterização da área de estudo, com descrição dos aspetos hidrogeológicos e antropogénicos da área de estudo, que serão representados através de mapas temáticos.
O quinto capítulo refere-se à aplicação dos métodos de quantificação da vulnerabilidade à poluição das águas subterrâneas, monitorização das mesmas, e finalmente, relacionamento entre os métodos e a monitorização, de modo a determinar qual o método de quantificação de vulnerabilidade, que melhor descreve a realidade.
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2 – TECNOLOGIAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA,
COMO INSTRUMENTO NO APOIO À GESTÃO DOS
RECURSOS HÍDRICOS
2.1 Os Recursos Hídricos
2.1.1 Incidência das Atividades Humanas nos Recursos Hídricos
Os recursos hídricos são as águas superficiais, as águas de transição, as águas costeiras e as águas subterrâneas, que se encontram disponíveis para qualquer tipo de uso numa determinada região (DQA, 2000).
A constante mudança do estado de água na natureza, entre os continentes, oceanos e a atmosfera é chamado de ciclo hidrológico. Este ciclo é alimentado e mantido pela energia do Sol.
No seu incessante movimento, na atmosfera e nas camadas mais superficiais do solo, a água pode percorrer desde o mais simples até ao mais complexo dos caminhos (Figura 1).
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A água é um recurso fundamental para a sobrevivência da humanidade, sendo um tema fulcral de estudo, já que a sua existência condiciona a subsistência da vida na superfície terrestre.
A água com caraterísticas apropriadas para consumo é muito escassa, porque de toda a água existente no planeta, 97% é salgada e encontra-se nos oceanos. Dos restantes 3%, 77% está nas calotes geladas e glaciares, 22% constituem a água subterrânea e 1% corresponde aos rios, lagos, solos e atmosfera (Figura 2). Excluída a água das calotes geladas e glaciares, a água doce utilizável representa oito milhões e meio de quilómetros cúbicos (8 500 000 km3), isto é, 0,6 de toda a água do nosso planeta (MARSILY, 1997; FETTER, 2001).
Figura 2 – Distribuição da água no Planeta (adaptado de MARSILY, 1997)
A importância dos recursos hídricos, em qualquer processo de desenvolvimento socioeconómico é inquestionável, particularmente na atualidade, onde a água é utilizada na produção de diversos sectores da atividade económica e social, tais como: agricultura, indústria, comércio, pesca, saneamento básico, ambiente, obras públicas, turismo, navegação, produção de energia hidroeléctrica e muitos outros.
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ambiental generalizada. De acordo com o relatório da ONU (2009), triplicou a pesquisa de água potável nos últimos 50 anos e dobrou o número de áreas irrigadas. Os principais fatores deste aumento no consumo de água são o crescimento e a mobilidade da população, o aumento no padrão de vida, alterações nos hábitos alimentares, o crescimento da produção de energia, particularmente de biocombustíveis e também as alterações climáticas.
Segundo STOCKHOLM INTERNATIONAL WATER INSTITUTE (2011), a agricultura é a maior consumidora de água no mundo (70%), seguida da indústria (20%) e do consumo doméstico (10%).
Segundo o relatório da ONU (2001) a quantidade de água no nosso planeta é finita, as taxas de crescimento de consumo de água registadas são superiores às taxas de crescimento demográfico.
A água é considerada um dos recursos mais frágeis, devido à poluição dos Recursos hídricos e à escassez de água potável.
Nos países em desenvolvimento, a maioria das águas residuais são descarregadas diretamente nos recursos hídricos, sem qualquer tipo de tratamento, provocando a contaminação destes recursos e sendo responsável por cerca de 80% das doenças existentes nos países mais pobres (OMS, 2012). Nos países desenvolvidos a indústria, a agricultura e os óleos existentes nas estradas, têm um grande impacto na qualidade dos recursos hídricos e na qualidade da água no abastecimento público.
As águas poluídas só poderão ser descontaminadas, recorrendo a processos complexos e dispendiosos.
Só agora o Homem começa a compreender e a ter consciência, que a degradação dos recursos hídricos, pela sua própria atividade, tem um efeito direto na sua qualidade de vida e das gerações futuras, pelo que a ciência e a tecnologia encontram-se cada vez mais empenhadas em colaborar na proteção dos recursos hídricos em geri-los de forma a permitir a sua utilização sustentável a longo prazo, evitando alterações nos ecossistemas naturais, que por vezes são irreversíveis.
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hídricos, torna-se necessária a implementação de uma adequada política de gestão na sua utilização e recuperação, para reutilização.
2.1.2 As Águas Subterrâneas
O solo divide-se em zona não saturada, imediatamente abaixo da superfície, em que os poros se encontram preenchidos por ar e água; e zona saturada, em que todos os espaços estão preenchidos por água. A água armazenada na zona saturada é designada água subterrânea e a água armazenada na zona não saturada é chamada humidade do solo (CHARBENEAU, 2000).
A água subterrânea resulta da infiltração da água que provém da precipitação e da alimentação direta dos rios e lagos. As águas subterrâneas integram a componente não visível e mais lenta do Ciclo Hidrológico, encontrando-se intimamente relacionada com os processos atmosféricos, climáticos e com o regime das águas superficiais. O tempo decorrido entre a infiltração de uma gota de água de chuva no terreno até à sua aparição em nascentes, galerias, poços, furos, ou outras manifestações naturais ou forçadas, pode variar entre alguns meses a vários anos; centenas ou milhares de anos no caso das águas minerais e termominerais de circuito lento e profundo (FETTER, 2001).
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Torna-se essencial que as águas subterrâneas integrem as políticas de planeamento e gestão dos recursos hídricos, quer através do reconhecimento dos ecossistemas dependentes das águas subterrâneas, como locais particularmente vulneráveis a atividades antropogénicas, quer no papel que as funções ecológicas das águas subterrâneas terão no desenvolvimento sustentável de várias atividades socioeconómicas.
2.1.2.1 Aquíferos
Grande parte da água subterrânea encontra-se armazenada em reservatórios naturais de águas subterrâneas, também chamados de aquíferos, definidos pelo Decreto-Lei n.º 58/2005, de 29 de Dezembro, como “ (…) uma ou mais camadas subterrâneas de rocha ou outros estratos geológicos suficientemente porosos e permeáveis para permitirem um escoamento
significativo de águas subterrâneas ou a captação de quantidades significativas de águas
subterrâneas”.
Existem essencialmente dois tipos de aquíferos (INSTITUTO GEOLÓGICO E MINEIRO, 2001):
• Aquífero livre – Formação geológica permeável e parcialmente saturada de água. É limitado na base por uma camada impermeável. O nível da água no aquífero está à pressão atmosférica, havendo uma superfície que está em contato direto com o ar.
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Figura 3 – Tipo de Aquíferos, quanto à pressão (Fonte: BOSCARDIN BORGHETTIet al., 2004)
Na natureza existem diferentes tipos de aquíferos, do ponto de vista da sua estrutura (Figura 4), podem ser divididos em três tipos (FETTER, 2001):
• Aquíferos Porosos – aquíferos que contem poros, resultantes dos arranjos dos grãos. As formações geológicas podem ser detríticas, por vezes consolidadas por cimento. Por exemplo arenitos, conglomerados.
• Aquíferos Fissurados – nestes aquíferos a porosidade e permeabilidade estão relacionados com as fissuras que atingem o material de suporte. As formações podem ser granitos, gabros, filões de quartzo.
• Aquíferos Cársicos – aquíferos com cavidades resultantes de dissolução de rochas, provocadas pelo alargamento de diaclases por dissolução, onde a água circula. As formações são os diversos tipos de calcários.
Figura 4 – Tipos de aquíferos quanto à porosidade (Fonte: BOSCARDIN BORGHETTI et al.,
2004)
CÁRSICO FISSURAL
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2.1.2.2 Impacte Sobre as Águas Subterrâneas
A água subterrânea é uma mistura de águas provenientes de diversas partes do ciclo hidrológico. A composição destas águas varia, dependendo do tempo de residência, extensão do percurso hidrológico, velocidade do escoamento, agitação, reações químicas e biológicas e da natureza dos materiais com os quais interage.
As atividades antropogénicas afetam diretamente o ciclo hidrológico pois alteram os usos do solo, modificando as suas características físicas, químicas e biológicas (Figura 5). Alterações físicas, tal como urbanização, transportes, agricultura (irrigação), desflorestação e florestação, drenagem artificial, canalização e retenção (represas, barragens, etc.) alteram o ciclo hidrológico e podem alterar as características de qualidade da água, através da modificação dos materiais com os quais a água interage. A impermeabilização do solo, por exemplo, diminui a infiltração eficaz e pode modificar o carácter do fluxo subterrâneo (PETERS &MEYBECK, 2000).
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As principais atividades antropogénicas suscetíveis de alterar a qualidade da água subterrânea são as seguintes (ZOBY &OLIVEIRA, 2005):
− A forma de construção de um poço é fundamental para garantir a qualidade da água captada e maximizar a eficiência da operação e a exploração do aquífero. Localização inadequada, ausência de proteção da zona circundante, de lajes de proteção e de revestimento interno e filtro inadequado à formação geológica, colocam em risco a qualidade das águas subterrâneas. Os poços abandonados devem ser devidamente lacrados a fim de não se tornarem fontes de contaminação para o aquífero.
− A ausência ou deficiente manutenção das redes de saneamento representam riscos para as águas subterrâneas, através da infiltração das águas residuais no solo. A contaminação de águas subterrâneas por águas residuais pode ser detetada através de elevadas concentrações de nitrato e presença de bactérias patogénicas e vírus.
− Em aterros sanitários, a decomposição anaeróbia da matéria orgânica produz efluentes líquidos, formados por compostos orgânicos e inorgânicos, apresentando elevadas concentrações de matéria orgânica e metais pesados, cuja infiltração pode contaminar solos e águas subterrâneas. Os aterros sanitários exigem a impermeabilização do terreno, sistema de drenagem, cobertura do material depositado, tratamento de lixiviados e captação dos gases produzidos pela decomposição dos resíduos.
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boro e nitrato, podem-se tornar tóxicos para as plantas ou causar desequilíbrios nutricionais, quando presentes em altas concentrações.
− A utilização de produtos tóxicos na indústria e a ocorrência de acidentes ou fugas nos processos produtivos, transporte e armazenamento de produtos perigosos, representam sérios riscos para o ambiente e saúde pública.
− Os hidrocarbonetos que constituem o petróleo, são amplamente utilizados na indústria e no transporte. A produção, uso e transporte de combustíveis, envolvem o uso de tanques que são suscetíveis a acidentes e fugas. A principal causa de contaminação do subsolo deve-se a fugas nos tanques de armazenamento de combustíveis, associadas a problemas de instalação e corrosão, devido à sua construção em aço e vida útil de 10 a 30 anos.
− A infiltração da água da chuva sobre os resíduos da exploração mineira alcança os corpos hídricos superficiais e/ou subterrâneos. Essas águas adquirem baixo pH (inferior a 3), elevados valores de ferro, sulfato e outros elementos que alteram o uso do solo e destroem a flora e a fauna aquática.
− A contaminação de água subterrânea por unidades cemiteriais e hospitais, está relacionada com a alteração da qualidade química e com a presença de microrganismos.
− Outro percurso hidrológico dos contaminantes é o transporte atmosférico e deposição das partículas, diretamente na água superficial ou indiretamente na água subterrânea pela infiltração no solo.
Catástrofes naturais, como furacões, inundações, tsunamis, terramotos, erupções vulcânicas e deslizamento de terras, também têm grandes efeitos na qualidade e quantidade de água, variando o efeito e a duração da perturbação com a dimensão do desastre.
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Para o Natural RESOURCE MANAGEMENT STANDING COMITEE (2001), a poluição das águas subterrâneas é geralmente difícil de identificar, principalmente quando proveniente de fontes de poluição difusa. Na maioria dos casos só é descoberta quando as substâncias nocivas aparecem nos reservatórios de água potável. A eliminação dos contaminantes é extremamente difícil, sendo um processo muito caro e lento que pode durar muitos anos, isto porque não existem processos específicos destinadas à despoluição das águas subterrâneas. Deste modo, torna-se importante proteger as águas subterrâneas e controlar a sua vulnerabilidade.
Os principais fatores que determinam a vulnerabilidade de um aquífero são (ENVIRONMENT AGENCY, 2004):
− Tipo e natureza do solo, incluindo estrutura, potencial de lixiviação e vulnerabilidade do solo, com base nas propriedades físicas que afetam o fluxo vertical de água e a capacidade de depuração do solo;
− Presença e natureza de corrente de água, incluindo tipo e espessura;
− Profundidade do nível freático dado que a zona não saturada pode atenuar a contaminação por processos físicos, biológicos e químicos;
− Mecanismo de fluxo da água subterrânea (intergranular ou fissuras);
− Vulnerabilidade da água subterrânea e tipo de aquífero;
− Extração de água;
− Zonas de proteção de águas subterrâneas;
− Proximidade de cursos de água, nascentes ou drenagens.
Os requisitos humanos para a sustentabilidade, características culturais da população, situação socioeconómica e as características biofísicas e climáticas da área determinam o nível de interação e contaminação das águas.
2.1.2.3 Proteção das Águas Subterrâneas
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substâncias perigosas. Aquela Diretiva limitava-se a controlar as descargas provenientes de fontes industriais e urbanas. Deste modo, houve a necessidade de se tomarem medidas para evitar a deterioração, quantitativa e qualitativa das águas doces, de superfície e subterrâneas, reconhecendo-se a importância das águas subterrâneas como uma componente essencial do ciclo hidrológico e dos ecossistemas e como um dos mais importantes recursos para a provisão de água para consumo humano.
Em 2000, a Diretiva Quadro da Água (DQA) refletiu, pela primeira vez, uma política de gestão da água, focada na proteção e melhoria do estado das águas, atendendo a que nenhum uso possa colocar em causa o bom funcionamento dos diversos ecossistemas, abrangendo as águas superficiais, subterrâneas, costeiras e de transição. A Lei que traduz esta diretiva, para o Direito Nacional corresponde ao Decreto-Lei nº 58/2005 de 29 de Dezembro, designada por Lei da Água.
A correta implementação da Diretiva-Quadro da Água assegurará, em princípio, a tão necessária salvaguarda das águas subterrâneas no espaço comunitário. Em termos dos objetivos ambientais estabelecidos na Diretiva, há que realçar o da prevenção da deterioração do estado de todos os meios de águas subterrâneas, que permitirá evitar o agravamento do seu estado, independentemente das condições em que estas se encontrem. A política de proteção das águas subterrâneas tem como base os seguintes princípios:
− Evitar a degradação da qualidade das águas subterrâneas não poluídas;
− Impossibilitar o aumento da poluição das águas subterrâneas;
− Recuperar águas subterrâneas contaminadas.
Deste modo, é previsto um programa de ação que comtemple os seguintes aspetos:
− Conceção de sistemas de licenciamento e de outros instrumentos, que garantam uma gestão adequada das águas subterrâneas ao nível nacional;
− Criação e aplicação de medidas para prevenir a poluição, particularmente a de origem difusa e proteger as águas subterrâneas;
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promovam práticas agrícolas conciliáveis com a proteção das águas subterrâneas.
Deve ser dada particular atenção, ao desenvolvimento de métodos adequados para regular o uso, controlo, proteção e conservação das águas subterrâneas sem esquecer a necessidade de esforços em investigação, direcionados para o conhecimento da dinâmica ambiental, e desenvolvimento de tecnologias ambientalmente adequadas. O desenvolvimento sustentável, os conflitos de uso e consequente escassez, os problemas de desequilíbrio entre oferta e procura de água, o desenvolvimento socioeconómico e melhoria da qualidade de vida são os principais objetivos da gestão dos recursos hídricos, apoiada na perspetiva de utilização múltipla e integrada.
Definir programas de proteção da água subterrânea, é permitir o seu uso racional e sustentável, em termos qualitativos e quantitativos.
A monitorização dos recursos hídricos subterrâneos desempenha um papel fundamental no processo de planeamento e gestão integrada das massas de água de um território, na medida em que permite conhecer, avaliar e classificar o seu estado e, consequentemente, apoiar a tomada de decisão, podendo limitar potenciais utilizações da água.
Outra estratégia de proteção da qualidade das águas subterrâneas, será uma avaliação regional, em nível de reconhecimento e com base em dados disponíveis, que consiste em construir mapas de vulnerabilidade à poluição dos sistemas aquíferos, sendo um importante instrumento de planeamento e gestão de políticas e ações de proteção das águas subterrâneas.
Segundo ROBINS et al. (2007), também em África inicia-se o desenvolvimento de estratégias de proteção e de avaliação da vulnerabilidade das águas subterrâneas, na gestão das águas subterrâneas.
2.2 Os Sistemas de Informação Geográfica (SIG)
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interação entre indivíduos e o espaço em que ambos se adaptam e transformam ao longo do tempo. Deste modo, tem-se recorrido cada vez mais aos Sistemas de Informação Geográfica (SIG).
Sendo uma tecnologia em franco processo de desenvolvimento, é difícil chegar a uma definição de SIG que satisfaça os abrangidos no seu desenvolvimento, com o seu uso e até mesmo aqueles que fazem o seu marketing – há inclusive os que chegam a considerar SIG como uma ciência e não como uma ferramenta (GOODCHILD, 1997).
Atualmente os SIG são utilizados nas mais diversas áreas de trabalho, o que torna difícil a sua definição, deste modo, o termo Sistema de Informação Geográfica tem sido objeto de várias definições por parte de diferentes autores, devido à sua utilização nas diversas áreas científicas ou domínios da atividade humana (recursos naturais, planeamento urbano, agricultura, geografia, informática…). Neste contexto, é possível que os vários conceitos resultem da forma como os SIG são utilizados. A ideia mais comum de SIG, está frequentemente associada à produção e análise de cartografia através da tecnologia computacional.
Das propostas de definição de Sistemas de Informação Geográfica podemos destacar as seguintes.
Um SIG é um sistema de hardware, software e procedimentos organizados, de forma a possibilitar a aquisição, gestão, manipulação, análise e visualização de dados que tenham uma componente espacial (TOMLIN, 1990).
Um SIG é um sistema de computador capaz de capturar, armazenar, verificar, manipular, analisar e mostrar informação que está espacialmente referenciada na Terra (DEPARTMENT OF THE ENVIRONMENT, 1987), isto é, dados identificados de acordo com a localização. Especialistas definem igualmente um SIG como incluindo os procedimentos, pessoal da empresa e dados geográficos que entram no sistema (USGS, 2007).
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Após a análise destas definições, facilmente entendemos os SIG, como um sistema que tem por base os computadores para gerir os dados geográficos, tendo estes a referência ao espaço geográfico, à representação de escala geográfica e possibilitando a manipulação de dados na resolução de vários problemas espaciais.
Um SIG integra dados espaciais e de outros tipos num único sistema, o que permite combinar dados de diferentes fontes, provenientes de diferentes conjuntos de dados. ABLER (1988) apresenta algumas visões interessantes sobre o significado de SIG, pois exprime que os SIG são para a análise geográfica o que o microscópio, o telescópio e os computadores foram para outras ciências… ele pode ter a solução que ajudará a dissolver as dicotomias regional-sistemáticas e humano-físicas que têm assolado a geografia e outras disciplinas que usam a informação espacial.
Apesar de esta ser uma visão interessante, é importante realçar que o desenvolvimento de SIG oferece outras vantagens, tais como:
− Permite alargar os nossos conhecimentos, relativos aos recursos disponíveis numa determinada área geográfica;
− Contribui para aumentar a brevidade na preparação de relatórios, gráficos e mapas, o que aumenta a eficácia da informação geográfica, usada em análises de políticas e avaliação de opções de planeamento;
− Permite melhorias no planeamento e gestão de futuras pesquisas, pelo facto de disponibilizar os dados já existentes e estabelecer linhas mestras para recolha, armazenagem e processamento de novos dados a recolher.
− Diminui o tempo de resposta aos pedidos de informação, por tornar as informações mais acessíveis.
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Das diversas áreas onde é aplicado os SIG, têm-se verificado uma grande expansão na área da gestão ambiental.
VALE & PAINHO (1998) referem que os Sistemas de Informação Geográfica têm vindo cada vez mais a ser utilizados como ferramentas indispensáveis à caracterização Ambiental: nestes sistemas a componente espacial funciona como variável integradora das diferentes perspetivas económica, social e ambiental.
Por outro lado segundo EASTMAN (1999) umas das aplicações mais importantes dos SIG consiste na análise de dados para o apoio aos processos de decisão, relacionados com o ambiente.
Neste contexto pode-se afirmar que os Sistemas de Informação Geográfica tornaram-se numa ferramenta indispensável na área de gestão ambiental, com uma crescente aplicação na gestão dos recursos hídricos.
Os SIG incluem a produção, a organização, a análise e a edição de um conjunto alargado de bases de dados geográficos e são uma ferramenta imprescindível para cumprir os desafios inerentes à aplicação da DQA. As Ciências e as Tecnologias de Informação Geográfica, ao analisar a dimensão espacial e temporal, possibilitam relacionar a informação de natureza multidisciplinar e multidimensional, ampliando a capacidade de processamento e de mobilidade da informação, com reflexos na comunicação, decisão e ação.
No decorrer das várias fases de desenvolvimento, os SIG reúnem e tratam a informação com uma qualidade espacial e temática progressiva e em sintonia com a integração aplicacional, promovendo a passagem gradual de apoio ao planeamento para a gestão operacional. Na produção e uso de informação geográfica, as diferentes aplicações e modelos permitem agregar os processos de planeamento, monitorização e gestão de recursos hídricos, requerendo, no entanto, informação com elevada e crescente qualidade espacial, temática e territorial.
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os resultados, em termos de quantidade e qualidade dos recursos hídricos, na sua relação com a complexidade biofísica, humana e territorial.
2.3 Análise Espacial e Modelação Geográfica em SIG
Os SIG, são uma ferramenta que permite a gestão, pesquisa e visualização de dados espaciais. Estes sistemas, ligados à modelação do comportamento e desenvolvimento espacial, permitem simular fenómenos e processos, que têm uma dimensão espacial explícita, assim como identificar as características espaciais dos dados. Permite ainda, a identificação de padrões, a formulação de hipóteses e a avaliação de aspetos de modelação espacial, a partir da localização dos dados.
O recurso a metodologias de análise espacial e modelação em SIG tornaram-se num grande potencial, no apoio à tomada de decisões mais adequadas e eficazes nos diferentes domínios, permitindo retirar enormes vantagens competitivas e racionalização de tempo.
A noção de análise espacial num SIG comporta a ideia de integração de dados espaciais e atributos alfanuméricos e traduz numa série de funções relacionadas com a seleção e pesquisa de dados, por um lado, e com modelação, por outro (NEVES & CONDESSA, 1993).
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testável. Outro conjunto de modelos estatísticos baseia-se em técnicas de interpolação espacial, caso em que a modelação geográfica duma característica ou fenómeno é baseada exclusivamente em informação de natureza espacial (MAURER, 1994).
WALKER (1990) considera os SIG como a ferramenta ideal para isolar e descrever relações espaciais e elaborar modelos estatisticamente testáveis, dependendo da qualidade destes, em grande parte, da qualidade dos dados utilizados para a sua construção.
A análise espacial e a modelação conferidas pelos SIG são aspetos chave para ajudar a resolver problemas críticos da atualidade. Nos casos em estudo, relativos a águas subterrâneas, a análise passa pela avaliação de dados estáticos que descrevem os sistemas aquíferos nas suas dimensões físicas e características geológicas, geométricas e hidráulicas, e pela apreciação de variáveis de estado, incluídas em séries temporais de valores obtidos em medições de campo e que caracterizam a parte dinâmica dos processos naturais.
2.3.1 Métodos de Interpolação Espacial
As ferramentas informáticas dos SIG permitem o armazenamento de informação georreferenciada, com a integração de vários formatos e tipos de dados. Estes sistemas oferecem simultaneamente diversas modalidades de visualização e exploração dos dados armazenados, permitindo o desenvolvimento de complexas operações de análise espacial.
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A interpolação de dados é uma técnica usualmente adotada para estimar valores desconhecidos de uma variável, a partir de valores conhecidos da mesma variável, ou seja, envolve a estimativa do valor de um atributo em locais não amostrados, a partir de pontos amostrados na mesma área ou região.
A interpolação espacial baseia-se no conceito enunciado pela primeira lei da geografia, proposto por Waldo Tobler (in LI &HEAP, 2008): tudo está relacionado mas as realidades tendem a ser semelhantes em locais mais próximos do que em locais mais afastados. Esse conceito fundamenta a base das relações espaciais entre fenómenos geográficos e a correlação espacial. Os métodos de interpolação espacial podem ser agrupados em três categorias: métodos determinísticos, geoestatísticos e métodos combinados (LI &HEAP, 2008).
Os métodos determinísticos calculam superfícies, baseadas na extensão de semelhança entre os pontos ou no grau de suavidade pretendido, através de funções matemáticas. No que diz respeito aos métodos geoestatísticos, estes geram superfícies baseando-se em estatísticas e modelos de previsão de superfícies que incluem erros e incerteza na previsão. Finalmente os métodos combinados resultam da combinação dos dois anteriores.
Dentro dos diferentes métodos existentes destacam-se os seguintes: Ponderação pelo Inverso da Distância (Inverse Distance Weighting - IDW), Spline e Krigagem (Kriging).
A Ponderação peloInverso da Distância (Inverse Distance Weighting - IDW)
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minimizado pela adoção de um parâmetro de suavização (SOARES, 2000), mas que conduz a que o interpolador já não seja exato.
Portanto, a equação do método IDW é apresentada na forma (MERWADE et al.,
2006):
∗ = ∑
∑ (Equação 1)
Z*: valor interpolado/estimado
di: distância do ponto amostrado i à localização que se pretende estimar
Zi: valor do ponto amostrado i
p: exponente de ponderação da distância
n: número de pontos amostrados considerados na interpolação
A influência de cada uma das amostras no valor estimado de um ponto é obtida pelo inverso da distância ao ponto elevado a uma potência. A escolha da potência é arbitrária, quanto maior for a potência, maior será a influência da amostra mais próxima e, caso a potência seja nula, o ponderador é igual para qualquer amostra. A potência mais utilizada é “2”, sendo por isso conhecido pelo método do inverso do quadrado das distâncias.
Neste método, os valores interpolados nunca atingem o valor máximo ou mínimo das amostras (JOHNSTON et al., 2003), podendo, nestes casos, os resultados da interpolação não transporem a realidade (e.g. linhas de cumeada).
O IDW é um método que apresenta bons resultados com dados regularmente espaçados, consequentemente o mesmo não se verifica quando os dados se encontram aglomerados (clustering) (ISAAKS &SRIVASTAVA, 1989).
A interpolação por spline também é um método determinístico, local e exato. Este método utiliza um polinómio para interpolar os valores observados nos pontos de amostragem. A superfície interpolada passa em todos os pontos observados e pode exceder o intervalo de valores da amostra (CABRAL, 2011; JOHNSTON et al., 2003). Este efeito é particularmente útil pois permite estimar valores que se encontram acima, ou abaixo, dos valores observados na amostra.
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= + + + (Equação 2)
As interpolações polinomiais apresentam como inconveniente produzirem superfícies suavizadas e pouco sensíveis a variações locais. Assim sendo, o spline é um método com melhores resultados para capturar a tendência global de superfícies. Ou seja, quando os pontos se encontram muito próximos e têm diferenças muito grandes nos seus valores, este interpolador não produz bons resultados(CABRAL, 2011).
O método spline inclui duas técnicas: regularized e tension. O spline do tipo Tension gera uma superfície mais plana que o spline do tipo Regularized, forçando a superfície produzida a permanecer constrangida aos valores reais dos pontos, i.e. passando pelos pontos amostrados. Já o spline Regularized cria uma superfície suave, que muda gradualmente, estima valores que podem sair do intervalo de dados de amostragem (MERWADEet al., 2006).
A krigagem (kriging) é um método de interpolação geoestatística baseado numa média móvel ponderada, sendo que os pesos atribuídos às amostras são calculados de forma a minimizar a variância de estimação, calculada em função do variograma e da localização relativa de cada uma das amostras ao ponto que se pretende estimar (GOOVAERTS,1997;SOARES,2000).
Segundo JOHNSTON et al., (2001) a krigagem é um interpolador estocástico estacionário.
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regionalizadas têm características intermédias entre as variáveis puramente aleatórias e as variáveis determinísticas.
A krigagem resulta de um conjunto de algoritmos de regressão de mínimos quadrados generalizados que fornecem estimativas não enviesadas de valores no espaço a partir de um conjunto de observações recolhidas em várias localizações, e que usam o modelo de covariâncias espaciais estimado a partir dos dados observados (GOOVAERTS,1997;SOARES,2000).
Entre as técnicas de interpolação que consideram médias ponderadas, a krigagem é o melhor estimador não enviesado, estejam ou não os dados normalmente distribuídos. (JOHNSTON et al., 2003).
Uma das vantagens deste método de interpolação é a modelação de fenómenos anisotrópicos e, não sendo um método totalmente isento de erro, permite calcular o erro de estimação e a construção de mapas de erro e superfícies de probabilidade (LINDLEYet al., 2004).
O estimador de krigagem pondera os valores medidos (observados) na vizinhança do ponto a estimar, ou seja baseia-se na soma ponderada dos dados (JOHNSTON et al., 2001).
= ∑ (Equação 3)
Sendo o valor medido na i-ésima localização; corresponde a um peso desconhecido para os valores medidos na i-ésima localização; é a localização a prever; N refere-se ao número de valores medidos.
A família de técnicas kriging abrange um conjunto de métodos ligeiramente diferentes entre si, apesar da filosofia subjacente ser a mesma. Neste trabalho serão utilizados métodos univariados: o Simple kriging, o Ordinary kriging, Universal kriging
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No Ordinary kriging, não se assume que as médias locais sejam idênticas à média da população, nem conhecidas, usando-se as amostras vizinhas da localização a estimar para inferir as médias locais. Assim, esta técnica tem em conta as variações locais da média, porque limita o seu domínio de estacionaridade a uma vizinhança local (SOARES,2000).
No Universal kriging, as médias locais não são conhecidas, mas assume que são influenciadas por uma tendência geral. Este método especifica que a média da amostra a ser estimada varia primeiro dentro da vizinhança e depois sobre toda a área de estudo considerada. A componente de tendência é modelada como uma combinação linear de funções das coordenadas espaciais. Esta técnica considera, simultaneamente, a tendência e a estimativa dos valores e, como consequência, os erros de estimativa incluem os erros associados à estimativa da superfície de tendência (LANDIMet a.l, 2002).
Neste trabalho será usado o IDW e os métodos de Kriging (ordinary kriging, simple kriging e universal kriging).
2.3.2 Estatísticas de Validação Cruzada
O processo de validação cruzada (cross-validation) é uma técnica para avaliação do ajuste de um modelo teórico que possibilita comparar valores estimados com os valores observados, ou seja, permite dar uma ideia de como o modelo se adaptou, servindo assim como medida de incerteza da predição realizada.
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Desta forma, os erros de estimação são calculados como sendo as diferenças entre os valores estimados [z*(xα)] e os valores observados [z(xα)], assim os testes de validação
cruzada apresentam um conjunto de estatísticas que permitem comparar formalmente diferentes modelos (GOOVAERTS, 1997).
• Erro Médio (Mean Error - ME), é uma estatística usada para verificar se a estimação é enviesada, indicando se a estimação é ou não imparcial, no entanto este erro depende da escala dos dados. Deve tomar valores próximos de zero.
= ∑ [ ∗ "# − "# ]
# (Equação 4)
• Erro Absoluto Médio (Mean Absolute Error - MAE), também usado para verificar se a estimação é enviesada.
& = ∑# | ∗ "# − "# | (Equação 5)
• Raiz Quadrada do Erro Quadrático Médio (Root Mean Square Error - RMSE) é uma estatística que dá a indicação da variabilidade da proximidade a que estão os valores estimados dos medidos, sendo utilizada para verificar a precisão do modelo. Quanto menor for melhor é o modelo utilizado.
( = ) ∑# [ ∗ "# − "# ] (Equação 6)
• Segundo HABERLANDT (2007), tem-se ainda a estatística dos erros usada para verificar a capacidade do modelo preservar a variabilidade do atributo, que avalia o grau de suavização da interpolação, calculada através do quociente entre a variância dos valores estimados e a variância dos valores observados (RVar).
(* + =,-.[/∗01]
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2.4 As Tecnologias SIG na Gestão das Águas Subterrâneas
A inclusão de modelos determinísticos e estocásticos num sistema de apoio à decisão, permite que os utilizadores e os decisores analisem cenários futuros de disponibilidade e de qualidade da água para vários fins, de modo a formular propostas para a proteção sustentável do recurso.
Do ponto de vista da tomada de decisão, os modelos estatísticos podem ser muito úteis, já que permitem, a partir de dados com representatividade espacial e temporal, produzir cartas de probabilidades, avaliar tendências ou construir índices de qualidade e vulnerabilidade da água subterrânea.
A elaboração de modelos recorrendo aos sistemas de informação geográfica, tornou-se numa ferramenta imprescindível para um número crescente de estudos de vulnerabilidade e qualidade das águas subterrâneas. Atualmente é impensável não recorrer aos SIG em estudos que envolvam inputs e/ou outputs de natureza cartográfica, o que se justifica não só pelas suas capacidades gráficas, mas principalmente, pelas potencialidades analíticas. De facto os SIG são a ferramenta ideal para isolar, descrever relações espaciais e elaborar modelos estatísticos testáveis (WALKER, 1990).
Por exemplo o WATERWARE é um programa que apresenta várias ferramentas para efetuar o planeamento das Bacias Hidrográficas, tendo como principal vantagem a identificação de soluções, utilizando, para tal, menos recursos financeiros para atingir os padrões de qualidade da água estabelecidos para os rios. Este software foi utilizado no planeamento das Bacias Hidrográficas, na análise das Bacias do rio Tamisa em Inglaterra (JAMIESON & FEDRA, 1996), e no rio Lerma no México (JAMIESON & FEDRA, 1996). Alguns dos problemas abordados pelo Waterware, passam pela avaliação dos recursos da água e a descontaminação das águas subterrâneas.
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objetivo de se fazer uma boa gestão e planeamento das águas superficiais e subterrâneas.
Uma vez que os problemas ambientais têm uma reconhecida natureza espacial, a realização de estudos desta natureza, obriga à manipulação de uma quantidade significativa de informação geográfica, situação esta que, com o uso dos Sistemas de Informação Geográfica se torna muito mais simples de resolver.
