Miguel de Azevedo Coutinho Prof. Hidráulica e Recursos Hídricos, IST

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1 Miguel de Azevedo Coutinho Prof. Hidráulica e Recursos Hídricos, IST 1 Enquadramento Conceitos e Definições Solo - Recursos Edáficos Processos, Funções e Interacções Sustentabilidade e Degradação Ameaças e Disfunções - Erosão Directiva-Quadro Incidência, Tolerância e Risco Critério de Risco e Delimitação Medidas Prioritárias Conclusões Extrema aridez e erosão eólica. Planalto Boliviano

2 Enquadramento Escoamento nas bacias hidrográficas Componentes e fases do ciclo hidrológico fase superficial - escoamento sobre o terreno - não canalizado (no espaço interfluvial) escoamento nos cursos de água - canalizado (na rede de drenagem) 3 Escoamento nas bacias hidrográficas hidrologia dos escoamentos - origem e movimento da água caudais (instantâneos) - máximos, médios volumes de escoamento hidrogramas de escoamento 4 2

3 PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS Escalas dos Sistemas Fluviais SISTEMA FLUVIAL ou REGIÃO HIDROGRÁFICA ( > km 2 ) Bacia Hidrográfica Principal ( 200 a km 2 ) bacia hidrográfica afluente ( 20 a 200 km 2 ) sub-bacia hidrográfica ( 2 a 20 km 2 ) bacia de recepção (ou colectora) ( 0,1 a 2 km 2 ) ENCOSTAS ( < 10 ha) talhão ou parcela agrícola ( < 500 m 2 ) Vizinhanças e Interacções Global local 5 Escoamento nas bacias hidrográficas hidrologia dos escoamentos - origem e movimento da água caudais (instantâneos) - máximos, médios volumes de escoamento hidrogramas de escoamento Fórmula racional Q máx. = c. i. A b c - coeficiente dependente das características da bacia i - intensidade de precipitação A b - área da bacia Caudal - Q Tempo - t 6 3

4 Escoamento nas bacias hidrográficas características da bacia - morfologia da bacia natureza da superfície do terreno ocupação e uso do solo comportamento hidrológico percipitação útil = escoamento (mm) comportamento hidráulico propagação do escoamento = caudal (m 3 s -1 ) Caudal - Q Tempo - t 7 Comportamento hidrológico Variáveis dos Processos Análise sistémica relações causa - efeito solicitações - respostas estado do sistema Ocorrência da água precipitação Efeitos à superfície do terreno 8 4

5 Comportamento hidrológico Efeitos à superfície do terreno Ocorrência da água efeito erosivo da precipitação GÉNESE DE SEDIMENTOS 9 Comportamento hidráulico Processos à superfície do terreno Escoamento sobre o terreno efeito erosivo do escoamento + GÉNESE DE SEDIMENTOS Transporte de sedimentos no escoamento PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS 10 5

6 Comportamento hidrológico Comportamento hidráulico GÉNESE (produção e alimentação) DE SEDIMENTOS PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS Descarga de sedimentos no lago Leman PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS FLUXOS DE SEDIMENTOS Delta do rio Mississippi - - Golfo do México Fluxos de sedimentos no meio receptor. Golfo do México. Delta do rio Mississippi - - Golfo do México Interacção sistema Continental / sistema Costeiro 12 6

7 Comportamento hidráulico Escoamento sobre o terreno Processos à superfície do terreno escoamento não canalizado efeito da vegetação rugosidade da superfície irregularidade da secção Fórmula de Manning Q = v. A ; v = K. R 2/3 h. i 1/2 K - coeficiente da f. Manning i - declive do fundo A - área da secção R h - raio hidráulico da secção 13 Comportamento hidráulico Escoamento sobre o terreno Processos à superfície do terreno escoamento não canalizado (sobre o terreno) canalização incipiente sulcos concentração e confluência 14 7

8 Comportamento hidráulico Escoamento nas encostas Processos das encostas escoamento distribuído e escoamento concentrado escoamento canalizado erosão distribuída (ou laminar) erosão localizada sulcos e ravinas 15 Génese de sedimentos Movimentos de Massa Fluxo de materiais à superfície da Terra Acção da gravidade Transporte de sedimentos nas encostas Destacamento de sedimentos por impacte de gotas de chuva Mecanismos de transporte de sedimentos 16 8

9 Génese de sedimentos Materiais da superfície da Terra Litosfera Rochas Solos Ciclos geológicos Processos sedimentológicos Génese de Sedimentos, Solos e Rochas sedimentares 17 Conceitos e Definições (1) Solo (definição Directiva ) Camada superior da crosta da Terra... (2) Impermeabilização... (6) Inventariação (7) Uso do Solo (8) Áreas Prioritárias (9) Processos de Degradação do Solo Perfil de um solo

10 Conceitos e Definições Perfil do solo Horizontes O matéria orgânica A solo superficial B subsolo C substrato (camada de transição) D rocha mãe (bedrock) ou outro material de base Perfil de um solo Conceitos e Definições Classificação dos solos resultantes dos processos da pedo-génese factores condicionantes: clima morfologia do terreno drenagem formações de base

11 Conceitos e Definições Erosão desagregação e transporte de partículas da superfície da Terra (sedimentos), resultante da acção da chuva, vento gelo ou outros agentes, nomeadamente, de actividades humanas Processos sedimentológicos - Erosão (sentido lato) Desagregação Destacamento Erosão (sentido restrito) Transporte Deposição 21 Conceitos e Definições Perda de Solo Processo natural (erosão geológica) Desagregação e transporte de partículas da superfície da Terra (sedimentos), resultante da acção da chuva, vento, gelo ou outros agentes. Erosão acelerada As actividades humanas são responsáveis pela aceleração dos mecanismos naturais de erosão dos solos 22 11

12 Variáveis dos Processos E = f ( C, S o, M e, S t, A H ) E - erosão hídrica ou perda de solo C - características do clima S o - propriedades do solo M e - fisiografia das encostas (espaço interfluvial) S t - características da superfície do terreno A H - actividades humanas e coberto vegetal (uso do solo) 23 E - erosão hídrica (específica) ou perda de solo (t. ha. ano -1 ), R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1 ), K - erodibilidade do solo (t. h. MJ -1. mm -1 ), L S - factor fisiográfico (comprimento / declive), C - factor de coberto vegetal, P - factor de prática agrícola. Modelação e Quantificação da Erosão Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) E = R. K. L S. C. P 24 12

13 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1 ) R n n R i i 1 ; méd R R - factor de cálculo complexo (traduz o valor anual médio global da energia cinética da precipitação, majorado pela intensidade máxima da precipitação em 30 minutos, calculado por chuvadas) Ver Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A m i j 1 E.I 30 j R méd - erosividade anual média; R i - erosividade no ano i; E.I 30 - índice de erosividade de Wischmeier (por chuvada); n - n.º de anos do período; m - n.º de chuvadas do ano i. 25 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: E.I 30 - erosividade da chuvada - j (MJ. mm. h -1. ha -1 ) E.I q 30 j ek.p k. I30máx j k 1 ; e 0,119 0, 0873.log k ek 0,263 I 10 k ; I k > 76 mm. h -1 ; I k 76 mm. h -1 e k - energia cinética da precipitação, com intensidade constante - por mm de chuva (MJ.mm-1.ha-1); q - n.º de períodos de precipitação, com intensidade constante I k; p k - precipitação no período com intensidade constante (mm); I k - intensidade de precipitação no período k (mm. h-1); I 30 - intensidade máxima de precipitação, em 30 minutos, na chuvada j (mm. h-1)

14 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1 ) R 3,0.P-550,0 P - precipitação anual média (mm. ano -1 ) Outras relações em Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. P. e Coutinho, M. A., Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro K - erodibilidade do solo (t. h. MJ -1. mm -1 ) K 0,003 a 0,060 K - erodibilidade média da Terra 0,035 - erodibilidade média de Portugal 0,

15 EUPS (USLE) K - erodibilidade do solo (t. h. MJ -1. mm -1 ) Solo: (textura, % em peso) areia 5,0 areia (mt. f.) e limo 65,0 argila 30,0 m. orgânica 2,8 estrutura gran. fina permeabilidade lenta / moderada 29 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro K (erodibilidade do solo - t. h. MJ -1. mm -1 ) K 2,1.M 1, (12 Mo) 3,25.( 2) 2,5.( 3) 759,3 M - [limo e areia muito fina (%)]. [100 argila (%)], Mo - matéria orgânica ( %), - código de classe de estrutura do solo (1 a 4), - código de classe de permeabilidade do solo (1 a 6), 30 15

16 Características dos Solos Textura ( %, em peso) areia limo argila Estrutura Permeabilidade Matéria orgânica Estrutura ( ) 1 - granular mt. fina 2 - granular fina 3 - granular grosseira 4 - compacta Permeabilidade ( ) 1 - mt. lenta 2 - lenta 3 - lenta a moderada 4 - moderada 5 - moderada a rápida 6 - rápida 31 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro L S - factor fisiográfico - comprimento / declive (-) L S L. S componentes da encosta: e - comprimento da encosta ( m ) s - declive ( % ) ou, - ângulo c/ horizontal (º ) (metodologia específica em encostas de perfíl complexo) 32 16

17 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro L S (factor fisiográfico - adm.) componente - L - factor comprimento m e L 22,13 e - comprimento da encosta (m ) m - expoente do f. comprimento ( - ) s ( % ) s > 5 3 < s < 5 1 < s < 3 s < 1 m ( - ) 0,5 0,4 0,3 0,2 33 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro L S (factor fisiográfico - adm.) componente - S - factor declive S = 10,8. sen( ) + 0,03 para s 9 % S = 16,8. sen( ) - 0,50 para s > 9 % s - declive da encosta ( % ) ( s = 9 % = 5,1 º ) 34 17

18 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro L S (factor fisiográfico - adm.) talhão Wischmeier - e = 22,13 m (72 ) s = 9,0 % 22,13 m L S = 1,0 9% 35 EUPS (USLE) L S - factor fisiográfico e = 22,13 m (72 ) 1 s = 9,0 % L S = 1,0 2 3 e = 100,0 m s = 9,0 % L S 2,0 e = 22,13 m s = 5,3 % L S 0,

19 Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro C - factor de coberto vegetal ( -) C 0,0 a 1,0 C - factor de cálculo complexo (traduz a protecção do coberto vegetal e medidas não estruturais) C = 1,0 - cultura inexistente - terreno em alqueive (área protegida 0 %) C = 0,0 - cultura de máxima cobertura (área protegida 100 %) 37 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) traduz o valor anual médio do efeito de protecção do solo, pelo coberto vegetal cálculo complexo ponderação, em período médio, do factor de coberto, em cada período do calendário agrícola, com a incidência da precipitação (%) 38 19

20 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) Alqueive (área protegida 0 %) terreno lavrado, sem cultura, mantido permanentemente (alqueive verde) terra lavrada e de pousio (fallow) ou set-aside C = 1,0 39 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) Tipos de coberto vegetal e usos agrícolas: agricultura, silvicultura, pecuária Medidas de uso e ocupação zonas verdes ou z. degradadas!!! (WOCAT 2007: where the land is greener MAC, IST, UÉvora,

21 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) Medidas de gestão do coberto vegetal: culturas: trigo, milho, batata, ocupação: agrícola, silvícola, c. arvenses, pomar, montado, gestão: calendários agrícolas, rotação de culturas, mulching, set-aside, 41 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) Períodos / calendário agrícola 0 - solo lavrado (após pousio) 1 - sementeira 2 - estabelecimento da cultura 3 - maturidade 4 - colheita 5 - pousio (em construção) Ver Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A

22 EUPS (USLE) C - factor de coberto vegetal ( - ) Tabela de factor de coberto vegetal Ver Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE) Quantificação das variáveis: Parâmetro P - factor de prática agrícola ( -) P 0,0 a 1,0 P - factor relativo a efeitos de mecanização, estruturação e prática de uso (traduz medidas não regulamentares e de protecção) P = 1,0 - ausência de medidas de protecção - lavouras ao longo do declive P = 0,0 - máxima protecção e estruturação - terraços de nível 44 22

23 EUPS (USLE) P - factor de prática agrícola ( - ) Práticas de gestão da actividade agrícola: lavouras: ao declive, de nível, organização espacial: faixas de vegetação, culturas alternadas, medidas mistas (culturais e de uso), estruturação do terreno: vala e cômoro, drenagens, terraços, 45 EUPS (USLE) P - factor de prática agrícola ( - ) Tabela de factor de prática agrícola Ver Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A

24 EUPS (USLE) P - factor de prática agrícola ( - ) Esquemas de práticas agrícolas (em construção) 47 EUPS (USLE) P - factor de prática agrícola ( - ) faixas de vegetação evolução para terraços vala e cômoro 48 24

25 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Risco de erosão Erosão Média? Produção de Sedimentos?? Que Risco de Erosão??? 49 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Quantificaçâo da Erosão Planos de Bacia Hidrográfica (esc. 1: ) Solos (esc. 1: ) Fisiografia (esc. 1: ) Bacia hidrográfica do rio Sado 7 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Mira 18 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Guadiana 12 t. ha

26 Pq. bacias do Minho e Douro Litoral < 8 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Douro 9 a 12 t. ha -1 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Quantificaçâo da Erosão Planos de Bacia Hidrográfica (esc. 1: ) Cartas de Aptidão de Uso da Terra Outros estudos - estimativas com grande reserva! Pq. bacias da Estremadura > 14 t. ha -1 Pq. bacias Litoral e rio Vouga < 7 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Sado 7 t. ha -1 EROSÃO MÉDIA 10 t. ha -1.ano -1!!! ( 600 m 3. km -2. ano -1 ) Bacia hidrográfica do rio Mira 18 t. ha -1 Bacia hidrográfica da rib.ª de Bensafrim 8 t. ha -1 Zona Interior Centro 10 a 12 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Tejo 10 a 14 t. ha -1 Bacia hidrográfica do rio Guadiana 12 t. ha PROCESSOS HIDRO- SEDIMENTOLÓGICOS Quantificaçâo da Erosão Produção de sedimentos parcela da Erosão específica, ou Perda de Solo P s = C Ps. E encosta ou bacia talhão ou pq. encosta C Ps - coeficiente de produção de sedimentos (varia entre 0,0 e 1,0) E P s 52 26

27 ORDENS DE GRANDEZA DE C Ps PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS C Ps = 1,0 C Ps 0,85 a 1,0 Ordens de grandeza do Coeficiente de Produção de Sedimentos Unidade C Ps SISTEMA FLUVIAL ou REGIÃO HIDROGRÁFICA ( > km 2 ) < 0,1 Bacia Hidrográfica Principal ( 200 a km 2 ) 0,05 a 0,5 bacia hidrográfica afluente ( 20 a 200 km 2 ) 0,4 a 0,8 sub-bacia hidrográfica ( 2 a 20 km 2 ) 0,6 a 0,9 bacia de recepção (ou colectora) ( 0,1 a 2 km 2 ) 0,75 a 0,95 ENCOSTAS ( < 10 ha) 0,85 a 1,0 talhão ou parcela agrícola ( < 500 m 2 ) 1,0 C Ps 0,7 a 0,9 C Ps 0,05 a 0,5 C Ps 0,75 a 0,95 C Ps 0,4 a 0,8 C Ps < 0,1 53 Produção de sedimentos P s = f ( E, H b, M b, L a, I H ) P s - produção de sedimentos ou fluxo de sedimentos na bacia E - erosão hídrica ou perda de solo H b - comportamento hidrológico da bacia M b - morfologia da bacia (espaço interfluvial e rede de drenagem) L a - características hidráulicas das linhas de água I H - intervenções humanas na bacia e rede de drenagem 54 27

28 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Quantificação da Produção de sedimentos Cálculo do Coeficiente de Produção de Sedimentos (t. km -2. ano -1 ) log Equação de Roehl (1962) SDR (sediment delivery ratio), in Gregory e Walling,1973 b 10CPs 4,501 0,230.log10 Ab 0,510.log10 2,786.log10 RB hb C Ps - coeficiente de produção de sedimentos (%) A b - área da bacia (mi 2 ) L b - comprimento do cursos de água principal (m) h b - altura da bacia (m) R B - relação de bifurcação média da bacia (- ) Ver Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A L PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Quantificação da Erosão Produção de sedimentos (t. km -2. ano -1 ) in O Assoreamento das Albufeiras e o Ambiente, Rocha, J. S. (s. d.), LNEC

29 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Risco de erosão Limiares de Erosão factores condicionantes: máximos Tolerância à erosão Sedimentação de linhas de água e albufeiras Riscos de erosão mínimos Equilíbrio de linhas de água Caudal sólido ecológico (!?) 57 PROCESSOS HIDRO- -SEDIMENTOLÓGICOS Risco de erosão Limitação de Riscos de Erosão PROTECÇÃO DO SOLO CONTROLO DA EROSÃO CONSERVAÇÃO DO SOLO (E DA ÁGUA) 58 29