INFLUÊNCIA DO TIPO DA COBERTURA VEGETAL SOBRE A EROSÃO NO SEMI-ÁRIDO PARAIBANO

Transcrição

1 9 M.F. GOMES FILHO et al. Revita Braileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.4, n., p.9-96, 000 Campina Grande, PB, DEAg/UFPB INFLUÊNCIA DO TIPO DA COBERTURA VEGETAL SOBRE A EROSÃO NO SEMI-ÁRIDO PARAIBANO Celo Auguto Guimarãe Santo, Koichi Suzuki, Maahiro Watanabe 3 & Vajapeyam S. Srinivaan 4 RESUMO O tipo de cobertura vegetal, preente numa área, tem grande influência obre o ecoamento uperficial e a produção de edimento. O objetivo do preente trabalho é etabelecer uma relação entre o tipo da cobertura vegetal e a eroão do olo nu, mediante uma equação empírica da perda de olo. A equação propota foi calibrada uando-e dado intético gerado por um modelo fíico hidroedimentológico, cujo parâmetro de eroão foram determinado como valore repreentativo de uma área dematada do emi-árido paraibano. Apreenta-e uma comparação entre o valore calculado pela equação e o dado obervado em vária parcela de eroão, a quai apreentavam condiçõe de cobertura vegetal e declividade ditinta, localizada na Bacia Experimental de Sumé, PB. Eta comparação permitiu uma avaliação da influência do tipo de cobertura vegetal obre a eroão do olo. Palavra-chave: cobertura vegetal, modelo de eroão, emi-árido, produção de edimento INFLUENCE OF THE TYPE OF VEGETAL COVER ON SEDIMENT YIELD IN THE SEMIARID REGION OF PARAÍBA STATE ABSTRACT The type of vegetation cover preent in an area, greatly influence the urface runoff a well a the ediment yield. The objective of thi paper i to etablih a relationhip between the type of vegetal cover and eroion by mean of an empirical equation for oil lo. The propoed equation wa calibrated uing ynthetic data obtained from a phyically-baed runoff-eroion model in which the eroion parameter value are repreentative of a cleared bare-land urface in the emiarid area of Paraíba State. A comparion between the value obtained from the equation and the oberved data collected from everal eroion plot in the Sumé Experimental Waterhed with different condition of vegetal cover and lope i preented a an evaluation of the influence of the vegetation cover on oil eroion. Key word: vegetation cover, eroion model, emiarid region, ediment yield Recebido em 6//999, Protocolo 7/99 Profeor Adjunto, Dr., Department of Civil and Environmental Engineering, Ehime Univerity, 3-Bunkyo-cho, Matuyama, Ehime, , Japão, Tel./Fax (+8) celo@dpc.ehime-u.ac.jp Profeor Titular, Dr., Department of Civil and Environmental Engineering, Ehime Univerity. kuzuki@dpc.ehime-u.ac.jp 3 Profeor Adjunto, Dr., Department of Civil and Environmental Engineering, Ehime Univerity. nabemaa@dpc.ehime-u.ac.jp 4 Profeor Titular, Dr., Departamento de Engenharia Civil, Univeridade Federal da Paraíba, Av. Aprígio Veloo 88, Campina Grande, Paraíba, CEP , Fax: (0xx83) riniva@rechid.ufpb.br R. Bra. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande, v.4, n., p.xx-xx, 000

2 INFLUÊNCIA DO TIPO DA COBERTURA VEGETAL SOBRE A EROSÃO 93 INTRODUÇÃO A cobertura vegetal da bacia hidrográfica ofre vária modificaçõe quer ejam naturai ou artificiai, e eta modificaçõe produzem o mai variado impacto no meio ambiente. O ecoamento uperficial é um do primeiro fatore a erem alterado quando a cobertura vegetal da bacia é modificada e, coneqüentemente, a produção de edimento. Para poder explicar a variação na produção de edimento com o tipo de cobertura vegetal, foi deenvolvida uma equação de eroão laminar do tipo da equação propota por Mugrave (947). No entanto, é difícil de e dipor da quantidade de dado neceário para o deenvolvimento de uma equação dee tipo, razão por que dado intético produzido atravé do modelo fíico hidroedimentológico WESP (Waterhed Eroion Simulation Program) deenvolvido por Lope (987) foram utilizado. Santo et al. (994) haviam calibrado o citado modelo para uma microbacia dematada localizada na Bacia Experimental de Sumé. Dea forma, a equação pode er coniderada repreentativa para uma região dematada do emi-árido paraibano. Utilizando-e ee valore como referência, pode-e fazer comparaçõe com o dado obervado em vária parcela de eroão da mema bacia experimental, a quai apreentam condiçõe de cobertura vegetal e declividade ditinta, para uma avaliação da influência da cobertura vegetal obre a produção de edimento. Apreentam-e, a eguir, o modelo fíico de eroão e ecoamento, a geração do dado intético, a calibração da equação empírica, o dado obervado na parcela experimentai de eroão, e finalmente a avaliação comparativa entre o valore previto pela equação deenvolvida para área dematada e o dado obervado em diferente parcela de eroão, com divero tipo de cobertura vegetal. MATERIAL E MÉTODOS O modelo hidrodinâmico O modelo ecolhido a er aplicado nete trabalho foi o modelo WESP, poi o memo foi deenvolvido para imular a repota hidroedimentológica de pequena bacia e já foi calibrado com uceo para uma região emi-árida nordetina. O modelo, endo do tipo hidrodinâmico, oferece a poibilidade de uceo quando aplicado a uma ampla faixa de condiçõe e ajuda na compreenão do proceo naturai poibilitando, aim, uma ponte entre a teoria e a aplicação hidrológica (Lope & Lane, 987). O modelo ua a equação de Green-Ampt modificada por Mein & Laron (973) para modelar a infiltração. Eta equação fornece, para a taxa de infiltração, a expreão (Lope, 987): N = + S f (t) KS () F(t) onde f(t) é a taxa de infiltração (m - ), K S é a condutividade hidráulica do olo (m - ), N S é o parâmetro do potencial de capilaridade na frente de molhamento (m), F(t) é a altura acumulada de água infiltrada (m) e t é a variável tempo (). O fluxo uperficial é coniderado variado e unidimenional e a equação para a velocidade do ecoamento uperficial no plano pode er obtida a partir da aproximação da onda cinemática, em que a declividade da linha de energia é coniderada igual à declividade do plano (S f = S 0 ). Eta aproximação é válida quando o efeito da gravidade e de atrito dominam obre o outro fatore na equação da quantidade de movimento, reultando numa relação imple entre a velocidade e a profundidade do fluxo, na forma: u = α h m- onde h é a epeura da lâmina de fluxo (m), α é um parâmetro de rugoidade da uperfície e m é um parâmetro geométrico. A combinação da Eq. () com a equação de Manning para ecoamento turbulento obre plano de grande largura reulta em: α = (/n) S 0 / m = 5/3 A produção de edimento é igual à eroão meno a depoição. A eroão por ua vez é devido ao impacto da gota da chuva e devido à força de cialhamento do ecoamento. Dea forma, o fluxo de edimento Φ pode er expreo por: Φ = e + e R - d onde e I é a taxa de deprendimento de edimento pelo impacto da chuva, e R é a taxa de deprendimento de edimento pela força de cialhamento, e d é a taxa de depoição de edimento. A taxa de deprendimento e I (kg m - - ) é dada por: e = K Ir e onde K I é um parâmetro de detacamento do olo pelo impacto da chuva (kg m -4 ), I é a intenidade da chuva (m - ), e r e é a intenidade de chuva efetiva (m - ). A taxa de eroão e R (kg m - - ) é exprea por: e R = K R τ.5 onde K R é um fator de detacamento pela tenão de cialhamento do ecoamento (kg m N ) e τ é a tenão de cialhamento efetiva (N m - ) dada por: τ = γr H S f onde γ é o peo epecífico da água (N m -3 ) e R H é o raio hidráulico do fluxo igual à profundidade do fluxo, para grande largura. Finalmente, a taxa de depoição de edimento d (kg m - - ) é dada por: d = εv c onde ε é um coeficiente que depende da propriedade do olo e fluido admitido er igual a 0,5 para plano (Lope, 987), c(x,t) é a concentração de edimento em tranporte (kg m -3 ), e V é a velocidade de queda da partícula (m - ) calculada pela equação de Rubey (Raudikivi, 976): () (3a) (3b) (4) (5) (6) (7) (8) R. Bra. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande, v.4, n., p.9-96, 000

3 94 C.A.G. SANTOS et al. na qual F o = V = F o ( γ γ) γ 36ν γ gd γ gd 36ν 3 γ gd γ onde γ é o peo epecífico do edimento (N m -3 ), ν é a vicoidade cinemática da água (m - ), d é o diâmetro médio do edimento (m) e g é a aceleração da gravidade (m - ). Dado intético O dado intético de eroão foram gerado admitindo-e chuva de intenidade diferente obre parcela hipotética de um metro de largura, de comprimento de 30, 00 e 300 m e com declividade de 4%, 0% e 0%, perfazendo um conjunto de nove parcela. A intenidade da chuva aplicada nea parcela foram de 0, 0 e 50 mm h - e o valore da produção de edimento em cada parcela, quando ubmetida à divera intenidade da chuva, foram calculado pelo modelo WESP, expoto no ubitem anterior. O parâmetro de eroão foram aquele calibrado para a região emi-árida paraibana, que contituem o parâmetro de detacamento do olo pelo impacto da chuva K I, preente na Eq. (5), e o parâmetro de detacamento pela tenão de cialhamento do ecoamento K R, na Eq. (6). Santo et al. (994) determinaram o valore médio para ee parâmetro (K I e K R ), como endo 5, 0 8 kg m -4 e, kg m N -,5 -, repectivamente. Ete valore foram obtido mediante calibração do modelo para uma microbacia dematada da Bacia Experimental de Sumé de área igual a 0,48 ha, perímetro de 30 m, declividade igual a 7,% e diâmetro médio do edimento igual a 0,50 mm. Para o parâmetro de infiltração foi admitido o valor de 5 mm h - para a condutividade hidráulica aturada do olo K S (Eq. ) baeado em tete de campo, e o valor zero para o parâmetro do potencial de capilaridade na frente de molhamento (9) (0) N S, na Eq. () para o etado de aturação. Outro valor que deve er mencionado aqui é o coeficiente de rugoidade da equação de Manning, n, aumido igual a 0,0, baeado no tipo do olo, tamanho do edimento e caracterítica da uperfície. Uma vez tendo-e a dimenõe da parcela, intenidade da chuva e valore do parâmetro de eroão, o programa WESP foi utilizado para obter o valore da produção de edimento E. A Figura (A, B, C) apreenta o valore imulado pelo modelo WESP para a divera condiçõe de comprimento da parcela, intenidade de chuva e declividade da parcela. Calibração da equação empírica Mugrave (947) intetizou o reultado de análie de mediçõe da perda de olo ob divera condiçõe e expreou a taxa de perda de olo E por uma equação empírica: E = αl β I β S 0 β3 () onde α é um parâmetro de cobertura e erodibilidade inerente do olo, β, β e β 3 ão expoente contante, L é o comprimento da rampa, S 0 é a declividade, e I é a intenidade da chuva, conforme decrito anteriormente. Para e determinar o expoente e o parâmetro α deta equação, e faria neceário a coleta de um número muito grande de dado obervado para a área deejada, o que à veze e torna uma tarefa impoível ou fora da realidade de vária regiõe, principalmente no paíe em deenvolvimento, devido ao alto cuto de coleta de dado de campo. Com o intuito de implificar tal tarefa, dado intético foram gerado baeado no proceo e propriedade fíica, apreentado no ubitem O modelo hidrodinâmico. O expoente da equação foram então determinado atravé do ajutamento da Eq. () ao dado intético obtido atravé da imulação uando o modelo WESP, conforme apreentado na Figura A, B e C. O expoente β, β e β 3 ão a declividade da linha reta obtida na Figura e a equação final obtida foi: 0 0 I S S L L I (a) (b) (c) (C) Produção de Sedimento E 0 (kg m - h - ) Comprimento L (m) Figura. Relação entre a produção de edimento imulada e comprimento de rampa L, intenidade da chuva efetiva r e, declividade S 0 (C) Intenidade de Chuva re (mm h - ) Declividade S0 (%) R. Bra. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande, v.4, n., p.9-96, 000

4 INFLUÊNCIA DO TIPO DA COBERTURA VEGETAL SOBRE A EROSÃO 95 E =,9 0-5 L 0,9 r e,9 S 0,04 onde E etá em kg m - h -, L em m, S 0 em percentagem, e r e é a intenidade da chuva efetiva em mm h -, dada por r e = I K S, endo K S = 5 mm h -, o que é a taxa final de infiltração ou condutividade hidráulica efetiva do olo aturado. De forma alternativa, a Eq. () pode er exprea em termo da intenidade da chuva total I (mm h - ) como: E =,9 0-6 L 0,9 I,59 S 0,04 () (3) Parcela experimentai A parcela experimentai foram intalada na Bacia Experimental de Sumé localizada no Etado da Paraíba, operada pela SUDENE, ORSTOM e UFPB (Cadier et al., 983). A parcela têm 00 m, endo 4,55 m de largura e,5 m de comprimento. A declividade, o ano de intalação e tipo de cobertura da parcela etão apreentado na Tabela. O memo tipo de manejo e vegetação foram mantido entre a parcela e 4, parcela e 3, e poteriormente parcela 5 e 9 a fim de permitir uma comparação do reultado para diferente declividade. Encontram-e também, neta bacia experimental, 4 microbacia com área em torno de 0,5 ha, endo dua totalmente dematada e outra dua com caatinga nativa; o tipo do olo encontrado na bacia experimental é Bruno não Cálcico-Vértico. Tabela. Caracterítica da parcela de eroão Parcela Declividade Cobertura Vegetal Média (%) Ano de Intalação 3,8 Dematada 98 3,9 Cobertura morta , Cobertura morta ,0 Dematada ,5 Caatinga nativa ,0 Palma morro abaixo ,0 Palma em contorno ,0 Dematada e revolvida ,0 Caatinga nova (98) 986 Na parcela dematada (parcela e 4), a vegetação era removida quando etava atingindo 5 cm, ao pao que na parcela com cobertura morta (parcela e 3) a vegetação era cortada quando etava atingindo 0 a 5 cm, ma deixada na própria parcela; a parcela 8 foi mantida em vegetação e eu olo revolvido freqüentemente. A parcela 6 e 7, com palma, foram limpa quando a vegetação etava chegando a 5 cm de altura. A parcela 5 com vegetação nativa não ofreu intervenção alguma, e a parcela 9 também não ofreu mai intervenção a partir de 98. Baeando-e na experiência de um trabalho anterior (Santo et al., 994) vário evento foram ecolhido entre 987 e 988. A relaçõe obervada entre o ecoamento e a chuva encontram-e na Figura A e B para a parcela com e em vegetação, repectivamente, pode-e obervar que apear da tendência emelhante entre o doi cao, a parcela provida de vegetação apreentam um maior número de evento com pequeno ecoamento, ito é, meno que 0, mm. A Figura 3A e B motram a relação entre a produção de edimento obervado E o e a intenidade da chuva I, também para a parcela com e em vegetação, de onde pode-e obervar que quando a proteção do olo é mínima, a eroão é máxima. Tanto a vegetação nativa (caatinga) quanto a cobertura morta, motram-e eficiente para controlar a eroão uperficial. Ecoamento L0 (mm) Parcela Parcela 3 Parcela 5 Parcela 6 Parcela 7 Parcela Parcela Parcela 4 Parcela 8 0 Altura da Chuva R0 (mm) Altura da Chuva R0 (mm) Figura. Relação entre o ecoamento obervado L o e a altura de chuva obervada R o para a parcela com cobertura vegetal, olo nu Produção de Sedimento E0 (kg m - h - ) ç (g ) 0 4 Parcela Obervado Etimado para a parcela para área com vegetação dematada Parcela 4 8 Obervado Etimado Intenidade da Chuva re Intenidade da Chuva re (mm h - ) (mm h - ) Figura 3. Relação entre a produção de edimento obervada E o e a intenidade efetiva da chuva r e para a parcela com cobertura vegetal, olo nu RESULTADOS E DISCUSSÃO Por er uma equação empírica deenvolvida uando-e dado obtido atravé de um modelo cujo parâmetro foram calibrado para uma região emi-árida nordetina dematada, ela pode er coniderada repreentativa para tal área. Dea forma, o uo da mema para comparação com dado obervado em nove parcela experimentai de Sumé permitiria uma avaliação da influência da cobertura vegetal obre a eroão. A imulaçõe feita uando a Eq. () etão repreentada pela linha reta na Figura 3A e B. Na figura, a reta e ditinguem pela declividade da parcela, poi o comprimento do plano é o memo para toda a parcela. Pela Figura 3B fica evidente que exite uma boa conformidade entre o valore obervado e o calculado para a parcela em vegetação, apear de uma notável diperão. A diperão do ponto em torno da reta pode er explicada pelo fato de que a Eq. () conidera uma chuva efetiva de intenidade uniforme igual à intenidade média do evento e, na prática, a variação da intenidade durante a chuva provoca uma variação da produção do edimento ao longo do evento. Pode-e obervar que a R. Bra. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande, v.4, n., p.9-96, 000

5 96 C.A.G. SANTOS et al. declividade maior da parcela 4 (7%) promove maior eroão em relação à parcela (3,8%) enquanto a parcela 8 (4%) produz tanto quanto a parcela 4, devido ao manejo da parcela 8, em que o olo foi periodicamente revolvido (arado). Aim, o aumento da eroão pela alta diponibilidade de edimento deprendido é compenado pela diminuição do tranporte, devido à menor declividade da parcela 8. Entretanto, oberva-e que na Figura 3A, para a parcela com cobertura vegetal, o dado de alguma parcela também e aproximam da condição da parcela (dematada) como é o cao da parcela 6 com palma. Ito ignifica que algun tipo de cobertura vegetal ão ineficiente em proteger o olo contra a eroão. Aim, pode er obervado que a palma plantada morro abaixo, o qual é um tipo de cultivo muito praticado no nordete braileiro, não protege o olo; por outro lado, o melhor tipo de cobertura vegetal, entre o etudado, motra-e er a vegetação nativa, a caatinga, outro ponto importante de er obervado é que um decrécimo ignificativo na produção de edimento pode er, de uma forma geral, obtido quando o olo etá protegido pela cobertura morta. O parâmetro α erve para uma avaliação comparativa. Ete, além de er um parâmetro de erodibilidade inerente do olo, erve também, para caracterizar o tipo de cobertura do olo. A Figura 4 motra a relação entre o parâmetro α e o tipo de vegetação, e dela pode-e obervar que para a parcela dematada tal parâmetro varia entre 0-6 e 0-8 enquanto para a parcela com vegetação nativa o memo varia entre 0-8 e 0-0. A parcela com palma motram uma variação imilar à da parcela dematada, ma a parcela com palma em contorno apreenta uma pequena diminuição no valor do memo. A parcela 4 e 8 ão amba dematada, porém de diferente declividade. A parcela 8 teve eu olo revolvido, enquanto a parcela 4 era apena dematada, ma com maior declividade do que da parcela 8. A dua parcela ficaram caracterizada pelo memo valor de α. A parcela com cobertura morta e a com caatinga motram, apear da diferença de declividade, variaçõe da eroão muito pequena e apreentam valore do parâmetro α batante próximo. Deta forma, o valor médio ou a faixa da Parâmetro de Cobertura e Erodibilidade Inerente ao Solo α Dematada Dematada e revolvida Com palma Cobertura morta Parcela Parcela 4 Parcela 8 Parcela 6 Parcala 7 Parcela Parcela 3 Parcela 5 Parcela 9 Figura 4. Relação entre o parâmetro de cobertura e erodibilidade inerente ao olo α e tipo de cobertura vegetal Caatinga variação de α erve como bom indicador do efeito da influência da cobertura vegetal obre a eroão ou a produção de edimento. CONCLUSÕES. A equação para predizer a taxa de eroão laminar E (kg m - h - ) para uma região emi-árida paraibana pode er exprea pela eguinte equação: E =,9 x 0-5 L 0,9 re,9 S0,04 onde L é o comprimento da rampa (m), S 0 é a declividade (%), e r e é a intenidade da chuva efetiva (mm h - ).. Quando o olo emi-árido paraibano etá protegido pela vegetação nativa ou pela cobertura morta, a produção de edimento diminui ignificativamente. A efetividade da palma para proteger o olo contra a eroão, porém, é inignificante. 3. A prática de cultivo morro abaixo é danoa e aumenta a eroão do olo. 4. O valor do parâmetro de cobertura e erodibilidade α para a parcela dematada ficou entre 0-6 e 0-8, ma para a parcela com vegetação eu valor variou entre 0-8 e 0-0, indicando uma grande influência do dematamento obre o proceo de eroão do olo. AGRADECIMENTOS O trabalho de campo incluído nete trabalho foi realizado pela SUDENE, UFPB e ORSTOM (França). Agradecimento também vão ao Profeor Dr. Vicente L. Lope da Univeridade do Arizona (EUA) por fornecer o programa WESP. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CADIER, E.; FREITAS, B.J.; LEPRUN, J.C. Bacia experimental de Sumé, intalação e primeiro reultado. Recife: SUDENE, Série Hidrologia, v. 6, p. LOPES, V.L. A numerical model of waterhed eroion and ediment yield. Tucon: Univerity of Arizona, p. Ph.D. Thei LOPES, V.L.; LANE, L.J. Um modelo computacional de imulação hidrológica. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS, 7, v., 987, Salvador. Anai Salvador: Aociação Braileira de Recuro Hídrico, 987. p MEIN, R.G.; LARSON, C.L. Modeling infiltration during a teady rain. Water Reource Reearch, Wahington, v. 9, n., p , 973. MUSGRAVE, G.W. The quantitative evaluation of factor in water eroion: A firt approximation. Journal Soil Water Conervation, Iowa, v., n. 3, p , 947. RAUDIKIVI, A.J. Looe boundary hydraulic..ed. Oxford: Pergamon Pre, p. SANTOS, C.A.G.; SUZUKI, K.; WATANABE, M.; SRINIVASAN, V.S. Optimization of coefficient in runofferoion modeling by Standardized Powell method. Journal of Hydrocience and Hydraulic Engineering, JSCE, Tokyo, v., n., p , 994. R. Bra. Eng. Agríc. Ambiental, Campina Grande, v.4, n., p.9-96, 000