ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE SEDIMENTOS DE FORMA DISTRIBUÍDA USANDO A EQUAÇÃO UNIVERSAL DE PERDAS DE SOLO (EUPS) E GEOPROCESSAMENTO:

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1 ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE SEDIMENTOS DE FORMA DISTRIBUÍDA USANDO A EQUAÇÃO UNIVERSAL DE PERDAS DE SOLO (EUPS) E GEOPROCESSAMENTO: aplicação na bacia do Lago Guaíba (RS) Alfonso Risso 1 ; Luis Gustavo de Moura Reis 2 ; Adriano Rolim da Paz 3 & Henrique Vieira Costa Lima 4 RESUMO A Equação Universal de Perda de Solos (EUPS) permite uma estimativa da perda de solos por erosão laminar em bacias hidrográficas. Aplicou-se a EUPS associada a técnicas de geoprocessamento (modelagem distribuída) a cada uma das 37 sub-bacias integrantes da bacia do Lago Guaíba (RS), cuja área é de km 2. Os resultados da estimativa de produção de sedimentos calculada pelo modelo na bacia do Arroio Dilúvio foi comparada com dados observados na mesma bacia, obtidos pelos registros de volumes dragados no Arroio Dilúvio pelo Departamento de Esgotos e Pluviais (DEP) da Prefeitura Municipal de Porto Alegre. O valor da produção de sedimentos estimada neste trabalho pela aplicação da USLE foi da ordem de 4,6 t/ha/ano, bem próximo do observado, 7 t/ha/ano, de maneira a concluir que os valores estimados pelo modelo para a bacia do Lago Guaíba são coerentes. ABSTRACT The Universal Soil Loss Equation (USLE) is useful to estimate soil loss caused by laminar erosion in watersheds. In this study, USLE was applied coupled with geoprocessing techniques (distributed modeling) to each one of the 37 sub-basins of Lake Guaíba basin (RS), which has a drainage area of km 2. Results of sediment yield calculated by the model were compared with field data of the same basin. These data were obtained from dragging volumes of Diluvio River operated by Departamento de Esgotos e Pluviais (DEP) of Prefeitura Municipal de Porto Alegre. Total sediment yield estimated through application of USLE was about 4.6 t/ha/year, which is very close to the observed value of 7 t/ha/year. So we may conclude that values of sediment yield estimated to Lake Guaiba basin are coherents. Palavras-chave: perda de solo, sedimentos, Lago Guaíba 1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH/UFRGS). Av. Bento Gonçalves, Porto Alegre (RS). risso@iph.ufrgs.br. 2 CONCREMAT Engenharia e Tecnologia S.A. Rua Furriel L.A. Vargas, 380/202. Porto Alegre (RS). luis.gustavo@concremat.com.br. 3 Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH/UFRGS). Av. Bento Gonçalves, Porto Alegre (RS). adrianorpaz@yahoo.com.br. 4 CONCREMAT Engenharia e Tecnologia S.A, Eng. Civil, doutorando PPGRHSA-IPH-UFRGS Av. Santos Dumont, 1789/203. Fortaleza (CE). henriquelima@concremat.com.br.

2 INTRODUÇÃO A avaliação da perda de solo por erosão laminar tem permitido a construção de índices de densidade de produção de sedimentos em bacias hidrográficas que, em uma primeira abordagem, servem como estimativa do aporte sólido à rede de drenagem e corpos lagunares e a identificação das áreas fontes de sedimento. Define-se a erosão hídrica laminar como sendo a remoção homogênea das camadas superficiais do solo. Para estudar este tipo de fenômeno dispõe-se de métodos diretos, baseados na coleta do material erodido, ou ainda através de métodos indiretos, por meio de modelagem matemática. Estes modelos podem ser associados a técnicas de geoprocessamento, as quais permitem analisar espacialmente o fenômeno, visando o planejamento racional do uso e ocupação do solo e na exposição das áreas críticas quanto ao controle da erosão. A Equação Universal de Perda de Solos (EUPS), proposta por Wischmeier e Smith (1978), pode ser espacializada por meio de técnicas de geoprocessamento no ambiente de um Sistema de Informações Geográficas (SIG), permitindo uma estimativa da perda de solos por erosão laminar. Aplicou-se a EUPS associada a técnicas de geoprocessamento (modelagem distribuída) a cada uma das 37 sub-bacias integrantes da bacia do Lago Guaíba (RS). A soma de todas as sub-bacias totaliza uma área km 2. Os sedimentos erodidos e produzidos nesta bacia são aportados no Lago Guaíba, cujo espelho d água abrange uma área de 547 km 2. METODOLOGIA A Equação Universal de Perda de Solos (EUPS) é um modelo paramétrico, empírico e o seu ajuste depende do rigor com que os seus fatores reproduzam as condições do meio. Os seus parâmetros não têm realidade física, tratando-se de uma formulação empírica que pretende interpretar os mecanismos erosivos por suas causas e efeitos. É importante lembrar que este modelo não estima o transporte e a deposição de sedimentos na rede de drenagem. Por outro lado, a EUPS foi projetada como um método para a predição da média anual de perda de solo causada por erosão laminar, sendo assim, não se adapta para a estimativa para um evento pluviométrico específico. A EUPS tem a seguinte formulação, conforme equação 1: A = R. K. L. S. C. P (1) onde A é a perda de solo ( t/ha.ano); R é o fator erosividade da chuva em MJ.mm/(ha.h.ano); K é o fator erodibilidade do solo em t.ha.h/(ha.mj.mm); L é o fator comprimento de rampa, baseado nos valores, em metros, do comprimento de rampa (adimensional); S é o fator declividade, baseado nos

3 valores, em porcentagem, da declividade (adimensional); C é o fator uso e manejo (adimensional) e P é o fator práticas conservacionistas (adimensional). Do ponto de vista de uma bacia hidrográfica, o resultado direto obtido através da EUPS é um indicador da erosão laminar bruta ocorrida em sua superfície. Para estimar a produção de sedimentos da bacia (descarga sólida) decorrente da erosão laminar, fez-se necessário o uso de um fator de transferência, ou taxa de entrega de sedimentos. Neste estudo, foi utilizada a formulação da taxa de transferência apresentada por Vanoni (1986), conforme equação SDR = 0.42 (0.39A) (2) onde SDR é a taxa de transferência (adimensional) e A é a área da bacia contribuinte (km 2 ). Perda de Solos nas Unidades Hidrográficas do Lago Guaíba Para análise da produção atual de sedimentos das bacias do Lago Guaíba, construiu-se um cenário georreferenciado, onde foram utilizadas as seguintes informações: erosividade da chuva, erodibilidade dos solos, declividade e comprimento da rampa, fatores de uso e manejo de práticas conservacionistas, os quais são descritos a seguir. Erosividade da Chuva (R) O Fator R expressa numericamente a capacidade da chuva em provocar erosão, em uma área sem proteção pelo impacto das gotas. A partir da análise de diferentes variáveis pluviométricas feitas nas parcelas originais chegou-se a conclusão que o índice que possui melhor correlação com a perda de solo é produto da energia cinética da chuva pela sua intensidade máxima em 30 minutos. O fator R para a área da bacia hidrográfica do Lago Guaíba foi estimado a partir de dados pluviométricos utilizados para análise de chuvas intensas na região metropolitana de Porto Alegre. O valor obtido para região é de 6100 MJ.mm/ha.h.ano. Erodibilidade dos Solos (K) A erodibilidade do solo representa a sua susceptibilidade à erosão laminar e pode ser definida como a quantidade de solo removido por índice de erosividade da chuva, considerando os demais fatores determinantes da erosão constantes. As propriedades do solo que influenciam na erodibilidade são as mesmas que afetam a infiltração, a permeabilidade, a capacidade total de armazenamento de água e aquelas que resistem às forças de dispersão, salpico, abrasão e transporte pelo escoamento. A erodibilidade do solo tem seu valor quantitativo determinado de forma direta através de parcelas ou de forma indireta por meio de um nomograma desenvolvido por Wischmeier et al. (1978). Nesse trabalho o fator K foi

4 determinado através do uso do nomograma considerando os diferentes tipos de solos existentes na bacia de contribuição do Lago Guaíba. Valores do fator K calculados por tipo de solo são apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Resultados da estimativa do fator K dos solos encontrados na bacia de contribuição do Lago Guaiba. Solo Descrição Erodibilidade t.h/(mj.mm) HGe Glei Humico Eutrófico 0,010 Ae Aluvial Eutrófico 0,020 PEa Podzólico Vermelho Escuro Álico 0,030 PLe Planossolo Eutrófico 0,030 PVa Podzólico Vermelho Amarelo Álico 0,042 PVd Podzólico Vermelho Amarelo Distrófico 0,042 Rd Litólico distrófico 0,055 Declividade e Comprimento de Rampa (LS) O comprimento e a declividade de rampa são indicadores da suscetibilidade topográfica aos processos de erosão hídrica. Os índices topográficos podem ser obtidos com ábacos, manualmente sobre as bases cartográficas ou por meio do geoprocessamento. Neste estudo utilizou-se um algoritmo USLE2D, desenvolvido pelo Laboratório de Geomorfologia Experimental da Universidade de Leuven, Bélgica por Desmet e Govers ( 1996). O algoritmo USLE2D foi desenvolvido para estimar os fatores topográficos a partir de Modelos Numéricos de Terreno (MNT). Para este estudo foi utilizado um MNT com resolução horizontal de 90 m, obtido a partir de dados da Shuttle Radar Topography Mission, do ano Estes dados foram disponibilizados pelo USGS EROS Data Center, em Sioux Falls, EUA. Uma vez processados os dados altimétricos, foi obtida uma matriz numérica com a distribuição espacial do fator LS. Fator C e P Uso e Manejo e Práticas Conservacionistas O fator C da EUPS representa o grau de proteção que a cobertura do solo e as práticas de manejo oferecem contra os impactos dos processos de erosão hídrica laminar. Já o fator P representa o fator referente à utilização de práticas conservacionistas de caráter mecânico. Nesse trabalho, o valor atribuído ao fator P foi igual a 1 (um), ou seja, não considerou-se o emprego de práticas mecânicas de conservação do solo.

5 A espacialização do fator CP foi obtida a partir da classificação de uma imagem LANDSAT TM, bandas 3, 4 e 5, órbita/ponto 221/81 de 11/2000, complementada por uma base cartográfica com a distribuição da ocupação urbana. Os valores de CP para os diferentes graus de cobertura do solo para a bacia do Lago Guaíba são mostrados na Tabela 2. Tabela 2 Fator CP de acordo com o tipo de cobertura ou uso do solo. Cobertura e Uso do Solo Fator CP Agricultura irrigada 0,1 Agricultura sequeiro / irrigada 0,2 Água 0,0 Campo / Pousio 0,02 Campo úmido 0,01 Mata Grande Porte 0,00005 Mata Médio Porte 0,0005 Solo exposto 0,5 Urbano 0,03 APLICAÇÃO E RESULTADOS Para a identificação das áreas críticas quanto a perda de solos, foram construídas três matrizes numéricas correspondentes aos fatores K, LS e CP da EUPS, sendo que o fator R foi considerado constante para toda a região abrangida pela bacia hidrográfica do Lago Guaíba. Estas três matrizes georreferenciadas foram sobrepostas espacialmente e multiplicadas entre si e pelo escalar referente ao fator R através de operações Análise Espacial para Geoprocessamento do sistema IDRISI 32 (pacote de geoprocessamento desenvolvido pela Clark University). O produto desta operação resultou em uma matriz numérica da perda de solos na bacia hidrográfica do Lago Guaíba. Esta matriz foi então classificada em intervalos de interesse, gerando um mapa temático com intervalos de perda de solo em t/(ha.ano), conforme Figura 1, que ilustra a erosividade do solo na bacia do Guaíba. Esta figura segue a classificação da Tabela 3. Ainda na mesma tabela são totalizadas as áreas dentro da bacia, referentes a cada intervalo de classe de erosão correspondente.

6 Tabela 3 Recomendações da PNUMA (1980) referentes à classificação do grau de erosão hídrica e áreas correspondentes para cada intervalo na superfície do Lago Guaíba. Intervalos de Perda de Solos (t/ha.ano) Grau de Erosão Superfície da bacia em km Nenhuma ou Baixa Moderada Alta 426 > 200 Muito Alta 97 TOTAL Obs: Não está sendo contabilizada a superfície dos corpos de água. Figura 1 Classificação da bacia do Lago Guaíba (RS) em classes de erosividade do solo, segundo a Tabela 3, como resultados da aplicação da USLE.

7 Também foram estimadas as perdas de solo para cada uma das unidades hidrográficas que constituem a bacia do Lago Guaíba. Na Figura 2 são ilustrados os resultados por bacia hidrográfica e sua representação numérica foi tabulada na Tabela 4. Tabela 4 Perda de solos por sub-bacia da bacia do Lago Guaíba. Unidade Hidrográfica Perda de Solo (t/ha.ano) Arroio Dilúvio 93,80 Arroio Sanga da Morte 89,63 Santa Teresa 84,00 Arroio Cavalhada 72,48 Arroio das Capivaras 71,67 Arroio Ribeiro 64,90 Ponta do Melo 62,83 Sem denominação 1 51,06 Arroio Espirito Santo 48,36 Arroio Capivara 47,33 Arroio do Salso 46,31 Assunção e Arroio do Osso 44,64 Arroio Xambá 44,42 Arroio Petin 41,67 Arroio Estância 41,10 Arroio Guarujá 38,94 Praia das Pombas 38,00 Praia Araça 31,11 Arroio Passo Fundo 28,39 Almirante Tamandaré 27,80 Arroio Araçá 25,43 Arroio Chico Barcelos 22,71 Arroio Lami 20,80 Arroio do Conde 17,40 Ponta do Coco 14,36 Arroio Manecão 10,59 Arroio Belém Novo 10,02 Arroio Guabiroba 8,34 Ponta do Salgado 8,17 Praia da Pedreira 7,87 Arroio Araçá (Canoas) 6,88 Saco Santa Cruz 2,78 Morretes 2,41 Ponta Grossa Norte 0,88 Ponta dos Coatis 0,83 Ponta Grossa Sul 0,72 Sem denominação 2 0,22

8 Figura 2 Perda de solo média por sub-bacia hidrográfica. Os valores da Tabela 4 são uma estimativa da erosão laminar bruta. Para estimar a produção de sedimentos (aporte de sólidos no lago) decorrente da erosão laminar, foram calculadas as taxas de transferência que são mostradas na Tabela 5.

9 Tabela 5 Taxas de transferência por sub-bacia da bacia do Lago Guaíba. Unidade Hidrográfica SDR Ponta dos Coatis 0,089 Ponta Grossa Norte 0,087 Santa Teresa 0,083 Assunção e Arroio do Osso 0,079 Ponta Grossa Sul 0,079 Ponta do Melo 0,078 Praia da Pedreira 0,077 Arroio Guarujá 0,076 Sem denominação 1 0,075 Arroio Espirito Santo 0,074 Praia Araça 0,073 Arroio Sanga da Morte 0,070 Sem denominação 2 0,068 Praia das Pombas 0,068 Ponta do Coco 0,064 Morretes 0,064 Arroio Guabiroba 0,063 Arroio Capivara 0,061 Arroio Manecão 0,061 Arroio Xambá 0,060 Almirante Tamandaré 0,060 Arroio Araçá (Canoas) 0,056 Arroio Cavalhada 0,055 Arroio Belém Novo 0,054 Arroio Estância 0,053 Arroio Chico Barcelos 0,053 Saco Santa Cruz 0,052 Ponta do Salgado 0,051 Arroio Lami Arroio Dilúvio Arroio Passo Fundo Arroio do Salso Arroio Petin Arroio do Conde Arroio das Capivaras Arroio Araçá Arroio Ribeiro Para cada uma das sub-bacias hidrográficas da bacia do Lago Guaíba, foi calculada a produção média de sedimentos ilustrada Figura 3 e calculada na Tabela 6.

10 Figura 3 Produção média de sedimentos por sub-bacia da bacia do Lago Guaíba.

11 Tabela 6 Produção de sedimentos por sub-bacia da bacia do Lago Guaíba. Unidade Hidrográfica Produção de Sedimentos (t/ha.ano) Santa Teresa 6,97 Arroio Sanga da Morte 6,27 Ponta do Melo 4,90 Arroio Dilúvio 4,60 Arroio Cavalhada 3,99 Arroio Espirito Santo 3,58 Assunção e Arroio do Osso 3,53 Sem denominação 1 3,47 Arroio das Capivaras 3,01 Arroio Guarujá 2,96 Arroio Capivara 2,89 Arroio Xambá 2,66 Praia das Pombas 2,58 Arroio Ribeiro 2,47 Praia Araça 2,27 Arroio do Salso 2,22 Arroio Estância 2,18 Arroio Petin 1,83 Almirante Tamandaré 1,67 Arroio Passo Fundo 1,39 Arroio Chico Barcelos 1,20 Arroio Lami 1,06 Arroio Araçá 0,97 Ponta do Coco 0,92 Arroio do Conde 0,75 Arroio Manecão 0,65 Praia da Pedreira 0,61 Arroio Belém Novo 0,54 Arroio Guabiroba 0,53 Ponta do Salgado 0,42 Arroio Araçá (Canoas) 0,39 Morretes 0,15 Saco Santa Cruz 0,14 Ponta Grossa Norte 0,08 Ponta dos Coatis 0,07 Ponta Grossa Sul 0,06 Sem denominação 2 0,02

12 ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES Os valores obtidos são resultado de uma modelagem de base empírica (Equação Universal de Perda de Solos) e, sendo assim, os quantitativos estão mais adequados para uma análise relativa, identificando quais as sub-bacias mais críticas, quanto à produção e perda de sedimentos. Mesmo diante das limitações do método a uma análise relativa entre as bacias, sentiu-se a necessidade de avaliar a representatividade dos valores calculados. Para isto, foram comparados os dados calculados na bacia do Arroio Dilúvio com dados observados na mesma bacia segundo Collischonn et al. (2001). Segundo tais autores, registros de volumes dragados no Arroio Dilúvio, pelo Departamento de Esgotos e Pluviais (DEP) da Prefeitura municipal de Porto Alegre permitem dizer que uma estimativa da produção de sedimentos nesta bacia encontra-se na ordem de 7 t/ha/ano. O valor da produção de sedimentos estimada neste trabalho pela aplicação da USLE é da ordem de 4,6 t/ha/ano, bem próximo do observado, de maneira a concluir que os valores estimados pelo modelo são coerentes. Na margem esquerda do Lago Guaíba, as bacias com maior produção de sedimentos são bacias urbanas, com alta suscetibilidade topográfica a perda de solos, associada à presença de solos com alta erodibilidade (litossolos). Os valores da margem direita são inferiores aos da margem oposta, tendo em vista a presença de uma maior extensão de planície aluvial. Nesta margem, a bacia do Arroio das Capivaras é a mais crítica, considerando que suas cabeceiras são áreas com alto potencial de erosão hídrica em virtude da associação de relevo acentuado e solos com alta erodibilidade. O valor médio da produção de sedimentos nas sub-bacias da unidade G80 (Lago Guaíba) é de 2 t/ha/ano. Na Tabela 7, são ilustrados os valores da produção de sedimentos ordenados em ordem decrescente. Nesta tabela foram ordenadas apenas as bacias cujas produtividades se encontraram acima da média total. Ao analisar estes resultados, constatou-se que as bacias que apresentaram produção de sedimentos acima da média são responsáveis por apenas 44% da área total e por 70% da produção de sedimentos. Já na Tabela 8 fez-se um ranking das 17 bacias mais produtoras de sedimentos que são responsáveis por 97% da produção total de sedimentos na bacia. Estas mesmas sub-bacias respondem por 94% da área territorial (sem considerar o espelho d água do Lago). Neste segundo ranking, apenas três bacias apresentam produção específica (t/ha/ano) muito acima da média, são elas: Capivaras, Cavalhada e Sanga da Morte.

13 Tabela 7 Sub-bacias da bacia do LagoGuaíba com maior produção de sedimentos por hectare. Unidade Hidrográfica Área Produção de Sedimentos Produção de (km2) (t/ha.ano) Sedimentos (t/ano) Santa Teresa 1,17 6,97 815,5 Arroio Sanga da Morte 4,1 6, ,7 Ponta do Melo 1,75 4,9 857,5 Arroio Dilúvio 81,12 4, ,2 Arroio Cavalhada 28,39 3, ,6 Arroio Espirito Santo 2,82 3, ,6 Assunção e Arroio do Osso 1,64 3,53 578,9 sem denominação 1 2,57 3,47 891,8 Arroio das Capivaras 233,95 3, ,0 Arroio Guarujá 2,24 2,96 663,0 Arroio Capivara 12,71 2, ,2 Arroio Xambá 15,17 2, ,2 Praia das Pombas 5,22 2, ,8 Arroio Ribeiro 537,45 2, ,2 Praia Araçá 3,07 2,27 696,9 Arroio do Salso 93,79 2, ,4 Arroio Estância 39,24 2, ,3 Percentual do Total 44% 69% Tabela 8 Sub-bacia da bacia do Lago Guaíba com maior produção total de sedimentos. Sub-bacia Área (km2) Produção de Sedimentos Produção de (t/ha.ano) Sedimentos (t/ano) Arroio Ribeiro 537,45 2, ,2 Arroio das Capivaras 233,95 3, ,0 Arroio Araçá 554,25 0, ,3 Arroio Dilúvio 81,12 4, ,2 Arroio Petim 192,6 1, ,8 Arroio do Salso 93,79 2, ,4 Arroio do Conde 215,69 0, ,8 Arroio Cavalhada 28,39 3, ,6 Arroio Passo Fundo 76,1 1, ,9 Arroio Estância 39,24 2, ,3 Arroio Lami 54,63 1, ,8 Arroio Chico Barcelos 37,17 1, ,4 Arroio Xambá 15,17 2, ,2 Arroio Capivara 12,71 2, ,2 Arroio Sanga da Morte 4,1 6, ,7 Almirante Tamandaré 14,6 1, ,2 Ponta do Salgado 57,77 0, ,3

14 Ao todo, são t/ano de sedimentos que aportam no Lago Guaíba em decorrência da erosão laminar do total de suas 37 sub-bacias. Considerando-se como área de depósito a área do espelho d água 547 km 2, tem-se a uma lâmina anual de deposição sobre o fundo de Lago equivalente a 0,53 mm. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CONCREMAT Engenharia e Tecnologia S.A. pelo apoio ao desenvolvimento deste trabalho. BIBLIOGRAFIA COLLISCHONN, W.; SEMMELMANN, F.; ROCKENBACH, C. (2001). Drenagem urbana e sedimentos: o caso do Arroio Dilúvio in Avaliação e controle da drenagem urbana - Volume 2. Org. por Carlos E. M. Tucci e David M. L. da Motta Marques, Associação Brasileira de Recursos Hídricos (ABRH). DESMET, P.,J.,J., GOVERS, G. (1996). A GIS procedure for automatically calculating the USLE LS factor on topographically complex landscape units. Journal of Soil and Water Conservation, pp PNUMA (1980). Guia para confeccionar los esquemas integrales para la lucha contra la desertificacion. Programa De Las Naciones Unidas para El Medio Ambiente. Comision de la URSS para los asuntos del PNUMA. Centro de los Proyectos Internacionales Cect. Moscou. 101 p. VANONI, P. (1986). Sediment Engineering. Eds. American Society of Civil Engineerings (ASCE). Comity of Sediment and Hydraulic Division. New York, NY 677 p. WISHMEIER, W.H., SMITH, D.D. (1978). Predicting rainfall erosion losses: A guide to conservation planning. USDA Agr. Handbook 537. Washington, D.C., U.S. Department of Agriculture.