CARACTERIZAÇÃO HIDROSSEDIMENTOLÓGICA DE SEIS MICROBACIAS NA APA ESTADUAL CACHOEIRA DAS ANDORINHAS, OURO PRETO, MG

(1)

(2)

(3)

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor

Marcone Jamilson Freitas Souza

Vice-Reitora

Célia Maria Fernandes Nunes

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação

Valdei Lopes de Araújo

ESCOLA DE MINAS

Diretor

José Geraldo Arantes de Azevedo Brito

Vice-Diretor

Wilson Trigueiro de Souza Marco

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

(4)

(5)

CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA

–

VOL. 314

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Nº 72

CARACTERIZAÇÃO HIDROSSEDIMENTOLÓGICA DE SEIS

MICROBACIAS NA APA ESTADUAL DA CACHOEIRA DAS

ANDORINHAS, OURO PRETO, MG

Josefa Clara Lafuente Monteiro

Orientador

Luís de Almeida Prado Bacellar

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito

parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciências Naturais, Área de Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

(6)

Monteiro, J.C.L., 2013, Caracterização Hidrossedimentológica de seis microbacias na APA Estadual da C. A.

Universidade Federal de Ouro Preto – http://www.ufop.br Escola de Minas - http://www.em.ufop.br

Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br/

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n - Bauxita

35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais

Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 e-mail: pgrad@degeo.ufop.br

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Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a observância das normas de direito autoral.

ISSN 85-230-0108-6

Depósito Legal na Biblioteca Nacional Edição 1ª

Catalogação elaborada pela Biblioteca Prof. Luciano Jacques de Moraes do Sistema de Bibliotecas e Informação - SISBIN - Universidade Federal de Ouro Preto

M775c Monteiro, Josefa Clara Lafuente.

Caracterização hidrossedimentológica de seis microbacias na APA Estadual Cachoeira das Andorinhas, Ouro Preto, MG [manuscrito] / Josefa Clara Lafuente Monteiro – 2013.

137f. : il. color.; graf.; tab.; mapas. (Contribuições às Ciências da Terra, Série M, v.72, n. 314)

ISSN: 85-230-0108-6

Orientador: Prof. Dr. Luís de Almeida Prado Bacellar.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais.

Área de concentração: Geologia ambiental e Conservação de Recursos Naturais.

1. Bacias hidrográficas - Teses. 2. Potencial hídrico - Teses. 3. Sedimentologia - Teses. I. Bacellar, Luís de Almeida Prado. II. Universidade Federal de Ouro Preto.III. Título.

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Contribuições às Ciências da Terra, Série M72, vol.314,137p.

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Agradecimentos

Presto aqui os meus agradecimentos a todos os que contribuíram para o presente trabalho.

Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais pela oportunidade.

Agradeço ao Instituto Mineiro de Gestão das Águas, pelo apoio financeiro à pesquisa. Agradeço à FAPEMIG e ao CNPq pelo apoio financeiro.

Ao Departamento de Geologia da Escola de Minas da UFOP, pela infra-estrutura disponibilizada e, em especial, ao Laboratório de Geoquímica Ambiental (LGqA) e todos os seus funcionários.

Sinceros agradecimentos ao Prof. Dr. Luis de Almeida Prado Bacellar, pela ótima orientação, por todos os ensinamentos e, também, pela paciência. Á Prof. Dra. Mariângela Garcia Leite pelas valiosas

“dicas” e ajuda ao longo de todo o trabalho. À minha Prof. Dra. Maria do Rosário da Universidade de

Trás-os-Montes e Alto Douro pela ajuda e amizade.

Agradeço ao Ronald de Carvalho Guerra, da Secretaria de Meio Ambiente de Ouro Preto, pelo apoio, por me dispensar do trabalho para poder terminar o projeto e pela amizade.

A todos os colegas que me ajudaram nos trabalhos de campo, em especial ao bolsista Thiago Bandim e ao meu Maridão Marco Silva.

Aos monitores de campo, pelo compromisso e responsabilidade na medição de dados.

Um agradecimento muito carinhoso às amigas do DEGEO: Adriana Trópia, Aline Guimarães, Maria Augusta Fujaco, Maria Inês Bonaccorsi e Maria Carolina.

Um abraço especial a todos os amigos do Morro São Sebastião pelo incentivo para acabar o trabalho. Agradeço a toda a minha família: minha avó Pilar pela força espiritual, minha tia Maria, meu pai Raimundo e minha mãe Teresa por acreditarem em mim e pelo apoio nos meus estudos, meu querido e amado irmão, Zé por me ter ajudado no campo e simplesmente por ser a pessoa mais linda á face da Terra, minha irmã Tânia pelas ótimas risadas sempre que estamos juntas, ás minhas queridas tigras Clara e Margarida pelo amo-te muito tia.

Ao meu marido, por ter estado sempre comigo a apoiar-me em todos os momentos, os bons e os difíceis, e pela ajuda incondicional no presente trabalho. Amo-te Marco!

(11)

(12)

Sumário

AGRADECIMENTOS ... ix

LISTA DE FIGURAS ... xv

LISTA DE TABELAS ... xix

LISTA DE FÓRMULAS ... xxi

RESUMO ... xxiii

ABSTRACT ... xxv

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 01

1.1. Apresentação da pesquisa... 01

1.2. Objetivos ... 02

1.3. Localização da Área de Proteção Ambiental Estadual da Cachoeira das Andorinhas e aspetos gerais da região ... 03

1.4. Características do meio físico e vegetação ... 04

1.4.1. Clima ... 04

1.4.2. Geologia e Geomorfologia ... 06

1.4.3. Solos ... 09

1.4.4. Vegetação ... 10

1.4.5. Uso e Ocupação ... 11

1.4.6.Hidrogeologia no Alto Rio das Velhas ... 12

CAPÍTULO 2. ESCOAMENTO E VARIÁVEIS NO CICLO HIDROSSEDIMENTOLÓGICO ... 15

2.1. Escoamento em bacias hidrográficas ... 15

2.2. Análise de hidrogramas ... 18

2.3. Fatores físicos que intervém no sistema hídrico ... 19

2.4. Uso e Ocupação do Solo ... 23

2.5. Características Químicas da Água e dos Sedimentos ... 23

2.5.1. Características químicas da água ... 23

(13)

2.6. Transporte de Sedimentos ... 24

CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 27

3.1. Aquisição de dados básicos ... 27

3.2. Definição e caracterização das microbacias ... 27

3.3. Instrumentação das microbacias ... 28

3.3.1. Medição da precipitação ... 28

3.3.2. Medição da vazão ... 29

3.4. Monitoramento dos dados das microbacias ... 35

3.4.1. Dados hidrológicos ... 35

3.4.2. Dados hidrogeoquímicos ... 36

3.4.3. Dados sedimentológicos ... 38

3.4.3.1. Sedimento de fundo ... 38

3.4.3.1.1. Análise da composição granulométrica ... 38

3.4.3.1.2. Caracterização mineralógica do sedimento de fundo - Difração de Raios X39 3.4.3.1.3. Análises químicas ... 39

3.4.3.1.3.1. Digestão Total ... 39

3.4.3.1.3.2. Determinação de elementos maiores por fluorescência de Raios X ... 40

3.4.3.2. Sedimento particulado em suspensão ... 41

3.4.4.Cálculo da descarga sólida de fundo...42

3.5. Tratamento e Interpretação dos dados ... 46

CAPÍTULO 4. CARACTERIZAÇÃO DAS BACIAS DE DRENAGEM ... 47

4.1. Características das Microbacias A e B ... 50

4.1.1. Geologia das Microbacias A e B ... 51

4.1.2. Geomorfologia das Microbacias A e B ... 52

4.1.3. Vegetação, uso e ocupação do solo das Microbacias A e B ... 53

4.2. Características das Microbacias C e D ... 54

(14)

4.2.3. Vegetação, uso e ocupação do solo das Microbacias C e D ... 57

4.3. Características das Microbacias E e F ... 58

4.3.1. Geologia das Microbacias E e F ... 60

4.3.2. Geomorfologia das Microbacias E e F ... 60

4.3.3. Vegetação, uso e ocupação do solo das Microbacias E e F ... 61

CAPÍTULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 63

5.1. Análise Espaço-Temporal da APA/CA ... 63

5.2. Regime Pluviométrico e Fluviométrico das Microbacias ... 65

5.2.1. Dados pluviométricos ... 65

5.2.2. Dados fluviométricos ... 67

5.3. Análise entre precipitação, vazão e escoamento de base das Microbacias ... 67

5.4. Separação de hidrogramas e quantificação do fluxo de base ... 70

5.5. Coeficiente de Recessão ... 73

5.6. Hidroquímica das microbacias ... 74

5.6.1. Determinação dos parâmetros físico-químicos ... 75

5.6.1.1. Condutividade elétrica (CE) e Sólidos totais dissolvidos (STD) ... 75

5.6.1.2. Potencial Hidrogeniônico (pH) e Potencial de Oxi-redução (Eh) ... 76

5.6.1.3. Temperatura ... 76

5.6.1.4. Turbidez ... 77

5.6.2. Constituintes Químicos - Principais Ânions ... 78

5.6.2.1. Alcalinidade (HCO3-) ... 78

5.6.2.2. Cloreto (Cl-) ... 79

5.6.2.3. Sulfato (SO42-) ... 80

5.6.3. Constituintes Químicos – Elementos maiores e traço ... 80

5.6.3.1. Elementos Maiores (Al, Fe, Mn, Ca, Mg, Na e K) ... 81

5.6.3.1.1. Alumínio ... 81

5.6.3.1.2. Ferro e Manganês ... 82

(15)

5.6.3.1.4. Cálcio e Magnésio ... 83

5.6.3.2. Elementos Traço (Al, Fe, Mn, Ca, Mg, Na e K)... 84

5.6.3.2.1. Metais alcalinos (Li) e alcalino-terrosos (Sr e Ba) ... 84

5.6.4. Razões iônicas ... 86

5.7. Balanço Iônico da água das microbacias ... 87

5.8. Quadro geral das águas das microbacias ... 88

5.9. Sedimentos das microbacias ... 89

5.9.1. Composição Granulométrica ... 89

5.9.2. Análise geoquímica do sedimento de fundo ... 91

5.9.2.1. Determinação mineralógica por difração de Raios X ... 91

5.9.2.2. Determinação de elementos maiores por fluorescência de Raios X ... 91

5.9.2.3. Determinação de elementos maiores por ICP-OES ... 92

5.9.2.4. Determinação de elementos traço por ICP-OES ... 95

5.9.3. Interpretação Geoquímica sob aspecto granulométrico ... 98

5.10. Quadro geral dos sedimentos das microbacias ... 100

5.11. Cálculo da descarga sólida ... 101

5.11.1. Cálculo da descarga sólida em suspensão ... 101

5.11.2. Cálculo da descarga sólida de fundo ... 102

5.12. Condicionantes do regime hidrológico ... 106

5.12.1. Condicionantes geológicas e geomorfológicas ... 107

5.12.2. Condicionantes antrópicas ... 109

CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 111

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 115

ANEXOS ... 123

(16)

Lista de Figuras

Figura 1.1- Localização da APA/CA em Minas Gerais ... 04

Figura 1.2- Mapa de isovalores da precipitação média de 11 séries históricas ... 05

Figura 1.3- Gráfico da estação seca e chuvosa para Vargem do Tejucal ... 06

Figura 1.4- Coluna estratigráfica do Quadrilátero Ferrífero ... 06

Figura 1.5- Mapa geológico da APA/CA ... 08

Figura 1.6- Mapa geomorfológico da APA/CA ... 09

Figura 1.7- Mapa de solos da APA/CA ... 10

Figura 1.8- Mapa da vegetação da APA/CA ... 11

Figura 1.9- Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto Rio das Velhas ... 13

Figura 2.1- Geração de escoamento superficial por exceder a infiltração ... 15

Figura 2.2- Geração de escoamento superficial por saturação ... 16

Figura 2.3- Escoamento subsuperficial ... 17

Figura 2.4- Rotas de fluxo em encostas ... 17

Figura 2.5- Características do hidrograma de escoamento... 18

Figura 2.6- Representação gráfica de microbacia e fatores que afetam a produção de água ... 19

Figura 2.7- Relação entre vazão e cobertura vegetal apresentados por Bosch e Hewlett ... 22

Figura 3.1- Pluviômetro instalado na microbacia A ... 28

Figura 3.2- Elementos geométricos do vertedor ... 29

Figura 3.3- Tipos de vertedores ... 30

Figura 3.4- Seção transversal do rio nas microbacias A, B, C e D e tipo de vertedor utilizado..32

Figura 3.5- Seção transversal do rio na microbacia E e tipo de vertedor utilizado ... 32

Figura 3.6- Seção transversal do rio na microbacia F e tipo de vertedor utilizado ... 33

Figura 3.7- Vertedor do tipo triangular utilizado na microbacia C ... 33

Figura 3.8- Foto demonstrativa do método volumétrico ... 34

Figura 3.9- Croqui das chapas adicionais colocadas nos vertedores das microbacias A e B .... 34

Figura 3.10- Hidrômetro colocado na microbacia B ... 35

(17)

Figura 3.12- Determinação do sulfato nas amostras de água ... 37

Figura 3.13- Filtragem da água para determinar a concentração de elementos químicos ... 37

Figura 3.14- Coleta de sedimento de fundo e sedimento em processo de secagem ... 38

Figura 3.15- Secagem de frascos na placa aquecedora e ácidos para determinação de metais .. 40

Figura 3.16- Filtros com o material particulado em suspensão na estufa para secagem ... 42

Figura 4.1- Localização das microbacias monitoradas na APA/CA ... 47

Figura 4.2- Mapa hipsométrico e de declividades da APA/CA ... 48

Figura 4.3- Localização da microbacia A no terreno ... 50

Figura 4.4- Localização da microbacia B no terreno ... 51

Figura 4.5- Geologia das microbacias A e B ... 52

Figura 4.6- Geomorfologia das microbacias A e B ... 53

Figura 4.7- Uso e ocupação, em percentagem, das microbacias A e B ... 53

Figura 4.8- Vegetação das microbacias A e B ... 54

Figura 4.9- Vertedor triangular instalado na microbacia C, no interior da Floresta Uaimií ... 54

Figura 4.10- Localização do vertedor e do pluviômetro instalados na microbacia D ... 55

Figura 4.11- Geologia das microbacias C e D ... 55

Figura 4.12- Geomorfologia das microbacias C e D ... 56

Figura 4.13- Uso e ocupação, em percentagem, das microbacias C e D ... 57

Figura 4.14- Vegetação das microbacias C e D... 57

Figura 4.15- Microbacia E com destaque para a pedreira de quartzito ... 58

Figura 4.16- Localização da microbacia F, onde é visível o seu bom estado de conservação ... 58

Figura 4.17- Microbacia E e localização dos gabiões construídos ao longo da drenagem... 59

Figura 4.18- Fotos de três dos diques de gabião construídos ... 59

Figura 4.19- Geologia das microbacias E e F ... 60

Figura 4.20- Geomorfologia das microbacias E e F ... 61

Figura 4.21- Vegetação das microbacias E e F ... 62

(18)

Figura 5.2- Carvoaria em funcionamento utilizando lenha de eucalipto ... 65

Figura 5.3- Determinação das estações seca e chuvosa das microbacias ... 66

Figura 5.4- Precipitação diária e vazão específica das microbacias A, B e C ... 68

Figura 5.5- Precipitação diária e vazão específica das microbacias D, E e F ... 69

Figura 5.6- Separação do fluxo de base das microbacias A e B (smoothed mínima). ... 72

Figura 5.7- Separação do fluxo de base das microbacias C e D (smoothed mínima). ... 72

Figura 5.8- Separação do fluxo de base da microbacias F (smoothed mínima). ... 73

Figura 5.9- Curva de recessão mestra pela técnica matching strip para a microbacia A ... 73

Figura 5.10- Gráficos com valores de STD e CE para as microbacias ... 75

Figura 5.11- Gráfico com dados de precipitação, vazão e turbidez ... 78

Figura 5.12- Concentração de ferro e manganês nas microbacias. ... 83

Figura 5.13- Concentração de sódio e potássio nas microbacias. ... 83

Figura 5.14- Concentração de cálcio e magnésio nas microbacias. ... 84

Figura 5.15- Concentração de bário, estrôncio nas microbacias. ... 85

Figura 5.16- Frações granulométricas de cada microbacia na época seca e chuvosa ... 90

Figura 5.17- Principais constituintes das amostras de sedimento de fundo das microbacias ... 92

Figura 5.18- Veios de quartzo localizados 10m a montante do vertedor da microbacia E ... 97

Figura 5.19- Dendogramas das amostras de fração total na época seca e chuvosa ... 99

Figura 5.20- Dendogramas das amostras de fração fina na época seca e chuvosa ... 100

Figura 5.21- Curva granulométrica do sedimento de fundo das microbacias ... 105

Figura 5.22- Gráfico de dispersão do coeficiente de recessão versus FBE de todas as bacias analisadas neste estudo e das monitoradas por Costa (2005). ... 107

(19)

(20)

Lista de Tabelas

Tabela 1.1- Coeficiente de recessão e slope index das bacias monitoradas por Costa (2005). .. 14

Tabela 2.1- Relação da vegetação com alguns dos componentes do ciclo hidrológico...22

Tabela 3.1- Classes granulométricas ... 39

Tabela 3.2- Valores para o cálculo do coeficiente de Manning ... 43

Tabela 4.1- Localização, litologias e parâmetros morfométricos das microbacias ... 49

Tabela 5.1- Fluxo de base especifico,SI e precipitação ... 70

Tabela 5.2- BFI e FBE das microbacias ... 71

Tabela 5.3- Coeficiente de recessão das microbacias obtidos pelo método matching strip ... 74

Tabela 5.4- Valores médios de pH para as microbacias monitoradas ... 76

Tabela 5.5- Valores mínimos, máximos e médios da turbidez em FTU das microbacias ... 77

Tabela 5.6- Concentração do HCO3- nas microbacias ... 79

Tabela 5.7- Concentração de Cl-_{nas microbacias ... 80}

Tabela 5.8- Concentração do SO42- nas microbacias ... 80

Tabela 5.9- Limites de quantificação dos elementos nas amostras de água (ICP-OES) ... 81

Tabela 5.10- Elementos maiores na época seca e chuvosa. LQ=Limite de quantificação ... 81

Tabela 5.11- Metais alcalinos e alcalinos terrosos em µg/L, por ICP-OES ... 85

Tabela 5.12- Razões iônicas médias definidas para as microbacias ... 86

Tabela 5.13- Balanço iônico das microbacias na época seca ... 87

Tabela 5.14- Balanço iônico das microbacias na época chuvosa ... 87

Tabela 5.15- Limites de aceitabilidade (Custódio & Llamas, 1976) ... 88

Tabela 5.16- Comparação dos resultados obtidos com a Resolução CONAMA Nº357 ... 89

Tabela 5.17- Concentração de elementos maiores da fração total nos sedimentos de fundo ... 93

Tabela 5.18- Concentração de elementos maiores da fração fina nos sedimentos de fundo ... 93

Tabela 5.19- Concentração de metais alcalinos e alcalino terrosos da fração total e fina ... 95

Tabela 5.20- Concentração de metais de transição da fração total e fina ... 96

Tabela 5.21- Concentração de outros elementos metálicos da fração total e fina ... 97

(21)

Tabela 5.23- Descarga sólida em suspensão (Qss) das microbacias... 101

Tabela 5.24- Média anual de turbidez e escoamento superficial das microbacias ... 101

Tabela 5.25- Computação do coeficiente de Manning para as microbacias ... 102

Tabela 5.26- Características hidráulicas e geométricas da seção transversal das microbacias.103

Tabela 5.27- Distribuição granulométrica do material de leito da microbacia A ... 104

Tabela 5.28- Descarga sólida de fundo com as fórmulas de Engelund e Hansen e de Yang ... 106

(22)

Lista de Equações

Equação 2.1- Equação empírica de recessão (Barnes) ... 19

Equação 2.2- Determinação do coeficiente de compacidade ... 20

Equação 2.3- Determinação do fator de forma ... 20

Equação 2.4- Determinação da densidade de drenagem ... 20

Equação 2.5- Determinação do Slope Index ... 21

Equação 2.6- Determinação da descarga sólida em suspensão ... 25

Equação 3.1- Determinação da altura pluviométrica ... 28

Equação 3.2- Equação para o vertedor do tipo trapezoidal ... 31

Equação 3.3- Equação para o vertedor do tipo triangular ... 31

Equação 3.4- Equação de Thompson ... 31

Equação 3.5- Equação de Gourley e Crimp ... 31

Equação 3.6- Equação de Barnes ... 31

Equação 3.7- Determinação da declividade da linha energética ... 42

Equação 3.8- Determinação do coeficiente de Manning ... 42

Equação 3.9- Cálculo da descarga sólida total do material de leito transportado ... 44

Equação 3.10- Cálculo da tensão de atrito média da corrente... 44

Equação 3.11- Cálculo da descarga sólida total em ton/dia ... 44

Equação 3.12- Cálculo da velocidade de atrito relativa aos grãos ... 45

Equação 3.13- Equação de Rubey ... 45

Equação 3.14- Equação de Stokes ... 45

Equação 3.15- Cálculo da relação entre a velocidade crítica do escoamento no movimento incipiente e a velocidade de queda ... 45

Equação 3.16- Cálculo da concentração total de material de leito no escoamento (para grãos de diâmetro até 2mm) ... 45

Equação 3.17- Cálculo da concentração total de material de leito no escoamento (para grãos de diâmetro maior que 2mm) ... 45

(23)

Equação 5.1- Balanço iônico pela equação de Custódio & Llamas (1976) ... 87

(24)

Resumo

Este estudo tentou estabelecer a influência da geologia, da geomorfologia e do uso e ocupação do solo na dinâmica hidrossedimentológica e no potencial hídrico de seis microbacias de cabeceira situadas na APA da Cachoeira das Andorinhas (APA/CA). Foram selecionados três pares de microbacias nas unidades geologicamente mais representativas da APA/CA (Grupos Nova Lima, Maquiné/Supergrupo \Rio das Velhas, e Grupos Caraça e Itabira/Supergrupo Minas). Cada par partilha condições geológicas e geomorfológicas semelhantes, mas em cada um desses pares, uma das microbacias está mais preservada e a outra mais antropizada. Os processos naturais de erosão e deposição, assim como modificações no canal decorrentes de interferências antrópicas parecem induzir variações na composição química das águas e dos sedimentos. Em regiões de cabeceira, com declividades mais elevadas, onde predominam os processos de erosão, interferências antrópicas como mineração (nas microbacias A e E), retirada irregular de material sólido (microbacias E e F) e uso predominantemente agro-pastoril (microbacia D), influenciam na concentração e disponibilidade de metais, pois favorecem desagregação do material geológico, que se tornará sujeito ao transporte fluvial. A análise do potencial hídrico de microbacias de cabeceira através de métodos de hidrologia de superfície demonstrou ser útil para definir a relação entre o escoamento superficial e subterrâneo e desta forma avaliar as condições dos aquíferos. A utilização de vertedores portáteis associada à correção pelo método volumétrico apresentou bons resultados para microbacias. Utilizando dados de chuva e vazão, obtidos durante um ano hidrológico, por pluviômetros e vertedores, estabeleceram-se regimes pluviométricos e fluviométricos. Com estes dados determinou-se o fluxo de base pela técnica smoothed minima e o

coeficiente de recessão (α) pela técnica matching strip. Constatou-se que microbacias de cabeceira,

(25)

(26)

Abstract

(27)

(28)

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 – APRESENTAÇÃO DA PESQUISA

A água que circula no ciclo hidrológico pode ser aproveitada pelos humanos, e é um bem de caráter renovável. No entanto, a quantidade de água disponível tem diminuído face ao aumento populacional. A disponibilidade deste bem pode sofrer baixas, não só devido a variações climáticas como ao uso e ocupação indevidos do solo.

Tem-se assistido a uma preocupação crescente de pesquisadores, administradores e população em geral com a gestão de recursos hídricos, uma vez que nem sempre a qualidade e a quantidade da água a fornecer estão garantidas.

Muitos estudos em bacias hidrográficas baseiam-se em assuntos específicos, como, hidroquímica, geoquímica, transporte de sedimentos, ou escoamento. Nesta pesquisa integraram-se todos estes dados, uma vez que o meio aquático é um sistema dinâmico influenciado por fatores físicos, ambientais e antrópicos. A composição química das águas (hidroquímica) resulta de forma sucinta, de acordo com Hem (1985) e Siegel (2002), do intemperismo das rochas e solos, de reações de precipitação e dissolução, solubilização de gases e aerossóis presentes na atmosfera, da ação da biota aquática (fauna e flora) e de efeitos resultantes das atividades antrópicas. (Guimarães, 2007). A geoquímica também é uma importante ferramenta para avaliar a qualidade dos sistemas aquáticos, pois além de estudar a distribuição e o comportamento dos elementos químicos no ambiente, possibilita identificar alterações de origem natural e antrópica. Assim água e o sedimento são de extrema relevância na avaliação de impactos ambientais, pois estes são caracterizados pela contínua e constante integração dos processos de intemperismo e erosão, tendo composição determinada pela geologia local, cobertura vegetal e uso do solo. Desta forma, o conhecimento da dinâmica hidrossedimentologica pode contribuir para uma melhor gestão de bacias hidrográficas.

(29)

ordenamento territorial e do aproveitamento racional dos recursos naturais (UFV/IEF, 2005a).

A área da APA/CA é carente de informações detalhadas quanto aos recursos hídricos, tanto superficiais como subterrâneos (ANA/GEF/PNUMA/OEA, 2001; Ferreira & Bacellar, 2010). Neste sentido, propôs-se examinar a influência da geologia, da geomorfologia e do uso da terra no potencial hídrico e na dinâmica hidrossedimentológica de microbacias de cabeceira.

Entende-se como potencial hídrico a capacidade de produzir água de forma sustentável, o que implica na manutenção da vazão por mais tempo em épocas de estiagem, devido ao escoamento de base (Costa, 2005). O escoamento de base representa a parcela de vazão em canais de drenagem proveniente de aquíferos. Portanto, em climas sazonais como na área de estudo, com invernos secos e verões chuvosos, o escoamento de base sustenta as vazões dos rios efluentes nos períodos de estiagem e sua quantificação pode contribuir para a avaliação do potencial hídrico. Trabalhos desenvolvidos em pequenas bacias hidrográficas na região da sub-bacia do Alto Rio das Velhas (Costa, 2005; Costa & Bacellar, 2009) têm demonstrado que quanto mais íngreme o relevo da bacia, menor é a produção de escoamento de base, ou seja, menor o potencial hídrico. Demonstrou-se também nesses trabalhos que o potencial hídrico é muito influenciado pelas características geológicas e geomorfológicas e também pelas formas de uso e ocupação do terreno. Portanto, o estudo do padrão de escoamento em pequenas bacias também pode trazer informações relevantes quanto à influência das formas de uso e ocupação no regime hidrológico (Costa, 2005; Costa & Bacellar, 2006; Freitas, 2010).

No presente trabalho, avançou-se nessa linha de pesquisa, ao agregar dados de novas bacias monitoradas na APA/CA, na sub-bacia do Alto Rio das Velhas. Para tal, foram selecionadas seis bacias de 1ª ou 2ª ordem hierárquica (sensu Strahler), com características geométricas similares, mas com distintas características geológico-geomorfológicas e de formas de uso e ocupação do terreno. As bacias foram monitoradas durante o ano hidrológico (2006/2007) e procurou-se estabelecer a influência dos fatores condicionantes no potencial hídrico pela correlação com índices hidrológicos e morfométricos. Para avaliar de que forma fatores físicos e antrópicos influenciam na dinâmica hidrossedimentologica levantaram-se e analisaram-se dados de química da água e dos sedimentos além de dados de transporte de sedimentos.

1.2 – OBJETIVOS

O principal objetivo deste trabalho é avaliar a influência da geologia, geomorfologia e de uso e ocupação do solo no potencial hídrico e na dinâmica hidrossedimentológica de seis microbacias situadas na APA da Cachoeira das Andorinhas.

Os objetivos específicos são:

(30)

Contribuições às Ciências da Terra, Série M72, vol. 314,137p.

 Analisar dados pluviométricos, fluviométricos, hidroquímicos e geoquímicos das bacias monitoradas;

 Avaliar a influência dos parâmetros físico-químicos e das características físicas e antrópicas das bacias nos processos hidrossedimentológicos;

 Avaliar métodos de transporte de sedimentos em bacias de cabeceira.

1.3 – LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE PROTEÇÃO AMBIENTAL ESTADUAL

CACHOEIRA DAS ANDORINHAS E ASPECTOS GERAIS DA REGIÃO

O presente estudo foi realizado dentro de uma área de proteção ambiental (APA). O conceito de Área de Proteção Ambiental (APA) surgiu no Brasil em 1981 como uma nova categoria de unidade de conservação. Uma APA é um dos instrumentos utilizados pelo poder público para proteger uma parte do território, segundo objetivos específicos. Esta área, mesmo permanecendo sob o domínio de seus proprietários, é submetida a ações de ordenamento e controle do uso do solo e dos recursos naturais, onde a variável ambiental é inserida nas etapas de planejamento, tendo como meta, o desenvolvimento sustentável da área. Geralmente a criação de uma área de proteção desta índole, objetiva a proteção da fauna e da flora, dos recursos hídricos e de áreas de grande beleza cênica.

Segundo uma pesquisa realizada por Côrte (1997), 25% das APAs apresentam como um dos seus objetivos de criação a preocupação com a proteção dos recursos hídricos, principalmente dos mananciais para abastecimento de água da população. Este é por vezes, considerado o principal objetivo de se transformar uma área em APA e, coincide com uma das grandes preocupações mundiais por reconhecer a água como um elemento essencial à vida humana e à manutenção do equilíbrio dos ecossistemas (Corte, 1997).

(31)

A APA Estadual da Cachoeira das Andorinhas (APA/CA) localiza-se no distrito de São Bartolomeu, município de Ouro Preto, possui uma área de 18.700 hectares e foi criada em 16 de Outubro de 1989 sob o Decreto nº 30 264 pelo Governo de Minas Gerais (figura 1.1). A região abrangida pela APA/CA é considerada como patrimônio natural de reconhecido valor histórico, cultural, paisagístico e turístico. É também uma área de relevante importância hídrica, pois é lá que se localizam as nascentes orientais do rio das Velhas. O rio das Velhas está diretamente ligado à história de Minas. No século XVIII, foi um importante ponto estratégico para a ocupação do território brasileiro, não só porque era navegável, mas também pela sua riqueza mineral de sua área de cabeceiras. Séculos depois ainda é fonte quase inesgotável de riqueza mineral e principal manancial de abastecimento de água da Região Metropolitana de Belo Horizonte.

O rio das Velhas nasce no município de Ouro Preto, na APA/CA, faz um percurso de 761 km até desaguar como importante afluente no rio São Francisco, próximo de Pirapora, em Minas Gerais.

Figura 1.1 – Localização da APA/CA em Minas Gerais, com destaque para as áreas urbanas de Ouro Preto e Mariana.

1.4 - CARACTERÍSTICAS DO MEIO FÍSICO E VEGETAÇÃO

1.4.1 –

Clima

(32)

Foi feita uma análise da precipitação num raio de 30 km do limite da APA/CA utilizando dados de chuva disponibilizados pela Agência Nacional de Águas (ANA) de 11 postos de medição. Esta análise permitiu construir vários mapas de isoietas ao longo do ano e ao longo da série histórica. (figura 1.2). Neste mapa é possível observar que os maiores valores pluviométricos se encontram nas vertentes das serras do Caraça e do Itacolomi, a nordeste e sudeste do limite da APA/CA, respectivamente, apresentando valores totais anuais da ordem de 2.000 mm. Os valores diminuem gradativamente para oeste, onde apresentam valores mínimos de precipitação anual de 1234,3 mm.

Figura 1.2 – Mapa de isoietas da precipitação média anual das séries históricas dos 11 postos de medição, realçando-se o limite da APA/CA e das microbacias monitoradas.

(33)

0 50 100 150 200 250 300 350

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Estação chuvosa Estação seca

média 114,58 (1941-1965)

Figura 1.3 – Gráfico representando a determinação das estações seca e chuvosa para o posto de medição de Vargem do Tejucal (Latitude: 20º20'0''; Longitude: 43º33'0'')

1.4.2 – Geologia e Geomorfologia

A área de estudo insere-se na região do Quadrilátero Ferrífero (QF), importante província aurífera e ferrífera conhecida desde o século XVII (Ladeira e Viveiros, 1984). O QF é composto pelo

Greenstone Belt Rio das Velhas, cuja formação é contemporânea à individualização de corpos

tonalíticos, granodioríticos e graníticos, entre 2,78 e 2,7 bilhões de anos, e pelo Supergrupo Minas, formado durante o Ciclo Transamazónico (2,6-2 bilhões de anos) por uma série de processos sedimentares, tectônicos e magmáticos (Schobenhaus et al. 2000). O QF é composto por:

(34)

Segundo Dorr et al. (1957), na região da APA/CA predominam rochas arqueanas do

Supergrupo Rio das Velhas e rochas proterozóicas do Supergrupo Minas (figura 1.5), sendo que as rochas do Supergrupo Rio das Velhas ocupam mais de 85% da área. Dos dois grupos que constituem o Supergrupo Rio das Velhas, o Grupo Nova Lima é o que ocorre em maior área, sendo constituído basicamente por quartzo-biotita xistos e filitos. O Grupo Nova Lima é constituído por uma sucessão monótona de micaxistos e quartzo-micaxistos, com lentes e zonas de formações ferríferas metamorfoseadas, metagrauvacas félsicas, quartzito, conglomerado, rochas metavulcânicas, xistos e filitos grafitosos (Dorr et al 1957). Este grupo ocorre em toda a porção central da APA (figura 1.5) em

relevo de colinas convexas, sendo delimitado a leste por rochas do Grupo Maquiné e ao sul por rochas do Supergrupo Minas. O Grupo Maquiné, também do Supergrupo Rio das Velhas, sobrepõe-se ao Grupo Nova Lima. Afloramentos de rochas quartzíticas desse grupo dominam a paisagem nordeste e leste da APA/CA, formando cristas e patamares estruturais (figura 1.6). As rochas do Supergrupo Minas, apesar de ocuparem uma extensão muito menor, constituem importantes elementos da paisagem da APA/CA, formando a extensa crista divisora com orientação O-E, denominada Serra do Veloso e Serra de Ouro Preto, que marca o limite sul da APA (figura 1.6).O Supergrupo Minas foi dividido (Dorr et al 1957) em três grupos, Caraça, Itabira e Piracicaba, dos quais apenas ocorrem na

área estudada os dois primeiros (figura 1.5). O Grupo Caraça subdivide-se em duas formações, denominadas Moeda (composta por quartzitos e metaconglomerados) e Batatal (constituída por filitos e micaxistos) (Wallace 1958, Maxwell 1958), que ocorrem em pequenas áreas, pouco significativas, tanto no extremo norte como a sudeste da APA/CA, formando cristas rochosas.

O Grupo Itabira subdivide-se em duas formações, a Formação Cauê (com itabiritos e itabiritos filiticos) e a Formação Gandarela (composta por dolomitos). Este grupo forma a Serra do Veloso e a Serra de Ouro Preto, marcando o limite sul da área estudada.

Além disso, diques de metabasito, anfibolito, esteatito e talco-xisto indivisos, ocorrem no extremo leste da APA/CA, próximo ao rio das Velhas e em pequena área central da APA (figura 1.5).

Junto ao rio das Velhas surgem diversos depósitos superficiais quaternários, compostos por sedimentos aluviais de natureza predominantemente silto-argilosa, com níveis de conglomerado e lentes arenosas, formando cascalheiras auríferas. Nestes depósitos ocorrem também pilhas de cascalho lavado, sobre os terraços e aluviões, evidenciando ação mineradora pretérita (UFOP, 1983). O rio das Velhas corre sobre planícies fluviais a partir da região de Catarina Mendes. Em pequenas áreas na região sul-sudeste, na região conhecida como Serra da Brígida, mas também em vários locais na Serra do Veloso e na Serra de Ouro Preto, ocorrem depósitos superficiais de canga laterítica sobre rochas itabiríticas, formando solos rasos e concrecionários, resistentes à erosão (UFV & IEF, 2005). Surgem também depósitos superficiais lateríticos e bauxíticos em colúvios ou in situ, derivados de materiais

(35)

(36)

Figura 1.6_–Mapa geomorfológico da APA/CA (adaptado de UFV & IEF, 2005).

1.4.3 –

Solos

Segundo UFV & IEF (2005), na área predominam solos com horizonte B incipiente, como os cambissolos háplicos (CXbd) e húmicos (CHd), representando mais de 65% da área (figura 1.7). Estes solos estão associados a posições mais íngremes da paisagem, o que os torna os mais susceptíveis à erosão.

Cerca de 8% da área é ocupada por solos com horizonte B latossólico (Latossolo Vermelho-Amarelo-LVA), formados a partir de rochas do Grupo Nova Lima. Este tipo de solo está associado a topos e a encostas de colinas convexas.

(37)

Ocupando menos de 1% da área aparecem os gleissolos, que ocorrem no fundo de vales suspensos, próximos às cabeceiras do Rio das Velhas.

Associados aos cambissolos háplicos e neossolos litólicos ocorrem espodossolos, em patamares estruturais de áreas quartzíticas (figura 1.7) (UFV & IEF, 2005).

Figura 1.7– Mapa de solos da APA/CA (adaptado de UFV & IEF, 2005).

1.4.4 – Vegetação

(38)

Figura 1.8– Mapa de vegetação da APA/CA (adaptado de UFV & IEF, 2005)

1.4.5 – Uso e Ocupação

A maior parte da APA/CA é ocupada por Mata Atlântica. Nas zonas de maior altitude predominam os campos rupestres, constituídos normalmente por espécies de baixo porte e com distribuição esparsa no terreno. Várias áreas urbanas na região são centenárias, como São Bartolomeu e os bairros de São Sebastião e de São João, no limite sul da APA/CA e já na área urbana da cidade de Ouro Preto. Na porção central da APA/CA, a localidade de Catarina Mendes, área de ocupação rural, muito dispersa, é também centenária.

(39)

Na região sudeste da APA/CA, próximo ao Morro de São Sebastião, localizam-se explorações de bauxita e quartzito, cuja atividade é anterior a 1966, quando foram elaboradas fotos aéreas na região. A exploração de bauxita é atualmente muito irregular, destinando-se, sobretudo, à pavimentação de estradas de terra rurais. A exploração de quartzito foi recentemente embargada.

Já na segunda metade do século XX, entrou em atividade a exploração de ferro da Mina Capanema, no limite norte da APA/CA e que presentemente se encontra em atividade reduzida. Também durante este período foi concedido alvará de pesquisa à Mineração Morro Velho, para explorar ouro na região do Parque Municipal da Cachoeira das Andorinhas. Embora tenham sido efetuadas pesquisas, o projeto de exploração não foi adiante (UFV & IEF, 2005).

No decorrer do século XX, sobretudo na sua segunda metade, várias áreas de mata nativa foram devastadas e substituídas por plantações de eucalipto. Ao longo desse século continuou o aumento da área de pastagens e plantações agrícolas em detrimento das áreas de mata nativa.

Atualmente, problemas ambientais como queimadas, freqüentes durante os períodos de estiagem, a extração ilegal de espécies vegetais, nomeadamente de candeia, e a expansão urbana desordenada fazem-se sentir em toda a APA/CA.

1.4.6 – Hidrogeologia no Alto rio das Velhas

Segundo estudo realizado no Alto Rio das Velhas pela Golder Associates (2001) foram definidas as seguintes unidades hidroestratigráficas do Alto Rio das Velhas (figura 1.9):

Unidade I (Zona Aqüífera do Grupo Itacolomi), unidade de médio potencial hídrico;

Unidade II (Zonas Aqüíferas dos Grupos Piracicaba e Itabira), unidade de médio a alto potencial hídrico);

Unidade III (Zonas Aqüíferas do Grupo Caraça e aquitardo Batatal), unidade de muito baixo e médio potencial hídrico;

Unidade IV (Zona aquitarda do Grupo Nova Lima com zonas aqüíferas intercaladas), unidade de muito baixo potencial hídrico;

(40)

Figura 1.9– Mapa das unidades hidroestratigráficas do Alto rio das Velhas (Modificado de Silva et al,1994 e Cruz , 1995).

Segundo Silva et al,1994 e Cruz , 1995, as zonas aqüíferas dos Grupos Piracicaba (quartzitos

Cercadinho) e Itabira (Fm Gandarela e, em especial, Fm. Cauê) apresentam o maior potencial de armazenamento e disponibilização de água subterrânea. As rochas do Complexo Metamórfico Bação e do Grupo Nova Lima foram consideradas, respectivamente, de baixo e baixo a muito baixo potencial hídrico. Silva et al. (1994) também consideram que os principais aqüíferos do QF correspondem aos

Grupos Piracicaba, Itabira, incluindo também o G. Caraça com a Fm Moeda.

(41)

Tabela 1.1– Coeficiente de recessão e slope index das bacias monitoradas por Costa (2005).

Bacias Coeficiente de recessão (α) Slope index

B1 0,00727 158,19

B2 0,01191 319,44

B3 0,01401 158,31

B3.1 0,00432 157,03

B4 0,00334 140,10

B5 0,01050 461,03

B6 0,00749 250,90

B8 0,01360 331,83

(42)

ESCOAMENTO

E VARIÁVEIS NO CICLO

HIDROSSEDIMENTOLÓGICO

2.1 – ESCOAMENTO EM BACIAS HIDROGRAFICAS

O escoamento de uma bacia hidrográfica pode resultar de quatro caminhos de fluxo distintos: precipitação direta sobre canais de escoamento; escoamento superficial; escoamento subsuperficial; e escoamento subterrâneo (Santos, 2009).

Segundo Costa (2005), para que ocorra escoamento superficial, o volume precipitado deve exceder o volume de água retido nas depressões superficiais e interceptado pela vegetação e outros obstáculos e ainda superar a capacidade de infiltração do solo. Quando estas demandas são supridas, a água pode fluir como uma lâmina sobre a superfície do terreno, por meio do escoamento conhecido como escoamento superficial hortoniano (figura 2.1).

Figura 2.1 - Geração de escoamento superficial por exceder a infiltração ou escoamento hortoniano (Santos, 2009)

(43)

Hoje em dia sabe-se que grande parte do escoamento superficial em bacias naturais provém do escoamento dunniano (escoamento por saturação), que ocorre preferencialmente nos segmentos topograficamente mais baixos da paisagem. Este tipo de escoamento é bastante significativo em zonas úmidas com vegetação densa e em determinadas condições topográficas (declives côncavos com fundos de vale planos) que favorecem o posicionamento do lençol freático relativamente próximo da superfície (Hornberger et al, 1998), e é produzido pela precipitação direta sobre as áreas saturadas e

também pela contribuição subterrânea do escoamento de retorno, resultante do afloramento da superfície freática (figura 2.2). Para Costa (2005): “As áreas potenciais para formação deste escoamento compreendem, no início da chuva, as margens de rios, várzeas, exutórios, áreas de solo raso e fundo de vales. Com o prosseguimento da chuva, estas áreas de contribuição se expandem, atingindo inclusive áreas de cabeceira, e posteriormente se retraem com o fim da chuva. As expansões e contrações se dão conforme a duração e intensidade da chuva e as condições antecedentes de umidade no solo, sofrendo assim variação sazonal”. De acordo com vários autores (Hewlett & Hibbert 1967, Moldan & Cerný 1994, Chorley 1980, Dunne 1980), este fenômeno é conhecido como “área de contribuição variável de escoamento superficial” ou “área variável de afluência” – AVA, fenômeno dinâmico no espaço e no tempo. Santos (2009) informa que avanços em monitoramento e modelagem associados a este fenômeno levaram ao reconhecimento do escoamento subsuperficial como um dos processos mais importantes na geração do escoamento, pela própria contribuição do escoamento de retorno e a sua influência preponderante no escoamento superficial por saturação.

Figura 2.2 - Geração de escoamento superficial por saturação ou escoamento dunniano (Santos, 2009)

(44)

saturada. (Costa, 2005). Este escoamento pode ser difícil de separar do escoamento superficial, pois pode ser tornar superficial caso exista uma pequena depressão no solo (figura 2.3).

Figura 2.3– Escoamento subsuperficial.

O escoamento subsuperficial, predominante em pequenas bacias (Becker & Mcdonnell, 1998; Becker, 2005), pode representar até 80% da vazão total de uma bacia de vertentes suaves com solos cultivados ou florestados contendo espessa camada de húmus (Castany 1971, Dunne 1980, Fetter 1988). No entanto geralmente apresenta grande diversidade de caminhos de fluxo, que aliado ao fato desses caminhos ocorrerem dentro do solo e não serem facilmente mensuráveis torna sua compreensão uma tarefa complexa (Santos, 2009).

O escoamento de base corresponde à descarga de água subterrânea para o rio englobando tanto a água proveniente dos aqüíferos profundos, como também os fluxos subsuperficiais mais lentos (figura 2.4). Em épocas de chuva, o escoamento de base desempenha papel secundário em relação ao escoamento superficial. Porém, vai se tornando predominante à medida que a vazão diminui até se tornar a única fonte que alimenta o rio em períodos de estiagem (Costa, 2005).

(45)

Os mecanismos de geração de escoamento são processos muito complexos, com alta variação no espaço e no tempo, dependendo da combinação de três grupos de fatores principais: clima, solo e geologia, e vegetação ou uso do solo. Assim, unidades de paisagem com uma combinação similar de clima, topografia, solo e vegetação tendem a gerar respostas hidrológicas similares (Santos, 2009).

2.2 – ANÁLISE DE HIDROGRAMAS

O hidrograma é a representação gráfica da variação da vazão ao longo do tempo. A figura 2.5 mostra um hidrograma de uma pequena bacia hipotética.

Figura 2.5– Características do hidrograma de escoamento (Fonte: Oliveira, 1997)

(46)

Entre os índices que podem ser definidos e que apresentam potencial interesse tem-se: coeficiente de recessão e volume do escoamento de base. Algumas técnicas de separação do escoamento superficial e de base em hidrogramas são muito simples e podem ser feitas manualmente (Custodio & Llamas 1976, Fetter 1988). A técnica dos gráficos semilogaritmos ou de Barnes é freqüentemente utilizada e baseia-se na linearidade da recessão quando esta é analisada com as vazões em escala logarítmica. Quando se plota o hidrograma em papel semilogaritmo, com tempo (em dias) em escala aritmética na abscissa e o logaritmo da vazão em m3_{/s na ordenada, a recessão do}

escoamento de base será representada por uma reta cuja inclinação é –α. Estas técnicas manuais são subjetivas, pois mesmos dados tratados por diferentes analistas podem produzir diferentes valores de escoamento de base. Neste caso, pode-se recorrer a técnicas automatizadas de separação, com uso de filtros digitais, que são recomendáveis no tratamento de séries históricas (Costa 2005). Dentre estas técnicas, a mais conhecida é a Smoothed Mínima (Nathan1990, Smakhtin 2001), que consiste em individualizar todos os pequenos períodos de recessão identificados ao longo do ano hidrológico com as médias de vazão diária plotada em escala logarítmica. Estas pequenas recessões são então movidas horizontalmente de forma a construir uma reta de recessão mestra. O coeficiente de recessão dado pela inclinação da reta de recessão mestra é então determinado pela equação de Barnes:

Q(t) = Q0e-αt(2.1) onde,

Q0 = vazão inicial, dada pela projeção do ponto de inflexão; e= base dos logaritmos

neperianos; t = tempo (dias) desde o inicio da recessão; α = coeficiente de recessão.

2.3 – FATORES FISICOSQUE INTERVÉM NO SISTEMA HÍDRICO

O escoamento é influenciado pela interação de fatores hidrológicos, e por características topográficas, clima, vegetação, geologia, solo e seu uso (figura 2.6).

(47)

O clima exerce um papel muito importante na determinação do escoamento, pois influencia tanto a precipitação quanto a evapotranspiração. Pode ainda intervir na definição do potencial hídrico, uma vez que influencia o perfil de evolução do solo no tempo geológico.

De acordo com Mwakalila et al (2002), a geologia pode afetar o escoamento de várias formas,

nomeadamente através da água armazenada nas rochas e na formação do solo. Diferentes tipos de litologia produzem diferentes tipos e espessuras de solo sob a influência do intemperismo, ação da vegetação, etc., o que interfere na capacidade de recarga e armazenamento da água subterrânea, transmissividade e abastecimento para os cursos de água.

Para o estudo de determinada bacia, as características fisiográficas também devem ser levadas em conta, pois condicionam o seu comportamento hidrológico e têm uma estreita relação com a hidrologia. Desta forma, os parâmetros morfométricos determinados foram:

 Área: corresponde à projeção horizontal do espaço delimitado pela linha de separação topográfica; (Alencoão et al, 2002);

 Perímetro;

 Comprimento axial da bacia (L) em km;

 Forma da bacia: segundo Alencoão et al (2002), de forma a suprir algumas das

subjetividades inerentes à classificação de determinada bacia quanto à sua forma, alguns índices foram propostos, como o coeficiente de compacidade e o fator de forma. O coeficiente de compacidade ou de Gravelius estabelece a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de igual área e traduz-se pela equação:

Kc=0.28 P/√A, (2.2)

em que:Kc– coeficiente de compacidade; P – perímetro da bacia (km); A – área da bacia (km2).

O fator de forma traduz a relação existente entre a largura média da bacia e o seu comprimento axial. Calcula-se utilizando a equação:

Kf– A/L2, (2.3)

em que:Kf– fator de forma; A – área da bacia (km2); L – comprimento axial da bacia (km).

 Ordem dos cursos de água: a classificação adotada para a hierarquização dos cursos de água foi a de Strahler.

 Densidade de drenagem: relaciona o comprimento total das linhas de água com a área da bacia. Calcula-se através da equação:

(48)

em que: Dd – densidade de drenagem (km/km2_{); L}

T – comprimento total das linhas de água

(km); A – área da bacia (km2_).

 Declividade da bacia: existem na literatura várias fórmulas para calcular este parâmetro, mas o escolhido para este trabalho foi o slope index (SI), que se refere ao grau de

inclinação da bacia (Lacey & Grayson 1998) e calcula-se utilizando a equação:

SI = H/√A, (2.5)

em que: H – amplitude altimétrica, ou seja, a diferença entre a maior e a menor cota da bacia; A –

área da bacia (km2_).

O relevo também interfere na geração de escoamento, uma vez que é a declividade dos terrenos da bacia hidrográfica que controla a velocidade do escoamento superficial, afetando deste modo a capacidade de infiltração da água no solo, a susceptibilidade do solo à erosão, a produção e transporte de sedimentos. Segundo Valente & Gomes (2005), áreas com declividade elevada, acima de 50%, aceleram as enxurradas e dificultam a infiltração da água no solo. Segundo Lacey & Grayson (1998), em regiões de maior altitude predomina a recarga, e onde o relevo é mais baixo ocorre preferencialmente a descarga do lençol. Costa (2005) afirma que bacias de cabeceiras com relevo menos íngreme, com SI baixo, tendem a apresentar maior capacidade de recarga e, conseqüentemente, maiores fluxos de base.

(49)

Figura 2.7 –Relação entre vazão e cobertura vegetal apresentados por Bosch e Hewlett (in Bacellar 2002).

Bosch & Hewlett (1982) também relacionaram o aumento da cobertura vegetal e da evapotranspiração com a diminuição da vazão. Segundo Valente & Gomes (2005), quando a vegetação de maior porte e com raízes mais profundas atinge o lençol freático (sobretudo em áreas onde este está próximo à superfície), se dão as maiores taxas de evapotranspiração, podendo influenciar a vazão diária em microbacias. Com o solo saturado de água, o lençol freático junto à superfície pode ser rebaixado pela evapotranspiração da cobertura florestal. Vários autores (Langbein, 1938; Federer, 1973; Tallaksen, 1995; Wittenberg & Sivapalan, 1999) relacionam a curva de recessão com a evapotranspiração, correspondendo às épocas de crescimento das plantas a uma queda mais rápida das curvas de recessão. A floresta, com solo com cobertura de matéria orgânica, promove uma maior taxa de infiltração, para o que contribuem também macroporos, muitas vezes resultantes da atividade de organismos que lá habitam (Cheng et al, 2002; Best et al, 2003).A tabela 2.1 apresentada

por Cheng et al, 2002 apud Bacellar (2005), relaciona alguns componentes do ciclo hidrológico com a

vegetação e resume algumas conclusões, resultantes do monitoramento sistemático de bacias hidrográficas por todo o mundo.

Tabela 2.1– Relação da vegetação com alguns dos componentes do ciclo hidrológico (adaptado de Cheng et al, 2002, apud Bacellar, 2005)

Componente Magnitudes Relativas

Evapotranspiração Floresta>Gramíneas> Área desmatada

(50)

2.4– USO E OCUPAÇÃO DO SOLO

A atividade do ser humano no meio que ocupa influencia direta ou indiretamente o ciclo da água. Na abordagem que faz à influência da atividade humana, Hem (1985) define poluição da água

como “uma deterioração da qualidade da água que é suficientemente severa para diminuir substancialmente o uso do recurso, quer por humanos quer por outra forma de vida”. Com o

crescimento demográfico e o progressivo desenvolvimento tecnológico e industrial, os efeitos da atividade humana são cada vez mais evidentes. A produção e uso de compostos que não existiriam no ambiente em condições naturais são uma ameaça ambiental cujo impacto é difícil de avaliar. Numa sociedade com tecnologias industriais e agrícolas altamente desenvolvidas, muitos compostos orgânicos e inorgânicos sintetizados e usados não conseguem ser assimilados naturalmente pelo ambiente e inevitavelmente alguns vão entrar na hidrosfera (Hem, 1985).

Stumn & Morgan (1981) discutem os problemas da poluição da água provocados pela agricultura, desmatamento e mineração, promovidos com o advento da civilização industrial e o uso de energias fósseis. Altas densidades populacionais inevitavelmente enfrentam problemas de eliminação de resíduos, e esses problemas podem ser muito aumentados em sociedades industrializadas que produzem grandes volumes de resíduos. Com o aumento de densidade em muitas áreas é provável que a água seja afetada na concentração de íons dissolvidos. A adição de matéria orgânica ao ambiente pode reduzir minerais oxidados, provocando alterações no balanço geoquímico do sistema e mudanças no pH, levando à dissolução de minerais das rochas (Hem, 1985).

É possível recuperar algumas águas superficiais poluídas para uma qualidade razoável com relativa rapidez ao diminuir concentrações de poluentes, sendo o processo geralmente dispendioso. Por outro lado, a recuperação de águas subterrâneas pode ser tão demorada que deve ser encarada como irreversível (Hem, 1985). Vários autores (Custodio & Llamas, 1976; Resende et al (1995) associam a

diminuição do teor de matéria orgânica dos horizontes superficiais do solo (e consequente redução da infiltração) ao desmatamento e às queimadas.

2.5– CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DA ÁGUA E DOS SEDIMENTOS

2.5.1 – Características químicas da água

No estudo e interpretação das características químicas da água natural, Hem (1985) afirma que

“a composição química da água natural é derivada de muitas e diferentes fontes de solutos, incluindo gases e aerossóis da atmosfera, alteração e erosão do solo, reações de solução e precipitação abaixo da superfície da terra e efeitos resultantes de atividades humanas”. Os efeitos antrópicos podem atuar

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A composição da água natural é produto de uma série de reações químicas que dissolveram material de outra fase, alteraram componentes previamente dissolvidos, ou eliminaram-nos da solução por precipitação ou outros processos. Esses processos químicos são influenciados por muitos processos físicos e em muitos ambientes são também fortemente influenciados por atividade biológica (Hem, 1985; Hounslow 1995).

2.5.2 – Características químicas dos sedimentos

Os sedimentos originam-se do intemperismo e erosão de rochas ou solos, cuja diversidade de composição mineralógica se reflete na grande variedade e complexidade dos mesmos. Esses sedimentos são depois transportados por corpos de água, pelo vento, ou apenas por gravidade (Förstner, 2004; Randle et. Al, 2006). Quando não existe energia suficiente para transportá-los, eles

são depositados (sedimentação).

Os sedimentos de fundo são utilizados para detectar a presença de contaminantes, nomeadamente metais, sobretudo nas granulometrias mais finas, pois estas possuem uma grande área específica (maior razão área superficial / tamanho do grão) e uma maior tensão superficial (Salomons & Förstner, 1984; Moore & Burch, 1986; Murray, 1996; Birch et al, 2001). Geralmente os sedimentos

mais finos são constituídos por minerais secundários (como as argilas) que usualmente são quimicamente mais ativos. No entanto, em microbacias de cabeceira, onde o gradiente energético é maior, as frações grossas podem ser mais representativas do sedimento total e ter uma maior importância no aporte de metais para o rio (Axtmann & Luoma, 1991). Os sedimentos de granulometria maior são menos transportados pelo que têm mais tempo de residência, pelo que estas frações podem registrar melhor as influências antrópicas (Singh et al, 1999).

As fontes de contaminantes dos sedimentos podem ser naturais ou antrópicas, e a sua ação é determinada pela sua composição mineralógica e por parâmetros hidroquímicos, pelo que estudos relacionando o comportamento dos metais na água e nos sedimentos são essenciais para avaliar potenciais riscos de contaminação da água (Belzile et al, 2000).

2.6– TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

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Segundo Carvalho (1994), a descarga sólida total é normalmente o resultado da soma da descarga de sedimentos em suspensão com a descarga do leito. A descarga sólida do leito e do material do leito representa geralmente uma percentagem menor relativamente à descarga sólida em suspensão. Em regiões de declive acentuado, como montanhas e em períodos de descarga liquida elevada, a descarga sólida de fundo apresenta valores mais elevados (Chapman & Kimstach, 1996).

A determinação da descarga sólida em suspensão (Qss) corresponde ao produto da descarga pela concentração de material em suspensão (Carvalho, 2000), considerando-se que em toda a seção transversal do rio o sedimento é transportado à velocidade da corrente.

Segundo Carvalho (2000), a equação usualmente utilizada para sua determinação é: Qss = 0,0864. Q.C (2.6)

sendo: Qss – descarga sólida em suspensão em t/dia; Q – descarga líquida em m3/s; C –

concentração média em mg/l

A alta complexidade da descarga sólida do leito, que depende de vários fatores (hidrológicos, geológicos, climáticos, etc.), leva à necessidade de uma escolha criteriosa dos métodos ou fórmulas mais adequados às condições locais do curso de água (Carvalho, 2000). Stevens & Yang (1989), apud Carvalho (2000) apresentam critérios de seleção de fórmulas e enumeram as principais fórmulas para cálculo da descarga sólida de arrasto e de material do leito, recomendando as fórmulas de Engelund & Hansen (1967), para rios com leito de areias e escoamento subcrítico, e a de Yang (1973), para rios com leito de areia. Molinas et al (2001) afirmam que a fórmula de Engelund & Hansen e a fórmula de

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CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 - AQUISIÇÃO DE DADOS BÁSICOS

Em primeiro lugar, foi feita uma pesquisa bibliográfica acerca dos trabalhos já realizados na APA/CA, seguido de pesquisa na literatura sobre monitoramento de microbacias e sobre diversos métodos, como de determinação de escoamento de base, docoeficiente de recessão em hidrogramas, de determinação de parâmetros físico-químicos e da concentração de elementos químicos na água e nos sedimentos.

Ainformação cartográfica e fotográfica utilizada foi:

 mapa geológico e topográfico do Quadrilátero Ferrífero (Escala 1:25.000 –CPRM);

 mapa de solos (Escala 1:50.000 – UFV & IEF 2005);

 fotografias aéreas de 1966 (Escala 1:60.000);

 ortofotos 1986 (Escala: 1:10.000-CEMIG);

 imagem IKONOS de 2006.

Todo este acervo foi então integrado em ambiente ArcGis, para definir as microbacias a serem estudadas.

3.2 - DEFINIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO

DAS MICROBACIAS

Para a definição das microbacias, procedeu-se inicialmente ao cruzamento de parâmetros físicos da área, como dados geológicos, geomorfológicos e de uso e ocupação do solo, de forma a selecionar microbacias com características físicas semelhantes entre si, mas com diferentes usos do solo ou diferentes estados de conservação, sendo uma mais preservada e outra com influência antrópica. Após esta fase de trabalho de gabinete, foram feitas várias campanhas de campo a fim de se verificar a viabilidade de instrumentação das seis microbacias previamente selecionadas e constatar se o local era adequado tanto para a instalação dos vertedores como para a obtenção dos dados pluviométricos e fluviométricos por parte de monitores.

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3.3 - INSTRUMENTAÇÃO

DAS MICROBACIAS

3.3.1 – Medição da precipitação

Para a medição da precipitação existem pluviógrafos que fazem um registro contínuo das chuvas e os pluviômetros, aparelhos utilizados neste estudo, que fazem a medição diária das chuvas. A chuva é medida pela altura pluviométrica que se acumula numa superfície plana e impermeável. Por meio de um funil dimensionado, a água é recolhida para o seu interior para ser posteriormente, com o auxílio de uma proveta, medido o volume de chuva captado. Utiliza-se para a determinação da altura pluviométrica a equação 3.1: P=10*V/A, em que: P – altura pluviométrica (mm); V – volume de chuva captado (ml); A – área de captação do pluviômetro (cm2_{). Assim, para obtenção da precipitação}

foi instalado um pluviômetro em cada microbacia. Estes aparelhos de medição foram construídos de forma expedita. O material utilizado foi uma haste de madeira de dois metros, na qual foi colocado um suporte também de madeira para sustentar uma garrafa pet, que foi laçada através de arame na haste (figura 3.1).

Figura 3.1– Pluviômetro instalado numa microbacia (A) e detalhe do diâmetro da garrafa pet utilizada para a medição da precipitação (B).

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A parte superior da garrafa foi cortada e em seguida recolocada invertida na parte inferior de forma a dificultar a evaporação e impedir a queda de folhas para o interior do aparelho de medição A garrafa pet resultou num recipiente cilíndrico com diâmetro de 9,5 cm, o que corresponde a uma área de captação de 70,85 cm2 _{(figura 3.1). Os pluviômetros foram instalados a uma altura de 1,50 m do}

solo e tanto quanto possível numa área de cobertura vegetal de altura inferior aomesmo, para evitar que possíveis obstáculos interferissem no percurso das gotas de chuva e, dessa forma, alterassem o registro da precipitação.

3.3.2 – Medição da vazão

A vazão de um curso de água está intimamente ligada, nas regiões tropicais, com a precipitação em forma de chuva, uma vez que é a chuva que promove a recarga dos mananciais hídricos superficiais e subsuperficiais.

A vazão é um parâmetro dos mais importantes no estudo de microbacias de modo que o conhecimento dos métodos disponíveis para efetuar sua medição se torna relevante. Existem vários métodos que podem ser utilizados para a medição da vazão:

→ Relação entre a área da seção transversal do canal e a velocidade do escoamento;

→ Método da diluição;

→ Medição volumétrica direta;

→ Utilização de vertedores e/ou calhas.

Ao longo deste estudo foram usados dois destes métodos; vertedores e o método volumétrico. Segundo Costa (2005), o vertedor é uma barreira colocada perpendicularmente ao fluxo de água, com uma abertura na parte superior de forma geométrica definida, pela qual a água passará livremente após atingir a montante a parte do vertedor que se chama soleira (L). A figura 3.2 mostra os principais elementos geométricos de um vertedor.