HIDROGRÁFICA DA ESTAÇÃO EXPERIMENTAL DE CIÊNCIAS
FLORESTAIS DE IT A TINGA, ESALQ/USP
FERNANDO PAIVA SCARDUA
Engenheiro Florestal
Orientador: Prof. Dr. WALTER de PAULA LIMA
Disse1tação apresentada à Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", da Universidade de São Paulo, para a obtenção do título de Mestre em Ciências, Área de Concentração: Ciências Florestais
PIRACICABA Estado de São Paulo - Brasil
Scardua, Fernando Paiva
8285c caracterização hidrológica de uma microbacia hidrQ
gráfica da estação experimental de ciências florestais
de Itatinga, ESALQ/USP. Piracicaba, 1994.
94 p.
Diss.(Mestre) - ESALQ Bibliografia.
1. Bacia hidrográfica - Manejo 2. Floresta de eucalipto
3. HidJ;·ol.º,g,i.a florestal I; Escola superior de Agricultura Luiz de QueiFoz, Piracicaba' t "
FLORESTAIS DE ITATINGA, ESALQ/USP
Aprovado em: 15/12/94
Comissão Julgadora:
Prof. Dr. Walter de Paula Lima
Prof. Dr. Valter Barbieri
Prof. Dr. Fábio Poggiani
FERNANDO PAIVA SCARDUA
ESALQ/USP
ESALQ/USP
ESALQ/USP
Prof. Dr. WALTER de PAULA LIMA
Ao Dr. Walter de Paula Lima, pela orientação, amizade e estímulo na condução deste trabalho.
Ao Departamento de Ciências Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" e ao Horto Florestal de ltatinga que possibilitou a realização deste trabalho.
Ao Conselho Nacional de Pesquisa e Científica - CNPq pelo auxílio financeiro nas despesas de custeio e manutenção de minha estada em Piracicaba.
Ao Departamento Nacional Águas e Energia Elétrica - DNAEE pelo fornecimentos dos dados pluviomêtricos.
A técnica Alba Valéria Masetto pela constante colaboração e amizade nas análises laboratoriais.
Ao técnico Lourival Fermiano e ao Engenheiro Rildo Moreira e Moreira pela constante colaboração na coleta de dados de campo .
A Bibliotecária Marialice Metzker Poggiani, pela valiosa ajuda durante o período de estudos.
Aos Amigos Francisco Carlos Soreano Arcova, Giampaolo Queiroz Pellegrino e Jorge Marcos de Moraes pela inestimável ajuda, colaboração e estímulo na realização deste trabalho.
Aos colegas do Curso de Pós-Graduação e demais funcionários do Departamento de Ciências Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", pelo convívio e amizade.
A minha família e a Denise Fernandes que sempre me estimularam nas horas mais difíceis.
A todos que direta ou indiretamente colaboraram para a realização deste trabalho.
SUMÁRIO Página LIST A DE FIGURAS IV LIST A DE TABELAS ... VI RESUMO ... VII SUMMARY ... IX 1. INTRODUÇÃO ... . 2. REVISÃO DE LITERATURA... 3
2.1. Caracterização hidrológica de microbacias... 3
2.2. Ciclagem geoquímica de nutrientes em microbacias... 13
2.3. Qualidade da água em microbacias... 16
3.I.MATERIAL ... 20 3. 1. 1. Área experimental... 20 3.1.1.1. Localização ... 20 3.1.1.2. Clima... 23 3.1.1.3. Geologia e geomorfologia ... 24 3.1.1.4. Vegetação... ... ... ... 25 3.1.I.S.Solos ... 26 3.2. MÉTODOS... 26 3.2.1. Fluviometria e pluviometria ... ... 26
3.2.2. Parâmetros fisico-químicos e ciclagem geoquímica de nutrientes em microbacias ... . 3.2.3. Piezômetros ... . 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... . 4.1. Características hidrológicas ... . 4.2. Qualidade da água ... . 4.2.1. Parâmetros químicos ... . 4.2.2. Parâmetros fisicos ... . 4.3.Balanço geoquímico de nutrientes ... . 4.4. Dinâmica da qualidade da água do deflúvio durante a fase de 29 30 ..,.., -'-' 45 45 49 52 ascensão do escoamento direto da microbacia... 53
Página 5.CONCLUSÕES... 59 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 60 APÊNDICE 1... 71 APÊNDICE 2... 78 APÊNDICE 3... 84 APÊNDICE 4 ... 90
N°
Página
Lista de Figuras
1 Mapa da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga.
com a delimitação da microbacia Experimental "Tinga" ... 20 2 Mapa plani-altimétrico da microbacia "Tinga". com a disposição
dos carreadores que delimitam os talhões florestais, assim como das baterias de piezômetros... 21
3 Curva hipsométrica da microbacia Tinga, com altitudes máximas,
me'dl'as m' . , lnlmas e me lanas ... . d' 22
4 Balanço hídrico segundo Thornthwaite & Mather (1955), para a
. microbacia tinga com dados de 36 meses ... . 24 5 . çurva de calibração da calha tipo "H" de 45 cm, instalada no
, d ' b . T'
corrego a micro aCla lnga ... . 27 6 Desenho esquemático dos piezômetros... 32
7 Curva de dupla massa para a micro bacia Tinga ... 34
8 Curva de duração de fluxo para a microbacia Tinga. com dados
diários de 3 anos ... 37
9 Valores diários de precipitação (mm) para o período de 1 de abril
de 1991 a 31 de março de 1994 ... , 39
10 Valores diários de deflúvio (mm) para o período de 1 de abril de
1991 a 31 de março de 1994 ... 39
11 Histograma da distribuição das classes de chuvas ocorridas
durante os 3 anos de observação ... 40
12 Histograma de uma chuva ocorrida no dia 13 de maio de 1992 e o
respectivo hidrograma do escoamento direto produzido na
microbacia. A chuvá que totalizou 35,2 mm, ocorreu após uma
estiagem de 6 dias. O volume do escoamento direto foi d 0.8 mm.
equivalente. portanto a 2,40/0 da precipitação ... 42
13 Histograma de uma chuva ocorrida no dia 05 de fevereiro de 1994
e o respectivo hidrograma do escoamento direto produzido na
microbacia. A chuva, que totalizou 105,8 mm. oconeu após uma
estiagem de 28 horas. O volume- do escoamento direto foi de 3.2
N°
Página14 Área mínima de contribuição contra a precipitação, considerando-se 29 hidrográfas ... 45
15 Precipitação média mensal e deflúvio médio mensal ( média de 3
anos) e variação mensal da concentração dos nutrientes' K + , Ca++ , Mg++ ,Fe++ e Na+ em amostras de água da precipitação e do deflúvio na microbacia Tinga, do período de abril de 1991 a março de 1994 (Média mensal das concentrações representam a média de medições semanais) ... .
16 Precipitação média mensal e deflúvio médio mensal (média de 3
anos) e variação mensal dos parâmetros físicos em amostras de 48
água da precipitação e do deflúvio na microbacia Tinga, do período de abril de 1991 a março de 1994 (Média mensal dos
parâmetros físicos representam a média de medições semanais)... 50
17 Valores médios anuais para a concentracão de K+ , Ca++ , Mg++ ,Fe++ e Na+ e variação dos parâmetros físicos da água da precipitação (p) e deflúvio a três alturas, escoamento base (eb), escoam,ento direto 1 (edl) e escoamento direto 2 (ed2), para o período de abril de 1991 a março de 1994... 54 18 Perfil "A", com a distância dos piezômetros em relação ao
, T'
corrego Inga., ... . 56 19 Perfil "B", com a distância dos piezômetros em relação ao
córrego Tinga ... 56 20 Perfil "C", com a distância dos piezômetros em relação ao
carreador... 57
21 Variação da concentração de K+ , Ca++ , Mg++ . Fe++ e Na+ ,
N°
Páginas
Lista de Tabelas
1 Parâmetros fisicos da microbacia Tinga .. ... 22
2 Balanço hídrico segundo Thomthwaite & Mather (1955) ... 23
3 Comprimento dos canos de PVC, com as respectivas alturas ... 32
4 Localização das estações meteorológicas utilizadas para verificar
a consistência dos dados da microbacia Tinga ... 34
5 Valores médios mensais e anuais para precipitação (mm) e
deflúvio (mm) para a microbacia Tinga ... 35
6 Medidas mensais de evapotranspiração obtidos por diferença de
massa, tanque classe A e pelo método do balanço hídrico de Thornthwaite & Mather (1955) ... ... ... ... 36
7 Valores individuais para hidrográfas e respectivos escoamento
direto e base ... 41
8 Valores para a área mínima de contribuição para 29 hidrográfas.... 44
9 Perdas mensais de sedimentos em suspensão na água do deflúvio
(kg/ha), para o período de abril de 1991 a março de 1994... 51
10 Fluxo médio mensal de K+, Ca++ , Mg++ ,Fe++ e Na+ na água da chuva e do deflúvio, para o período' de abril de 1991 a março de 1994 ... 52
11 Balanço geoquímico médio de nutrientes (kg/ha) para a
microbacia Tinga, para o período de abril de 1991 a março de 1994... 53
Caracterização hidrológica de uma microbacia hidrográfica da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga, ESALQ/USP
Autor: Fernando Paiva Scardua Orientador: Walter de Paula Lima RESUMO
O presente estudo consistiu da análise dos 3 anos iniciais de dados hidrológicos obtidos desde abril de 1991 em uma microbacia localizada no Município de ltatinga, São Paulo.
A referida microbacia, denominada Tinga, faz parte da bacia do Córrego Potreirinho, a qual também delimita a área da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga, da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", Universidade de São Paulo.
A microbacia Tinga possui uma área de 68,2 ha. O clima da região é do tipo efa na classificação de Kõppen. A temperatura média é de 19,4 °C, e a precipitação média anual gira em tomo de 1635mm. A microbacia encontra-se
inteiramente coberta por rebrota de reflorestamento de Euca(vptus saligl'la, cujo
plantio foi feito há cerca de 42 anos.
A precipitação foi medida através do uso de 2 pluviômetros e 1 pluviógrafo instalados na microbacia. Para a medição da vazão, utilizou-se de uma calha tipo "H" de 45 em, pré- fabricada em metal, a qual foi assentada na parte final de uma seção artificial retilínea de controle, de cerca de 2 metros de comprimento, const11lída em alvenaria ao longo do canal. A variação da altura da lâmina d'água na calha, por sua vez, foi monitorada continuamente através de um linígrafo modelo Stevens de rotação semanal, instalado em um poço
tranquilizador acoplado à calha.
Além da precipitação e da vazão, durante o período experimental foram também obtidas amostras semanais de água da chuva e do deflúvio, para fins de análises da qualidade da água e quantificação da ciclagem geoquímica dos nutrientes Ca++ , Mg++ , Fe++, Na+ e K+ .
A partir de novembro de 1993 foram instaladas, também, baterias de piezômetros dispostos em transectos perpendiculares ao riacho, com a finalidade de monitorar a flutuação do lençol freático na zona ripária da microbacia. a distâncias crescentes a partir do riacho.
Em termos médios, para os três anos do período experimental, o balanço hídrico da microbacia mostrou os seguintes valores: Precipitação de
1.635mm e deflúvio de 551mm.
Desconsiderando-se as variações de armazenamento, verifica-se, portanto que a evapotranspiração média anual para o período experímental foi de
1084 mm, representando 66,3% da precipitação média anual.
Com relação à qualidade da água, os resultados mostraram que os valores das concentrações da água do deflúvio foram maiores que as da água da precipitação para Ca++ , Mg++ , Fe++e Na+ e o K+ apresentou valores idênticos para a água da precipitação e deflúvio. Já os parâmetros físicos turbidez e cor apresentaram alta variabilidade temporal para ambas, com excessão do pH e da condutividade elétrica, que se mostraram inalterados durante o período estudado. Os sedimentos em suspensão na água do deflúvio totalizaram perdas médias da ordem de 0,285t/halano, em termos médios para o período.
O balanço geoquímico de nutrientes, por outro lado, mostrou os seguintes resultados, relativamente ao confronto entre entrada de nutrientes pelas chuvas e perda pelo deflúvio, em tennos médios anuais em Kg/halano: Ca++ :-0,78, Mg++ :-1,16, Fe++:-l,2, Na+ :-0,27 e o K+ :+2,2.
Devido ao número reduzido de anos, as tentativas de calibração da microbacia, utilizando-se de regressões múltiplas, apresentaram baixos coeficientes de determinação, sugerindo a necessidade de se prolongar as medições durante mais alguns anos, até que se consiga um melhor ajuste dos dados.
Hydrologic characterization of a small, watershed located in the ltatinga Forest Experimental Station, ESALQ/USP
SUMMARY
Author: Fernando Paiva Scardua Adviser: Prof. Dr. Walter de Paula Lima
This study consisted of the analysis of three years of hydrologic data, which began in April 1991, for a small watershed located in the county of Itatinga, State of São Paulo.
The small watershed, hereafter called "Tinga", is a tributary of the
Potreirinho river basin, which delimits the area of the Itatinga forest
Experimental Station, of the Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", University of São Paulo.
The area of the studey watershed comprises 68,2 ha. The climate of the region is of the Cfa in the Kõppen classification. The average temperature is 19,4°C and the annual mean rainfall is around of 1635mm. The smal1 watershed is entirely covered by coppice of Euca{vptus saligna Smith, which was planted around42 years ago.
The precipitation was measured with two non-recording rain gages and one recording gage. The streamflow was monitored using a type "H", 45-cm flume, which was placed in the downstream a 2-m long, part of artificial. rectilinear controI section. The stage was continuously monitored with a Stevens stage recorder, with weekly rotation.
Besides precipitation and streamflow, during the experimental period weekly samples of precipitation and streamflow were also collected, which were anaIyzed for Ca++ , Mg++ , Fe++, Na+ and K+ , and also for physical water quality parameters.
Beginning November 1993. a series of piezometers were installed in transects perpendicular to the stream. with the purpose of monitoring the water table iluctuation in the riparian zone of the small watershed. at increasing distances from the stream.
As avera~e for the three years of the experimental period. the water balance of the small watershed showed the following values:
precipitation: 1635mm;
strearnilow: 551 mm;
evapotranspiration : 1084mm.
Disregarding storage variation, mean evapotranspiration for the experimental period corresponded to 66,30/0 of the annual precipitation.
In relation to water quality, the results showed that the average nutrient concentration in the streamilow was greater than the concentratrion in the precipitation for Ca++ , Mg++ , Fe++, Na+ . The K+ showed similar values for both, strearnilow water and rain water. The results of turbidity and color were highly variable for both type of samples. But pH and conductivity values were vel)' consistent throughout the period. Suspended sediment in the streamilow amounted to a total soilloss of 0,285 ton/ha/year, as average for the three years.
The geochemical balance of nutrients, represented by the relation between input by rain and loss by the strearnilow, showed the following results: Ca++ :-0,83, Mg++ :-1,16, Fe++:-1,12, Na+ :-0,26and K+ :+2,25.
Due to the relatively short experimental period, the calibration of the watershed, through the use of multiple regressions, were not vel)' sucessful.
1. INTRODUÇÃO
Os estudos em microbacias hidrográficas experimentais vêm sendo conduzidos desde o início deste século em vários países. Tais estudos já proporcionaram conhecimentos interessantes da fase terrestre do ciclo hidrológico, principalmente do ponto de vista dos efeitos do uso da terra sobre a quantidade e a qualidade da água produzidas nas microbacias. Sem dúvida, tais resultados são importantes para alicerçar o estabelecimento dos planos de manejo que sejam compatíveis com a manutenção da qualidade ambiental.
Após a seleção de uma micro bacia para fins experimentais. e de sua respectiva instrumentação, a fase inicial da experimentação consiste na chamada calibração da microbacia, com a finalidade de possibilitar a análise estatística dos tratamentos a serem aplicados.
Na maioria dos trabalhos experimentais já realizados, esta calibração tem sido feita através da técnica de microbacias pareadas. Durante um período inicial, uma das microbacias é modelada em função das medições obtidas na outra. A primeira recebe, então, um tratamento experimental ( o corte da cobertura florestal, por exemplo), e os resultados hidrológicos deste tratamento podem, assim, ser comparados com os dados reais medidos na segunda bacia. que permanece inalterada, como testemunha.
Quando se dispõe somente de uma micro bacia, a técnica de sua
.
preparação para a fase experimental consiste na sua autocalibração, pela qual se procura obter um modelo de prognóstico de vazão em função de suas características físicas e climáticas.
O presente estudo consiste. basicamente. da hidrológica de uma micro bacia.
caracterização
Trata-se de uma microbacia experimental que foi instalada na
Universidade de São Paulo e administrada pelo Depaltamento de Ciências Florestais da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" (ESALQ).
Esta estação Expetimental era utilizada pela FEP ASA. antiga proprietária, como fazenda para produção de dormentes de eucaliptos. Por esta razão, ela encontra-se coberta quase inteiramente por reflorestamento de
Eucalyptos saligna. Neste sentido, os resultados do presente estudo poderão também, fornecer informações interessantes sobre o comportamento hidrológico de microbacias a longo tempo reflorestadas com eucalipto.
Os instrumentos de medição da precipitação e da vazão foram instalados entre 1990 e 1991, e a fase de coleta de dados iniciou-se em abril de
1991.
Desta forma, tendo como base a análise hidrológica dos dados disponíveis de precipitação, vazão , qualidade da água e concentração de nutrientes na água da chuva e do deflúvio ao longo de 3 anos, assim como a análise de parâmetros físicos da microbacia, o presente estudo teve como objetivos realizar a caracterização hidrológica da microbacia, visando a sua autocalibração. Especificamente, tal caracterização incluiu as seguintes análises: a) determinação do balanço hídrico médio anual para o período;
b) caractetizar a qualidade da água da chuva e do deflúvio, em tennos dos parâmetros pH, turbidez, cor e condutividade elétrica:
c) quantificar as perdas médias de sedimentos em suspensão na água do deflúvio: d) quantificar o balanço geoquímico médio anual para os nutrientes Ca++,Mg++.
Na+ K+ e Fe++' , ,
e) testar modelos de autocalibração da micro bacia. baseados em análises de regressão;
3
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. Caracterização hidrológica de microbacias
"WagonWhell Gap" (HOYT & TROXELL, 1932), "Coweeta" (SWANK & CROSSLEY Jr, 1988) e "Hubbard Brook" (LIKENS el aI., 1977),
todas nos Estados Unidos, foram as primeiras e mais estudadas microbacias experimentais, nas quais se procurou, principalmente, relacionar o efeito do c011e da cobertura florestal, do reflorestamento, e da substituição da vegetação sobre a produção de água, sobre a qualidade da água e sobre a ciclagem de nutrientes.
Desde que os primeiros resultados destes estudos foram publicados, vários questionamentos foram levantados acerca da sua representatividade, e se
o~ seus resultados poderiam ser extrapolados para outras localidades (HEWLETT et aI., 1969).
REINHART (1967) e HEWLETT el aI. (1969) rebateram várias críticas feitas por diversos autores sobre a utilização de bacias hidrográficas em estudos de hidrologia, onde deixaram bem claro que a maior parte do conhecimento do ciclo hidrológico e suas transformações no ambiente terrestre provem de estudos em tais âreas.(Recentemente, RODIER, (976) e WHITEHEAD
& ROBINSON, (993) mostraram a imp011ância que tais áreas experimentais poderiam apresentar para o monitoramento ambiental.
A avaliação de qualquer alteração no regime hidrológico em uma bacia hidrográfica só. pode ser feita caso exista um registro prévio de suas características hidrológicas, e que este período seja suficientemente longo para que se possa avaliar e quantificar a magnitude desta alteração. Estas comparações são possíveis quando correlacionam, na maioria das vezes, o deflúvio com outras variáveis hidrometeorológicas, sendo este procedimento conhecido como calibração de uma bacia hidrográfica.
A resposta hidrológica de uma determinada bacia foi estudada através de comparações entre períodos pré e pós-tratamento (HEWLETT 1982). O período anterior ao tratamento fqi chamado período de calibração da bacia.
Existem dois métodos de calibração, segundo REIGNER (1964), REINHART
(1967) e SWINDEL & DOUGLAS (1984): a autocalibração e o método de bacias
pareadas.
A autocalibração utiliza uma única bacia, a qual é calibrada em função dela mesma, usando dados climáticos.
o
método de bacias pareadas consiste em se selecionar pelo menosduas microbacias próximas uma da outra, com forma, topografia, vegetação, geologia e solo similares. Assim, uma seria mantida intacta, servindo de controle, enquanto as demais sofreriam algum tratamento.
REIGNER (1964) discute algumas vantagens e desvantagens dos dois métodos de calibração.
Para o estudo da autocalibração, usualmente a vazão seria a
variável dependente que seria relacio~ada com outros fatores que a influenciariam
(variáveis climáticas). REIGNER (1964) citou quatro métodos teóricos para realizar a autocalibração: (i) comparação direta da tabulação dos dados de vazão
ajustada por diferenças com a precipitação; (ii) ajuste através da acumulação de
valores de precipitação e vazão; (iii) detecção de mudanças no balanço hídrico; (iv) ajustes de regressões entre a vazão e os dados climáticos obtidos durante o período de calibração, onde a vazão seria a variável dependente e os fatores climáticos as variáveis independentes.
WILM(1943, 1949) e KOVNER & EVANS (1954) desenvolveram
métodos estatísticos e gráficos para se determinar o período mínimo de anos necessários para a calibração de uma bacia experimental.
WILM( 1949) considerou aconselhável que o período pré- e pós-tratamento deveriam ser iguais, para que houvesse igual oportunidade para a ocorrencia de eventos climáticos em ambos os períodos. Baseado nesse
pressuposto, o método da análise de covariância foi usado para testar a
significância das diferenças entre os resultados mútuos para os dois períodos (pré e pós-tratamento de uma bacia). A seguir os dados foram ajustados por regressões para minimizar a influencia da variação do clima e outros fatores exógenos.
Entretanto, KOVNER & EV ANS (1954) propuseram uma modificação para que se pudesse utilizar períodos desiguais para calibração, utilizando aproximações sucessIvas.
REINHART (1958), estudando CInCO bacias experimentais na
floresta experimental Femow, West Virginia, EUA, estabeleceu em 5% o erro da
estimativa, e em 5 anos o número mínimo de observações para se proceder à
calibração das bacias.
BRECHTEL et aI. (1982) utilizaram de 10 a 11 anos para calibrar
duas bacias pareadas, utilizando regressões lineares entre os parâmetros de deflúvio: média anual, média mensal e taxa de deflúvio com duração igualou superior a 10 e 350 dias. Os mesmos autores encontraram correlações altas para médias anuais, porém para médias mensais em estações de baixos fluxos o coeficiente de correlação foi baixo.
BETHLAHMY (1963) propôs um método rápido de calibração para bacias pareadas, variando de 1 a 3 anos, onde utiliza o aumento da taxa de vazão do início da ascensão até o pico e o tempo decorrido para atingir o pico.
URSIC & POPHAM (1967) utilizaram hidrógrafas individuais para
calibrar duas bacias pareadas na planície da costa sul dos EUA. Analisaram 61 hidrógrafas em 4 anos, sendo que este método apresenta a vantagem de se poder eliminar os eventos falhos, incompletos ou errôneos, o que não ocorre quando utilizamos médias mensais ou anuais. Outra vantagem é que este método pelmite avaliar efeitos de pequenas queimas ou desfoliações.
Outros estudos envolvendo a produção de água em uma microbacia com diferentes coberturas vegetais, a dinàmica dos diversos tipos de escoamento produzidos por chuvas e sua contribuição para o deflúvio também fazem palie da caracterização hidrológica de um microbacia.Sendo assim, a bacia hidrográfica pode ser descrita como uma área topográfica drenada por um sistema de drenagem. Muitos autores a subdividem em pequenas. média e grandes, confOlme
seu tamanho (CHOW el aI., 1988), o seu número de ordem (NAIMAN el aI ..
1992) e a variabilidade espacial e temporal das chuvas (PONCE, 1989), porém ainda não existe um consenso sobre tal subdivisão.
Da mesma fonna as bacias hidrográficas apresentam características próprias, como fonna, tamanho, cobertura v:egetal, topografia, solos, geologia e geomorfologia, assim como condições climáticas e hidrológicas (BROOKS el ai. 1991). PONCE (1989) descreve as características hidrológicas de uma bacia hidrográfica em tennos de sua área, fonna, relevo, mensurações lineares tais como: comprimento dos canais, ordem da bacia e padrões de drenagem. Assim a bacia é única em tennos de localização, morfologia e outros parâmetros físicos que influenciam a captação e disposição da água, apresentando grande importância para verificação dos eventos e fenômenos hidrológicos (LEE 1980).
A caracterização hidrológica de uma bacia deve levar em conta todos os processos do ciclo hidrológico, desde a entrada da água na bacia, pelas chuvas e sua redistribuição através de todos os compartimentos, e sua saída, bem como as transfonnações que ocorrem em seu interior.
STRAHLER (1957,1964) utilizou métodos de análises quantitativas baseadas em padrões geomOlfológicos para caracterizar bacias hidrográficas, destacando os seguintes: mensurações de escala linear, que incluem o comprimento dos canais dos rios em uma dada ordem, densidade de drenagem, constante de manutenção do canal, perímetro da bacia e relevo. Suas propriedades dimensionais incluem o número de ordem, comprimento do rio, razão de bifurcação, ângulo de junção dos rios, declividade média, máxima e mínima, gradiente do canal e curvas hipsométricas.
FELTRAN FILHO (1982) utilizou-se destes parâmetros para caracterizar a bacia do Rio Piracicaba.
Tendo-se uma descrição morfométrica de uma bacia podemos confronta-lá com suas mensurações hidrológicas, que nada mais são que a obtenção dos dados dos processos hidrológicos. Esses dados são usados para o entendimento dos processos, simulações de modelos e análises para tomada de
decisões (CHOW el ai., 1988).
Geralmente, procura-se determinar a umidade relativa, a chuva, a
infiltração e a água subtenànea (CHOW ef ai., 1988). Porém, muitas destas medidas são de difícil obtenção e muito caras, fazendo com que muitos estudos hidrológicos em bacias hidrográficas se iniciem utilizando métodos simplificados para obtenção do balanço hídrico para microbacias.
Em estudos hidrológicos a definição do ano hídrico e do balanço hídrico estão entre as primeiras e mais importantes análises a serem feitas, pois a partir destas podemos verificar a influência da cobertura florestal ou do uso da tena no regime hidrológico de uma bacia hidrográfica.
Segundo LIBERMAN & FLETCHER (1947) e' BRAKENSIEK
(1959), a equação do balanço hídrico anual pode ser escrita por:
Acréscimo = Decréscimo + ~ ( Annazenamento de umidade do
solo) Onde:
Acréscimo = precipitação
Decréscimo
=
runoff (superficial e sub superficial), evapotranspiração epercolação
!1
=
diferença entre conteúdo de água no perfil do solo do início e final do ano hídrico.Para muitas bacias o cálculo de !1 é muito difícil ou impraticável. devido a sua alta variabilidade espacial e temporal. Uma alternativa seria trabalhar
com um período de 12 meses ananjados de forma a diminuir o mais possível a
variabilidade temporal entre o conteúdo inicial e o conteúdo final do
armazenamento no solo durante o período anual. Esta técnica consiste no chamado nano hídrico". Ou seja, para os dados mensais de vazão e de precipitação de uma microbacia ananjados de acordo com o ano hídrico, a equação do balanço hídrico poderia ser escrita em sua forma mais simplificada:
Onde:
Q = runoff
P = precipitação
ET = evapotranspiração
A acuracidade da equação 1 vai depender, é claro, da acuracidade da estimativa da precipitação na bacia e da mensuração do deflúvio, além da validade da suposição (~=O) (LEE, 1980).
Está equação sugere que o melhor ano hídrico vai ocorrer quando a correlação entre Q e P mensais ou anuais forem máximas.
Porém, existem outros cuidados a serem tomados. Segundo LEE (1980) e HEWLETT (1982) existem vários tipos de vazamentos que podem ocorrer em uma bacia: vazamento causado por arranjamento litológico imperfeito, (falhas), e vazamento devido a não coincidência do divisor freático com o divisor topográfico. Desta forma, a existência destes vazamentos poderá resultar numa subestimação ou mesmo superestimação dos componentes do deflúvio e da evapotranspiração da equação 1.
BRAKENSIEK (1959) utilizou 12 regressões lineares para definir o melhor ano hídrico para a bacia experimental de Coshocton, Ohio, utilizando o coeficiente de correlação para determinar o ótimo ano hídrico. Verificou que o melhor ano hídrico correspondia ao período de recarga da bacia. REIGNER (1964) utilizou do mesmo método para definir o melhor ano hídrico da bacia Dilldown no Noroeste da Pensilvânia.
. O mesmo princípio é utilizado para o cálculo do balanço hídrico, ou balanço de massa de uma bacia hidrográfica.
o
balanço hídrico será contabilizado utilizando-se da equação I.onde (~=O).
A evapotranspiração, portanto, é obtida por diferença.
LEOPOLDO et aI. (1992), fazendo uma comparação entre solos nus e cobertos por florestas para fins de balanço hídrico para a Amazonia Central. obtiveram uma evapotranspiração real de 60,1% da precipitação anual. Já FUJIEDA el aI. (1993) obtiveram uma evapotranspiração média anual de 30% da precipitação anual para uma microbacia experimental localizada na Sena do Mar, em Cunha, SP.
BRUIJNZEEL (1990), revisando o balanço hídrico para várias florestas trOpICaIS, encontrou em média uma evapotranspiração em tomo de 47,8% da precipitação anual.
Pela equação do balanço hídrico, o deflúvio é o saldo contábil entre a entrada pelas chuvas e as perdas evaporativas. Entretanto, quantidades idênticas de precipitação em duas bacias devem produzir quantidades variadas de deflúvio, devido a diferentes características físicas da bacia hidrográfica (CHANG, 1982).
O deflúvio é o produto residual do ciclo hidrológico, o qual é afetado por uma variedade de fatores: clima, características da bacia e uso da tena (CHANG, 1982).
V ários métodos podem ser empregados para verificar mudanças ou tendências de dados hidrológicos: curva de dupla massa, curvas de duração de fluxo, o balanço hídrico, etc.
SEARCY & HARDISON (1960) usaram a curva de dupla massa para checar a consistência de vários dados hidrológicos: precipitação, vazão. sedimentos e relação precipitação-vazão. A quebra na curva de dupla massa de tais variáveis identifica as mudanças na relação entre as variáveis. sendo que estas mudanças podem ser devidas ao método de coleta dos dados, mudanças de local de estações ou mudanças físicas ou ambientais que afetam a relação.
Porém, nem toda quebra da curva indica a inconsistência dos dados. Em alguns casos, é necessário determinar se a quebra é estatisticamente significativa ( WEISS & WILSON, 1953).
CHANG & LEE (1974) questionam a consistência de longas séries de dados hidrológicos porque o controle experimental estrito é impossível de se alcançar e a variabilidade do fenômeno do ciclo hidrológico é pobremente entendida.
ANDERSON (1955) usou a curva de dupla·massa para determinar a consistência de registros de picos de vazão, deflúvio total anual e sedimentos no reservatório Gibraltar, Califórnia. O mesmo autor constatou que após um incêndio, onde 32% da área da bacia foi totalmente queimada, o ano subsequente não apresentou mudanças no regime de deflúvio, sendo que após este ano e nos 5 subsequentes houve aumentos significativos para o pico de vazão e para a concentração de sedimentos. Já para o deflúvio total anual não houve indicação de mudança na curva.
SEARCY (1969) define a curva de duração de fluxo como sendo a curva de frequência que mostra a percentagem do tempo na qual uma dada vazão é igualada ou excedida. A curva pode ser construída usando o método do calendário anual ou o período total. A curva é utilizada para verificar os efeitos climáticos, topográficos e geológicos, sendo que a curva resultante mostra os efeitos integrados de vários fatores que afetam o runoff. Sendo assim, a forma da curva vai expressar as características geológicas e hidrológicas da área de estudo. podendo ser usada para comparar as características de uma bacia com outra.
A inclinação da curva poderá dizer o tipo de escoamento preponderante na bacia e a parte final da:' curva nos diz respeito à amplitude da capacidade de armazenamento de água.
SMITH & BOSCH (1989) utilizaram a curva de duração de fluxo para comparar o efeito da substituição da vegetação nativa por plantios de Eucalyptus, antes e após a calibração. PEARCE ef ai. (1984) a utilizaram para comparar 25 bacias hidrográficas representativas na Nova Zelândia.
11
BOSCH & HEWLETT (1982) e HIBBERT (1967), revisando vários trabalhos em bacias hidrográficas acerca da produção de água em diferentes regiões e coberturas florestais, puderam chegar a algumas generalizações: a redução da cobertura florestal aumenta a produção de água, o estabelecimento de uma cobertura florestal em uma bacia não florestada diminui a produção de água; Os autores observam, todavia, que a resposta aos tratamentos é altamente variável e em muitos casos imprevisível.
A representação temporal da vazão define, em. hidrologia, uma curva característica que recebe o nome de hidrógrafa ou hidrograma. A hidrógrafa é a integral que expressa as características fisiográficas e climáticas que governam a relação entre precipitação e vazão de uma determinada bacia de drenagem (CHOW et aI, 1988).
Na análise da hidrógrafa, a separação entre o que é escoamento direto e escoamento base produzido por uma chuva é uma das técnicas mais difíceis e imprecisas nas análises hidrológicas (HEWLETT & HIBBERT, 1967), sendo que vários autores apresentam diferentes métodos de separação do escoamento direto (escoamento superficial + escoamento subsuperficial +
interceptação nos canais) e escoamento base.
O escoamento direto que ocone em uma bacia durante uma chuva pode ser composto de vários processos: 1 - quando a intensidade da chuva excede a capacidade de infiltração do solo resultando em escoamento superficial (escoamento Hortoniano); 2 - quando a intensidade da chuva excede a capacidade de infiltração ou capacidade de armazenamento em uma área próxima a solos saturados ( modelo de área parcial, na qual é reconhecido a variabilidade natural da capacidade de infiltração de diferentes teores de umidade no perfil do solo); 3-precipitação nos canais e escoamento superficial de solos completamente saturados; 4- Fluxo lateral descendente da água do solo saturado e insaturado (fluxo subsuperficial) (BEVEN & KIRKBY, 1979).
DUNNE & BLACK (1270) definiram a áTea parcial de contribuição como sendo a combinação- do escoamento subsuperficial no declive superior de uma vertente e o fluxo superficial no declive inferior da mesma vertente. Os mesmos relacionaram a flutuação da área parcial de contribuição à topografia,
solo, umidade antecedente e características da chuva, e verificaram que tais áreas variam sazonalmente, e que encostas côncavas produzem maior volume de escoamento direto do que encostas convexas.
Tennessee Valley Authority1 ( 1966), citado por PON CE (1989), admite que a área parcial de contribuição varie entre 5 e 10% da área total da microbacia.
HEWLETT & HIBBERT (1967) e HEWLETT (1982) propuseram o conceito de área variável de afluência (A VA) para microbacias florestadas. Segundo este conceito, o escoamento direto não é produzido uniformemente em toda a superfície da microbacia, mas apenas na porção de terreno saturado que margeia a rede de drenagem. Esta área, nonnalmente saturada, tende, por outro lado a expandir-se com o prolongamento das chuvas, daí a sua característica dinâmica.
Semelhantemente ao que foi sugerido por DUNNE & BLACK
(1970), também ANDERSON & BURT (1978), estudando a variação espacial da A V A, sugerem que as encostas côncavas sejam mais importantes no processo de geração de escoamento direto que encostas convexas.
BONELL (1993), revisando os principais processos geradores de escoamento direto em microbacias florestadas, enfatiza os principais problemas que afetam o escoamento subsuperficiaL onde a presença de macroporos e pequenos canais deixados por raízes mortas e organismos vivos afeta os modelos existentes. Desta forma, chama atenção para _a necessidade de se avaliar tais processos hidrológicos utilizando-se modelos hidrométricos e hidroquímicos.
O'LOUGHLIN (1981a) e O'LOUGHLIN (1986) propõem um método de predição de zonas de saturação naturais em micro bacias baseado em atributos físicos (convergência e divergência) do terreno. Tal modelo vem sendo
empregado por diversos autores para determinação de áreas saturadas (MOORE ef
aI. (1986).
1Tennessee Valley Authority, 1966. "Cooperative research project in Western North Carolina, Annual report, Water Year 1964-65, Knoxville, Tennessee.
De acordo com os fundamentos básicos do conceito da AV A. no início da chuva a área variável é relativamente pequena e localizada em regiões úmidas baixas. Com o progresso da chuva, a área vai aumentando, numa taxa que depende da intensidade da chuva (HIBBERT & TROENDLE, 1988).
Dickinson & Whiteley2 (1970),' citado por WATERLLO (1994),
definem a área mínima de contribuição (MCA) como sendo;
MCA
=
(escoamento direto (mm)/Precipitação (mm))X Área(ha)
Desta forma, o MCA pode, por definição, ser um indicador da fração da área da microbacia que contribui para o escoamento direto.
Para chuvas menores que 50mm, o autor encontrou MCA inferior a 2 ha em 820/0 das chuvas analisadas. Todavia, o MCA pode atingir até 13ha em chuvas prolongadas (W A TERLLO, 1994).
2.2. Ciclagem geoquímica de nutrientes em microbacias
Uma microbacia hidrográfica permite a quantificação do chamado balanço geoquímico de nutrientes, obtido pela comparação entre a entrada de
nutrientes pela precipitação e a saída pelo deflúvio (BORMANN & LINKENS.
1967) ,(LIKENS el aI., 1967).
LINKENS el aI. (1977), estudando o fluxo de nutrientes em
jmicrobacias da área experimental de Hubbard Brook, EUA, verificaram existir i
I uma tendência geral para a ordem do fluxo de alguns nutrientes no balanço
') geoquímico, sendo suficiente o período de um ano para mesura-lo, porém para a
I
magnitude são necessários vários anos.\.,
2DICKINSON, W.T. & WHITELEY, H, Watershed areas contributing to runoff. IAHS Publications,96:12-26,1970.
Desta fonna, os mesmos autores puderam verificar, em 11 anos de estudo, que os íons apresentavam a seguinte ordem para o balanço geoquímico: Ca++ > Mg++ > Na+ > AP+ > NH4+ > S02-4 > HC03- , que puderam ser
previstos durante o 10 e 3 o anos, porém a magnitude foi imprevisível neste
período.
SWANK & WAIDE (1988), estudando o balanço geoquímico em 7
microbacias em Coweeta, EUA, verificaram que com o aumento da altitude a precipitação e o deflúvio aumentavam, resultando numa menor evapotranspiração. Os mesmos encontraram um balanço geoquímico positivo para o N03-, NH4+ ,
Ne P04 3- , e balanço geoquímico negativo para Ca++, Mg++ ; Na+ ,K+ e
Si02 em todas as bacias analisadas, sendo que as maiores perdas se deram em microbacias localizadas em maiores altitudes.
RANZINI (1990), estudando a ciclagem geoquímica de nutrientes em duas microbacias em Santa Branca, SP, encontrou um balanço geoquímico
positivo para NH4+ ,P04 3-, e negativo para Fe++, Ca++ ,Na+ e Mg++ .
°
K+ apresentou um balanço positivo numa microbacia e negativo na outra, o que deve estar relacionado com a facilidade com que este íon é lixiviado das copas
das árvores e da serapilheira pelas águas da chuva.
°
mesmo autor encontrouuma ordem para o balanço geoquímico numa microbacia de Fe++ > Ca++ > Na+
> Mg++ . e para a outra microbacia de Na+ > K+ > Mg++ > Fe++ .
OLIVEIRA (1989), estudando a produção de sedimentos e a qualidade de água em duas microbacias na região de Agudos, SP, contendo diferentes coberturas veget.ais, encontrou um balanço positivo para N03-, Ca++ , Mg++ , K+ , Fe++, para ambas as microbacias.
WATERLOO ( 1994 ), estudando a ciclagem de nutrientes na microbacia Oleolega, em Fiji, encontrou um balanço geoquímico negativo para
Ca++, Mg++ e Na+ e um balanço geoquímico positivo para N > K+ > P .
FELLER & KIMMIS (1984), estudando o efeito do corte raso e corte raso seguido por queima de resíduos, na qualidade de água e ciclagem de nutrientes em Bristish Columbia, Vancouver. detectou uma tendência no aumento
do fluxo dos nutrientes e concentração destes nos segundo e terceiro anos após <?
tratamento, seguido por um declínio posterior. Comparando os dois tratamentos, o corte raso seguido por queima de resíduos parece não ter causado nenhuma mudança no fluxo de nutrientes na água do deflúvio, contudo o seu efeito é confundido com o corte raso, sendo portanto difícil de ser quantificado.
Segundo O'LOUGLHIN (l981b), ao traçar um paralelo entre o transporte de nutrientes e as suas possíveis perdas via deflúvio e o processo de geração do escoamento direto em áreas saturadas, sugere que as perdas de matéria orgânica, potássio. e fósforo estão associadas ao escoamento superficial, ao passo que os íons trocáv.eis e solúveis são transportados via fluxo de água que se movem através do perfil do solo ( escoamento subsuperficial).
JOHNSON & SW ANK (1973), estudando quatro bacias hidrográficas em Coweeta, Carolina do Norte, com diferentes coberturas vegetais, verificaram que com dois anos de amostragem os resultados não poderiam ser conclusivos, sendo que para o período de estudo as bacias apresentaram um balanço negativo para todos os elementos estudados.
IWATSUBO & TSUTSUMI (1981), comparando o balanço de nutrientes de três bacias hidrográficas adjacentes, submetidas a três tratamentos ( floresta de pinus, bacia exposta e bacia fertilizada com esgoto), verificaram que
o
pH da bacia exposta foi menor que o das outras, e estas não apresentaram diferenças significativas entre si. As perdas de cátions observaram a seguinte ordem: floresta fertilizada > floresta com Pinus > bacia exposta, sendo que. a diferença entre a floresta de pinus e bacia exposta foi significativa.LIKENS el ai. (1967), estudando o balanço de Ca++ , Na+ , Mg++ , K+ em Hubbard Brook, News Hampshire. verificaram que as bacias apresentavam um balanço negativo para o Ca++, Na+ e Mg++ e positivo para o K+.
HOPMANS el ai. (1987), estudando a dinâmica de nutrientes em três bacias na Austrália, onde uma bacia com floresta nativa de Eu"'êalipto sofreu corte e queima e posteriormente foi plantada com Pinus radiala, verificaram que para a bacia tratada os elementos apresentavam a seguinte ordem de mobilidade
para o balanço geoquímico: Cl- > Na+ > Mg++ > K+ > Ca++. sendo que somente o Na+ e Mg++ apresentavam diferenças em relação às bacias tratadas e não tratadas. De modo geral verificaram que a mudança de floresta de Eucalyptus para Pinus não trouxe grandes alterações na qualidade da água do deflúvio.
GUTHRlE et ai. (1987), estudando a cic1agem de nutrientes em uma
bacia com floresta de Eucalyptll.r.,· obliqlla, verificaram que esta apresentou ganhos de Ca++ e perdas de Mg++, sendo que o Na+ e K+ apresentaram uma variação conforme a água escoa via deflúvio. Em termos gerais verificaram que a mobilidade dos nutrientes observaram a seguinte ordem: Na+ >K+ > Mg++ >Ca++.
Em resumo, tais resultados permitem observar que geralmente as bacias apresentam um balanço geoquímico negativo para a maioria dos nutrientes,
com raras exceções, sendo que o K+ é o íon que apresenta maior variabilidade.
2.3 Qualidade da água em micro bacias
A qualidade da água varia ao longo de sua circulação nos diversos compartimentos do ecossistema, como resultado de complexas interações com o
solo, rocha e biota do ecossistema (WALLING, 1980).
A água da chuva poderá apresentar aerossóis dissolvidos que podem ser de origem terrestre ( Ca++, NH3 ,N02-, N03-, S02 ' HC03- ) e
marinhos (Na+ ,Cl- ,Mg++, K+) (W ALLING, 1980) e (BINKLEY &
BROWN, 1993).
ANDERSON (1957), procurando comparar a produção de
sedimentos com variáveis físicas de bacias hidrográficas, verificou que a produção de sedimentos depende de três variáveis: a) Características inerentes à
bacia, tais como geologia e topografia~ b) Uso da terra, condições da vegetação
seu manejo e proteção; c) Natureza da chuva e do rio no qual o sedimento é
o
conhecimento dos processos envolvidos na geração. transpOlte e deposição dos sedimentos é de importância fundamental para o entendimento do destino destes contaminantes (W ALLING, 1988).DUNNE (1979), avaliando a produção de sedimentos em microbacias submetidas a vários tipos de usos, verificou que para um mesmo tipo de uso existe um aumento da produção de sedimentos via escoamento superficial, devido aos diferentes regimes de chuvas, que aliada à presença de declives transportam os sedimentos erodidos dos solos.
MILLER (1984) verificou a produção de sedimentos através da aplicação de 3 tratamentos em bacias distintas: corte raso com remoção do material, queima e espalhamento em curvas de nível e cobertura com os resíduos vegetais esmagados, verificando haver grande diferença entre as bacias tratadas e testemunha para os 3 primeiros anos, sendo que com o passar dos anos existiu uma tendência na diminuição na produção de sedimentos. A explicação dada pelo autor é que o aumento da vegetação diminuiu o escoamento superficial, devido ao rápido crescimento da vegetação, que no primeiro ano passou de zero para 47%
de cobertura no solo.
o
papel dos sedimentos finos no transpOlte de nutrientes econtaminantes através dos rios tem sido um dos pontos enfocados por WALLlNG (1988), onde evidencia a importância das propriedades físicas e químicas do solo como fator de entendimento dos processos de desagregação. transporte e deposição de sedimentos.
Outros fatores também contribuem para a qualidade da água em uma microbacia tais como: tempo de residência da água na microbacia, uso do solo, cobertura vegetal, tipo de manejo , exploração florestal, construção de estradas. etc.
Burger3 (1983), citado por BINKLEY & BROWN (1993), estimaram perdas de solo para vários tipos de operações silviculturais e para
terras intactas, encontrando valores variando de
°
a 0,05 t/ha para condiçõesnaturais sem perturbação.
LIMA & BARBIN (1975), estudando o efeito das plantações de Eucalyptus e Pinus na qualidade da água da chuva, concluíram que os povoamentos de Eucalyptus, de modo geral, apresentam uma alteração qualitativa na água da chuva superior à verificada nos povoamentos de Pinus para pH, turbidez, condutividade elétrica, cor, sólidos totais dissolvidos e a1calinidade, sendo que estas alterações foram mais acentuadas para os processos de escoamento pelo tronco do que para a precipitação interna.
ROBINSON & BL YTH (1982), estudando o efeito da drenagem
para implantação de florestas na Inglaterra, verificaram que tais operações podem resultar em altas perdas de sedimentos anuais, independentemente do regime pluviométrico.
IROUMÉ (1990), avaliando a produção de sedimentos em uma bacia parcialmente florestada no Chile, encontrou um concentração média anual de 71 mgll, o qual considerou alta devido a presença de cobertura florestal e ausência de atividades de uso intensivo da terra, que normalmente aceleram a erosão. Isto, segundo o autor, pode ter sido consequência de processos erosivos ocorridos no ano anterior à medição, pois essa área havia sofrido um incêndio um ano antes de ser instalado o experimento, ficando um ano com baixa cobertura vegetal.
PETERJOHN & CORRELL (1984), avaliando a dinâmica de nutrientes em uma microbacia localizada na Costa Atlântica. EUA, verificaram que a maior parte das mudanças nas concentrações dos nutrientes avaliados (N, P
3SURGER, JA Physical impacts of harvesting and site preparation on soil. In: Maintaining forest site productivity: Proceedings of the first regional technical conference; 1983, January 27-28 Myrtle Beach, S.C. Clemenson, SC: Applachian Society of American Foresters: 3-11, 1983.
e C) se deram nos primeiros 19 metros da floresta ripária. Os mesmos autores verificaram que o N é perdido por fluxo sub superficial e o P por escoamento
superficial, sendo que a perda de sedimentos se dá preferencialmente por
escoamento superficial, sendo sua perda reduzida pela presença da floresta ripária.
3.1. MATERIAL
3.1.1. Área experimental 3.1.1.1. Localização
A Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga foi incorporada à Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" - ESALQIUSP, em julho de 1988. Dentre vários projetos de pesquisas instalados na área, foi instalada também uma microbacia experimental em 1990. Trata-se de um afluente do Córrego Potreirinho, cuja bacia hidrográfica constitui a área da Estação Experimental (Figura 1). A área experimental localiza-se no Município de Itatinga, Estado de São Paulo, entre os paralelos 23° 02'01" e 23°02'30" latitude sul e os meridianos 48°38'34" e 48°37'30" longitude oeste de Greenwich, numa altitude médía de 830 m (Figura 3) .
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Figura 1. Mapa da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itaúnga. com a delimitação da microbacia Experimental "T inga" .
A microbacia faz parte da bacia do Baixo Paranapanema. pertencente à 4a região hidrográfica do Estado de São Paulo. Com uma área de 26.254 Km2 no Estado de São Paulo. o Baixo Paranapanema apresenta uma vazão média de 243 m3/s. conespondendo a 7.7% da vazão média do Estado (BEZERRIL lr, 1990).
De acordo com a classificação proposta por STRAHLER (1957, 1964), a bacia é de 2a ordem. com padrão de drenagem subdentrítico. apresentando as seguintes características físicas. obtidas a paltir do levantamento plani-altimétrico efetuado pelo Depaltamento de Engenharia Rural - Setor de Topografia da ESALQ/USP. em escala 1 :4.000 (Figura 2) e (Tabela 1).
... ~
o 160m
-
-N\1
t~~:J Pie7.ômetJ"os (fora de escala)
I ~~ I Talhões
Figura 2. Mapa plani-altimétrico da microbacia Tinga. com a disposição dos carrcadon.:s que delimitam os talhões florestais. assim como das baterias de piezômctros.
Tabela l. Parâmetros físicos da microbacia Tinga Area (ha) 11 68.2 Orientação TNO F ator de fonna 10.53 Densidade de drenagem 2.02 Indice de compacidade I 1.09 Razão de bifurcação 12
~mento do canal principal (Km) 1.22
rimento do canal secundário (Km) 0.16
Perímetro (Km) 3.2 BACIATlNGA altitute máxima 848m altitute minima 793m altitute média 830m altitude mediana 821m 850 840 830
g
GI 820 'S :!: :: c:( 810 800 790 O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (%)3.1.1.2. Clima
A Estação Experimental de Itatinga apresenta clima tipo era. segundo a classificação de kõppen, correspondendo ao clima mesotérmico úmido, sem estiagem, com precipitação média mensal do mês mais seco (julho) situando-se entre 30 e 60 mm, com temperatura média anual de 19,4°C, e temperatura mínima anual de 12,8°C. A umidade relativa média anual é de 833 %, e a precipitação média anual é de 1635mm.
o
balanço hídrico, segundo o método de Thornthwaite & Mather( 1955 ), apresenta excedente hídrico de 762 mm, e déficit hídrico de 3 mm nos meses de julho e agosto, com uma evapotranspiração potencial de 877 mm. considerando-se uma capacidade de annazenamento de água no solo de 150mm (Tabela 2) e (Figura 4).
Tabela 2. Balanço hídrico segundo THORNTHW AITE & MATHER ( 1955).
.
··.EP·
... ···1) . . .P;;EP
--... "::" ... : .: ... :...
:: .. :....
:Mês ... T(?C)4 :::::P(tÍlfit ··:·ÂRM > <ALI> :···ER::·:··· DEF 0:' EXC
Jan. 2L58 101 278 177 150 O 101 O 177 Fev. 2L84 90 272 182 150 O 90 O 182 Mar. 21)3 90 201 111 150 O 90 O I I I Abr. 20.12 73 138 65 150 O 73 O 65 Maio 18,11 57 91 33 150 O 57 O 33 JUll. 16,78 46 49 2 150 O 46 O 2 Ju!. 16.23 45 22 -24 127 -23 44 O Ago. 16,39 48 37 -12 118 -10 46 2 O Set. 17,56 57 138 80 150 31 57 O 49 Out. 19.97 81 135 53 150 O 81 O 53 Nov. 20.87 90 110 20 150 O 90 O 20 Dez. 20.62 93 160 67 150 O 93 O 67 . : . . . .;. . ... Ano : . : " 1900 : - ~. 0"0 ··'877 163, . 758 O 873 3 762
40ados de Temperatura disponíveis nos boletins meteorológicos da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga ESALQ/OCF/USP.
'J .,~ ..
, 300
250
200
mm
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Precipitação - ... ~ Evap. potencial-.IIIIiJ--
Evap. realo:m
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fev merror
môl Junjul
BgO 38t out no.J dezFigura -+. Balanço hídrico segundo THORNTHW AITE & MATHER (1955). para a microbacia Tinga. com dados de 36 meses.
3.1.1.3 Geologia e geomorfologia
A região é composta pelos GIUpOS Bauru e São Bento, pertencentes a bacia do Paraná, tendo origem na era Mesozóica (lPT~ 1981 a).
A microbacia Tinga está representada pelo Gmpo Bauru. dominada pela f01mação Marília. É composta por arenitos de grosseiros a conglomeráticos. com grãos angulosos, teor de matriz variável. seleção pobre, ricos em feldspatos, minerais pesados e minerais instáveis. acoITe em bancos com espessura média de 1 a 2 metros. maciços de acamamento incipiente, subparalelo e descontínuo. raramente apresentando estratificação cruzada. raras camadas descontínuas de laminitos vennelhos e calcários (lPT.1981 b).
a relevo é composto por topos aplainados e encostas de fonnas retilíneas ou convexas. a comprimento de rampa pode exceder a 500m.
.~
apresentando declividade entre 10 e 15%, com rampas de forma retilínea (PESSOTTI, 1994).
3.1.1.4. Vegetação
A Estação Experimental de Ciências Florestais de ltatinga é coberta por plantios de Eucalyptus saligna Smith, tendo sido iniciados os plantios em 20/11/42, com término em 1946. O plantio foi feito em talhões retangulares, medindo aproximadamente 500 m X 350 m, com carreadores de 7 m de largura e avenidas de 12 m de largura, sendo que a microbacia Tinga é composta pelos talhões 16, 17, 18, 21, 22 e 23 (Figura 2).
Em 1947 iniciou-se a extração de lenha que se estendeu até 1957. Posteriormente foi conduzindo-se a rebrota e a extração de brasões para a confecção de dormentes para estradas de ferro até o ano de 1978.
Em 1981, a microbacia foi inteiramente atingida por um incêndio florestal e em 28/11/93 o talhão 21 foi totalmente queimado, correspondente a
uma área de 9,14 ha, ou seja 13,4 % da área da microbacia.
Em abril de 1994 foi realizado um inventário sistemático em curvas de nível onde foram locadas 3 curvas de nível na bacia com parcelas de área variável de aproximadamente 15X30m. num total de 47 parcelas.
Ao longo do rio existe uma mata ciliar de aproximadamente 20 metros de largura sendo que na cabeceira da bacia esta área é bem maior.
Foram utilizados modelos de equações de volume desenvolvidos por
(COUTO & BASTOS, 1987) para estimar o volume total na microbacia, onde a
equação que melhor se adequou foi a seguinte (V cc = (-15,2526 + 0.03989 x D2
....,;.:
3.1.1.5. Solos
A microbacia é composta por latossolos vermelho-escuro e vermelho-amarelo, álicos, com profundidades superiores a 2 metros, com transições difusas e graduais entre os horizontes. São solos porosos, com alto grau de floculação das argilas, apresentando ainda baixa capacidade de troca catiônica. Estão presentes o Latossolo-escuro álico A moderado textura argilosa. predominando nas encostas com declividades superiores a 8%, e o Latossolo-amarelo álico A moderado, textura média argilosa, representado por solos profundos, bem drenados, ocorrendo no reverso das faces mais declivosas. coincidindo com as costas mais altas do relevo local (PESSOTTI, 1994). A topografia varia de suavemente ondulada a plana.
Ambos os solos apresentam saturação de bases inferiores a 4% e saturação de alumínio trocável superior a 80%.
Os resultados das :análi§@s ~orfológicas e químicas dos solos da
área estão no Apêndice 3.
3.2 MÉTODOS
3.2.1. Fluviometria e pluviometria
F oi instalada uma estação linimétrica, constituída por uma parede frontal no talvegue, e de paredes laterais que se prolongam ao longo do leito do córrego natural para formação de uma seção artificial de controle, com comprimento ao redor de 2 metros. No final desta seção foi instalada uma calha do tipo "H" de 45 cm de altura, pré-construída em metal. Detalhes da construçào
podem ser encontrados em HARROLD & KRINGOLD (1948), REINHART &
PIERCE (1964), CARO et aI. (1970), ROGERSON (1976), BOS (1976) e
'~
'"
'---A equação de calibragem da calha, ou seja, a equação que permite calcular a vazão em função da leitura da cota, é a seguinte, segundo BOS (1976):
log Q = 0,0238 + 2,5524 (log H) + 0,254 (logH)2 (2)
onde: Q = vazão em m3/s.
H
=
cota (altura da lâmina d'água no vertedor) em m.A relação entre os valores fornecidos pela equação e os de calibragem da calha parecem estar dentro dos erros aceitáveis que, segundo BOS (1976), devem ser menores que 30/0, conforme mostra o gráfico na Figura 5.
0,6 0,5
•
0,4• •
••
Ô 0,3•
'O la '= 0,2 lU UI .Q o a 0,1 , o tJ o ';: ·0 ~ Q. -0,1• •
•
• •
•
•
I
•
•
•
• •
•
•
•
•
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50•
-0,2•
-0,3 -0,4•
Cota (em)Figura 5, Curva de calibração da calha Tipo "H" de 45 cm, instalada no córrego da microbacia Tinga,
Além desta calha tipo "H", a medição do deflúvio foi feita utilizando-se de um linígrafo de rotação semanal, para registrar a variação da altura da lâmina d'água na calha. A tabulação dos dados do diagrama do linígrafo
.
~foi feito segundo (JOHNSON & DILS. 1956), o qual consistiu na leitura diária. e quantificação do total escoado. Para o cálculo da vazão foi utilizada a equação 2.
A separação do escoamento direto e escoamento base foi feita segundo LINSLEY et aI. (1975) e LEE (1980), onde o intervalo de tempo do pico até o final da chuva foi estimado pela equação 3.
N=0,827 A 0,2 (3)
Onde:
N = tempo em dias do pico até o final da chuva
A = área da bacia em Km2.
Foi instalada uma estação meteorológica composta por um termômetro de máxima e mínima, um psicrômetro modelo PSM 2, Hidrologia S/A, um pluviógrafo modelo PLG 75, Hidrologia S/A, um pluviômetro "Ville de
Paris", um tanque classe "A", um anemômetro totalizador modelo 2511,
Weathertronics e um actinógrafo, situado a mais ou menos 1 Km da micro bacia, conforme recomendações técnicas do DNAEE (1970). Além destes, a obtenção da precipitação média na microbacia utilizou, também, de mais dois pluviômetros instalados próximos ao verte dor . A tabulação dos dados do diagrama do pluviógrafo foi feito segundo JOHNSON & DILS (1956). Basicamente, consistiu na leitura diária, plotando-se o dia que ocorreu o evento, a quantidade precipitada diária e a separação de algumas chuvas, para se detelminar a intensidade de chuva.
O cálculo da precipitação média na bacia foi obtido através da média aritmética das precipitações obtidas dos pluviômetros e no pluviógrafo .
A frequência de leitura dos aparelhos foi diária, com exceção dos pluviômetros, os quais foram lidos semanalmente.
Para fins de comparação e verificação foi medido a
evapotranspiração potencial através do tanque classe "A". O fator de correção do tanque utilizado foi o proposto por VILLA NOVA (1967) para o Estado de São
'1""
\
Paulo, cujos valores para dados mensais foram de 0,76 e 0,92 para os meses secos e chuvosos, respectivamente.
3.2.2. Parâmetros físico-químicos da água e ciclagem geoquímica de nutrientes
As amostras de água da chuva foram coletadas semanalmente por um coletor instalado próximo ao vertedor, ao lado dos· dois pluviômetros, conforme o modelo utilizado por COUTINHO (1979), com ligeiras modificações.
O coletor é constituído por uma garrafa de polietileno, com um funil recoberto por uma tela de nylon para evitar a entrada de insetos ou quaisquer objetos no interior da garrafa.
As amostras de água do deflúvio foram coletadas semanalmente, utilizando-se 2 garrafas que coletaram amostras de água em 2 níveis diferentes de vazão, conforme (KNISEL JR et aI. , 1971), e mais uma coleta feita diretamente na boca do vertedor.
Após a coleta, as amostras de água eram transferidas para garrafas de polietileno com capacidade para 2 litros, onde eram atmazenadas em geladeira até o transporte para o laboratório. Periodicamente, as garrafas eram lavadas com solução de HCI 10% e enxaguadas várias vezes com água corrente e posteriormente com água destilada, para serem novamente utilizadas.
As análises químicas da água da chuva e do deflúvio foram feitas no Laboratório de Hidrologia, Ecologia e Solos Florestais do Departamento de Ciências Florestais da ESALQ/USP.
Foram feitas determinações dos seguintes elementos: Ca++. Mg ++. K+, Na++ e Fe++ , através de espectrofotometria de absorção atômica. utilizando o equipamento PERKIN ELMER modelo 272. As análises de turbidez. condutividade elétrica e pH foram feitas utilizando-se, respectivamente, um turbidímetro modelo 2100 A da HACH. condutivímetro modelo 2511. da HACH
L.
e potenciômetro modelo 3221 da MICRONAL. Todas as análises foram feitas segundo as normas da AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (1975).
A concentração de sedimentos em suspensão na água foi obtida por filtragem, utilizando-se membrana com poros de 0,45 !J.m.
A densidade de fluxo dos nutrientes na precipitação e no deflúvio foi obtida através da seguinte relação:
onde:
FN(Kg / ha/ t)
=
J.'(mm)xC(mg /1)xO,OI1 (4)
FN = fluxo de nutrientes em Kg por ha por
tempo(anual, mensal, semanal, diário,etc)~
v=
valores da chuva ou deflúvio em mm~C= concentração dos nutrientes da água da chuva ou deflúvio em mgll~
t= tempo( anos, mês, semanas, dias,etc).
3.2.3. Piezômetros
A fim de se proceder à análise da qualidade de água subtenânea na área ripária, assim como verificar a dinâmica do lençol freático, foram instalados
13 piezômetros distribuídos radialmente ao canal, confonne a Figura 2 .
A fileira "A" de pÍezômetros está situada à margem direita do córrego Tinga, a fileira "B" à margem esquerda e a fileira "C" na cabeceira da microbacia. Esta última bateria de piezômetros, descobriu-se mais tarde, acabou
