Prof. Carlos Rogério de Mello DEG/UFLA

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1 Prof. Carlos Rogério de Mello DEG/UFLA

2 Representação espacial; Camada de controle do balanço hídrico; Discretização temporal; Elementos; Monitoramento; Aspectos ambientais importantes: Qualidade da água; Erosão do solo e transporte de sedimentos; Disponibilidade de água; Recarga subterrânea;

3 Escalas espacial e temporal; Fases; Elementos: Erosão; Tranporte e deposição de sedimentos; Chuvas; Escoamento superficial; Este ciclo é fechado? É aberto? Formação de novas paisagens;

4 Conceituação e tipos; Erosão acelerada; Erosão geológica; Fatores ativos e passivos; Como monitorar; Impactos; Erosão x qualidade da água: Poluição; Efeitos; Gestão;

5 Esquema do processo erosivo Chuva Impacto da gota de chuva

6 Uso agrícola do solo; Urbanização; Substituição Matas Nativas x Pastagens; Reflorestamentos; Usos da água; Problemas de gestão; Mudanças climáticas: Até que ponto somos responsáveis? Como interagem?

7 Elementos ativos: Precipitação; Temperatura; Vento; Elementos climáticos Ação antrópica? Elementos passivos: Intrínsecos ao solo; Topografia; Intrínsecos ao uso do solo; Elementos solo-paisagem Ação antrópica?

8 Precipitação Elemento decisivo para erosão; Erosividade Capacidade/energia da chuva capaz de provocar desprendimento e salpico do solo; Energia cinética da chuva; Intensidade das chuvas; (E)(I30) Quais os tipos de chuvas individuais são mais erosivas? Regime e distribuição das chuvas; Como e por quê afeta o processo erosivo?

9 1. Erosividade O que é uma chuva erosiva? Critérios clássicos: I > 24 mm/h e > 10 mm em 10 Energia cinética > 3,6 MJ ha -1 ; Chuva individual: tempo entre uma chuva e outra de 6 hs. Material necessário para cálculo de EI30: Pluviogramas; Pluviômetros automáticos (diferentes intervalos de tempo de monitoramento); Cálculo baseado em equações empíricas de energia cinética;

10 Total precipitado e duração; Intensidade média da chuva; Intensidades associadas a diferentes durações (30 ); Cálculo de EI30; Ec 0,119 0,0873 log 10 I (W-S) EI30 EcI EI30 MJ mm Ec MJ mmha Ectota l EcP MJ ha I mmh hah / evento

11 Dados extraídos de um pluviograma:

12 Dados extraídos de um pluviograma:

13 Dados extraídos de um pluviograma:

14 Dados extraídos de um pluviograma: Energia cinética total = 18,32 MJ ha -1 I30 máximo consecutivo = 54 mm/h (para cada 10 ) I30 máximo consecutivo = 42 mm/h (para cada 30 ) EI30 = 988,88 MJ mm (ha h) -1

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16 Tipo Intensidade (mm/h) Energia cinética (MJ (ha mm) -1 ) Chuvisco 1,0 0,12 Chuva normal 15,0 0,22 Chuva forte 75,0 0,28

17 Equações empíricas que relacionam a EI30 média mensal com a precipitação total média do respectivo mês e o total médio anual; Índice de Fournier: p Rc P 2 p = precipitação média mensal e P = precipitação média anual; EI30mensal = f (Rc); Problema principal: série histórica de erosividade para composição do valor total mensal médio e respectiva precipitação média mensal;

18 Local Equação (MJ mm ha -1 mês -1 ) Fonte 0, Lombardi Neto & EI30 68,73 Rc Moldenhauer (1992) Goiânia - GO 216,15 30,69 Rc Silva et al. (1997) Campinas - SP 841 EI 30 0, 6030 Lavras - MG EI 125,92 Val (1985) 30 Rc 0, 7982 Leste de MG EI 121,385 Oliveira (2006) 30 Rc Juazeiro - BA 42,307 Rc 69, 763 Silva (2004) EI 30 0, 691 Mococa - SP EI 111,173 Carvalho (1987) 30 Rc Nova Friburgo -RJ EI 30 33,856 Rc 67, 991 Carvalho et al. (2005) Seropédica - RJ 38,138Rc 64, 866 Carvalho et al. (2005) EI 30 Sete Lagoas - MG 2 EI 25,3 43,35 Rc 0,232 Marques et al. (1998) 30 Rc

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20 Mapa de erosividade de MG (Mello et al., 2007)

21 Mapa de chuvas intensas com 30 de duração

22 Mapas de EI30 mensais e anual para MG

23 Susceptibilidade do solo à erosão; Fatores intrínsecos ao solo Textura; Estrutura; Tipo de argila; Teores de óxidos de Fe e Al; Umidade do solo? Como medir/determinar erodibilidade: Monitoramento de parcelas de perda de solo; Monitoramento de sulcos (erodibilidade no sulco);

24 Comprimento de rampa: 22,1 m; Declividade: 9%; Descobertas (evitar influência da cobertura no transporte de sedimentos); Tanques coletores; Pluviômetros/estação meteorológica; Simuladores de chuva;

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27 Área de 1 m2

28 Mini-simulador (30 x 30 cm 2 )

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33 Cálculo da erodibilidade: Desenvolvimento de um gráfico associando perda de solo e erosividade de cada evento de precipitação erosivo; Y = a x EI30 (para parcelas padrão); Y = a x EI30 x Fc (para parcelas com diferentes características topográficas); Fc = fator de correção vinculado à topografia do terreno; Erodibilidade: a = (Y/EI30).: coeficiente angular da reta que passa pela origem; Unidade: perda de solo/unidade de erosividade A b EI30 b A EI30 b t h t ha 1 1 MJ mmhah 1 MJ mm / evento

34 Equações empíricas para estimativa da erodibilidade para alguns solos: Latossolos: K 7, , ,99.10 IF 9, MO 5, DMG 1, Alp 3,21.10 IA 9, Sid 6,29.10 RT 3 D Em que K é a erodibilidade expressa em t h (MJ mm) -1 ; MO é o teor de matéria orgânica (g kg -1 ); Alp é o teor de Al 2 O 3 do pirofosfato de sódio (g kg -1 ); Sid é o teor de SiO 2 do DCB (g kg -1 ); D é o código de drenagem do perfil do solo; IF é o índice de floculação; DMG é o diâmetro médio geométrico dos agregado (mm); IA é o índice de instabilidade dos agregados < 0,25 mm (g kg -1 ); Rt é a relação entre (AMF + silte)/(amg + AG + AM + AF) dispersos em água (g kg -1 ).

35 Efeito do comprimento do declive e da declividade na erosão; Comprimento do declive: escoamento sobre o terreno (laminar) Perfis uniformes; Fator LS para comprimentos uniformes: L LS 22,1 Comprimentos irregulares: m 0,065 0,0454 S 0,0065 S 2 S < 1%.: m = 0,2 1% S < 3%.: m = 0,3 3% < S 5%.: m = 0,4 S > 5%.: m = 0,5 L 22,13 m S 10,8 sen S 16,8 sen 0,03 S declives 0,50 declives 9% 9%;

36 Valores de C Cobertura e manejo Produtividade P 1 (50%) 2 (75%) 3 (colheita) 4 (pós-colheita) Milho, contínuo, palha queimada Média 0,37 0,30 0,21 0,06 0,01 Milho, contínuo, palha enterrada Média 0,23 0,19 0,17 0,04 0,02 Milho, contínuo, palha em superfície Média - 0,05 0,02 0,01 0,01 Algodão, contínuo, convencional Média 0,40 0,60 0,40 0,50 0,20 Soja, contínuo, convencional Média 0,35 0,30 0,20 0,20 0,05 Pasto, 1 o ano, rotação , Pasto, 2 o ano, rotação , Milho, rotação após pasto Média 0,10 0,11 0,08 0,04 0,01 Milho, rotação, plantio direto após pasto Média - 0,08 0,05 0,03 0,01 Soja, rotação após milho Média 0,15 0,12 0,20 0,04 0,03 Soja, rotação, plantio direto após milho Média - 0,08 0,10 0,04 0,03 Algodão, rotação após soja Média 0,20 0,20 0,30 0,15 0,13 Cana-de-açúcar, 1 o ano, convencional Média - - 0, Cana-de-açúcar, 2 o ano Média - - 0,

37 Florestas Copas das árvores (% da área) % da área com cobertura morta de mais de 5 cm Vegetação abaixo das árvores C Moderadamente pastado e queimado 0, Intensamente pastado e queimado 0,003 0,011 Moderadamente pastado e queimado 0,002 0, Intensamente pastado e queimado 0,01 0,04 Moderadamente pastado e queimado 0,003 0, Intensamente pastado e queimado 0,02 0,09

38 * E = revestimento de ervas ou cobertura morta menor que 5 cm; L = revestimento de plantas herbáceas de folha larga. Tipo de cobertura % área coberta Cobertura* sem cobertura apreciável coberto ervas altas ou mato rasteiro (média de 0,5 m ) mato denso (média de 2 m) árvores com pouco mato rasteiro (média de 4m) % solo revestido pelo pasto E 0,45 0,20 0,10 0,042 0,013 0,003 L 0,45 0,24 0,15 0,090 0,043 0,011 E 0,36 0,17 0,09 0,038 0,012 0,003 L 0,36 0,20 0,13 0,082 0,041 0,011 E 0,26 0,13 0,07 0,035 0,012 0,003 L 0,26 0,16 0,11 0,075 0,039 0, E 0,17 0,10 0,06 0,031 0,011 0, E 0,40 0,18 0,09 0,040 0,013 0,003 L 0,40 0,22 0,14 0,085 0,042 0,011 E 0,34 0,16 0,085 0,038 0,012 0,003 L 0,34 0,19 0,13 0,081 0,041 0,011 E 0,28 0,14 0,08 0,036 0,012 0,003 L 0,28 0,17 0,12 0,077 0,040 0,011 E 0,42 0,19 0,10 0,041 0,013 0,003 L 0,42 0,23 0,14 0,087 0,042 0,011 E 0,39 0,18 0,09 0,04 0,013 0,003 L 0,39 0,21 0,14 0,085 0,042 0,011 E 0,36 0,17 0,09 0,039 0,012 0,003 L 0,36 0,20 0,13 0,083 0,041 0,011

39 Fator vinculado ao manejo do solo práticas culturais Prática Conservacionista Valor de P Plantio morro abaixo 1,0 Plantio em contorno 0,5 Alternância de capinas + plantio em contorno 0,4 Cordões de vegetação permanente 0,2

40 USLE A KEI30 LS CP R- USLE

41 R-USLE Desenvolvida ao longo da década de 80; Melhoria da USLE em termos de seu fator topográfico LS; Foi estruturada em linguagem computacional (banco de dados sobre erodibilidade; uso e manejo do solo; LS Li L Mi 1 TOT L 22,13 Mi 1 i1 Mi S i L TOT é o comprimento total da linha de fluxo, L i é o comprimento do topo do declive ao pé de segmento i, L i-1 é o comprimento do topo do declive ao topo de segmento i, S i é o declive do segmento i sen 3 sen M 1 0,0896 r 0,8 0,56 é chamado razão sulco/entressulco, é a inclinação do declive (radianos) e r é condição de campo para erosão no sulco (r=2 para batata; r=0,5 para campo descoberto; r=1 para condições intermediárias). 10,8 sen S 16,8 sen 0,03 0,50 sedeclive 9% sedeclive 9%

42 Af L L Mi 1 i TOT L 22,13 Mi 1 i1 Mi S i a i R i K i C i Pi a i dx dy 10 MFL i MFL = número de fluxos

43 Estime a perda de solo média esperada para uma encosta com 100 m de comprimento e declividade de 3,5%. O solo da mesma possui uma erodibilidade de 0,013 ton h (MJ mm) -1. O uso do solo pôde ser dividido em 2, sendo: - 2/3 da área com milho em estágio 2 de desenvolvimento, média produtividade, contínuo (sem rotação) e com queima dos restos culturais e preparo convencional do solo; - 1/3 da área ocupado com árvores (mata) de folha larga, cuja copa cobre 70% da área de solo, com pouco mato rasteiro e com pasto cobrindo 40% do solo; Para cálculo da erosividade média anual aplique a equação de Fournier abaixo, considerando os seguintes dados de precipitação média mensal:

44 EI 30i p P 2 i a Jan Fev Março Abril Maio Junho Julho Agosto Set Out Nov Dez ,7 38,1 23,9 15,1 21,6 66,5 127,8 188,5 292

45 M-USLE A KRLS CP R n QQp m n = 89,6; m = 0,56 Q em m 3 ; Qp em m 3 /s

46 LS Le 22,1 m 0,065 0,0454Sd 0,0065Sd 2 le le Le 4 kc A 1 4,48 1,128 1 kc 2 Le: comprimento da encosta em m; le: comprimento do retângulo equivalente (m) kc 0,282 P BH A P BH em m; A em m 2

47 m = 0,2 para Sd < 1%; m = 0,3 para Sd entre 1 e 3% m = 0,4 para Sd entre 3 e 5%; m = 0,5 para Sd > 5% Sd 0,25 Z LC25 LC50 LC A 75 Z é o desnível entre a seção de controle e o ponto mais elevado da bacia (m), LC 25, LC 50 e LC 75 os comprimentos (m) das curvas de nível a 25, 50 e 75% de Z e A é a área da bacia (m 2 ).

48 Considerar uma bacia hidrográfica com as seguintes características obtidas a partir da análise dos mapas topográfico, pedológico e de uso atual: área total de 286 ha, perímetro de 8214 m, comprimento do curso d água principal de 2866 m, diferença de nível entre cabeceira e seção de controle igual a 42 m de e declividade média do curso d água igual a 13,68%. Os valores de LC25%, LC50% e LC75% são iguais, respectivamente, a 2450 m, 1687 m e 1290 m. Os solos da bacia são: 107 ha de Cambissolos e 179 ha de Latossolo Roxo. O Cambissolo possui 38% de sua área ocupada por pastagem e outros 62% com Eucalipto. No Latossolo, tem-se os 55% da área ocupada por milho em franca fase de desenvolvimento plantado em nível e 45% de mata nativa. Considerar a erodibilidade para o Cambissolo igual 0,085 e para o Latossolo, 0,01 t h MJ -1 mm -1. Esta bacia não possui monitoramento hidrológico. Considerar precipitação unitária de 10 mm. Calcular o transporte de sedimentos para o hietograma abaixo, considerando a umidade do solo normal na bacia CNII.

49 Duração (60 ) Intensidade de precipitação (mm/h)

50 Erosão em sulcos

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52 Formas de erosão em uma bacia hidrográfica (Adaptado de Predicting Soil Erosion By Water: A Guide to Conservation Planning USDA/ARS) Erosão em entressulcos Erosão nos sulcos Ravinamento/ Voçoroca Escoamento laminar

53 Uniforme - USLE Perfil Convexo Perfil Concavo Perfil convexo:concavo Concavo:convexo

54 Esquema do transporte de sedimentos Capacidade de transporte Declive Carga de sedimentos

55 Equações base do modelo WEPP dg dx Dr Di Em que x é a distância no declive (L), Di é a taxa de erosão em entressulcos (MT -1 L -2 ), G é a carga de sedimentos (MT -1 L -1 ), Dr, a taxa de erosão no sulco (MT -1 L -2 ). O parâmetro Dr é positivo quando ocorrer produção de sedimentos e negativo para deposição. Tanto Di quanto Dr são computados por área e G por largura de sulco. O valor final corresponde à perda de solo por unidade de área de declive.

56 Erosão no sulco D r K r q s c 1 Tc T c B 1,5 Dr = taxa de erosão no sulco (kg m -2 s -1 ); Kr = erodibilidade do sulco (s/m); = tensão de cisalhamento pelo fluxo de água (Pa); c = tensão de cisalhamento crítico abaixo do qual não ocorre erosão (Pa); qs = taxa de sedimentos no fluxo pelo sulco (canal) (kg m -1 s -1 ); Tc = capacidade de transporte de sedimento por unidade de largura do sulco (canal) (kg m -1 s -1 ); B = coeficiente de transporte baseado nas propriedades do solo e da água (0,01 e 0,1);

57 Erosão no sulco D r K r q s c 1 Tc T c B 1,5 Dr Largura

58 ESed QcCs q s Esed L g R S Esed = entrega de sedimentos (kg/s); Qc = vazão no canal (l/s); Cs = concentração de sedimentos no escoamento (kg/l); L = largura do canal (m); R = raio hidráulico do canal (m); S = declividade do canal (m/m); g peso específico da água (9810 N/m 3 )

59 Exercício Calcule a erosão em um sulco (Dr) com largura de 0,15 m, comprimento de 20 m e gradiente de 7%. A vazão responsável pelo transporte de sedimentos é igual a 1 L/s e a concentração de sedimentos no escoamento é igual a 0,12 kg/l. Considere ainda: - raio hidráulico igual a 0,01 m; - Coeficiente de transporte de solo (B) = 0,1 kg Pa -1,5 - Tensão crítica de cisalhamento = 2 Pa - Erodibilidade do sulco = 0,015 s m -1

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61 Erosão em entressulcos Di R I Ki Sf Cf Em que, R é a taxa de enxurrada (LT -1 ), Ki é a erodibilidade em entressulcos (MTL -4 ), I é a intensidade da chuva (LT -1 ); Sf é o fator declividade (adimensional) e Cf fator de cobertura (adimensional). Sf 1,05 0,85 e 4sen

62 A erodibilidade em entressulcos, no modelo WEPP, pode ser estimada para solos com teores de argila 35% e > que 35%, respectivamente, pelas equações Ki 2,92 2,71 1,24 Cd ADA / Arg 0,51Mg 0,1 ADA 4,19 Arg/ Fe Al 0,16 Ki 2,67 0,115 Ln 0,18 Ag Em que, ADA é argila dispersa em água (kg kg -1 ), Arg é o teor total de argila (kg kg -1 ), Fe é o ferro DCB (kg kg -1 ), Mg é o teor de magnésio (cmol kg -1 ), Al é o teor de alumínio (kg kg -1 ), Cd é a condutividade elétrica (mmhos cm -1 ) e Ag é a fração de agregados de 1 a 2 mm (kg kg -1 ).

63 1.Simulação climática, a qual é obtida por um modelo específico conhecido como CLIGEN; 2.Características de inverno (incluindo congelamento e descongelamento do solo, acúmulo e derretimento de neve); 3.Características de sistemas de irrigação por aspersão e por sulco (quando for o caso de estudo da erosão provocada por esta situação); 4.Balanço hídrico baseado no modelo Simulador de Recursos Hídricos em Bacias Rurais, com algumas modificações para melhorar a estimativa dos parâmetros de percolação e evaporação do solo; 5.Crescimento de plantas para predição do acúmulo de biomassa como função da radiação fotossinteticamente ativa (modelo EPIC); 6.Decomposição de resíduos para estimar decomposição da massa de raízes mortas e resíduo enterrado; 7.Parâmetros de solo e seus efeitos na hidrologia e erosão (rugosidade aleatória da superfície, densidade aparente do solo, tensão da frente de umedecimento, condutividade hidráulica efetiva, erodibilidade em entressulcos e no sulco e tensão crítica do solo); 8.Hidrologia do canal e balanço hídrico, representados por infiltração, evapotranspiração, percolação de água no solo, interceptação da chuva pelo dossel;