1 Unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” CAMPUS DE GUARATINGUETÁ BRUNO PAVANELLI ZANELLA MODELAGEM DO APORTE DE SEDIMENTOS APLICADA À BACIA HIDROGRÁFICA CONTRIBUINTE DA PCH COSTA RICA (MS) E PROPOSTA DE MITIGAÇÃO DO ASSOREAMENTO Guaratinguetá 2016 UNESP Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá Guaratinguetá 2016 BRUNO PAVANELLI ZANELLA MODELAGEM DO APORTE DE SEDIMENTOS APLICADA À BACIA HIDROGRÁFICA CONTRIBUINTE DA PCH COSTA RICA (MS) E PROPOSTA DE MITIGAÇÃO DO ASSOREAMENTO Tese apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia. Orientadora: Profª Drª Isabel Cristina de Barros Trannin Guaratinguetá 2016 Z28m Zanella, Bruno Pavanelli Modelagem do aporte de sedimentos aplicada à bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) e proposta de mitigação do assoreamento / Bruno Pavanelli Zanella – Guaratinguetá, 2016. 142 f. : il. Bibliografia : f. 128-142 Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2016. Orientadora: Profª Drª Isabel Cristina de Barros Trannin 1. Usinas hidrelétricas 2. Sedimentologia 3. Métodos de simulação I. Título CDU 621.311.21(043) DADOS CURRICULARES BRUNO PAVANELLI ZANELLA NASCIMENTO 11.01.1984 – SÃO JOSÉ DOS CAMPOS / SP FILIAÇÃO José Juarez Zanella Elena Aparecida Pavanelli Zanella 2004/2008 Curso de Graduação em Engenharia Ambiental Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho 2009/2011 Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho 2011/2012 Especialização em Engenharia de Segurança do Trabalho Universidade de Taubaté 2012/2016 Doutorado em Engenharia Mecânica Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho de modo especial, aos meus pais, Elena e Juarez que sempre me apoiaram, aos meus irmãos, avós e a minha noiva Eliane Barreto. AGRADECIMENTOS A Deus, por me acompanhar nessa jornada e por me dar saúde para vencer os obstáculos; Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UNESP de Guaratinguetá; À Profª. Drª. Isabel Cristina de Barros Trannin pela orientação, pelos conhecimentos compartilhados e pelos ensinamentos; Ao Prof. Dr. Silvio Jorge Coelho por compartilhar seus conhecimentos; A todos os Professores que passaram pela minha vida e que de alguma forma me serviram de exemplo e dividiram suas experiências e conhecimentos; À ANEEL, EDP e FUNDUNESP na realização do Projeto de P&D. À empresa ANAMBI – Análise Ambiental Ltda. pelo apoio nas coletas hidrossedimentológicas em especial aos seus colaboradores Camila e Thiago. À empresa Viveiro Ravenala Ltda. pelo monitoramento do plantio. Aos amigos envolvidos nesta pesquisa, David, Willian, Celso e Alessandra. À minha mãe Elena e ao meu pai Juarez, pelo exemplo de vida, pela dedicação no meu desenvolvimento pessoal e profissional, por fazerem parte e estarem presentes em todos os momentos da minha vida; Aos meus irmãos Gláucia, Glauco e Maryangela, pela amizade e por estarem presentes para me ajudar e apoiar em todos os momentos; A toda minha família, pelo apoio incondicional, pela compreensão e dedicada atenção, em especial aos meus avos Geny, Célia, José e ao meu avô Vicente, que mesmo longe tem iluminado o meu caminho; Ao meu padrinho Prof. Dr. Carlos Augusto Pavanelli e à minha madrinha Heloísa Helena Carvalho Pavanelli pelos conselhos e carinho. À Eliane Barreto, minha noiva, pelo amor, companheirismo, compreensão e carinho; Aos amigos que cativei ao longo da vida, pela amizade e compreensão. Agradeço em especial aos amigos Danilo Augusto Faria e Marcelo Godoy Rigobello, pelos conselhos e pelo apoio; E a todos os seres que passaram pela minha vida, compartilhando sentimentos, valores, conhecimentos, e que estarão eternamente guardados em minha memória. A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original”. Albert Einstein ZANELLA, B. P. Modelagem do aporte de sedimentos aplicada à bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) e proposta de mitigação do assoreamento. 2016. 142f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2016. RESUMO A avaliação do potencial de produção de sedimentos de uma bacia hidrográfica contribuinte de uma hidrelétrica é de extrema importância para a análise da viabilidade de implantação de uma planta geradora, sobretudo quando se trata de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH), pois o assoreamento pode comprometer a longevidade do empreendimento. Este estudo teve como objetivo aplicar e avaliar modelos de predição de aporte de sedimentos na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no Estado de Mato Grosso do Sul, gerados pelos softwares SWAT e InVEST. A bacia contribuinte desta PCH, com aproximadamente 1.200km², é integrante da bacia do Alto Rio Sucuriú, e apresenta escassez de dados de séries históricas de hidrologia e sedimentologia. A modelagem pelo software SWAT e InVEST permitiu verificar que a produção de sedimentos ocorre em altas taxas na bacia contribuinte desta PCH. A perda total de solo nesta bacia obtida pelo InVEST foi de 19,23 Mg ha-1 ano-1 (2.392.353,10 Mg ano-1), superior em 2,2 vezes o valor gerado pelo software SWAT, de 8,54 Mg ha-1 ano-1 (1.062.402,15 Mg ano-1). O total de sedimentos que efetivamente chega ao canal de adução da PCH Costa Rica estimada pelo InVEST foi de 100.674,20 Mg ano-1 de sedimentos, enquanto o SWAT apresentou um total 10,43 vezes superior (1.049.521,72 Mg ano-1). A diferença obtida entre os dois modelos pode ser atribuída às peculiaridades de cada software, sendo utilizada no InVEST, a relação máxima do aporte de sedimento definida em 80% que não é aplicada no SWAT representa a capacidade máxima de retenção possível em cada célula. A modelagem da perda de solo em bacias hidrográficas realizada pelos softwares SWAT e InVEST mostrou-se promissora, com elevada correlação entre si e com o Método de Einsten Modificado. Estes sedimentos são carreados e se acumulam nos cursos d’água, gerando problemas operacionais para esta PCH, que necessita de dragagem constante para permitir o funcionamento do empreendimento, gerando custos que não foram previstos na concepção do projeto. Diante deste cenário foi proposta a recomposição vegetal das áreas degradadas por processos erosivos intensos, com a utilização de biotecnologia, em sistema de plantio direto de espécies nativas do Cerrado em consórcio com leguminosas inoculadas com rizóbio. A simulação do InVEST para o cenário futuro com recomposição vegetal de 13,78 km2 das APPs hídricas desta bacia gerou uma redução na produção de sedimentos de 6.464,99 Mg ano-1, demonstrando que a adoção de práticas conservacionistas pelos produtores da bacia contribuinte da PCH Costa Rica pode amenizar os processos erosivos, aumentar a capacidade produtiva dos solos e diminuir os custos desta hidrelétrica com o desassoreamento do canal de adução. Palavras-Chave: Hidrelétricas, Produção de sedimentos, SWAT, InVEST, Hidrossedimentologia. ZANELLA, B. P. Modeling of sediment delivery applied to the watershed of SHP Costa Rica (MS) and a siltation mitigation proposal. 2016. 142f. Thesis (Doctor in Mechanical Engineering) Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2016. ABSTRACT The evaluation of sediment production potential in a hydroelectric watershed is extremely important for the deployment of assessing the feasibility of a generating plant, especially in the case of a Small Hydroelectric Plant (SHP) because the sediment deposition may compromise the longevity of the project. This study aimed to implement and evaluate sediment delivery prediction models in the watershed of SHP Costa Rica in the state of Mato Grosso do Sul, generated by SWAT and InVEST software. The basin of this SHP, with approximately 1.200km², is an upper portion of the Sucuriú river basin and presenting scarcity of data time series of hydrology and sedimentology. Modeling by SWAT and InVEST software has shown that the production of sediments occurs at high rates in the basin of this SHP. The total soil losses in watersheds of this SHP obtained by InVEST was 19,23 Mg ha-1 ano-1 (2392353,10 Mg ano-1), higher than the value obtained by SWAT software with 8,54 Mg ha-1 ano-1 (1062402,15 Mg ano-1). The sediment that reaches the adduction channel of SHP Costa Rica estimated by InVEST is 100,674.20 Mg year-1 of sediments, while the SWAT has a total 10.43 times higher (1.049.521,72 Mg ano-1). The difference obtained between the two models can be attributed to the peculiarities of each software being used in InVEST, the maximum ratio of sediment contribution set at 80% which is not applied in SWAT is the maximum capacity possible retention in each cell. The modeling of soil loss in river basins performed by SWAT and InVEST software proved promising, with high correlation with each other and the method of Modified Einstein. These sediments are carried and accumulate in streams, creating operational problems for SHP Costa Rica, which requires dredging to allow operation, and generates costs that were not anticipated in the initial project. In this scenario was proposed a plant recovery of degraded areas with the use of biotechnology in no-tillage system of native Cerrado species intercropped with legumes inoculated with Rhizobium. The simulation of InVEST for future scenario with plant recovery of 13.78 km2 of hydric permanent preservation areas in the SHP Costa Rica basin generated a reduction of 6464.99 Mg year-1 in the total loss of sediment in small watersheds. The adoption of conservation practices by farmers of the SHP Costa Rica basin can mitigate the erosive processes, increase the productive capacity of soils and reduce the costs of this hydropower plant with dredging in the adduction channel. Keyword: Hydroelectric plants, Production of sediments, SWAT, InVEST, Hydro-sedimentology. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Variações entre a velocidade média de um curso d’água (cm s-1) e o tamanho das partículas (mm) e suas relações com os grandes grupos de processos fluviais. ..................... 23 Figura 2 – a. Localização da área de interesse no Brasil. b. Localização da área de interesse no Estado de Mato Grosso do Sul. ......................................................................................... 32 Figura 3 – Geologia correspondente à região da área de estudo no município de Costa Rica (MS) ........................................................................................................................................ 34 Figura 4 – Pedologia correspondente à região da área de estudo no município de Costa Rica (MS). ....................................................................................................................................... 35 Figura 5 – Distribuição dos pontos de amostragem na bacia hidrográfica do Rio Sucuriú, contribuinte da PCH Costa Rica (MS). .................................................................................. 38 Figura 6 – Planilha de cálculo da descarga sólida total para o Ponto 2 (P2), localizado no exutório do Ribeirão São Luis, na bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS) ................... 44 Figura 7 – Representação esquemática dos dados empregados para a estimativa de perda de solo por erosão utilizando o programa InVEST ..................................................................... 46 Figura 8 – Plataforma de conectividade entre operador e computador utilizada pelo software InVEST ................................................................................................................................... 48 Figura 9 – Modelo digital de elevação do terreno (DEM) para a área de estudo. .................. 49 Figura 10 – Mapa do Brasil com as equações empregadas e suas respectivas regiões de abrangência para o cálculo da erosividade ............................................................................. 51 Figura 11 – Mapa de uso e ocupação do solo para o ano de 2011 com base na imagem de satélite do Landsat. ................................................................................................................. 54 Figura 12 – Representação esquemática dos dados empregados para a estimativa de perda de solo por erosão utilizando o programa SWAT. ...................................................................... 59 Figura 13 – Vazões obtidas nos pontos amostrados nas estações chuvosas e de estiagem dos anos de 2012 e 2013, na bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS). ................................. 62 Figura 14 – Descarga sólida total dos diferentes pontos de amostragem da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS). .................................................................................. 63 Figura 15 – Região de cabeceira a montante do ponto de coleta número 16 com grandes áreas destinadas à agroindústria na produção de sementes de soja ........................................ 64 Figura 16 – Concentrações de sólidos em suspensão obtidas nas estações chuvosa e de estiagem nos anos de 2012 e 2013 na bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS) e os limites estabelecidos por Carvalho et al. (2000). ................................................................... 65 Figura 17 – Granulometria dos sólidos em suspensão, obtida nos 16 pontos amostrais da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) na estação chuvosa de 2012 (a) e 2013 (b). ................................................................................................................................. 66 Figura 18 – Granulometria dos sedimentos em suspensão, obtida nos 16 pontos amostrais da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) na estação de estiagem de 2012 (a) e 2013 (b) ................................................................................................................................ 67 Figura 19 – Granulometria dos sólidos de fundo, obtida nos 16 pontos amostrais da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS), na estação chuvosa de 2012 (a) e 2013(b). .................................................................................................................................. 68 Figura 20 – Granulometria dos sólidos de fundo, obtida nos 16 pontos amostrais da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS), no período de estiagem de 2012 (a) e 2013(b). .................................................................................................................................. 69 Figura 21 – Relação entre as variações da velocidade média de um curso d’água (cm s-1) e o tamanho das partículas de sedimentos (mm) e os processos fluviais. Em destaque, os valores máximos e mínimos de velocidade média de fluxo dos cursos d’água da bacia contribuinte da PCH Costa Rica nos períodos chuvosos e de estiagem de 2012 e 2013. ........................... 72 Figura 22 – Erosividade anual média para o Brasil. ............................................................... 76 Figura 23 – Erosividade media anual para o Estado de Mato Grosso do Sul......................... 77 Figura 24 – Mapa pedológico da bacia contribuinte da PCH Costa Rica/MS. ...................... 79 Figura 25 – Mapa raster com os valores de erodibilidade (fator K) para cada tipo de solo da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) ..................................................... 81 Figura 26 – Mapa raster do fator LS para a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica. ........................................................................................................................................ 82 Figura 27 – Detalhamento de áreas suscetíveis à erosão pela análise do fator topográfico (LS) na bacia contribuinte da PCH Costa Rica. ..................................................................... 83 Figura 28 – Comparativo das áreas suscetíveis à erosão pela análise do fator topográfico (LS) com o mapa de erodibilidade dos solos da bacia contribuinte da PCH Costa Rica. ...... 84 Figura 29 – Mapa raster de declividade do terreno para a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica gerado pelo software InVEST. .................................................................... 85 Figura 30 – Localização do cinturão de processos erosivos no mapa geológico da bacia hidrográfica do Alto Rio Sucuriú (MS). ................................................................................. 86 Figura 31 – Mapa da produção de sedimentos em Mg ha-1 ano-1, nas sub-bacias que compõem a bacia contribuinte da PCH Costa Rica, geradas pelo software InVEST. ............ 92 Figura 32 – Áreas susceptíveis aos processos erosivos considerando o fator topográfico (LS) e a erodibilidade dos solos (Fator K) e a modelagem da produção anual de sedimentos na bacia contribuinte da PCH Costa Rica. .................................................................................. 93 Figura 33 – Microbacias com diferenças superiores a 15 Mg ha-1 ano-1 nas taxas de perda de solo geradas pelos modelos do SWAT e do InVEST para as 149 microbacias. .................... 99 Figura 34 – Dispersão dos dados de perda de solo obtidos pelos softwares SWAT e InVEST para as 149 microbacias que compõem a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS). ..................................................................................................................................... 100 Figura 35 – Voçoroca a montante da PCH Costa Rica, inserida no cinturão de quebra geomorfológica da topografia com o desprendimento de grandes blocos de solo. .............. 101 Figura 36 – Vista geral de uma voçoroca à montante da PCH Costa Rica/MS ................... 104 Figura 37 – Imagem de satélite com destaque para o cinturão de processos erosivos e outras frentes de erosão em direção às áreas agrícolas ................................................................... 105 Figura 38 – Mapa de uso e ocupação do solo da bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS) em 2011(a) e em cenário futuro, adotando a recomposição vegetal das áreas de preservação permanente (APPs), conforme Código Florestal - Lei Federal 12.651/2012 (b). ................ 106 Figura 39 – Localização da área destinada à implantação do projeto modelo de recomposição vegetal na cabeceira da principal e mais antiga voçoroca identificada à montante da PCH Costa Rica (MS). ..................................................................................... 112 Figura 40 – Preparação dos inoculantes, por meio da multiplicação em meio líquido YM, contendo estirpes de rizóbio específicas para leguminosas nativas do Cerrado, fornecidas pela Embrapa Agrobiologia/Seropédica (RJ). ...................................................................... 116 Figura 41 – Inoculação das sementes de leguminosas com as estirpes específicas de rizóbio utilizando o meio líquido YM na diluição 10-7 e, no caso das sementes de Canavalia e de Ormosia, meio YM misturado à turfa esterilizada. .............................................................. 116 Figura 42 – Área experimental à montante da voçoroca do município de Costa Rica (MS). .............................................................................................................................................. 117 Figura 43 – Parcela experimental 1: tratamento controle – sem plantio de espécies nativas. .............................................................................................................................................. 118 Figura 44 – Parcela experimental 2: espécies nativas do Cerrado consorciadas com leguminosas não inoculadas com rizóbio. ............................................................................ 118 Figura 45 – Parcela experimental 3: espécies nativas do cerrado não consorciadas com leguminosas. ......................................................................................................................... 119 Figura 46 – Parcela experimental 4: espécies nativas do cerrado consorciadas com leguminosas inoculadas com rizóbio específico. .................................................................. 119 Figura 47 – Limpeza da área para implantação das parcelas experimentais na cabeceira da voçoroca do município de Costa Rica (MS), preservando as espécies nativas remanescentes do Cerrado, nas parcelas experimentais. .............................................................................. 120 Figura 48 – Delimitação das parcelas experimentais na região à montante, na cabeceira da voçoroca do município de Costa Rica (MS), respeitando o nível do terreno. ...................... 120 Figura 49 – Esquema do espaçamento adotado nos plantios das áreas experimentais......... 121 Figura 50 – Abertura das covas com 10 cm de profundidade e espaçadas de 2m x 3m, para semeadura das espécies leguminosas e não leguminosas nativas do Cerrado nas parcelas experimentais implantadas à montante da voçoroca do município de Costa Rica (MS). .... 122 Figura 51 – Semeadura das espécies leguminosas e nãoleguminosas, nativas do Cerrado, nas parcelas experimentais no entorno da voçoroca do município de Costa Rica (MS). ........... 122 Figura 52 – Trabalhos executados pela empresa “Viveiro Ravenala Ltda.”: a) Construção da cerca de proteção da área experimental do projeto de recomposição vegetal implantada na cabeceira da voçoroca do município de Costa Rica (MS), b) Irrigação das parcelas experimentais, c) e d) Acompanhamento do crescimento das sementes de espécies nativas do Cerrado e controle de pragas. ............................................................................................... 123 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Pontos de Amostragem da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS). ....................................................................................................................................... 39 Tabela 2- Principais fórmulas para cálculo da descarga sólida de arrasto e de material do leito apresentadas por Stevens e Yang (1989). ....................................................................... 41 Tabela 3- Dados referentes ao Ponto 2, na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, localizado no exutório do Ribeirão São Luis, utilizados no método de Einstein modificado. ............................................................................................................................. 42 Tabela 4 - Faixas granulométricas do material de leito e em suspensão referente ao Ponto 2, da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no exutório do Ribeirão São Luis. .. 43 Tabela 5 - Banco de dados a ser inserido no software InVEST para a predição da produção e retenção de sedimentos nas sub-bacias que compõem a bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS). .............................................................................................................................. 46 Tabela 6 - Erodibilidade dos solos (Fator K) da Bacia do Alto Paraguai, próxima à região do município de Costa Rica (MS). .............................................................................................. 52 Tabela 7 - Classes de uso do solo da bacia do Alto rio Sucuriú, à montante do reservatório da PCH Costa Rica, em 2011, expressos em km2 e porcentagem. ......................................... 54 Tabela 8 - Uso do solo (Fator C) da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas classes de usos. ....................................................................................................................... 56 Tabela 9 - Uso do solo (Fator C) da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas classes de uso. ......................................................................................................................... 56 Tabela 10 - Fator P da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas práticas conservacionistas adotadas. .................................................................................................... 56 Tabela 11 - Dimensionamento da Área de Preservação Permanente (APP). ......................... 60 Tabela 12 - Velocidade média da seção do curso d’água amostrada nos locais de coleta para as 4 campanhas realizadas no período chuvoso e seco de 2012 e 2013. ................................ 71 Tabela 13 - Descarga sólida total dos 16 pontos amostrados na bacia contribuinte da PCH Costa Rica, calculada pelo método de Einstein Modificado nas estações chuvosas e de estiagem de 2012 e 2013. ....................................................................................................... 73 Tabela 14 - Tabulação dos valores calculados para a erosividade (Fator R) da bacia hidrográfica da PCH Costa Rica/MS. ..................................................................................... 74 Tabela 15 - Classes de erosividade (Fator R). ........................................................................ 78 Tabela 16 - Classes de erodibilidade (Fator K). ..................................................................... 80 Tabela 17 - Fator K para os solos da área de estudo, com base no Plano de Conservação da Bacia do Alto Paraguai. .......................................................................................................... 80 Tabela 18 - Valores estabelecidos para a tabela biofísica de cada classe de uso e ocupação do solo, considerando as práticas conservacionistas e de manejo do solo. ................................. 87 Tabela 19 - Produção de sedimento, por microbacias hidrográficas a montante da PCH Costa Rica, gerados por meio do software InVEST. ........................................................................ 87 Tabela 20 - Classe de interpretação para expectativa de perda de solo. ................................. 93 Tabela 21 - Modelagem da perda de solo das 149 microbacias que compõem a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS) pelos softwares SWAT e InVEST. ....... 94 Tabela 22 - Produção de sedimentos estimada pelo método de Einstein modificado e pelos softwares InVEST e SWAT, no exutório das 16 sub-bacias que compõem a bacia contribuinte da PCH Costa Rica amostradas nas 4 campanhas hidrossedimentológicas. .... 102 Tabela 23 - Uso do solo da bacia contribuinte da PCH Costa Rica, em 2011 e em cenário futuro, com revegetação das APPs, conforme descrito na Lei Federal 12.651/2012. .......... 107 Tabela 24 - Aporte de sedimentos pelas sub-bacias que compõem a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, modelada pelo software InVEST, para o uso do solo em 2011 e em cenário futuro, com a revegetação das APPs. ..................................................... 107 Tabela 25 - Espécies nativas que podem ser introduzidas na recuperação de áreas degradadas e revegetação no Estado do Mato Grosso do Sul, conforme comunicado técnico da Embrapa, no 75. ..................................................................................................................................... 113 Tabela 26 - Leguminosas nativas do Cerrado e respectivos inoculantes a base de rizóbio específico. ............................................................................................................................. 115 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Associação Brasileira de Normas Técnicas Agência Nacional de Águas Agência Nacional de Energia Elétrica Áreas de Preservação Permanente Cadastro Ambiental Rural do Mato Grosso do Sul Conselho Nacional do Meio Ambiente Serviço Geológico do Brasil Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária Empresa de Pesquisa Energética Fundação para o Desenvolvimento da UNESP Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Land Use/Land Cover Modelo Digital de Elevação Equação Universal de Perda de Solo Modificada Norma Brasileira (Aprovada pela ABNT) Plano de Conservação da Bacia do Alto Paraguai Pequena Central Hidrelétrica Relatório de Impacto Ambiental Secretaria de Estado de Meio Ambiente, das Cidades, do Planejamento, da Ciência e Tecnologia (MS) Serviço Nacional de Aprendizagem Comercial Secretaria de Estado de Planejamento (MS) Sistema de Informações Geográficas Sistema Nacional de Informação sobre Meio Ambiente Secretaria de Meio Ambiente do Estado de São Paulo Sistema de Plantio Direto Superintendência de Meio Ambiente e Recursos Hídricos (Extinta) Soil and Water Assessment Tool Equação Universal de Perda de Solo ABNT ANA ANEEL APPs CAR-MS CONAMA CPRM EMBRAPA EPE FUNDUNESP IBGE INCRA InVEST LULC MDE MUSLE NBR PCBAP PCH RIMA SEMAC SENAC SEPLAN SIG SINIMA SMA SPD SUPEMA SWAT USLE SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 19 2 OBJETIVOS .................................................................................................................. 21 2.1 OBJETIVO GERAL ................................................................................................ 21 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 21 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................... 22 3.1 PROCESSOS EROSIVOS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS ............................... 22 3.2 ASSOREAMENTO DE RESERVATÓRIO DE HIDRELÉTRICAS ..................... 24 3.3 MODELAGEM DA PREDIÇÃO DO APORTE DE SEDIMENTOS ..................... 26 3.3.1 Aplicação do SWAT na predição do aporte de sedimentos ................................. 26 3.3.2 Aplicação do InVEST na predição do aporte de sedimentos ............................... 28 3.3.3 Características das equações de perda de solo – USLE e MUSLE ..................... 30 4 MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 32 4.1 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO .................................................... 32 4.1.1 Geologia ............................................................................................................... 33 4.1.2 Pedologia ............................................................................................................. 34 4.1.3 Geomorfologia ..................................................................................................... 36 4.1.4 Vegetação do Estado de Mato Grosso do Sul. ..................................................... 36 4.2 LEVANTAMENTOS HIDROSSEDIMENTOLÓGICO ........................................ 37 4.2.1 Determinação de descarga líquida (vazão) ......................................................... 39 4.2.2 Determinação da concentração de sedimentos em suspensão............................. 39 4.2.3 Medição de descarga de fundo............................................................................. 40 4.3 PREDIÇÃO QUANTITATIVA DO APORTE DE SEDIMENTOS ....................... 41 4.3.1 Método de Einstein modificado ............................................................................ 42 4.3.2 Metologia utilizada pelo modelo InVEST ............................................................ 45 4.3.3 Metologia utilizada pelo modelo SWAT ............................................................... 58 4.3.4 Comparação entre os métodos de predição de aporte de sedimentos ................. 59 4.4 PROPOSTA PARA A MITIGAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS E ÁREAS DE PRESERVAÇÃO PERMANENTE (APP) ......................................................................... 60 4.4.1 Plantio nas áreas destinadas a recomposição vegetal ........................................ 61 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 62 5.1 RESULTADOS DOS ESTUDOS HIDROSSEDIMENTOLÓGICOS .................... 62 5.1.1 Descarga líquida (vazão) ..................................................................................... 62 5.1.2 Descarga sólida total ........................................................................................... 63 5.1.3 Concentrações de sólidos em suspensão .............................................................. 64 5.1.4 Granulometria dos sólidos em suspensão do Alto rio Sucuriú ............................ 65 5.1.5 Granulometria dos sólidos de fundo .................................................................... 68 5.2 DESCARGA SÓLIDA TOTAL – MÉTODO DE EINSTEIN MODIFICADO ....... 73 5.3 DESCARGA SÓLIDA TOTAL - SOFTWARE INVEST ........................................ 74 5.3.1 Índice de erosividade das chuvas (Fator R)......................................................... 74 5.3.2 Índice de erodibilidade dos solos (Fator K) ........................................................ 78 5.3.3 Comprimento de rampa e declividade do terreno (Fator LS) .............................. 82 5.3.4 Elaboração da tabela biofísica correspondente às classes de uso e ocupação de solo ..............................................................................................................................86 5.3.5 Valores da descarga sólida total - softaware InVEST ......................................... 87 5.4 MODELAGEM DA PRODUÇÃO DE SEDIMENTOS - SWAT E INVEST .......... 94 5.5 APORTE DE SEDIMENTOS - EINSTEIN MODIFICADO X SWAT X INVEST 101 5.6 PERDA DE SOLO DA BACIA CONTRIBUINTE DA PCH COSTA RICA EM CENÁRIO FUTURO - INVEST. ...................................................................................... 106 5.7 PROPOSTA DE RECOMPOSIÇÃO VEGETAL DE ÁREAS DEGRADADAS COM UTILIZAÇÃO DE BIOTECNOLOGIA ................................................................. 112 5.7.1 Seleção de espécies nativas do cerrado ............................................................. 113 5.7.2 Produção de inoculantes .................................................................................... 115 5.7.3 Implantação das parcelas experimentais na cabeceira da voçoroca à montante da PCH Costa Rica (MS) .............................................................................................. 117 5.7.4 Monitoramento da área experimental à montante da voçoroca de Costa Rica. 122 6 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 125 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................... 127 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 128 19 1 INTRODUÇÃO A contribuição das hidrelétricas na geração de energia é importante para as regiões tropicais, devido à grande disponibilidade de recursos hídricos. O Brasil é um dos países que apresentam elevado potencial de aproveitamento de recursos hídricos para a geração de energia elétrica (ANEEL, 2002). De acordo com os dados do Balanço Energético Nacional, em 2011 a energia hidráulica contribuiu com 81,8% da matriz energética nacional, com uma queda na contribuição para 76,9% em 2012, para 70,6% em 2013 e novamente redução para 65,2% em 2014, apesar disso, a hidroeletricidade continua sendo a principal fonte energética brasileira (EPE, 2013; EPE, 2015). No ano de 2014, a capacidade total instalada de geração de energia elétrica do Brasil atingiu 133.914 MW, ou seja, uma elevação na capacidade instalada de 7.171 MW. Nesta expansão, as hidrelétricas contribuíram com 44,3%, enquanto que as termoelétricas responderam por 18,1% deste aumento. Por fim, as usinas eólicas e solares foram responsáveis pelos 37,6% restantes de aumento da capacidade nacional (EPE, 2015). O uso de energia no Brasil, em 2014, tem seu maior consumidor o setor industrial com consumo de 32,9 %, seguido pelo setor de transporte com 32,5%, o setor energético com 10,3%, residências com participação em 9,3%, de serviços com 4,7% e agropecuária com 4,2%. Sendo que em relação a 2013, o ano de 2014 apresentou aumento no consumo de energia de 260,2 Mtep para 265,9 Mtep (EPE, 2015). Embora a riqueza em recursos hídricos do Brasil, seja estimada em 12% de toda a água doce do mundo, o clima típico de regiões tropicais, com chuvas intensas no verão, causam a erosão e, consequentemente, o assoreamento dos reservatórios, impactando de forma negativa o desempenho na produção de energia de grande parte das hidrelétricas brasileiras. O processo de assoreamento dos cursos d’água pode gerar diminuição da eficiência energética e reduzir a vida útil dos reservatórios das usinas hidrelétricas. Além disso, o assoreamento pode causar abrasão dos canais de fuga e das pás das turbinas e a formação de bancos de areia pode interferir na navegação e, em alguns casos, causar a obstrução da tomada de água (MIRANDA, 2011). A recuperação dos cursos d’águas e dos reservatórios de hidrelétricas, além das áreas contribuintes dos recursos hídricos impactados por processos erosivos se faz necessário a 20 fim de garantir a demanda energética brasileira. Porém a reconstrução de um ecossistema necessita de uma abordagem técnica e uma análise dos fenômenos e processos envolvidos. Neste estudo foram aplicados e avaliados os softwares SWAT e InVEST para a modelagem do aporte de sedimentos da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no Estado do Mato Grosso do Sul, na região Centro-Oeste do Brasil. Essa bacia hidrográfica apresenta escassez de dados de séries históricas de hidrologia e sedimentologia, o que caracteriza a realidade brasileira e limita a obtenção de resultados com elevado grau de confiabilidade por softwares que exigem estes dados. Os conhecimentos gerados pela avaliação da aplicabilidade destes softwares em cenário de escassez de séries históricas de dados de entrada, como ocorre no Brasil, poderá contribuir técnica e cientificamente para o aperfeiçoamento destes modelos com o intuito de indicar regiões com processos erosivos e orientar o poder público na aplicação de recursos públicos, a fim de minimizar o impacto ambiental destes processos nas bacias hidrográficas. 21 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL O objetivo geral deste estudo foi avaliar a aplicação de softwares na modelagem do aporte de sedimentos em cursos d’água da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no Estado do Mato Grosso do Sul e propor metodologia para a mitigação de áreas degradadas por processos erosivos acelerados, visando à diminuição do assoreamento e o aumento na geração de energia desta hidrelétrica. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Os objetivos específicos foram: - Obter dados hidrológicos e hidrossedimentológicos da bacia hidrográfica de contribuição da PCH Costa Rica, em trechos estratégicos e no exutório das microbacias que compõem essa rede de drenagem; - Estimar o potencial de aporte de sedimentos em cada ponto amostrado, considerando os dados hidrossedimentológicos, obtidos pelo método de Einstein modificado; - Modelar e quantificar o potencial de aporte de sedimentos da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica pelo software livre, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) e compará-lo ao fornecido pelo software Soil and Water Assesment Tool (SWAT) e aos dados obtidos pelo método de Einstein modificado; - Avaliar por meio do software InVEST o potencial de retenção de sedimentos na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, com a recomposição vegetal das áreas de preservação permanente (APPs) hídricas; - Propor metodologia para a mitigação das APPs hídricas da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, visando à redução do aporte de sedimentos e o assoreamento dos cursos d’água. 22 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 PROCESSOS EROSIVOS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS De acordo com Carvalho (1994), os processos responsáveis pela sedimentação são muito complexos, abrangendo a erosão e o deslocamento das partículas pelo escoamento superficial e outros mecanismos até um curso d’água, por meio do transporte deste sedimento no rio, sua deposição na própria calha, lagos e reservatórios e posterior compactação. Este autor destaca que todos os fenômenos relacionados à produção de sedimentos são processos naturais, que ocorrem ao longo dos tempos geológicos e são responsáveis pela forma atual da Terra. Em uma bacia hidrográfica, a erosão é determinada pela separação e remoção de partículas da rocha e do solo pela ação da água (erosão hídrica), vento (erosão eólica) ou outros agentes presentes neste processo. Naturalmente, com a energia do impacto da gota de chuva no solo e escoamento das águas (erosão hídrica), as partículas são removidas do solo, causando os processos erosivos. E, desta forma, verifica-se que a erosão é mais intensa quanto menor a proteção do solo contra o impacto das gotas de chuvas (CARVALHO, 1994). Silva et al. (2007) descreveram a erosão hídrica como erosão laminar, caracterizada pela remoção de uma fina camada de solo causada pela precipitação pluvial e escoamento superficial; a erosão linear pela formação de canais com frequência e dimensões variáveis entre 0,5m e 25m de profundidade; os deslizamentos pela ocorrência de deslizamento coletivo do solo e fragmentos rochosos por ação da gravidade em períodos chuvosos; e erosão fluvial que ocorre de modo contínuo e espontâneo pela ação das correntes dos rios. As variações entre a velocidade média de um curso d’água e o tamanho das partículas (sedimentos) e suas relações com os grandes grupos de processos fluviais foi apresentado por Hjulstrom (1935) apud Christofoletti (1981) na Figura 1. Nesta Figura 1 é possível analisar a variação de velocidade de um curso d’água e sua capacidade de arraste de partículas. Verifica-se que os fenômenos de transporte e erosão de partículas grosseiras necessitam de uma maior velocidade d’água para sua ocorrência, enquanto que uma menor velocidade do curso d’água favorece a deposição de partículas no leito. 23 Figura 1 – Variações entre a velocidade média de um curso d’água (cm s-1) e o tamanho das partículas (mm) e suas relações com os grandes grupos de processos fluviais. Fonte: (Hjulstrom,1935 apud Christofoletti, 1981). Segundo Carvalho (1994), os processos erosivos sofrem influência de agentes passivos como a topografia, a gravidade, o tipo de solo, as formações superficiais e também de ações antrópicas. A topografia está relacionada à declividade e o comprimento de rampa do terreno; a gravidade ao deslocamento de grandes porções de solo, com favorecimento pelo aumento da declividade; o tipo de solo é um fator de grande importância, sendo que solos arenosos apresentam pouca resistência à força de arraste e solos argilosos, mais coesos, impedem a infiltração; a cobertura do solo o protege da erosão causada pelo impacto das gotas de chuva, aumenta a infiltração e diminui o escoamento superficial e; as ações antrópicas têm influência no tipo e intensidade dos processos erosivos. A topografia do terreno, em relação ao seu comprimento de rampa e declividade, exerce grande influência sobre os processos erosivos. Segundo Bertoni e Lombardi Neto (2014), o tamanho e a quantidade dos sedimentos em suspensão que são arrastados pela água variam com a velocidade em que ocorre o escoamento superficial que, por sua vez, depende do comprimento de rampa e do valor da declividade do terreno. Bertoni (1959) verificou que uma área com grande declividade (20%) e pequeno comprimento de rampa (20 metros) tem a mesma taxa de perda de solo que uma área com 24 menor declividade (1%) e maior comprimento de rampa (180 metros), nas mesmas condições de conservação, tipo de solo, cobertura e precipitação. De acordo com Silva et al. (2007), o fator cobertura do solo é de grande importância na prevenção e controle da erosão e dos agravamentos do processo erosivo. Os autores citam que, sob condições naturais, as copas das árvores, a vegetação de sub-bosque e, principalmente, a serrapilheira, diminuem a energia cinética das gotas da chuva e, consequentemente, o impacto direto sobre as partículas do solo, que desencadeia o processo erosivo. 3.2 ASSOREAMENTO DE RESERVATÓRIO DE HIDRELÉTRICAS De acordo com os dados do Balanço Energético Nacional, mesmo com a redução na geração de energia hidráulica no período de 2011 a 2014, a hidroeletricidade continua sendo a principal fonte energética brasileira, com 65,2% de participação na matriz energética nacional (EPE, 2015). A construção de uma central de geração hidrelétrica apresenta inúmeros fatores positivos, como a geração energética por fontes renováveis e a minimização de fontes poluidoras, quando comparada às demais alternativas de geração. Porém, sua instalação acarreta impactos ambientais e sociais, considerados pela Resolução CONAMA nº 1, de 23 de janeiro de 1986, em seu artigo 2o, inciso VII, que determina que o licenciamento de atividades modificadoras do meio ambiente, como obras hidráulicas para exploração de recursos hídricos, para fins hidrelétricos, acima de 10MW dependem de Avaliação de Impactos Ambientais. Entre os impactos ambientais associados à construção de uma usina hidrelétrica está a retenção de sólidos nos reservatórios, apresentada nos Relatórios de Impacto Ambiental (RIMA) das Usinas de Jirau e Santo Antônio (RIMA, 2005) e no da Usina de Belo Monte (RIMA, 2009), sendo indicada para a Usina de Belo Monte, a implantação de um programa de proteção e recuperação de áreas de preservação permanente (APPs), para minimizar o assoreamento do reservatório. Carvalho (1994) destaca que a erosão é mais intensa quanto menor for a proteção do solo, o que comprova a influência do uso e ocupação do solo sem adoção de práticas conservacionistas, na aceleração de processos erosivos em uma determinada região. De acordo com Carvalho et al. (2000), no momento em que o curso d’água principal atinge a 25 área de influência do reservatório ocorre uma redução na sua velocidade e, consequentemente, a minimização da energia de carreamento, o que favorece a deposição de sedimentos. A avaliação do impacto ambiental, obrigatória para o licenciamento de hidrelétricas com geração de energia superior a 10 MW, considera o assoreamento de reservatórios como um dos impactos ambientais associados ao barramento. Neste aspecto, Coiado (2001) relata que o reservatório, independentemente de seu dimensionamento ou do uso proposto, reterá sedimentos carreados pelos cursos d’água. Miranda et al. (2013) avaliaram a influência do assoreamento na capacidade de armazenamento do reservatório da usina hidrelétrica Três Irmãos, no Estado de São Paulo, e verificaram que, desde a implantação do projeto, em 1976 até o levantamento batimétrico realizado em 2008, o assoreamento reduziu o volume total deste reservatório em 14,3% (1909,62 106 m3). Maia (2006) verificou a redução em 4,14% do volume útil do reservatório de Promissão, localizado no Médio Tietê (SP), no período de 30 anos (diminuição de 2146,62 hm3, em 1975, para 2057,82 hm3, em 2005). Carvalho, Guilhon e Trindade (2000) realizaram um estudo sedimentológico do projeto básico do reservatório da usina hidrelétrica Itiquira, no estado do Mato Grosso e verificaram que, considerando a descarga sólida total medida, a vida útil do reservatório seria de 12 anos. No entanto, quando consideraram a evolução do transporte de sólidos ao longo do tempo, com o aumento anual de 16%, a vida útil deste reservatório reduziria para 8 anos, em consequência do assoreamento. Aguiar (2009), por meio de análises hidrogeomorfológicas e hidrossedimentológicas, comparou o aporte de sedimentos em suspensão em duas bacias hidrográficas, formadas pelo Rio Iguatemi, localizado no sul do Estado de Mato Grosso do Sul e pelo Rio Piquiri, localizado no Estado do Paraná, ambas contribuintes do reservatório da usina hidrelétrica de Itaipu. Este autor verificou que, embora a bacia do Rio Iguatemi apresentasse descarga líquida e área de drenagem inferior à bacia do Rio Piquiri, sua produção diária de sólidos em suspensão (Mg km-2 dia-1) era quatro vezes superior à do Rio Piquiri, caracterizando a suscetibilidade das bacias hidrográficas do Estado do Mato Grosso do Sul aos processos erosivos e, consequentemente, ao assoreamento dos cursos d’água. 26 3.3 MODELAGEM DA PREDIÇÃO DO APORTE DE SEDIMENTOS Os modelos de predição de aporte de sedimentos, tais como o HEC-RAS, SED2D WES, MIKE21-ST, InVEST, SWAT e WEPP, têm sido muito utilizados na quantificação dos sedimentos gerados em bacias hidrográficas, considerando a erodibilidade dos solos, a erosividade da chuva, o uso e ocupação do solo na bacia e outras características do meio físico. Existem muitos softwares que podem ser aplicados à modelagem do processo de transporte de sedimentos e nutrientes em bacias hidrográficas e que diferem quanto à complexidade, necessidade de dados de entrada, requisitos, processos e maneira como são representados, a escala do seu destino e os tipos de informações de saída que eles fornecem (MERRITT et al., 2003). De acordo com Merritt et al. (2003), em geral, os modelos se enquadram em três categorias principais, dependendo dos processos físicos simulados pelo modelo, dos algoritmos dos processos que o modelo descreve e da dependência de dados do modelo, podendo ser: 1) Empírico/estatístico/métrico; 2) Conceitual e; 3) Físico e, são propensos a conter módulos referentes a cada uma das características citadas. 3.3.1 Aplicação do SWAT na predição do aporte de sedimentos A modelagem realizada pelo software Soil and Water Assesment Tool (SWAT) tem como base a Equação Modificada de Perda de Solo (MUSLE) (WILLIAMS; BERNDT, 1977) e resulta em uma análise global, necessitando, para isso, de uma diversidade de informações, a fim de executar seus cálculos computacionais. Muitos dos dados de entrada são usados para simular características especiais, que não são comuns a todas as bacias hidrográficas (NIETSCH, 2002). Segundo Arnold et al. (1998) o SWAT pode ser caracterizado como um modelo operacional ou conceitual, que opera em passo diário e tem como objetivo prever o impacto da gestão de uma bacia hidrográfica sobre a quantidade de água, de sedimentos e de subprodutos agrícolas em grandes bacias não instrumentadas. De acordo com estes autores o modelo gerado pelo SWAT apresenta pontos positivos como: 1) não exige calibração; 2) utiliza dados disponíveis para grandes áreas; 3) é computacionalmente eficiente para operar em grandes bacias em um prazo de 27 processamento não muito extenso; e 4) é de tempo contínuo, sendo capaz de simular longos períodos na predição dos efeitos das mudanças nas características da bacia. Arnold et al. (1998) destacam que uma das maiores limitações da modelagem pelo SWAT, quando aplicado a grandes áreas, é a elevada variabilidade da precipitação na área de estudo, uma vez que a modelagem pelo software SWAT considera apenas a quantidade de precipitação e não agrega a intensidade da chuva em seu modelo computacional. No Brasil, a modelagem pelo software SWAT tem sido aplicada na predição do aporte de sedimentos em bacias hidrográficas por vários autores, entre eles, Oliveira et al. (1999); Machado et al. (2003); Barsanti et al. (2003); Marchioro et al. (2011); Conceição et al. (2012) e Carvalho Neto et al. (2014). De acordo com Oliveira et al. (1999), por meio da modelagem com o software SWAT, foi possível quantificar as mudanças nas características hidrossedimentológicas da bacia hidrográfica do rio Joanes, no Estado da Bahia, relacionadas às alterações no uso do solo em vários cenários e avaliar qualitativamente os possíveis impactos destas alterações na zona costeira. Os autores constataram que a retirada da vegetação original aumentou em 5 vezes a produção média anual de sedimentos e a construção de cinco barramentos no rio Joanes reduziu em torno de 18% e 47%, as vazões líquidas e sólidas, respectivamente, à jusante destes barramentos. Machado et al. (2003) simularam cenários alternativos de uso da terra na microbacia do Ribeirão dos Marins, em Piracicaba (SP). No primeiro cenário, o uso atual foi mantido, sendo recuperada com vegetação nativa apenas a faixa de mata ciliar de 30 m em toda a extensão dos cursos d’água e a faixa de 50 m ao redor das nascentes, de acordo com o antigo Código Florestal de 1965. No segundo cenário, as áreas ocupadas por pastagem foram integralmente substituídas por vegetação florestal nativa. Os autores verificaram que no primeiro cenário a redução na produção de sedimentos, em relação ao estado real de uso e ocupação do solo foi de 10,8 % e no segundo cenário, a redução foi de 94%, evidenciando a importância do controle do aporte de sedimentos por meio da recuperação da mata ciliar dos cursos d’água e do incentivo à adoção de práticas conservacionistas. Barsanti et al. (2003) avaliaram os processos erosivos das bacias hidrográfica do rio Taquarizinho (1500 km2) e do rio Aquidauana (15200 km2), na região do Pantanal, no estado do Mato Grosso do Sul, comparando o uso e ocupação do solo no período de 30 anos. Os autores verificaram que nas áreas de pastagem, em situações onde a braquiária estava menos densa, ocorreu aumento da perda de solo, com valores comparáveis aos obtidos em áreas agrícolas. 28 Marchioro et al. (2011) avaliaram a produção média de sedimentos da bacia do córrego Santa Maria, no estado do Rio de Janeiro e verificaram que as áreas com maior produção de sedimentos foram as ocupadas com pastagem associada às declividades entre 25 e 57%, comprimentos de encostas entre 15 e 28 m e às características do Argissolo Vermelho-Amarelo (PVad), Neossolo Litólico (RLve) e Cambissolo Háplico (CXve2). Estes autores recomendaram a recomposição destas áreas com espécies nativas e, nas demais porções da bacia a difusão de práticas de manejo e conservação do solo. Conceição et al. (2012) modelaram a vazão e a carga de sedimentos de uma bacia hidrográfica rural, no estado de Santa Catarina, com alta concentração de suínos. Os autores simularam a ocorrência de períodos chuvosos e secos empregando o software SWAT e constataram que a disposição de dejetos suínos no solo teve pouca influência sobre a produção de sedimentos, que variou de 0,94 a 1,10 Mg ha-1 ano-1. Carvalho Neto et al. (2014) aplicaram o software SWAT na modelagem dos processos erosivos e transporte de sedimentos para diferentes valores do fator de uso e ocupação do Solo (C) da bacia do rio Una, no estado de Pernambuco e estimaram perdas de solo de até 300% superior quando substituíram o valor padrão do software SWAT pelos valores do fator C encontrados na literatura brasileira. Garbossa et al. (2011) avaliaram o emprego do software SWAT para a modelagem no Brasil, no período de 1999 a 2010, e constataram que, para o estado do Mato Grosso do Sul, foi desenvolvido somente o estudo de Barsanti et al. (2003), que utilizaram este software apenas para a determinação de sedimentos em bacias hidrográficas da região. 3.3.2 Aplicação do InVEST na predição do aporte de sedimentos O modelo empírico mais conhecido e utilizado para estimativa de taxas de perda de solo por erosão é a Equação Universal de Perda de Solo (USLE). Este modelo matemático foi desenvolvido em 1954 pelo National Runoff and Soil Loss Data Center, nos Estados Unidos e foi revisado por Wischmeier e Smith (1965), os quais fundamentados pelas pesquisas sobre processos erosivos, acrescentaram informações que possibilitaram estabelecer valores mais próximos dos reais aos fatores do modelo USLE para regiões agrícolas específicas e outras áreas pequenas propensas à erosão. Portanto, a USLE permite que os responsáveis pelo planejamento de uma bacia hidrográfica possam prever a taxa 29 média de erosão do solo para cada combinação de sistemas de cultivo e práticas de gestão com a sua associação a um tipo específico de solo, regime de chuvas e topografia (WISCHMEIER; SMITH, 1978). Segundo informações da Natural Capital Project (2015), o software Integrate Valuation of Enviroment Service Tradeoffs (InVEST) foi desenvolvido pela parceria, em 2007, entre a Universidade de Stanford, a Universidade de Minnesota e The Nature Conservancy e World Wildlife Fund. Saad et al. (2011) apresentaram resultados preliminares da avaliação dos módulos hidrológico e de sedimentos do InVEST, para o Sistema Cantareira, no estado de São Paulo, considerando 4 tipos de uso do solo: 1) pastagem em área total; 2) floresta em área total, 3) o uso do solo atual e, 4) o uso do solo atual com restauração das APPs. Os autores verificaram que a geração de sedimentos foi maior na área de pastagem, sendo que a Equação Universal de Perda de Solo comparada com outros estudos próximos à região (aproximadamente 4 Mg ha-1 ano-1) gerou uma carga de sedimentos superestimada. Porém, mesmo necessitando de alguns ajustes e reformulações nos fatores utilizados, Saad et al. (2011) afirmaram que o software InVEST apresentou um grande potencial de aplicação na avaliação e valoração dos serviços ambientais das bacias hidrográficas brasileiras, sendo uma ótima ferramenta para subsidiar as políticas públicas nas tomadas de decisão de cunho ambiental. Thompson e Fidalgo (2013) modelaram a perda de solos na bacia hidrográfica do rio Guapi-Macacu (RJ), empregando o módulo de estimativa de retenção de sedimentos do software InVEST e concluíram que, embora existam limitações no uso da USLE, o modelo possibilitou a espacialização de classes de perdas de solos com indicações de áreas consideradas mais vulneráveis aos processos erosivos. Estes autores relataram que a principal vantagem do uso deste software é a possibilidade de modelar em um único ambiente computacional, minimizando as possibilidades de erros na conversão dos dados e que sua maior limitação está na dificuldade de obter os dados iniciais de entrada, tais como dados climáticos e físicos da área de interesse. O InVEST também foi utilizado por Conceição (2014) para determinar as áreas prioritárias para a redução e controle da erosão hídrica na bacia do rio Passaúna (PR). Esta modelagem foi uma primeira aproximação da estimativa do potencial de perda de solo e da exportação de sedimentos para os cursos d’água, possibilitando identificar a sub-bacia de maior contribuição de sedimentos para o reservatório e que deveria ser prioritária para as ações de controle da erosão hídrica. Diante dos resultados alcançados esse autor relatou que a ferramenta computacional InVEST se mostrou simples e acessível na simulação da erosão 30 hídrica em bacias hidrográficas. Entretanto, da mesma forma que Thompson e Fidalgo (2013), esse autor ressaltou a grande dificuldade de obtenção dos dados de entrada relativos à USLE. 3.3.3 Características das equações de perda de solo – USLE e MUSLE A Equação Universal de Perda de Solo (USLE) descrita por Wischmeier e Smith (1965) foi modificada por Williams (1975), originando a Equação Universal de Perda de Solo Modificada (MUSLE), sendo o fator relativo à energia da precipitação, substituído pelo fator de escoamento superficial. De acordo com Willians e Berndt (1977), esta modificação possibilitou que a MUSLE se tornasse mais precisa na predição da produção de sedimentos de uma bacia hidrográfica, eliminou a necessidade de relações de transporte de sedimentos e aumentou o potencial de aplicação na análise de eventos individuais de chuvas intensas. As relações de transporte são exigidas pela USLE porque o fator chuva representa a energia necessária para a desagregação das partículas. As relações de transporte não são necessárias na MUSLE porque o fator de escoamento superficial representa a energia necessária para a desagregação e transporte dos sedimentos. Araujo (1997) utilizou técnicas de sensoriamento remoto e de geoprocessamento como suporte aos modelos USLE e MUSLE e afirmou que o geoprocessamento foi, operacionalmente, eficiente nas tarefas de aquisição de parâmetros de entrada, na integração destes parâmetros e nas saídas de cada modelo de predição de produção de sedimentos. Domingos (2006) relacionou o planejamento conservacionista com as perdas de solo por erosão hídrica laminar na bacia dos Córregos Rangel, Penha e Santo Antônio, no estado do Espírito Santo, com área total de 2.400,57 ha. Por meio da utilização da USLE, juntamente com o Sistema de Informações Geográficas (SIG), este autor verificou que a perda de solo nesta bacia, foi da ordem de 2.661 Mg de solo ha-1 ano-1. Neste estudo foi gerado um cenário alternativo de uso do solo, onde se propôs a recuperação de áreas degradadas e a substituição dos usos existentes nas APPs, por mata nativa, visando a diminuição de 9,54% das perdas de solo, o equivalente a 253 Mg de solo ha-1 ano-1, que deixariam de ser carreados para os corpos hídricos. Gómez (2012) desenvolveu um estudo com o objetivo de estimar, por meio da USLE, a produção de sedimentos em todo o território brasileiro. Neste estudo, o autor, observou a pouca sensibilidade desta equação devido, principalmente, ao fator “erosividade” (Fator R). Por outro lado, o fator “cobertura do solo” (Fator C) se mostrou altamente sensível, 31 influenciando as taxas máximas de perda de solo, que variaram de 160 Mg ha-1 ano-1 a 460 Mg ha-1 ano-1. Diante deste resultado, este autor indicou o emprego da equação USLE nas análises das mudanças de uso da terra em escalas regionais e para subsidiar as tomadas de decisão relacionadas ao planejamento e gestão territorial. 32 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO O município de Costa Rica é um dos municípios mais prósperos do Estado de Mato Grosso do Sul e está localizado na região Centro Oeste do Brasil, entre as coordenadas UTM, 22K 274761 mE, 7948729 mS, a uma altitude de 677 metros (Figura 2). Neste município está a PCH Costa Rica, que desde 1998 vem operando, com uma capacidade instalada de 16 MW. A área de estudo compreende a bacia hidrográfica a montante da PCH Costa Rica. Figura 2 – a. Localização da área de interesse no Brasil. b. Localização da área de interesse no Estado de Mato Grosso do Sul. Fonte: o autor. a b 33 4.1.1 Geologia De acordo com os dados obtidos pelo Serviço Geológico do Brasil – CPRM (2006), dentre os domínios tectono estratigráficos do Estado do Mato Grosso do Sul verifica-se que a região do município de Costa Rica está localizada na Bacia do Paraná, pertencente à Bacia da Era Paleo-Mesozóica, sendo esta correspondente ao Éon Fanerozóico. O mapa geológico (Figura 3) do Estado do Mato Grosso do Sul (CPRM, 2006), na escala cartográfica de 1:1.000.000, apresenta a Formação Serra Geral e Formação Botucatu do Grupo São Bento, a Formação Vale do Rio do Peixe do Grupo Bauru; e do Grupo Caiuá, o Grupo Caiuá Indiviso e a Formação Santo Anastácio, ambos do Período Cretáceo (de 145 a 65,5 milhões de anos) da Era Mesozóica. No Período Terciário Neogeno (de 23,03 a 1,8 milhões de anos) da Era Cenozóica verifica-se a Formação Cachoeirinha. E no Período Quaternário Holoceno (de 0,01 milhões de anos) da Era Cenozóica, são encontrados os Depósitos Aluvionares. A Formação Serra Geral (K1βsg), no entorno da maior parte do Rio Sucuriú e o Ribeirão dos Baús, apresentam basalto e basalto andesito de filiação toleítica e intercalam também camadas de arenito e litoarenito. E a Formação Botucatu (J3K1bt) é caracterizada por arenito fino a grosso de coloração avermelhada, grãos bem arredondados e com alta esfericidade, disposto em e/ou de estratificações cruzadas de grande porte (CPRM, 2006). Nesta região de estudo, o Grupo Caiuá, divide-se em Grupo Caiuá Indiviso (K2c) e Formação Santo Anastácio (K2sa). As características do Grupo Caiuá Indiviso correspondem a arenito quartzoso a subarcoseano, fino a médio, arenito quartzoso a subarcoseano, fino a médio. A Formação Santo Anastácio é composta de arenito quartzoso, fino a muito fino, de seleção pobre e pouca matriz síltico-argilosa com intercalação de argilito (CPRM, 2006). A Formação Cachoeirinha (ENch) aparece na região das nascentes do Ribeirão Baús e do Rio Sucuriú, esta formação apresenta sedimento inconsolidado, areno-argiloso, vermelho, parcialmente laterizado, localmente arenito amarelado, argiloso, médio a grosso, lentes de conglomerado; argilito cinza esverdeado com grãos de areia esparsos (CPRM, 2006). Os Depósitos Aluvionares (Q2a), em uma área próxima da nascente do Rio Sucuriú, caracterizam-se por areia, areia quartzosa, cascalho, silte, argila e localmente turfa (CPRM, 2006). 34 Figura 3 – Geologia correspondente à região da área de estudo no município de Costa Rica (MS) Fonte: modificado de CPRM (2006). 4.1.2 Pedologia Na Figura 4 pode ser observado o Mapa de Solos do Brasil, na escala 1:5.000.000, fornecido pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE, 2001), destacando a região do município de Costa Rica. Município de Costa Rica 35 Figura 4 – Pedologia correspondente à região da área de estudo no município de Costa Rica (MS). Fonte: modificado de IBGE (2001). Na região de cabeceira do Rio Sucuriú (Alto Rio Sucuriú), verifica-se a presença de latossolos vermelhos, caracterizados como Latossolos Vermelhos Distróficos e Latossolos Vermelho Amarelo Distróficos (LV20); Latossolos Vermelhos Distróficos, Latossolos Vermelho Amarelo Distróficos e Gleissolos Háplicos Distróficos (LV38); e ainda, Latossolos Vermelhos Distróficos e Argissolos Vermelho Amarelo Distróficos (LV25) (IBGE, 2001). Também na região de cabeceira do Rio Sucuriú, podem ser encontrados Neossolos Litólicos Distróficos, Argissolos Vermelho-Amarelos Distróficos e Neossolos Quartzarênicos Órticos (RL19). À jusante da área de interesse deste estudo, ocorre uma mancha de Neossolos Quartzarênicos Órticos e Neossolos Quartzarênicos Hidromórficos (RQ22) (IBGE, 2001). Ferreira (2011) elaborou um mapa pedológico da região do Alto Rio Sucuriú com as principais classes de solo da região e que são importantes na caracterização da bacia hidrográfica de contribuição da PCH Costa Rica. De acordo com a classificação de solos estabelecida pela EMBRAPA (2006) e o mapa pedológico elaborado por Ferreira (2011), o Latossolo vermelho predomina na região, com algumas manchas de Organossolos e Gleissolos, este último localizado na região de cabeceira do Rio Sucuriú. Município de Costa Rica 36 4.1.3 Geomorfologia O objeto de estudo da geomorfologia é a superfície da crosta terrestre, apresentando uma forma específica de análise que se refere ao relevo. A análise incorpora o necessário conhecimento de forças antagônicas, sistematizadas pelas atividades tectogenéticas (endógenas) e mecanismos morfoclimáticos (exógenos), responsáveis pelas formas resultantes (CASSETI, 2005). Ferreira (2011) também elaborou um mapa geomorfológico da região do Alto Rio Sucuriú com as características dinâmicas do terreno e que são importantes na caracterização da bacia hidrográfica de contribuição da PCH Costa Rica. A região de cabeceira do rio Sucuriú, apresenta no entorno de seu talvegue uma região de modelo de acumulação de inundação, e no divisor de águas o Chapadão das Emas. A bacia do Ribeirão Baús apresenta em sua porção montante o Chapadão das Emas, sendo que, da sua parte central até o exutório da bacia, na margem direita do Ribeirão visualiza-se as Rampas Arenosas e na margem esquerda a feição de Divisores Tabulares. 4.1.4 Vegetação do Estado de Mato Grosso do Sul. De acordo com o Plano Estadual de Recursos Hídricos do Mato Grosso do Sul (SEMAC, 2010), este Estado apresenta dentro dos seus limites territoriais, quatro regiões fitoecológicas, descritas a seguir. - Savana (Cerrado): formações de estrutura predominantemente campestre, intercalada por pequenas plantas lenhosas até arbóreas e em geral serpenteadas por floresta de galeria. Encontra-se praticamente em todo o Estado, destacando-se nas chapadas areno-argilosas, que se estendem de sudeste a norte e nordeste. - Savana Estépica (Vegetação Chaquenha): composta de elementos arbóreos xeromorfos, cactáceos e lenhosos, espinhosos, cobrindo um tapete gramíneo cespitoso, perene, entremeado de ervas anuais. Esta vegetação distribui-se nas áreas da depressão do rio Paraguai em toda sua extensão norte-sul e pelas planícies e pantanal, nas superfícies por onde se distribuem os solos salinos; - Floresta Estacional Semidecidual: vegetação com elementos arbóreos que apresentam decidualidade foliar adaptativa à deficiência hídrica ou ao período frio (estação seca ou chuvosa, com acentuada variação térmica); Este tipo de vegetação situa-se nas porções sul e sudeste do Estado, recobrindo os terrenos mais elevados e de litologias mais antigas; 37 - Floresta Estacional Decidual: vegetação com características de decidualidade semelhantes às da Região da Floresta Estacional Semidecidual, porém com percentual de decidualidade superior a 50% na época desfavorável. Esta vegetação reveste os terrenos predominantemente calcários, ocorrendo sobre o Planalto da Bodoquena e as elevações da Depressão do Rio Paraguai, compreendidos entre as altitudes de 100 m a 150 m. Com base nos dados do IBGE/SENAC/SUPEMA(Extinta) e SEPLAN e no Plano Estadual de Recursos Hídricos de Mato Grosso do Sul (SEMAC, 2010), existem áreas ocupadas por formações pioneiras e áreas de tensão ecológica, descritas e seguir e apresentadas na Figura 8. - Formações Pioneiras: constituídas por vegetação herbácea campestre ou lenhosa ao longo dos cursos d’água ou das depressões com água, sobre áreas pedologicamente instáveis. A presença das pioneiras é registrada apenas nas ilhas do rio Paraná e nas áreas próximas aos rios Dourados e Brilhante; - Áreas de Tensão Ecológica: constituídas pelos contatos entre vegetações de diferentes regiões fitoecológicas, e que se manifestam na forma de interpenetração de espécies (ecótono ou mistura) ou interpenetração sem se misturar (encraves) distribuídas de forma generalizada. 4.2 LEVANTAMENTOS HIDROSSEDIMENTOLÓGICO A rede sedimentométrica foi planejada estrategicamente, mantendo uma estreita relação com os processos erosivos identificados na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica. Desta forma, os pontos de amostragem foram selecionados, considerando o potencial de produção de sedimentos na bacia hidrográfica, sendo identificados os pontos críticos de zonas de erosão laminar e linear (voçorocas). Na seleção dos pontos de amostragem também foram considerados fatores como geologia, relevo, uso e ocupação do solo e cobertura vegetal. Após a determinação dos pontos de amostragem, foram realizadas coletas de campo, distribuídas em 2 campanhas anuais, realizadas nos períodos chuvosos e de estiagem dos anos de 2012 e 2013. As campanhas de amostragem e as análises laboratoriais foram realizadas pela empresa Anambi - Análise Ambiental Ltda.. A bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica possui, aproximadamente, 1.200 km2. A PCH Costa Rica está inserida no exutório desta bacia e os pontos de 38 amostragem foram alocados a sua montante, considerando o maior potencial de contribuição de sedimentos (Figura 5). Figura 5 – Distribuição dos pontos de amostragem na bacia hidrográfica do Rio Sucuriú, contribuinte da PCH Costa Rica (MS). Fonte: o autor A Tabela 1 refere-se às coordenadas UTM dos pontos de amostragem e uma breve descrição destes pontos conforme estabelecido em cartografia oficial do IBGE na escala 1:50.000, sendo as cartas utilizadas nesta análise: SE-22-Y-A-II � denominada “Baús”; SE-22-Y-A-III � denominada “Parque Nacional das Emas”; SE-22-Y-A-V � denominada “Costa Rica”; SE-22-Y-A-VI � denominada “Cabeceiras do Aporé”. PCH COSTA RICA 39 Tabela 1- Pontos de Amostragem da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS). Ponto Coordenada UTM mE/mN Descrição 1 290674 / 7946643 Jusante de uma grande voçoroca próximo da PCH Costa Rica 2 276249 / 7947718 Exutório do Ribeirão São Luis 3 274940 / 7946845 Ponto mais próximo do reservatório da PCH Costa Rica 4 275039 / 7947868 Zona de remanso na formação do lago, a jusante da Cidade de Costa Rica 5 281405 / 7954689 Exutório do Ribeirão da Laje 6 281801 / 7956205 Tributário da margem esquerda 7 282828 / 7960402 Exutório Córrego Varjão 8 299526 / 7965152 Exutório Córrego Saudade 9 300846 / 7966155 Exutório do Córrego do Ranchinho 10 281193 / 7959351 Exutório da cabeceira do Rio Sucuriú 11 276262 / 7961105 Exutório do Córrego Cavaco 12 274481 / 7960634 Exutório do Córrego Sucuriúzinho 13 272825 / 7961687 Exutório do Córrego Idaiá 14 272016 / 7966235 Exutório do Córrego Estiva 15 272819 / 7967906 Exutório do Córrego Bauzinho 16 270785 / 7969888 Cabeceira do Córrego Cachoeirinha Fonte: o autor 4.2.1 Determinação de descarga líquida (vazão) Nas medições de descarga líquida (vazão) utilizou-se o molinete hidrométrico MLN-7, em que o pulso gerado é computado no contador CPD-10. Em cursos d’água com até 6 metros de largura, as verticais foram espaçadas de 0,5 em 0,5 metros. Em cursos d’água com larguras maiores que 6 metros o espaçamento entre as verticais foi de 1 metro. E acima de 30 metros, o espaçamento foi de 2 metros. O número de pontos tomados verticalmente (profundidades) foi de um ponto para profundidades menores que 0,6 metros; de 3 pontos para profundidades entre 0,6 m e 2 m e de pelo menos 5 pontos para profundidades acima de 2 metros. 4.2.2 Determinação da concentração de sedimentos em suspensão A determinação da concentração de sedimentos em suspensão acompanhou os levantamentos fluviométricos. Para esta medição, foram utilizados amostradores pontuais de sedimentos (DH-48 para trechos de coleta à vau e os medidores USP-46 e USP-61 com profundidade de amostragem de dezenas de metros), nos mesmos pontos tomados verticalmente para a determinação da descarga líquida (vazão). Na determinação da Concentração de Sedimentos em Suspensão foi utilizado o método de integração vertical, utilizando o método de Igual Incremento de Largura (IIL). Esta determinação ocorre pela razão entre o peso do material sólido (contido na amostra 40 seca) e o volume da mistura água/sedimento, sendo expresso em mg L-1. Nesta análise foram determinados também a concentração de sedimentos (mg L-1), sólidos dissolvidos (mg L-1), granulometria (%) e temperatura (oC). De acordo com Carvalho et al. (2000) pode-se considerar como baixos, os valores de concentração de sólidos em suspensão inferiores a 50 mg L-1, altos, os valores entre 150 e 300 mg L-1 e muito altos, os valores acima de 300 mg L-1. As análises granulométricas foram realizadas principalmente por peneiramento, conforme metodologia proposta pela NBR NM 248 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT, 2003), sendo que o sedimento passante pela peneira mais fina, de malha 0,0625 mm foi analisado por outros métodos como o densímetro, a pipetagem ou o tubo de retirada de fundo, dependendo da quantidade de sedimentos. 4.2.3 Medição de descarga de fundo As amostragens dos sedimentos do leito foram realizadas nos mesmos pontos de amostragem dos sedimentos em suspensão. Na coleta de material fino (argila a areia) foram utilizados amostradores de penetração vertical (draga de Petersen e USBM – 60) e para coleta de sedimentos coesivos e não-coesivos foram empregados amostradores de penetração horizontal. Na coleta dos sedimentos grosseiros, como seixos rolados e pedregulhos (> 8 mm) a forma utilizada para calcular é a “contagem de seixos” em 100 a 200 pontos amostrais, conforme descrito por Carvalho (2008). A quantidade de amostra de material de leito para uma análise granulométrica por peneiramento deve ser da ordem de 2 kg de sedimento molhado. Esse método de medição da descarga de fundo utiliza uma série de peneiras-padrão agitadas mecanicamente e por tempo determinado em aparelhos denominados “RO-TAP”. Na execução da análise granulométrica, tomam-se, aproximadamente, 100g de material seco, ou conforme o tamanho da peneira adicionam-se 5cm3 de agente defloculante, levando-se essa mistura diversas vezes ao misturador mecânico. Lava-se o material na peneira número 230 (0,065mm), coloca-se outra quantidade de agente defloculante e repete-se a operação até que o material fique visivelmente limpo. Em seguida, coloca-se esse material num prato de evaporação, levando-o à estufa para secagem à temperatura de 105 oC. Após a secagem, procede-se ao peneiramento mecânico do “RO-TAP” durante 15 minutos, numa série de peneiras de números 5, 10, 18, 35, 60, 80, 120, 230, correspondendo às aberturas de malhas, em milímetros, de 4,0, 2,0, 1,0, 0,5, 0,25, 0,177, 0,125 e 0,062. O peso do material retido na 41 peneira de número 230 foi subtraído dos 100g iniciais de material seco, a fim de se obter o peso da amostra seca que passou nesta peneira (BARBEDO, 2003). 4.3 PREDIÇÃO QUANTITATIVA DO APORTE DE SEDIMENTOS O aporte de sedimentos pode ser determinado por meio de fórmulas e por métodos indiretos. Os métodos indiretos exigem um conhecimento detalhado das características físicas do curso d’água (seção transversal do trecho e as velocidades de escoamento associadas), coletas hidrossedimentológicas do material do leito e análise granulométrica do sedimento. Desta forma, por metodologia específica é possível realizar o cálculo da descarga do sedimento de arraste correspondente às partículas maiores que argila e silte, ou seja, de diâmetro superior a 0,065mm (CARVALHO, 1994). As fórmulas apresentadas na Tabela 2 foram selecionadas por Stevens e Yang em 1989 e aplicadas por Carvalho (1994), para o cálculo da descarga de arrasto, considerando as características específicas dos cursos d’água. Tabela 2- Principais fórmulas para cálculo da descarga sólida de arrasto e de material do leito apresentadas por Stevens e Yang (1989). AUTOR DA FÓRMULA DATA MOVIMENTO DA CARGA SÓLIDA (B) OU CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL (BM) TIPO DE FÓRMULA (1) TIPO DE SEDIMENTO (2) GRANULOMETRIA (3) Ackers e White 1973 BM D S S, G Colby 1964 BM D S S Einstein (carga do leito) 1950 B P M S, G Einstein (material do leito) 1950 BM P M S Engelund e Hansen (*) 1967 BM D S S Kalinske 1947 B D M S Laursen 1958 BM D M S Meyer-Peter e Muller (*) 1948 B D S S, G Rottner 1959 B D S S Schoklitsch (*) 1934 B D M S, G Toffaleti 1968 BM D M S Yang (areia) (*) 1973 BM D O S Yang (pedregulho) (*) 1984 BM D O G (1) Determinística (D) ou Probabilística (P); (2) Fração granulométrica (S), composição ou mistura (M) ou opcional (O); (3) Areia (S) ou pedregulho (G); (*) Consideradas de maior confiança por Stevens e Yang. 42 4.3.1 Método de Einstein modificado A metodologia de cálculo da quantidade de sedimentos foi criado por Hans Albert Einstein (1950) e, posteriormente, Colby e Hembree (1955) elaboraram o método de Einstein modificado, que determina a descarga sólida de sedimentos com base nas suas faixas granulométricas. O método modificado de Einstein teve várias adaptações ao longo do tempo, sendo adequado ao sistema métrico por Otto Pfafstetter (CARVALHO et al., 2000) e complementado por Lara (1966) em função dos valores de “Z’s” (expoente da distribuição vertical de sedimentos). Os dados iniciais de entrada do modelo são: 1- descarga líquida (Q); 2- largura (L); 3- velocidade média (V); 4- profundidade média (p); 5- média das profundidades nas verticais de amostragem (ps); 6- área da seção transversal (A), 7- temperatura da água (T), 8- Amostras de mistura água-sedimento e; 9- Amostras do material de fundo. Estas informações iniciais são obtidas pelas medições das características do curso d’água, no ponto de interesse, conforme metodologias descritas no subitem 4.2. O cálculo da descarga total de sólidos pelo método de Einstein modificado foi desenvolvido conforme Amaral (2010) e os dados utilizados foram obtidos nas coletas de campo realizadas nas duas campanhas anuais, nos períodos chuvosos e de estiagem dos anos de 2012 e 2013, para os 16 pontos amostrados. Nas Tabelas 3 e 4 podem ser observados os dados do Ponto 2 (P2), localizado no exutório do Ribeirão São Luis, como exemplo das informações utilizadas para todos os pontos de amostragem. Tabela 3- Dados referentes ao Ponto 2, na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, localizado no exutório do Ribeirão São Luis, utilizados no método de Einstein modificado. Características do Ponto de Amostragem (P2) Rio: Sucuriú Medição líquida no: 1 Data: 04/09/2012 Amostradores: MAS 08 e DH 48 Entidade: FUNDUNESP Molinete no: MLN - 7 Código: Ponto 02 Local: Exutório-margem esquerda Medição sólida no: 1 Data: 05/09/2012 Dados de Campo e Laboratório Descarga líquida: 17,67 m³/s Velocidade: 0,29 m/s Profundidade média (análise de Ql): 1,24 m Profundidade média (análise de Qs): 1,24 m Largura: 40,70 m 43 Tabela 3- Dados referentes ao Ponto 2, na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, localizado no exutório do Ribeirão São Luis, utilizados no método de Einstein modificado. Continuação Área: 48,83 m² Temperatura: 20,0 ºC D65 (Ks): 0,40 mm D35: 0,22 mm Concentração: 29,84 ppm Distância do bico do amostrador ao fundo: 0,10 m Ql – vazão liquida Qs – vazão sólida D65 (Ks) – diâmetro da partícula que representa 65% da amostra D35 – diâmetro da partícula que representa 35% da amostra Fonte: Anambi (2013) A inserção dos dados de campo e laboratório dos pontos de amostragem foi realizada para as quatro campanhas hidrossedimentológicas nos 16 pontos amostrados. Tabela 4 - Faixas granulométricas do material de leito e em suspensão referente ao Ponto 2, da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, no exutório do Ribeirão São Luis. Faixa (mm) Curvas granulométricas % material em suspensão % material do leito 0.000-0.0156 - - 0.0156-0.0625 - - 0.002-0.0625 6,6 % 2,5 % 0.0625-0.125 33,8 % 10,0 % 0.125-0.250 49,8 % 29,0 % 0.250-0.500 9,6 % 33,5 % 0.500-1.000 0,2 % 3,5 % 1.000-2.000 - 1,2 % 2.000-4.000 - 4,0 % 4.000-8.000 - 5,3 % 8.000-16.000 - 11,0 % Totais 100,0 % 100,0 % Fonte: Anambi (2013) Verifica-se na Tabela 4 que a faixa granulométrica, que corresponde à maior porcentagem de material em suspensão e de material de leito é, respectivamente, a faixa de 0,125 a 0,250 e de 0,250 a 0,500 para o P2. Com os dados coletados em campo e amostrados em laboratório foi possível realizar o cálculo pelo método de Einstein modificado e estabelecer a descarga sólida total em toneladas de sedimento por dia, como pode ser observado na Figura 6. 44 Figura 6 – Planilha de cálculo da descarga sólida total para o Ponto 2 (P2), localizado no exutório do Ribeirão São Luis, na bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS) Fonte: Anambi (2013) 45 4.3.2 Metologia utilizada pelo modelo InVEST Na predição do aporte de sedimentos pelas sub-bacias contribuintes dos pontos onde foram realizadas as coletas hidrossedimentológicas também será aplicada a modelagem do software InVEST, que é fundamentada na USLE (THOMPSON e FIDALGO, 2013). A perda de solo anual sobre cada pixel i, uslei (Mg ha-1 ano-1), é dada pela USLE: uslei=Ri⋅Ki⋅LSi⋅Ci⋅Pi (Equação 1) Em que: Ri é a erosividade provocada pela chuva (MJ mm ha-1 ano-1), Ki é a erodibilidade do solo da região (Mg ha ano MJ-1 mm-1), LSi é o fator gradiente relativo ao comprimento do declive, Ci fator de gestão relativo ao uso e ocupação do solo, e, Pi é fator relativo as praticas conservacionistas. O InVEST, assim como o software SWAT, utiliza uma interface em GIS. Desta forma, Thompson e Fidalgo (2013) elaboraram um fluxograma, apresentado na Figura 7, representativo das feições necessárias ao emprego do cálculo da USLE no modelo InVEST. Neste estudo, o banco de dados utilizado no desenvolvimento da modelagem pelo InVEST foi o mesmo empregado no SWAT por Catelani (2015), visando à minimização dos erros atribuídos ao desencontro de informações durante a comparação entre os dois modelos. 46 Figura 7 – Representação esquemática dos dados empregados para a estimativa de perda de solo por erosão utilizando o programa InVEST Fonte: (THOMPSON e FIDALGO, 2013). Os fatores que compõem a equação 1 são determinados pelos dados de entrada relacionados a área de estudo, necessários à execução do software InVEST (Tabela 5). Tabela 5 - Banco de dados a ser inserido no software InVEST para a predição da produção e retenção de sedimentos nas sub-bacias que compõem a bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS). DADOS DE ENTRADA DESCRIÇÃO Modelo Digital de Elevação (MDE) Mapa raster com o valor de elevação para cada célula Índice de Erosividade da Chuva (R) Mapa raster com o valor do índice de erosividade para região (MJ mm ha-1 h-1 ano-1). Valor que depende da duração e intensidade da chuva para a região. Erodibilidade do Solo (K) Mapa raster com o valor de erodibilidade (Mg ha h MJ-1 mm-1) para cada tipo de solo. Esta erodibilidade é determinada pelo potencial de desagregação das partículas constituintes do solo. 47 Tabela 5 - Banco de dados a ser inserido no software InVEST para a predição da produção e retenção de sedimentos nas sub-bacias que compõem a bacia contribuinte da PCH Costa Rica (MS).Continuação. DADOS DE ENTRADA DESCRIÇÃO Uso e Cobertura do Solo Mapa raster com os usos e coberturas da região de estudo Bacias Hidrográficas de Interesse (Watersheds) Mapa com a delimitação das sub-bacias hidrográficas, que serão analisadas quanto à produção e retenção de sedimentos para um determinado ponto de interesse. Tabela Biofísica Tabela com os usos e coberturas dos solos com seus respectivos fatores relativos ao potencial de retenção de sedimentos e referidas práticas conservacionistas. Fonte: o autor O modelo InVEST utiliza nas predições do aporte de sedimento (Descarga Sólida Total) a Equação Universal de Perda de Solo (USLE), conforme citado pelos autores Thompson e Fidalgo (2013). A interface utilizada no InVEST, com os dados de entrada utilizados na simulação, pode ser observada na Figura 8. Desta forma, verifica-se que o programa resgata informações de um banco de dados (“wokspace”) previamente processado em outro software de processamento de informações geográficas (SIG) que será apresentado nos itens subsequentes. 48 Figura 8 – Plataforma de conectividade entre operador e computador utilizada pelo software InVEST Fonte: o autor MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÃO DO TERRENO (DEM) O modelo digital do terreno foi elaborado por Catelani (2015) e apresentado na Figura 9 em seu formato raster. Esse é o formato de entrada requerido pelo software InVEST. 49 Figura 9 – Modelo digital de elevação do terreno (DEM) para a área de estudo. Fonte: modificado de Catelani (2015) ÍNDICE DE EROSIVIDADE DAS CHUVAS (FATOR R) De acordo com o manual da Natural Capital Project(1) (2015), o valor do índice de erosividade deve ser obtido por meio de publicações científicas ou pode ser calculado com base em metodologia específica. 50 A equação 2, proposta por Morais et al. (1991), foi utilizada para calcular o índice de erosividade média mensal (EIm) na região de Flechas, no estado do Mato Grosso (MT), aplicado em Silva (2004) na área de interesse deste estudo. (Equação 2) Em que: EIm = índice de erosividade média mensal (MJ mm ha-1 h-1 ano-1); p = precipitação média mensal (mm); P = precipitação média anual (mm). A média anual do fator “R” (Equação 3) pode ser obtida pelo somatório dos valores da média mensal dos índices de erosividade determinados pela equação 2. (Equação 3) Silva (2004) apresentou o mapa de erosividade para o Brasil com as respectivas equações empregadas nos cálculos e suas áreas de abrangência (Figura 10). Neste mapa, o município de Costa Rica região corresponde a Região 2. 51 Figura 10 – Mapa do Brasil com as equações empregadas e suas respectivas regiões de abrangência para o cálculo da erosividade Fonte: modificado de SILVA (2004). Para a bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, o fator R pode ser determinado, utilizando os dados de precipitação da estação pluviométrica número 1853004, do município de Costa Rica (MS), disponíveis no Sistema de Informações Hidrológicas do Hidroweb, da Agência Nacional de Águas (ANA, 2015). Área de Estudo 52 A estação pluviométrica número 1853004, localizada a 1,32 km da PCH Costa Rica no município de Costa Rica/MS, apresenta uma série histórica com valores de chuvas diárias de 1984 até 2014. ÍNDICE DE ERODIBILIDADE (FATOR K) Segundo Bertoni e Lombardi Neto (2014), determinados solos são mais vulneráveis aos processos erosivos do que outros, sob a mesma intensidade de chuva, declividade, cobertura vegetal e práticas conservacionistas. Essa vulnerabilidade ou susceptibilidade do solo aos processos erosivos é denominada erodibilidade do solo. Os valores de erodibilidade dos solos (Fator K) para a bacia de contribuição da PCH Costa Rica foram os adotados no Plano de Conservação da Bacia do Alto Paraguai (PCBAP) contígua à bacia estudada (Tabela 6). Os Neossolos presentes na região são classificados em Neossolos Litólicos e Neossolos Quartzarênicos, sendo este último o de maior proporção. Tabela 6 - Erodibilidade dos solos (Fator K) da Bacia do Alto Paraguai, próxima à região do município de Costa Rica (MS). Tipo de solo Fator K (Mg ha h (MJ-1 ha-1 mm-1) Gleissolos 0,0010 Latossolo Vermelho Distrófico 0,02 Latossolo Vermelho Escuro Distrófico 0,0163 Neossolos Quartzarênicos 0,0509 Fonte: PCBAP (1997). RELAÇÃO COMPRIMENTO DE RAMPA E DECLIVIDADE DO TERRENO (FATOR LS) O manual da Natural Capital Project(1) (2015) estabelece que o fator LS seja determinado pelo software, por meio da equação 4 elaborada por Desmet e Govers (1996). (Equação 4) Em que: Si é o fator declividade para cada célula da grade analisada em função de sua inclinação em radianos (θ): S = 10,8 x sen(θ) + 0.03, quando θ<9%; 53 S = 16,8 x sen(θ) – 0.50, quando θ≥9%. Ai é a área de contribuição (m2) na entrada de uma célula da grade, que é calculada a partir da direção do fluxo pelo método de borda infinita; D é a dimensão linear da célula de grade (m); xi = |sinαi|+|cosαi|, em que αi é a Direção para a célula de grade i; m é o expoente da equação universal de perda de solo relativo ao fator comprimento e declividade (LS). Ainda segundo o Manual do InVEST, o valor de m tem por base a equação de perda de solo clássica, sendo discutida em Oliveira et al. (2013): m = 0,2 para a declividade menor que 1%; m = 0,3 para declividade maior que 1% e menor ou igual a 3,5%; m = 0,4 para declividade maior que 3,5% e menor ou igual a 5%; m = 0,5 para declividade maior que 5% e menor ou igual a 9%; m = β / (1+β) onde β = senθ/0,0986 / (3senθ0,8 + 0,56) para declividades maiores que 9%. O software InVEST calcula o fator LS ao realizar a análise do Modelo Digital de Elevação do Terreno (MDE). MAPA DE USO E OCUPAÇÃO DO SOLO DA BACIA CONTIBUINTE DA PCH COSTA RICA O mapa de uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica no ano de 2011 (Figura 11) foi elaborado por Catelani (2015), com base no imagiamento remoto da bacia hidrográfica de estudo pelo satélite Landsat. 54 Figura 11 – Mapa de uso e ocupação do solo para o ano de 2011 com base na imagem de satélite do Landsat. Fonte: modificado de Catelani (2015) De acordo com Catelani (2015), as principais classes de uso do solo da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica, com as respectivas áreas ocupadas são apresentadas na Tabela 7. Tabela 7 - Classes de uso do solo da bacia do Alto rio Sucuriú, à montante do reservatório da PCH Costa Rica, em 2011, expressos em km2 e porcentagem. Classes de uso do solo (2011) Área (km2) Uso do Solo (%) FOEB – Floresta sempre verde 166,85 13,41 SAVA – Cerrado 71,47 5,74 GRAS – Campos naturais/Pastagem 220,86 17,75 CRDY – Culturas, em geral, não irrigadas 785,20 63,10 55 Tabela 7 - Classes de uso do solo da bacia do Alto rio Sucuriú, à montante do reservatório da PCH Costa Rica, em 2011, expressos em km2 e porcentagem. Continuação. Classes de uso do solo (2011) Área (km2) Uso do Solo (%) Área Total 1244,38 100 Fonte: CATELANI (2015). INFORMAÇÕES SOBRE AS CLASSES DE USO DO SOLO (TABELA BIOFÍSICA) A tabela biofísica corresponde aos atributos relativos às classes de uso do solo da bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Rica (MS), apresentados na Tabela 7. Desta forma, cada linha corresponde a um tipo de uso do solo e cada coluna deve ser renomeada e ter valores definidos, conforme estabelecido no manual da Natural Capital Project(1) (2015): lucode (Código do uso do solo): Valor inteiro para cada uso do solo/ cobertura do solo (“land use/land cover” - LULC), este valor deve estar em acordo com o valor estabelecido no mapa “raster” de uso e ocupação do solo. usle_c: Fator C relacionado ao manejo dos usos do solo para a equação universal de perda de solo, sendo o valor estabelecido entre 0 e 1. usle_p: Fator P relacionado as práticas conservacionistas dos usos do solo para a equação universal de perda de solo, sendo o valor estabelecido entre 0 e 1. De acordo com Bertoni e Lombardi Neto (2014), o fator C retrata, além da combinação de sequências de culturas e práticas de manejo, a proteção exercida pela cobertura vegetal em uma dada área, reduzindo assim, o valor final obtido pela equação universal de perda de solo. O fator C mede o efeito combinado de todas as variáveis de cobertura e de gestão inter-relacionados, além de ser definida como a proporção de perda, a partir de um solo cultivado, em condições específicas e a perda correspondente ao solo mantido continuamente com e sem cobertura vegetal (WISCHMEIER; SMITH, 1978). Os valores para o Fator C foram obtidos por meio do boletim de pesquisa e desenvolvimento elaborado pela Embrapa (GALDINO et al., 2003) para a bacia do Alto Taquari, contígua a bacia contribuinte da PCH Costa Rica (Tabela 8) e os aplicados por Oliveira et al. (2009) à bacia hidrográfica do Córrego do Lageado (MS) (Tabela 9). 56 Tabela 8 - Uso do solo (Fator C) da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas classes de usos. Classe de vegetação nativa da Bacia do Alto Taquari/MS Fator C Floresta estacional semidecidual – Aluvial (Mata, mata ciliar) 0,034 Floresta estacional semidecidual - Sub-Montana 0,062 Savana florestada (Cerradão) 0,213 Savana – Arborizada (Campo cerrado, cerrado aberto) 0,140 Savana florestada + arborizada 0,189 Savana arborizada + florestada 0,164 Savana – Arborizada + gramíneo lenhosa 0,129 Enclave – Savana/Floresta estacional semidecidual (Mata) 0,124 Fonte: Embrapa (GALDINO et al., 2003). Tabela 9 - Uso do solo (Fator C) da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas classes de uso. Classe de usos do solo Fator C Água 0 Área Úmida 0 Cerradão 0,001 Cerrado 0,002 Eucalipto 0,005 Pastagem 0,01 Solo Exposto 1 Área Urbana 0,03 Fonte: Oliveira et al. (2009) Brito et al. (1998) adotaram os valores 0,020 e 0,200 para o fator C de solo coberto por agricultura permanente e com agricultura anual, respectivamente, para região de Irai de Minas-MG, conforme Stein et al. (1987). Na área de estudo verificou-se a predominância de culturas anuais como algodão, soja e milho, para as quais será adotado o fator C de 0,200. Os valores adotados para práticas conservacionistas (Fator P) foram obtidos em Bertoni e Lombardi Neto (2014), apresentados na Tabela 10. Tabela 10 - Fator P da Equação Universal de Perda de Solo, para algumas práticas conservacionistas adotadas. Práticas Conservacionistas Fator P Plantio morro abaixo 1 Plantio em contorno 0,5 Alternância de capinas + plantio em contorno 0,4 Cordões de vegetação permanente 0,2 Fonte: (BERTONI; LOMBARDI NETO, 2014). 57 VARIÁVEIS UTILIZADAS NA MODELAGEM DO SOFTWARE InVEST Para a modelagem do aporte de sedimentos na bacia hidrográfica contribuinte da PCH Costa Ri