Análise do aporte de ferro solúvel na sub-bacia hidrográfica do rio do Peixe por meio do SWAT
Aline Copque Fialho do Bonfim1 Pedro Henrique RodriguesPereira2
Letícia de Souza Perdigão3 Eliane Maria Vieira4
1
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI/Itabira CEP 35900-000 – Itabira - MG, Brasil
aline.copque@gmail.com
2
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI/Itabira CEP 35900-000 – Itabira - MG, Brasil
pedro.hrp90@gmail.com
3
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI/Itabira CEP 35900-000 – Itabira - MG, Brasil
leticia.sperdigao@gmail.com
4
Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI/Itabira CEP 35900-000 – Itabira - MG, Brasil
elianevieira@unifei.edu.br
Abstract. The watershed is one of the most relevant boundaries for the development, planning and management of natural resources. Current problems of the crisis in water supply and the increasing pressure of occupation and degradation of watersheds have generated a demand for research on the influence of changes in hydrological dynamics. The simulation of the hydrological behavior of these basins is one of the main tools in the management of water resources due to the possibility of predicting the river system. This research aims to use the mathematical model Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to model the contribution of Soluble Iron in the sub-basin of the river's fish municipality located Itabira, central portion of the state of Minas Gerais, in the quadrilateral ferriferous, 111 km from the capital, Belo Horizonte, and the mining activity has its main economic activity, with the basin drainage area of 207 km ² and sub-part of the Piracicaba river basin. For modeling time series will be used for monitoring the Mining Institute of Water Management (IGAM) to feed the model. The still and analyze the interaction of the various activities in the region, such as mining, agriculture and industry, with the amount of sediment found in this sub-basin.
1. Introdução
A mineração sempre foi um dos setores básicos da economia brasileira, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida de muitas gerações, apesar de acarretar fortes impactos ambientais, alterando a qualidade do ar e das águas. Segundo Silva e Souza (2002), a destruição da cobertura vegetal em áreas de mineração deixa solo e rochas expostas, que sofreram constantes ações de agentes erosivos, causando contaminação e assoreamento de cursos d’água, dentre outros problemas ambientais.
Em cidades mineradoras, a quantidade de sedimentos encontrada no ar e no solo da é muito grande, e, devido à ação de processos físicos, como chuva e vento, este minério é carreado para as bacias hidrográficas, contaminando-as, sendo, por isso, de grande importância sua análise. O ferro, minério explorado em diversas cidades mineiras, pode ser encontrado na água nos estados de oxidação Fe+2 (íon ferroso) e Fe+3 (íon férrico), sendo o primeiro mais solúvel que o segundo e, portanto, mais frequente em rios e lagos.
Uma forma de se analisar o comportamento de uma determinada atividade em uma bacia seria com o emprego de modelos matemáticos, dentre eles se destacam os que empregam modelos hidrossedimentológicos, como é o caso do Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Segundo Souza et. al. (2009), este é um modelo matemático público, desenvolvido nos EUA em 1996. O SWAT modela os processos físicos associados com o movimento da água, movimento de sedimentos, crescimento da vegetação, dentre outros. Os dados são obtidos através de empresas de monitoramento da qualidade da água. A entrada destes é realizada via uma interface entre o SWAT e o ArcView®, onde são necessários o Modelo Numérico do Terreno (MNT), que seria a representação matemática da distribuição espacial de altitude na área, os solos e o uso da terra, além de planilhas com dados climáticos.
Localizada no leste do estado de Minas Gerais, a sub-bacia hidrográfica do rio do Peixe, abrange os municípios de Itabira, Nova Era e Santa Maria de Itabira, possui uma área de drenagem igual a 407 km², e sofre fortes impactos oriundos da atividade mineradora realizada na região. Segundo a Agência Nacional de Àguas (2011), foram encontradas quantidades consideráveis de ferro solúvel nesta sub-bacia. Este sedimento pode ser oriundo não somente da mineração, uma vez que a região ainda conta com uma extensa área rural, com forte atividade pecuarista, e com a área urbana do município de Itabira. Entretanto, como monitorar a quantidade de sedimentos carreados para esta bacia? E o quanto essa geração pode estar relacionada com o acúmulo de ferro solúvel advindo do processo de mineração ou de outras atividades?
2. Metodologia do Trabalho 2.1. Sistema computacional
Foram empregados no projeto os seguintes Softwares SIG ArcGIS®, versão 10.0, desenvolvidos pela Environmental Systems Research Institute (ESRI) e a Interface ArcGIS - Soil and Water Assessment Tool versão 10.0 (ArcSWAT), desenvolvido pelo Blackland Research Center Texas Agricultural Experiment Station e USDA Agricultural Research Service.
Segundo Souza (2007), a bacia hidrográfica do rio Doce se estende pelos estados de Minas Gerais e Espírito Santo, abrangendo uma área de drenagem de 83.400 km², sendo 84% pertencente ao estado mineiro e 14% ao capixaba. Esta bacia abrange 228 municípios em seu total, sendo 202 somente em Minas Gerais, e possuindo uma população total de cerca de 3,1 milhões de habitantes. Dentro desta bacia encontra-se a sub-bacia do rio Piracicaba, localizada em seu trecho médio, e que possui considerável importância, principalmente por totalizar uma grande área, de aproximadamente 5.896 km², e por possuir um grande contingente populacional, de cerca 21 municípios mineiros, e totalizando 733.361 habitantes, de acordo com o Instituto de Águas de Minas Gerais (IGAM). Seu curso d’água principal é o rio Piracicaba, com uma extensão de 241 km até desaguar no rio Doce, nascendo no município de Ouro Preto.
O município de Itabira está localizado na porção central do Estado de Minas Gerais, no quadrilátero ferrífero, a 111 km da capital Belo Horizonte, e tem na atividade mineradora sua principal atividade econômica. Possui área de 1254,49 km², sendo 42 km² de área urbana e 1212,49 km² de área rural. De acordo com o Instituto Brasileiro de Cartografia e Estatística – IBGE, o município possui área de 1.256,49 Km² e população de 110.419 habitantes (2009), e está compreendido entre bacias e sub-bacias hidrográficas importantes, fazendo parte da Bacia Hidrográfica do Rio Doce, e possui como principais cursos d’água o rio do Tanque, o rio do Peixe e o rio Santa Bárbara, sendo a sub-bacia do Rio do Peixe a segunda maior do município.
Abrangendo grande parte do município, como mostra a figura 1, o rio do Peixe está compreendido principalmente entre os municípios de Itabira e Nova Era, fazendo parte da sub-bacia do rio Piracicaba. Para simular a carga de ferro solúvel na sub-bacia hidrográfica do rio do peixe, será empregada a série histórica de monitoramento do Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM), localizada no município de Nova Era.
Figura 1: Localização da sub-bacia do Rio Piracicaba, na qual está inserida a microbacia do Rio do Peixe, dentro do município de Itabira. (Fonte: IGAM )
2.3. MNT e Mapa de declividade
Um modelo numérico de terreno (MNT), segundo Felgueiras e Câmara (2001), é uma representação matemática computacional da distribuição de um fenômeno espacial que ocorre dentro de uma região da superfície terrestre. A partir de sua criação é possível gerar mapas de declividade. Declividade é a inclinação da superfície do terreno em relação ao plano horizontal. A declividade de um terreno, em muitos casos, é o principal condicionador da sua capacidade de uso, possibilitando a delimitação de rios no caso de Bacias Hidrográficas.
Para a delimitação da bacia em estudo, utilizou-se a ferramenta Fill Sinks do ArcGIS, tendo como plano de entrada o Modelo Digital de Elevação (MDE). Este processo consiste no preenchimento de pequenas depressões que possam ser originadas, erroneamente, no processo de montagem da MNT e da grade digital de elevação, considerando as altitudes dos pixels vizinhos.
2.4. Mapa de solos
O mapa de solos é utilizado na fase de entrada da interface SWAT. Neste estudo, o mapa foi obtido a partir do FEAM com o CETEC no ano de 2011 para o estado de Minas Gerais, seguindo as normas de classificação do Sistema Brasileiro de Classificação dos Solos (SIBICS), elaborado pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) no ano de 2006.
2.5. Mapa de uso e ocupação
Para a elaboração do mapa de uso e ocupação do solo, foram utilizadas imagens LandSat 5, disponibilizadas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). As imagens foram selecionadas levando em consideração a data de obtenção e a quantidade de nuvens, que impossibilita sua visualização e posterior classificação. Após selecionadas, as imagens foram georreferenciadas no Datum WGS 1984, projeção de Mercator (UTM), fuso 23S. Foi feito então a digitalização dos polígonos referentes à cada tipo de uso do solo e empregou-se a classificação supervisionada, seguindo as classes agricultura, florestas, pastagem, solo exposto, urbano, rios e águas respectivamente representando os números de 1-7 para adição no ArcGIS. Após completo, o layout do mapa foi exportado para o formato de imagem.
2.6. Dados climatológicos
Para alimentação do modelo foram empregados dados obtidos através de estações climatológicas localizadas nos municípios de Belo Horizonte, João Monlevade e Conceição do Mato Dentro. Estes municípios foram selecionados por serem os únicos a possuir estações de monitoramento, além de algumas outras semelhanças devidas principalmente à proximidade, como o clima, regime pluviométrico, dentre outros. Todas as estações são controladas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e fornecem dados de precipitação, temperatura do bulbo seco e úmido, temperatura máxima e mínima, umidade, pressão atmosférica, direção e velocidade do vento e insolação.
Para a obtenção das médias mensais de precipitação utilizou-se o Microsoft Office Excel 2007. Utilizando a ferramenta Média, os dados obtidos pelas estações foram calculados e separados por ano. Gerou-se então histogramas de precipitação em função do tempo para cada estação.
A etapa inicial da alimentação do SWAT é a entrada do MNT, e a partir deste plano de informações, será criada as subdivisões da microbacia hidrográfica. Esta interface possibilita a entrada de outras informações, entretanto, para este projeto, optou-se pela geração dessas informações através do MNT. A segunda etapa constituiu-se na inserção do ponto de monitoramento da estação de qualidade da água do Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM), localizado no município de Nova Era, para posterior delineamento das subdivisões da microbacia do rio do Peixe, onde o usuário poderá manipular o número de subdivisões de acordo com sua necessidade.
Estas subdivisões podem ser compostas pelas Unidades de Respostas Hidrológicas (HRU’s), às quais correspondem a uma única combinação de cobertura da terra e solos dentro da sub-bacia (MACHADO; VETTORAZZI; CRUCIANI, 2003). Ou seja, as HRU’s são partes da sub-bacia que possuem uma única combinação de uso da terra/solo/manejo, onde os parâmetros são tratados de maneira concentrada, não interagindo entre si e sendo os resultados de escoamento, nutrientes e sedimentos compostos pela soma de HRU’s.
Em seguida, o mapa de uso dos solos elaborado anteriormente foi inserido no SWAT, tendo sido requisitado pelo programa a definição das classes de uso do solo presentes no mapa. O usuário ainda possui a opção de utilizar a própria base de categoria de cobertura do solo existente no programa, modificá-la, ou criar novas classes que sejam adequadas às presentes na microbacia em questão.
3. Resultados e Discussão
Foi gerado o mapa de Solos para o município de Itabira, como mostra a figura 2.
O mapa de uso do solo para a microbacia do rio do Peixe foi gerado e apresentado na Figura 3.
Figura 3: Mapa de uso e ocupação do solo da microbacia hidrográfica do rio do Peixe. Através do mapa do solo foi possível calcular a área de cada classe de uso, apresentadas na Tabela 1. Foi calculada a área em km² e sua porcentagem no total, que foi de 423,16 km², sendo a área considerada pelo município para a microbacia de 407 km².
Tabela 1: Classes do mapa de uso do solo e sua respectiva área em km² e porcentagem.
Classe Área (km²) Área (%) Agricultura 22,95 5,42 Florestas 207,12 48,95 Pastagem 152,39 36,01 Solo Exposto 17,29 4,09 Urbano 17,73 4,19 Águas 5,68 1,34 Total 423,16 100
Em relação aos dados gerados pelo SWAT, não foi obtido ainda nenhum resultado, uma vez que, devido a sucessivas falhas do programa, não foi possível ainda realizar a simulação. Os mesmos serão revistos para que posterior geração dos resultados.
4. Conclusões
O SWAT necessita de Planos de Informações (PI’s) para servirem de dados de entrada do modelo, que são os mapas gerados (MNT, mapa de solo e mapa de uso e ocupação) e os dados tabulares, como os dados obtidos pelas estações de monitoramento climáticos e de qualidade da água. Estes dados estão em fase de geração para posterior análise. A etapa inicial foi a mais trabalhosa, uma vez que o modelo apresentou sucessivas falhas em diferentes etapas durante sua execução, sendo necessário que as mesmas fossem refeitas e os dados reanalisados para encontrar erros e serem adicionados novamente para posterior alimentação do modelo e geração dos dados de sedimento.
Estando o presente trabalho ainda em fase de execução, necessita-se gerar os HRU’s através da inserção do MNT, mapa de uso e ocupação, mapa de solos e dados sobre declividade. Os dados climáticos serão trabalhados após a criação do HRU’s. Após estas etapas e a adição de alguns dados secundários, os cenários começarão a ser gerados.
Referências Bibliográficas
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