AVALIAÇÃO DO POTENCIAL NATURAL EROSIVO LAMINAR COM TÉCNICAS DE GEOPROCESSAMENTO: O CASO DA MICROBACIA DO RIBEIRÃO TAQUARA-PR

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1 AVALIAÇÃO DO POTENCIAL NATURAL EROSIVO LAMINAR COM TÉCNICAS DE GEOPROCESSAMENTO: O CASO DA MICROBACIA DO RIBEIRÃO TAQUARA-PR Júlio Bandeira Guerra Luís Gonçalves Longo de Oliveira Flávio Fortes Camargo Gabriel Pereira Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Divisão de Sensoriamento Remoto (DSR) Caixa Postal 515 CEP: São José dos Campos - SP, Brasil. {fortes, gabriel, luis, guerra}@dsr.inpe.br Resumo A erosão é um problema de elevada ocorrência no mundo todo. Consiste num processo que pode culminar na infertilidade do solo, contribuindo, muitas vezes, para o empobrecimento da qualidade das águas. Desse modo, é uma questão de desenvolvimento sustentável, evidenciando-se como aspecto chave no planejamento ambiental. Este artigo pretende avaliar o potencial natural erosivo laminar da microbacia do Ribeirão Taquara-PR, com o uso da Equação Universal de Perda de Solos e utilizando o sistema de informações geográficas SPRING, desenvolvido pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), cuja distribuição é livre. Palavras-chave: erosão laminar, potencial natural erosivo laminar, SIG. 1. Introdução Muitos estudos têm sido realizados com o objetivo de entender os processos erosivos em sua forma acelerada e assim poder combatê-los, para fins de manutenção da fertilidade do solo ou da conservação de uma forma geral. A erosão é o processo de desprendimento e arraste das partículas do horizonte superficial do solo pela ação da água ou do vento (Bertoni e Lombardi Neto, 1999). Em geral, este processo pode ocorrer de duas maneiras diferentes: geológica e acelerada. A erosão geológica é controlada somente por fatores naturais. Tais fatores podem ser ativos ou passivos. Os ativos são os que inserem energia no sistema. São eles: a chuva, o vento e as condições topográficas (declividade e comprimento de encosta). O fator passivo é o

2 solo, que, de acordo com suas propriedades físicas e químicas, tem maior ou menor resistência à erosão. A erosão acelerada, ou induzida, é muito mais rápida que a natural, primariamente como resultado da influência das atividades do homem. Essa modalidade de processo erosivo está relacionada não somente com fatores naturais, mas também com o modo como o homem ocupa o solo. Em muitos casos, a ocupação se dá sem a devida preocupação com o potencial natural erosivo laminar do terreno, o que pode deflagrar um processo de resposta incontinente do meio em busca de nova condição de estabilidade. Tal resposta ocorre em forma de erosão. A ação antrópica, portanto, constitui o principal fator de desencadeamento da erosão acelerada. A partir do conhecimento dos fatores que influenciam a erosão, é possível criar modelos e, por fim, calcular a quantidade de material erodido por unidade de área em determinado período de tempo. Dentre os modelos de predição de perda de solos, está a Equação Universal de Perda de Solos (Wischmeier e Smith, 1978), que tem como variáveis os fatores de erodibilidade (K), erosividade (R), declividade (S), comprimento de encosta (L), uso e ocupação do solo (C) e práticas conservacionistas (P). Pode-se aplicar tal equação na construção de um modelo que leve em conta somente os fatores naturais de erosão. Este modelo pode ser associado às técnicas de geoprocessamento, as quais permitem análises espaciais do fenômeno. A identificação de áreas com maior grau de susceptibilidade à erosão natural é um dos possíveis resultados de tais análises. E para tal caso, as variáveis de uso e ocupação do solo (C) e práticas conservacionistas (P) são suprimidas do modelo, já que sofrem não só interferência natural, mas também interferência antrópica. O propósito deste trabalho é o de realizar a determinação do potencial natural erosivo laminar para a microbacia do Ribeirão Taquara, utilizando o geoprocessamento como principal ferramenta. 2. Materiais e Métodos 2.1 Área de Estudo O Ribeirão Taquara é tributário da margem esquerda do Rio Tibagi (Figura 1). A microbacia do Ribeirão Taquara está localizada entre as coordenadas 51º 27 32,4 W e 23º 44 54,9 S, e 50º 56 52,17 W e 23º 29 26,68 S. Parte dos municípios paranaenses de Londrina, Arapongas, Apucarana, Tamarana, Marilândia do Sul e Califórnia recaem sobre ela. A microbacia está inserida na área de derrames de trapp do Paraná, processo de cobertura dos arenitos do Grupo Rio do Rasto e Botucatu da Era Mesozóica por camadas de rochas efusivas básicas (basalto), que terminou no início do Cretácio Inferior (Maack, 1981).

3 Figura 1 Em verde, o estado do Paraná. Em azul, a hidrografia do Rio Tibagi. Em vermelho, a área compreendida pela microbacia do Ribeirão Taquara. Essa área foi escolhida por sua importância no contexto regional, fato determinado por sua ocorrência em seis diferentes municípios, nos quais a produção agrícola é intensa, tecnificada e muito importante para suas respectivas economias. 2.2 Estimativa e mapeamento do potencial natural erosivo laminar A Equação Universal de Perda de Solos (EUPS), proposta por Wischmeier e Smith (1965), é a seguinte: A = R.K.L.S.C.P Sendo A a perda de solos calculada por unidade de área (t/ha), R o fator chuva, erosividade (MJ.mm/ha.h.ano), K o fator erodibilidade do solo em (tha/mj), L o comprimento de encosta em metros (adimensional), S a declividade em % (adimensional), C o fator ocupação e manejo do solo (adimensional) e P e práticas conservacionistas (adimensional). O potencial natural erosivo laminar (PNE) é relativo somente aos fatores naturais da EUPS (erosividade, erodibilidade, e fator topográfico), ou seja, não considera os fatores antrópicos (uso e manejo do solo e práticas conservacionistas). Para tanto, idealizase um terreno descoberto, sem nenhuma prática conservacionista aplicada. Portanto, seu valor se resume a:

4 PNE = R.K.L.S Sendo PNE o potencial natural erosivo laminar (t/ha), R a erosividade (MJ.mm/ha.h.ano), K a erodibilidade (th/mj.mm), L o fator comprimento de encosta (adimensional) e S o fator de declividade (adimensional). Para realização da estimativa e mapeamento do PNE, fez-se uso da classificação de potencial erosivo laminar proposta por Valério Filho (1994) e utilizou-se operação numérica pontual em LEGAL (linguagem implementada no SPRING), realizada a partir dos planos de informação numéricos de erosividade R, erodibilidade K e fator FS. A obtenção de tais planos será descrita a seguir Erosividade (R) e sua determinação A unidade de erosão hídrica deve ser a chuva, definida como a quantidade que cai em forma contínua em um período mais ou menos longo, individualizada através de suas características de intensidade, duração e freqüência. A erosividade (R), portanto, é um índice que expressa a capacidade da chuva causar erosão em uma área sem proteção (Bertoni e Lombardi Neto, 1999). A energia cinética da chuva, que é função da massa e velocidade das gotas, está relacionada à intensidade da chuva, porque é a energia das gotas existentes em um evento de precipitação (Guerra, 1999). A partir desse elo existente entre intensidade e energia cinética, pode-se calcular a energia cinética da chuva natural com a equação 1 (Wischimeieir & Smith, 1978): Ec = 11,87 + 8,73log 10 I (1) Na qual, Ec é energia cinética (joules/m 2 mm) e I é intensidade da chuva (mm/h). O potencial erosivo da chuva, ou EI 30 (índice de erosão da chuva) expressa a relação entre a energia cinética da chuva (Ec) e sua intensidade máxima em trinta minutos (I 30 ). Deste modo, pode-se obter o índice a partir da equação 2: EI 30 =Ec x I 30 (2) Onde, EI 30 é o índice de erosão (Mj/ha.mm.h), Ec é a energia cinética da chuva (j/m 2.mm) e I 30 é intensidade máxima em trinta minutos (mm/h). Em todo o mundo, devido à escassa rede de pluviógrafos disponível e da grande demanda de tempo e trabalho para a análise dos diagramas dos pluviógrafos, pesquisadores realizaram a criação de um outro modo de estimativa da erosividade (R), independente da intensidade.

5 Vários pesquisadores encontraram alto coeficiente de correlação (r) entre o índice de erosão da chuva (EI 30 ) e o coeficiente de precipitação (razão entre o quadrado da precipitação média mensal e a precipitação média anual) para vários locais do Brasil. Rufino et. al. (1993) desenvolveram equações lineares mais refinadas para o cálculo de erosividade em 8 diferentes regiões do Estado do Paraná, também correlacionando o índice de erosão da chuva (EI 30 ) e o coeficiente de precipitação. Para a microbacia do Ribeirão Taquara, foram escolhidos 14 postos que continham uma consistente série histórica diária de precipitação, de 1979 até Seguiu-se com cálculo do EI 30 e da erosividade para tosos os postos. De posse dos coeficientes regionais determinados por Rufino et. al. (1993), para cada posto, ajustou-se a equação 3 de regressão linear para o cálculo do índice de erosão, do tipo: EI 30 = a + b(p 2 /P) (3) Sendo que EI 30 é o índice de erosão da chuva (MJ.mm/ha.h.ano), a é o coeficiente linear, b é o coeficiente angular, p (mm) é a precipitação média mensal e P (mm) é a precipitação média anual. Abaixo, (Quadro 1) estão relacionados os postos selecionados e os coeficientes linear a e angular b utilizados para o cálculo do índice de erosão para cada um deles. COD NOME MUNICIPIO E S Coef. (a) Coef. (b) CACHOEIRA SALTO FIU LONDRINA ,73 4, ASSAI ASSAI ,73 4, VOLTA GRANDE LONDRINA ,73 4, SAO LUIZ LONDRINA ,73 4, CALIFORNIA CALIFORNIA ,73 4, ARAPONGAS ARAPONGAS ,73 4, CERRO LEAO ASSAI ,73 4, EST ACROCLIMATO LONDRINA ,73 4, FIGUEIRINHA CALIFORNIA ,73 4, FAZ CRIACAO ESTADO IBIPORA ,05 4, CAMBE CAMBE ,73 4, FABRICA DE PAPELAO TAMARANA ,73 4, TERRA NOVA S. J. DA SERRA ,73 4, SAO JOSE MARILA DO S ,55 4,94 Quadro 2 Códigos dos postos meteorológicos selecionados, localização municipal, coordenadas (Projeção: UTM, Fuso: 22, Datum: SAD69) e os respectivos coeficientes lineares. Fonte: IAPAR; COPEL; SUDERHSA; Rufino et. al. (1993). Somente três dos postos disponíveis recaem no interior da microbacia: São Luiz, Califórnia e Figueirinha. O restante está distribuído em todo o entorno da microbacia. Os valores das médias mensais e anuais de precipitação, o índice de erosão da chuva e a erosividade foram calculados. Então, os dados para cada posto meteorológico foram transferidos para o software SPRING, onde foram interpolados por krigagem. A

6 interpolação gerou uma grade numérica regular com valores de erosividade com resolução de 90 m. A partir daí, foi possível produzir o mapa de erosividade para a área da microbacia do Ribeirão Taquara (Figura 2a) Determinação da Erodibilidade K As propriedades físicas, principalmente estrutura, textura, permeabilidade e densidade aparente, assim como, as características químicas, biológicas e mineralógicas do solo exercem diferentes influências na erosão. Ou seja: são características intrínsecas ao solo. Todas estas características do solo, quando avaliadas conjuntamente, determinam sua capacidade de propiciar erosão, ou seja, sua erodibilidade K. O fator erodibilidade é a relação entre a intensidade de erosão, por unidade de índice de erosão da chuva (EI 30 ), para um solo específico, mantido continuamente sem cobertura, mas que sofre as operações culturais normais, em um declive de 9% e comprimento de rampa de 25m. No Sistema Internacional é expressa em th/mj (Camargo et. al., 2004). Wischmeier e Smith (1978) apresentaram um nomograma para determinação da erodibilidade. Este foi desenvolvido com base em uma equação que tem como variáveis classes de textura (combinação de silte e areia muito fina; e areia), permeabilidade, estrutura e porcentagem de matéria orgânica. No caso da bacia do Ribeirão Taquara, o fator K foi obtido a partir da atribuição dos valores de erodibilidade correspondente a cada classe de solo da área de estudos. Os valores de erodibilidade foram obtidos por Baptista (1997) utilizando o nomograma desenvolvido por Wischmeier et al (1978). Para tanto, utilizou-se mapa de solos em formato vetorial da região Nordeste do Paraná na escala 1: , originado a partir de levantamento de solos realizado pelo Instituto Agronômico do Paraná (IAPAR) e pelo Serviço de Levantamento de Solos - EMBRAPA na década de De acordo com este levantamento, há três diferentes classes de solo na microbacia do Ribeirão Taquara: Latossolo Roxo, Terra Roxa Estruturada e Brunizem Avermelhado, distribuídas em nove subtipos. Esses nove subtipos foram agregados em duas classes de erodibilidade, cada uma representando um valor. Aos Latossolos Roxos, tanto distróficos quanto eutróficos (LRd1, LRd2, LRd4, LRe1 e LRe2) e às Terras Roxas Estruturadas, tanto eutróficas quanto distróficas (TRe e TRd), presentes na microbacia do rio Taquara, foi atribuída erodibilidade de 0,013 th/mjmm, de acordo com Baptista (1997). Esta classe de erodibilidade ocupa uma área de 611,27km 2, o que representa 68,15% da área da microbacia do Ribeirão Taquara.

7 Aos subtipos de solos Brunizem Avermelhado foi atribuído valor de erodibilidade igual a 0,038 th/mjmm, de acordo com Baptista (1997). Esta classe de erodibilidade ocupa uma área de 285, 63Km 2, o que representa 31,85% da área total da microbacia. O mapa, em formato vetorial, foi convertido para formato raster para que os valores de erodibilidade pudessem ser atribuídos a cada classe e para que o cruzamento com os outros mapas pudesse ser feito. Tal atribuição de valores às classes de solos foi realizada a partir de operações de ponderação em LEGAL (linguagem implementada no software SPRING). A inexistência de valores de variáveis utilizadas para estimar a erodibilidade dos solos nos relatórios dos levantamentos de solos da região não permitiu o cálculo deste fator. Este fato contribuiu para uma grande redução da precisão do trabalho, o que tornou irrelevante seu caráter quantitativo Determinação do Fator LS De acordo com Bertoni e Lombardi Neto (1999), a topografia do terreno, representada pela declividade e pelo comprimento da rampa, exerce acentuada influência sobre a erosão. O tamanho e quantidade do material em suspensão arrastado pela água dependem da velocidade com que ela escorre, e essa velocidade é um resultado do comprimento de rampa e do grau de declividade do terreno. Na equação do potencial natural erosivo laminar (PNE), a declividade e o comprimento de encosta são representados pelos fatores S e L, respectivamente. Eles podem ser considerados de maneira conjunta, o que origina a fator topográfico (LS). Toda a geração dos produtos cartográficos relativos à topografia da microbacia do Ribeirão Taquara teve como fonte de dados imagens do projeto Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), cuja resolução é de 90m. A estimativa e mapeamento do fator topográfico (LS) foi obtida através de operações realizadas no software SPRING. Primeiramente, os divisores internos à bacia foram editados em plano de informação numérico. A este foi atribuído cota com valor zero. Em seguida, a partir da operação mosaico, as linhas de drenagens foram integradas ao plano de informação dos divisores de água, com a função de linhas de quebra. Mais tarde, foi gerada uma grade de distâncias que tomou como ponto de partida as linhas de divisores de água e como linhas de quebra, as linhas de drenagem. Baseando-se nos dados SRTM, foi produzida uma grade de declividade. De posse dos dados da grade de distâncias e da grade de declividade produzida, alimentou-se a equação do fator LS desenvolvida por Bertoni e Lombardi Neto (1999):

8 LS =0,00984*l 0.63 *s 1,18 Onde, l é o comprimento de encosta (m), representado pela grade de distâncias e s, que é a declividade (em %), representada pela grade de declividade obtida. A implementação desta equação no banco de dados foi realizada a partir da linguagem LEGAL. O mapa resultante representado na Figura 2c. 3 Resultados Obtidos O mapa de erosividade R interpolado a partir dos dados de erosividade das 14 estações está representado na Figura 2a. O mapa de erodibilidade K, resultante da atribuição dos valores de erodibilidade para cada tipo de solo, propostos por Baptista (1997), está presente na Figura 2b. Os valores dos fatores LS obtidos com os dados SRTM estão representados no mapa da Figura 2c, todas abaixo. (a) (b) (c) Figura 2 (a) Mapa de erosividade R da microbacia do Ribeirão Taquara; (b) mapa de erodibilidade K e mapa dos fatores LS (c). Fontes: (a) dados IAPAR; (b) dados EMBRAPA e (c) dados SRTM. Por fim, obteve-se o mapa de potencial natural erosivo laminar da microbacia do Ribeirão Taquara, produto do cruzamento dos três mapas apresentados na figura anterior. A classificação seguiu a metodologia proposta Valério Filho (1994).

9 Figura 3 Mapa de potencial natural erosivo laminar da microbacia do Ribeirão Taquara. 4 Análise dos Resultados e Considerações Finais Segundo a classificação de Carvalho (1994), os índices de erosividade da microbacia do Ribeirão Taquara são considerados fortes (Figura 2a). A erodibilidade é baixa na maior parte da bacia, pela grande ocorrência de Latossolo Roxo e Terra Roxa Estruturada. A ocorrência dos solos Brunizem Avermelhado em declives acentuados, que coincidem com áreas com altos valores de LS, torna o terreno muito suscetível à erosão (Figuras 2b e 2c). Segundo a classificação de Valério Filho (1996), da área total de 1040 Km² (ver Figura 3), 25,83% possui forte potencial natural de erosividade laminar e 28,16% possui fraco potencial. Percebe-se ainda que as maiores perdas de solo coincidem com as áreas de intersecção entre os Brunizem Avermelhado e os valores de fator topográfico igual ou maiores que 10 (ver Figuras 3, 2b e 2c). O uso da Equação Universal de Perda de Solos se mostrou bastante eficiente na identificação de áreas com alto potencial natural erosivo laminar. Com o uso de dados pouco precisos de erodibilidade, devido à inexistência de dados pedológicos mais detalhados, ocorreu queda da precisão dos resultados, limitando-os sob o ponto de vista da quantificação.

10 O uso da EUPS auxiliado por um Sistema de Informação Geográfica (SPRING) facilitou o tratamento de grande volume de dados, sendo muito eficaz no mapeamento do PNE. 5- Bibliografia Baptista, G.M.M. (1997). Diagnóstico ambiental da perda laminar de solos por meio do geoprocessamento. Dissertação de Mestrado. Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília-DF. Bertoni, J.; Lombardi Neto, F. (1999) Conservação do solo. Livroceres: Piracicaba, SP. Camargo, P. B.; Silva, A. M., SCHULZ, H. E. (2003). Erosão e Hidrossedimentologia em Bacias Hidrográficas. Rima: São Carlos SP. Carvalho, N O. (1994). Hidrossedimentologia prática. CPRM Companhia de Pesquisa em Recursos Minerais: Rio de Janero, RJ. Guerra, A. J. T. (1999). O início do processo erosivo In: BOTELHO, R. G. M.; GUERRA, A. J. T.; SILVA, A. S. Erosão e conservação do solo: conceitos tema e aplicações. Bertrand Brasil: Rio de Janeiro, RJ. Maack, H. (1981). Geografia Física do Paraná. Secretaria da Cultura e do Esporte do Governo do Estado do Paraná: Curitiba, PR. Rufino, R. L, Biscaia, R. C. M.; Merten, G. H. (1993). Determinação do potencial erosivo da chuva do Estado do Paraná, através de pluviometria: terceira aproximação. Revista Brasileira de Ciência do Solo. Sociedade Brasileira de Ciência do Solo: Campinas, SP. Valério Filho, M. (1994). Técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto aplicado ao estudo integrado de bacias hidrográficas. In: PEREIRA, M. E.; CRUZ, M. C. P. (org.). Solos altamente suscetíveis a erosão, UNESP: Jaboticabal, SP. Wischimeier, W. H.; Smith, D. D. (1978). Predicting rainfall erosion losses a guide to conservation planning. U. S. Departament of Agriculture: Washington.