XIV SIMPÓSIO DE RECURSOS HIDRÍCOS DO NORDESTE
AVALIAÇÃO DE ESTOQUES HÍDRICOS E DA VARIABILIDADE DA
COBERTURA VEGETALEM VALE ALUVIAL DO SEMIÁRIDO
BRASILEIRO ATRAVÉS DE MÉTODOS EXPERIMENTAIS E DE
GEOPROCESSAMENTO
Ailton Alves de Carvalho1; Abelardo Antônio de Assunção Montenegro2; Hugo Gico Lima de Assunção Montenegro 3; Frederico Abraão Costa Lins 1
RESUMO – Os aquíferos aluviares são de extrema importância para as regiões de clima semiárido
devido à baixa disponibilidade hídrica superficial provocada por elevada irregularidade pluviométrica e baixos índices anuais. A umidade do solo demonstra-se influente em eventos como secas, cheias, e retenção de águas de chuva, controlando os processos de recarga em regiões semiáridas. Imagens de satélite podem fornecer dados importantes de umidade do solo e cobertura vegetal. Nesse contexto, foram analisados os níveis potenciométricos de cinco piezómetros localizados no Aquífero Mimoso, em Pesqueira, Agreste de Pernambuco, e relacionados com dados pluviométricos (medições diretas e TRMM); umidade do solo, obtidos experimentalmente e através de imagens fornecidas pela Agência Espacial Norte Americana (NASA), e NDVI (Índices de Vegetação). Em escala mensal, as informações orbitais são consistentes com medições experimentais em escala local, e verifica-se que os processos de recarga são fortemente influenciados pelos padrões temporais das precipitações.
ABSTRACT– Alluvial aquifers are extremely important in semi-arid regions due to low surface
water availability caused by high irregularities in rainfall and low annual rates. Soil moisture affects extreme events occurrence, such as droughts, floods and rainfall retention, controlling recharge processes in semi-arid regions. Satellite images are able to provide important data regarding soil moisture and land cover. In this context, this work analysed potenciometric levels at five piezometers located at the Mimoso Aquifer, Pesqueira, Pernambuco (Agreste Region), and compared them to data related to rainfall rates (direct measurements and TRMM); soil moisture,
1) Doutorando em Engenharia Agrícola, UFRPE/PGEA: Manuel de Medeiros, s/n - Dois Irmãos, Recife, e-mail: ailtonalvesst@hotmail.com; frederico_acl@hotmail.com
obtained experimentally and also from images provided by National Aeronautics and Space Administration (NASA), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). In a monthly basis, orbital information is consistent to experimental measurements at local scale, and it can be verified that recharge processes are strongly influenced by rainfall patterns.
Palavras-Chave – Recarga subterrânea; umidade do solo; sensores orbitais.
INTRODUÇÃO
As regiões de clima semiárido apresentam elevada irregularidade pluviométrica e reduzidos totais anuais, provocando uma baixa disponibilidade hídrica superficial, e limitando os processos de recarga subterrânea e desenvolvimento do dossel vegetal.
No semiárido do Nordeste brasileiro os aquíferos são em geral limitados aos vales aluviais dos rios intermitentes, sendo estratégicos para o suprimento hídrico de pequenas comunidades rurais, e para a irrigação de base familiar. Apresentam em geral forte conectividade hídrica com a superfície, estando sujeitos a recargas diretas e laterais, oriundas das encostas (Montenegro & Montenegro, 2006).
Montenegro & Ragab (2010) investigaram processos hidrológicos em bacia representativa do semiárido pernambucano (adotada neste estudo), analisando a geração de escoamento superficial, de umedecimento do solo e recarga a aquífero aluvial (Aquífero Mimoso) em resposta a eventos pluviométricos. Verificou-se a suscetibilidade à desertificação, o impacto de cenários de uso e ocupação, e também do manejo agrícola frente à futura condição de disponibilidade de água.
Com base em balanços hídricos locais, Albuquerque et. al (2015) caracterizaram a variabilidade espaço-temporal da recarga com base em rede de poços de observação detalhada, implantada por Montenegro (1997) no Aquífero Mimoso, e em mapa pedológico para o vale aluvial em questão (Fontes Junior et al., 2012). Estes últimos autores estabeleceram poços de observação estáveis do ponto de vista estatístico, com base em monitoramento mensal de 15 anos de duração. Desse modo, foram identificados com sucesso locais representativos da dinâmica temporal de níveis potenciométricos.
Coelho et. al (2017) empregaram técnicas de sensoriamento remoto para estimativa da recarga de ao Aquífero Mimoso, constatando que tais estimativas podem estar sujeitas a limitações e incertezas, particularmente em vales aluviais de reduzidas dimensões, recomendando avaliações locais de balanço hídrico, textura e umidade do solo e cobertura vegetal.
Por sua vez, a umidade do solo tem importante influência na ocorrência de eventos como secas, cheias e também na retenção de águas de chuva. Particularmente em regiões áridas e semiáridas, controlam os processos de recarga. Além de determinações locais, através de sondas, as umidades do solo podem ser obtidas a partir de imagens orbitais, fornecidas de forma contínua desde 2015 através de satélites como o SMAP (Soil Moisture Active Passive), que trazem informações sobre umidade na superfície do solo através da leitura da resposta da superfície terrestre à radiação de microondas, com radiômetros e radares, conforme destacado por Mccoll et al. (2017).
Adicionalmente, imagens orbitais podem fornecer importantes informações sobre a cobertura vegetal, bem como de precipitações pluviométricas.
Nesse contexto, avaliou-se durante o período de Janeiro de 2017 e Junho de 2018 a relação entre a precipitação (medida localmente e através de sensores orbitais) e os níveis potenciométricos de 5 (cinco) poços de observação estatisticamente estáveis localizados no Aquífero Mimoso, em Pesqueira, Agreste de Pernambuco. Além disto, objetivou-se estudar a relação dos níveis potenciométricos do aquífero com os índices de umidade do solo (experimentalmente obtidos e também estimados a partir de satélite orbital), NDVI (Índices de Vegetação).
MATERIAL E MÉTODOS
O estudo foi realizado no vale aluvial Assentamento Nossa Senhora do Rosário, na Bacia do Riacho Mimoso (Vale do Mimoso), sub-bacia do Alto Ipanema, localizada no município de Pesqueira, Agreste Pernambucano, considerando aspectos fisiográficos e hidrológicos da bacia contribuinte.
O clima da região é BSh (semiárido extremamente quente), segundo a classificação de Köppen. A evapotranspiração potencial de referência anual média é de aproximadamente 2.000 mm e a temperatura média anual de 23°C. A precipitação média da região é inferior aos 700 mm anuais (SILVA et al., 2012).
O solo no vale aluvial é classificado como Neossolo Flúvico, com classificação pedológica apresentada na Figura 1. Nas encostas, Neossolos Regolíticos de textura franco arenosa e Argissolos Amarelo Eutrófico são dominantes (SILVA et al., 2012).
O aquífero aluvial apresenta profundidade média de 10 m, e extensão de 15 km. A área de estudo possui uma malha de quatro poços comunitários e trinta e dois Poços Amazonas localizados em propriedades particulares, além de quarenta piezômetros, a qual foram escolhidos os estáveis
(Fontes Júnior et al., 2012) (Figura 2), instalados por Montenegro (1997), e monitorados mensalmente quanto à quantidade e qualidade das águas subterrâneas.
O monitoramento do clima foi baseado em estações agrometerológicas totais automáticas, e o monitoramento da umidade do solo através de sondas Campbell Scientific CS616, instaladas horizontalmente na profundidade de 10 cm. Na análise das dinâmicas temporais, foram considerados os índices de umidade apresentados por Montenegro & Ragab (2010), escritos como:
𝐼𝑈𝑆𝑖 =
𝑈𝑆𝑖−𝑈𝑆𝑚𝑖𝑛
𝑈𝑆𝑚𝑎𝑥−𝑈𝑆𝑚𝑖𝑛 (1)
em que USi é a umidade do solo no instante i, e IUSi refere-se ao índice de umidade, computando-se os valores máximo e mínimo.
Figura 1. Mapa de elevação da bacia do Alto Ipanema, do mapa pedológico do Vale Aluvial e da distribuição espacial dos piezômetros estatisticamente estáveis, Pesqueira-PE.
O uso da água do vale aluvial é intensa, principalmente durante o período de estiagem com o cultivo de culturas de elevada demanda hídrica, com tomate, milho, pimentão. Os principais sistemas de irrigação utilizados na área são gotejamento e alguns aspersão. A Umidade em Solo Exposto em área com Alta Declividade (USE-AD) e em Solo Exposto em Média Declividade (USE-MD) (Figura 2).
Figura 2- Poço Amazonas típico, e sítio experimental para monitoramento da umidade do solo.
A medida do nível do lençol freático é realizada com uma trena eletrônica (Solinst 101 P2 Water Level Meters). As análises foram realizadas mensalmente nos piezômetros estáveis na área de estudo, com o apoio dos agricultores locais, que utilizam estas informações para tomada de decisões de qual cultura irrigar.
As medidas de umidade do solo foram realizadas com uso de sondas CS616 da Campbell Scientific, instaladas na profundidade de 20 cm. A utilização das sondas permitiu o monitoramento diário continuo. O período de investigação da umidade do solo foi de janeiro de 2017 a maio de 2018, nas parcelas USE-AD e USE-MD.
Foi realizada a comparação da umidade do solo das parcelas com a umidade do solo estimada por imagens de satélite para esta camada superficial para o pixel da área de estudo (Figura 3), obtidas gratuitamente (http://stream.princeton.edu/LAFDM/WEBPAGE/index.php?locale=en) de forma diária para a área de estudo.
Figura 3. Localização do pixel onde foi obtida a umidade do solo diária, via imagens de satélite, Pesqueira-PE.
X Pixel Escolhido
A
B
Foram selecionadas duas imagens do satélite Landsat-8, adquiridas junto a base de dados espaciais do United States Geological Survey (USGS). Ambas imagens possuem órbita 215 e ponto 066 com datas de passagem: 15/08/2017 às 9h 35min e 41s e 05/12/2017 às 9h 35min 47s.
As imagens foram processadas a partir das bandas refletivas (de 2 a 7) e termal (banda 10). Inicialmente, as bandas foram empilhadas e georreferenciadas para o sistema de coordenada geográfico: DATUM: WGS84 e Zona 24 S, de acordo com a área de estudo. Foi utilizada a ferramenta Model Maker do ERDAS IMAGINE® 9.
Para determinação dos parâmetros biofísicos inicialmente foi feita a conversão dos níveis de cinza para radiância e refletância utilizando coeficientes radiométricos de calibração referentes a radiância e refletância encontrados nos metadados da imagem, de acordo Silva et al. (2016). Posteriormente, pode-se obter todos os parâmetros biofísicos necessários, como o Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 4 apresenta a resposta do lençol freático do Aquífero Mimoso aos eventos de precipitação. Verifica-se que as ascensões foram mais pronunciadas na estação chuvosa de 2017, após longo período de estiagem na região. Os padrões temporais de precipitação favoreceram a recuperação dos níveis potenciométricos, para os piezômetros estatisticamente estáveis do vale aluvial.
Nesta mesma Figura 4 estão apresentados os padrões temporais de chuva obtidos a partir de satélite. Os valores orbitais são, em geral, consistentes com as medições em campo, com exceção de duas anomalias, nos meses de agosto de 2017 e abril de 2018.
Figura 4- Dinâmica de níveis potenciométricos de piezômetros estáveis no Aquífero Mimoso, e precipitações mensais medidas in situ e a partir de sensor orbital.
Prec ipi ta çã o (m m ) 0 50 100 150 200 250 300 Níve l do l em çol freá tic o (m ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Pre-EA Pre-TRMM Pz (P4) Pz 4.6 Pz 3.8 Pz 11 Pz 3.11e jan-2 017 mar -201 7 m ai-2017 no v-2017 jan-2 018 jul-20 17 set-20 17 mar -201 7 m ai-2017
O comportamento do lençol freático foi semelhante em relação aos poços estáveis de observações do nível do lençol freático. O Pz (p4) foi o ponto de maior variabilidade, provavelmente decorrente da dinâmica de uso da água para irrigação próxima ao local.
Com base na Figura 5 é possível verificar os ciclos de NDVI na bacia hidrográfica, iniciando-se em janeiro de 2017 e em dezembro de 2017, e com picos em junho de 2017 e abril de 2018. Os picos de NDVI são coincidentes com picos da umidade média do solo nos primeiros dez centímetros, havendo uma marcante correspondência entre os valores orbitais e os experimentais, apesar das diferenças de escala entre tais avaliações. Adicionalmente, pode-se constatar, principalmente no ano de 2017, que as ascensões nos piezômetros estáveis acompanham o aumento do NDVI e da umidade do solo (particularmente a experimental- USE), embora havendo defasagem entre as séries, sugerindo que a recarga subterrânea é fortemente influenciada pelas contribuições laterais advindas da bacia contribuinte, ao mesmo tempo indicando que a recuperação do dossel da caatinga se processa de forma rápida, após o início das chuvas, e a partir de níveis de umidade do solo ainda relativamente baixos.
Figura 5- Dinâmica de vegetação (NDVI), nível potenciométrico médio dos piezômetros estáveis, e variação temporal da umidade do solo medida in situ e a partir de sensor orbital.
Os Box-plots dos índices de umidade do solo IUS estão representados na Figura 6, para a informação do satélite (USS), e para dois sítios experimentais, um de média declividade (USE-MD) e outro de sítio experimental de alta declividade (USE-AD). A despeito das diferentes escalas
espaciais envolvidas, os padrões de variação temporal são similares, notando-se entretanto uma tendência de superestimativa das informações orbitais. Comparando-se os dois sítios experimentais, o sítio de média declividade apresentou tendência de decréscimo no índice de umidade médio para abril de 2018, possivelmente devido à presença de densa vegetação, e de solo de textura arenosa (ver foto, em 10/05/18), evidenciando a variabilidade espacial entre duas estações experimentais dentro da mesma bacia, e com distância de separação de cerca de 5 km.
Figura 6- Box-plots do índice de umidade do solo, avaliada pelo sensor orbital, e medidas nos sítios experimentais de média e alta declividade (MD, AD). Foto do sítio de MD.
A Tabela 1 apresenta valores de tendência central e de dispersão para o NDVI do vale aluvial, na estação chuvosa e na estação seca, respectivamente.
Tabela 1- Valores de NDVI para a superfície do vale aluvial Mimoso
Datas NDVI
Mínimo Máximo Médio DP CV
15/08/2017 0,072 0,846 0,714 0,113 0,158 05/12/2017 -0,002 0,785 0,402 0,096 0,238 USE-AD 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 jan-1 7 mar-1 7 Jul-1 7 set-1 7 mar-1 8 jan-1 7 nov-1 7 mai-17 mai-18 USE-MD U m idad e d o so lo (cm 3 cm -3 ) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 USS 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
As recargas subterrâneas acumuladas estão exibidas na Figura 7 (calculadas com base em uma porosidade efetiva de 0,10, conforme Montenegro & Ragab (2010)), juntamente com o padrão de chuvas, com a chuva acumulada, e com o índice de umidade médio do sítio de alta declividade, na encosta adjacente ao vale aluvial. Verifica-se elevada resposta dos níveis potenciométricos ao padrão de chuva da estação chuvosa de 2017, com totais mensais crescentes a partir de fevereiro de 2017, ocasionando também elevação do índice de umidade do solo. Para o início de 2018, entretanto, as recargas subterrâneas foram menores, assim como os acréscimos do índice médio de umidade do solo.
Figura 7- Recarga subterrânea acumulada no vale Mimoso, padrões temporais de precipitação mensal, e dinâmica de variação do índice de umidade do solo experimental.
CONCLUSÕES
O vale do Mimoso está sujeito a rápidos eventos de recarga, a depender dos padrões temporais das precipitações. Em ano chuvoso, verifica-se consistência entre as recargas subterrâneas, o desenvolvimento do dossel vegetal e o aumento do índice de umidade do solo.
As informações orbitais de umidade do solo e de precipitação apresentaram-se consistentes com as medições experimentais, e constituem-se em importantes subsídios para o planejamento e gestão de bacias hidrográficas, em particular para a Bacia do Alto Ipanema.
O uso do geoprocessamento constitui ferramenta promissora para melhoria da gestão dos recursos hídricos na superfície e subsuperficial, possibilitando um melhor gerenciamento dos recursos hídricos nos vales aluviais do Semiárido.
AGRADECIMENTOS
À FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos), à FACEPE (Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco) e ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), por todo apoio para o desenvolvimento da pesquisa.
REFERÊNCIAS
ALBUQUERQUE, C. G.; MONTENEGRO, S. M. G. L.; MONTENEGRO, A. A. A.; FONTES JUNIOR, R. V. P. Recarga de aquífero aluvial sob uso agrícola. Revista Águas Subterrâneas, v. 29, p. 56-67, 2015.
ALLEN, R.; TASUMI, M.; TREZZA, R.; WATERS, R.; BASTIAANSSEN, W. SEBAL: Surface Energy Balance Algorithms for Land, Idaho implementation. Idaho: Waters Consulting: University of Idaho: Water Watch, Inc. 2002. 97 p. (Advanced Training and Users Manual, version 1.0). COELHO, V. H. R.; MONTENEGRO, S. M. G. L.; ALMEIDA, C. N.; SILVA, B. B.; OLIVEIRA, L. M. M.; GUSMAO, A. C. V.; FREITAS, E. S.; MONTENEGRO, A. A. A. Alluvial groundwater recharge estimation in semi-arid environment using remotely sensed data. Journal of Hydrology, v. 548, p.1-15, 2017.
FONTES JÚNIOR, R. V.; MONTENEGRO, A.A. A.; MONTENEGRO, S. M. G. L.; SANTOS, T. E. M. Estabilidade temporal da potenciometria e da salinidade em vale aluvial no semiárido de Pernambuco. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 16, n. 11, p. 1188-1197, 2012.
MCCOLL, K. A., ALEMOHAMMAD, S. H., AKBAR, R., KONINGS, A. G., YUEH, S., & ENTEKHABI, D..The global distribution and dynamics of surface soil moisture. Nature Geoscience, v.10, n 2, p.100- , 2017.
MONTENEGRO, A. A. A.; R. RAGAB. Hydrological response of a Brazilian semiarid catchment to different land use and climate change scenarios: modelling study. Hydrological Processes, v.24, p.2705-2723, 2010.
MONTENEGRO, A. A. A.; MONTENEGRO, S. M. G. L. Variabilidade espacial de classes de textura, salinidade e condutividade hidráulica de solos em planície aluvial. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v. 10, n.1, p. 30-37, 2006.
MONTENEGRO, A. A. A. Stochastic Hydrologeological modelling of aquifer salinization from small scale agriculture in Northeast Brazil. University of Newcastle, 1997. 272p. PhD Thesis
SILVA, B. B. D.; BRAGA, A. C.; BRAGA, C. C.; DE OLIVEIRA, L. M.; MONTENEGRO, S. M.; BARBOSA JUNIOR, B. Procedures for calculation of the albedo with OLI-Landsat 8 images: Application to the Brazilian semi-arid. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande – PB, v. 20, n. 1, p. 3-8, 2016.
SILVA, J. R. L.; MONTENEGRO, A. A. A.; SANTOS, T. E. M. Caracterização física e hidráulica de solos em bacias experimentais do semiárido brasileiro, sob manejo conservacionista. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.16, n.1, p.27-36, 2012.
