0 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E CIÊNCIAS EXATAS CAMPUS DE RIO CLARO Flávio Wachholz Influência da bacia hidrográfica e características espaço-temporais de variáveis limnológicas sobre reservatórios no Rio Jacuí – RS Rio Claro – SP 2011 1 Flávio Wachholz Influência da bacia hidrográfica e características espaço-temporais de variáveis limnológicas sobre reservatórios no Rio Jacuí – RS Tese apresentada para o Programa de Pós- Graduação em Geografia, área de concentração em Organização do Espaço do Instituto de Geociências e Ciências Exatas da Unesp de Rio Claro, como requisito para obtenção do título de Doutor em Geografia. Orientador: Prof. Dr. Archimedes Perez Filho Co-orientador: Prof. Dr.Waterloo Pereira Filho Rio Claro – SP 2011 2 3 Flávio Wachholz Influência da bacia hidrográfica e características espaço-temporais de variáveis limnológicas sobre reservatórios no Rio Jacuí-RS Tese apresentada para o Programa de Pós- Graduação em Geografia, área de concentração em Organização do Espaço do Instituto de Geociências e Ciências Exatas da Unesp de Rio Claro, como requisito para obtenção do título de Doutor em Geografia. Comissão Examinadora Prof. Dr. Archimedes Perez Filho (Orientador) IG/UNICAMP/Campinas (SP) Prof. Dr. Ailton Luchiari FFLCH/USP/São Paulo (SP) Prof. Dr. Albano Schwarzbold IB/UFRGS/Porto Alegre (RS) Prof. Dr. Sergio dos Anjos Ferreira Pinto IGCE/UNESP/Rio Claro (SP) Prof. Dr. Fabiano Tomazini da Conceição IGCE/UNESP/Rio Claro (SP) Rio Claro - SP, 03 de novembro de 2011. Resultado: APROVADO 4 Dedico os meus Pais, Iria e Armando. E aos meus Irmãos, Jonas e Ricardo. 5 AGRADECIMENTOS Com a conclusão do doutorado cabe agradecer o apoio recebido das instituições e de pessoas que foram fundamentais para desenvolvimento da tese. • À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela concessão da bolsa e reserva técnica de doutorado (Processo nº 2008/53364-1), que foi primordial para realização da tese, doutorado-sanduíche e a divulgação de trabalhos a ela referentes. • As instituições de apoio à Pesquisa. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro ao projeto “Caracterização espectral e limnológica de ambientes lênticos no Rio Grande do Sul, com abordagem espaço-temporal” (Processo nº 484712/2007-1) sob a coordenação do Professor Waterloo Pereira Filho. O projeto proporcionou a compra de equipamentos, custeio dos trabalhos de campo e análises de laboratório necessárias à tese. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro ao projeto “Desenvolvimento de estudos e métodos para análise das características da água no contexto espaço-temporal” (Processo nº 258059) sob a coordenação do Professor Waterloo Pereira Filho. O projeto proporcionou o custeio das análises de laboratório. • Às universidades. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP - Campus Rio Claro) pela possibilidade da realização do Doutorado em Geografia de qualidade e gratuito. Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) e Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE): pela disponibilidade de espaço físico e laboratórios que possibilitaram a determinação das variáveis limnológicas. Universidade Técnica de Berlim (TUB): por possibilitar a realização do doutorado- sanduíche. • Institutos ou empresas. Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) pela cessão dos dados das estações meteorológicas constantes a área de estudo. Companhia Estadual de Energia Elétrica – Geração e Transmissão (CEEE-GT) pela cessão dos dados de operação das barragens do rio Jacuí. • Aos orientadores. Prof. Dr. Archimedes Perez Filho, da UNESP, pelas sugestões e visão para o desenvolvimento da tese. Prof. Dr. Waterloo Pereira Filho, da UFSM, pelas sugestões, disposição à realização de trabalhos de campo e o desenvolvimentos 6 de projetos. Prof. Dr. Günter Gunkel, da TUB, pelas sugestões na área da limnologia durante a realização do Doutorado-sanduíche na Alemanha. • Aos Professores. Prof. Dr. Gilberto Gonçalves Rodrigues do Laboratório de Ecologia da Universidade Federal da Bahia (UFBA) que oportunizou a realização do curso para a determinação do carbono orgânico dissolvido. Prof. Dr. João Sarkis Yunes da Unidade de Pesquisa em Cianobactérias da Universidade Federal do Rio Grande (FURG) que oportunizou a realização do curso para a determinação da clorofila a; • À banca examinadora. Prof. Dr. Ailton Luchiari, Prof. Dr. Albano Schwarzbold, Prof. Dr. Carlos Antônio Tavares, Prof. Dr. Fabiano Tomazini da Conceição e Prof. Dr. Sérgio dos Anjos Ferreira Pinto, pelas sugestões na tese. • Aos colegas. Mônica Marlise Wiggers por liderar as atividades práticas de laboratório na fase inicial do projeto. Daniela Wancura Barbieri por liderar as atividades de laboratório no seguimento do projeto. Rosana Corazza pela determinação da clorofila a. André Luís Domingues pela identificação e contagem das algas. Aos demais colegas, que participaram dos trabalhos de campo e/ou que determinaram as variáveis limnológicas em laboratório. • Aos técnicos de laboratório. Jorgelina de Freitas (UFBA) por ensinar a metodologia do carbono orgânico dissolvido. Rômulo (UFSM) pela determinação do carbono orgânico dissolvidos das amostras. • À revisora: Drª. Silvia Saito (INPE) pelas sugestões no trabalho. • Às pessoas trabalhadoras e honestas desse Brasil que custearam a minha qualificação profissional. Muito Obrigado, 7 RESUMO A construção de barragem é uma intervenção antrópica na rede de drenagem que altera o fluxo natural da água. O presente trabalho caracterizou e analisou a estruturação limnológica e espectral na escala espaço-temporal nos reservatórios das Usinas Hidrelétricas (UHE) Passo Real e Dona Francisca do rio Jacuí – RS, e a relação com as bacias hidrográficas que os compõem no Alto Jacuí. A hipótese foi a de que ocorrem diferenças nas propriedades ópticas da água na escala espaço-temporal de reservatórios em função das próprias características e de suas bacias hidrográficas. Os procedimentos metodológicos foram: 1) adquirir dados limnológicos (transparência Secchi, temperatura, total de sólidos em suspensão - TSS, carbono orgânico dissolvido e clorofila a) e de espectrorradiometria de campo (dados hiperespectrais) do período de fevereiro de 2009 a março de 2010; 2) construção de um banco de dados com os elementos da bacia hidrográfica (geossistema e sistema socioeconômico) e as variáveis limnológicas na perspectiva espaço-temporal; 3) identificação das fragilidades da bacia hidrográfica e as características dos reservatórios que interferem na qualidade da água; 4) relacionar os dados espectrais com os dados limnológicos para verificar o potencial destes no monitoramento dos reservatórios. Os resultados mostraram que a bacia hidrográfica do reservatório Passo Real, com relevo colinoso, apresenta dominância de uso do solo com agricultura, com destaque para as culturas da soja no verão e trigo no inverno. O reservatório Dona Francisca, na base da série em cascata de reservatórios, recebe o tributário Jacuizinho, cuja bacia hidrográfica é de relevo de morros, os principais usos da terra são florestas e campos. A temperatura da água para ambos os reservatórios é inferior a 20ºC nos meses de inverno e a maior amplitude térmica foi registrada durante todo o período no reservatório Passo Real. A transparência, o TSS e a clorofila a mostraram-se relacionados a ocorrência de um período normal de chuvas (fevereiro a julho de 2009 e março 2010) e período chuvoso (agosto 2009 a janeiro 2010). A concentração de TSS é maior no período chuvoso, tendo como consequência a redução da transparência nesse período. O pulso de material fornecido pela bacia hidrográfica no período chuvoso criou condições propícias ao desenvolvimento de algas, principalmente para reservatório Passo Real, o qual apresentou estado eutrófico a hipereutrófico. A maior concentração de TSS e clorofila a do reservatório Passo Real em relação à Dona Francisca é oriunda de vários fatores: maior tempo de retenção das águas, mais similar a um lago, mesmo em períodos chuvosos; maiores temperaturas da água; presença de vários compartimentos aquáticos; maior acesso do vento, que ressuspende e desloca parte dos nutrientes; e, principalmente a bacia hidrográfica com domínio agrícola. O carbono orgânico dissolvido apresentou concentrações baixas durante todo período. Os dados limnológicos correlacionados com os espectros de campo apresentaram relação significativa para comprimentos de onda do vermelho e infravermelho próximo, permitindo a derivação de equações de regressão (e.g., transparência da água, y = 1,0094*(752/697nm) - 0,5747, R²=0,97). A hipótese foi confirmada para os reservatórios do Alto Jacuí, em que há maior introdução de material da bacia hidrográfica e longo tempo de residência no reservatório Passo Real conduzem no seu assoreamento e o desenvolvimento excessivo de algas. Palavras-chave: Bacia Hidrográfica, Variáveis Limnológicas, Sensoriamento Remoto, Uso da Terra, Relevo. 8 ABSTRACT The building of a dam is an anthropic intervention in the drainage system that changes the natural water flow. This work has characterized and analyzed the limnological and spectral structure on a spatial and temporal scale of the freshwater reservoirs Hidropower Plants (HPP) Passo Real and Dona Francisca of the river Jacuí – RS and, the relationship with the hydrographic basins that make up on the Alto Jacuí. The relationship with the hydrographic basins that make they up on the Alto Jacuí. The hypothesis was that the optical proprieties varies on the spatial and temporal scale as a function of the own reservoir proprieties as well of the hydrographic basins. The methodological procedures were: 1) limnological data acquisition (Secchi transparency, temperature, total of suspended solids - TSS, dissolved organic carbon and chlorophyll a) and field spectroradiometry (hyperspectral data) of the period from February 2009 to March 2010; 2) data base elaboration with the hydrographic basin elements (geosystem and social-economic system) and the limnological variables at the spatial and temporal perspective; 3) identification of the fragility areas of the hydrographic basin and the reservoir characteristics that affect the water quality; 4) relation analysis between the spectral and the limnological data to verify the potential of these to reservoir monitoring. The results showed that Passo Real reservoir hydrographic basin, with a hilly relief, has land use predominance of agriculture, especially for crops such as soybean in the summer and wheat at the winter season. The Dona Francisca reservoir, which is in the basis of the sequence of reservoirs, receives the tributary named Jacuizinho, has a relief characterized by hills and land use with predominance of forest and open fields. In both reservoirs the water temperature is bellow to 20 ºC in the winter season. Further, the greatest thermic amplitude of water was verified always in the Passo Real reservoir. The transparency, TSS and chlorophyll a values were related to a normal rain occurrence (February to July 2009 and February to Mach 2010) and to the winter rainy season (August 2009 to January 2010). Concentration of TSS was higher in the rainy season, therefore the water transparency decreased in this season. The pulse of material provided by the hydrographic basin in the rainy season created favorable conditions to the algae development, especially in the Passo Real reservoir, which showed a eutrophic to hyper-eutrophic state. The higher concentration of TSS and chlorophyll a in the Passo Real reservoir in relation to the Dona Francisca reservoir is related to several factors: larger water retention time, which is more similar to a lake even in the rainy season; higher water temperature; presence of several aquatic compartments; more wind access, which re-suspend sediment and moves part of the nutrients; and the mainly factor is related to the agricultural land use in the hydrographic basin. The dissolved organic carbon showed low concentrations along all period. The correlation between the limnological data and field spectral data presented significant correlation for the red and near infrared wavelengths, allowing the derivations of regression equations (e.g. water transparency: y = 1.0094*(752/697 nm) – 0.5747, R²=0.97). The hypothesis was confirmed for the Alto Jacuí reservoir, where a higher material input from the hydrographic basin was verified and the longer water residence time in the Passo Real reservoir lead to siltation and to an excessive development of algae. Keywords: Hydrographic basin, limnological variables, remote sensing, land use, relief. 9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1.1 – Mapa de localização da BH do alto rio Jacuí – RS com seus municípios ........... 21 Figura 2.1 – Estruturação do geossistema e do sistema socioeconômico ............................... 25 Figura 2.2 – Compartimentação vertical e horizontal de reservatórios e suas características . 30 Figura 2.3 – Hierarquia de fatores e as complexidades que determinam a produtividade de um lago ...................................................................................................................................... 32 Figura 2.4 – Probabilidade da distribuição das categorias de estado trófico proposto pela OECD (1992) e os intervalos segundo Carlson (1977) modificado por Lamparelli (2004) com aplicação em reservatórios ................................................................................................... 34 Figura 2.5 - Curva de espalhamento e absorção da água pura e as regiões do espectro eletromagnético.................................................................................................................... 36 Figura 2.6 – Padrão espectral da água e os constituintes opticamente ativos em imagens do sensor hiperespectral Hyperion/EO-1 na região Amazônica ................................................. 37 Figura 3.1 – Fluxograma de desenvolvimento do trabalho .................................................... 39 Figura 3.2 – Definição dos pontos amostrais para os reservatórios Passo Real e Dona Francisca (Composição da imagem TM LANDSAT 5, 543RGB) ......................................... 46 Figura 4.1 – Radiação global média, insolação, evaporação, temperatura do ar, precipitação acumulada e dias de chuva das estações climatológicas. ....................................................... 58 Figura 4.2 – Mapa hipsométrico da BH do Alto Jacuí........................................................... 61 Figura 4.3 – Mapa de declividade da BH do Alto Jacuí. ....................................................... 62 Figura 4.4 – Mapa de solos da BH do Alto Jacuí. ................................................................. 64 Figura 4.5 – Mapa das regiões fitogeográficas da BH do Alto Jacuí. .................................... 66 Figura 4.6 – Mapa da densidade demográfica rural e urbana dos municípios da BH do Alto Jacuí. ................................................................................................................................... 69 Figura 4.7 – Mapa de saneamento básico dos municípios da BH do Alto Jacuí ..................... 71 Figura 4.8 – Mapa de indústrias com potencial poluidor hídrico dos municípios da BH do Alto Jacuí .................................................................................................................................... 73 Figura 4.9 – Mapa de unidades mineradoras dos municípios da BH do Alto Jacuí. ............... 75 Figura 4.10 – Desenvolvimento fenológico das culturas anuais: fumo, milho, soja e trigo .... 77 Figura 4.11 – Mapa de cultivo do fumo dos municípios da BH do Alto Jacuí. ...................... 78 Figura 4.12 – Mapa de cultivo do milho dos municípios da BH do Alto Jacuí. ..................... 79 Figura 4.13 – Mapa de cultivo da soja dos municípios da BH do Alto Jacuí. ........................ 80 Figura 4.14 – Mapa de cultivo do trigo dos municípios da BH do Alto Jacuí. ....................... 81 Figura 4.15 – Mapa do emprego do sistema de preparo do solo plantio direto na palha dos municípios considerando a área cultivada da BH do Alto Jacuí ............................................ 83 Figura 4.16 – Mapa da densidade bovina dos municípios da BH do Alto Jacuí ..................... 85 Figura 5.1 – Mapa dos compartimentos do relevo da BH do Alto Jacuí ................................ 87 Figura 5.2 – Mapa de uso e ocupação das terras (Out.2009) da BH do Alto Jacuí. ................ 89 Figura 5.3 – Diferenças no uso da terra no Alto Jacuí em função do relevo. A) Relevo colinoso (domínio das áreas agrícolas). B) Relevo de morros (domínio florestal). ................ 92 Figura 5.4 – Distribuição das classes de uso e ocupação e uso das terras em função da declividade na BH do Alto Jacuí. ......................................................................................... 93 Figura 5.5 – NDVI das SHs do Alto Jacuí ............................................................................ 94 Figura 5.6 – Vazão histórica do rio Jacuí mensais e sua relação com os dados pluviométricos ............................................................................................................................................ 97 Figura 5.7 – Perfis longitudinais dos rios do Alto Jacuí ........................................................ 98 10 Figura 5.8 – Mapas resultantes da interpolação da profundidade dos pontos amostrais com sua localização nos reservatórios Passo Real e Dona Francisca................................................. 100 Figura 5.9 – Precipitação pluviométrica do Alto Jacuí considerando os períodos mensais e anteriores as coletas ........................................................................................................... 102 Figura 5.10 – Precipitação pluviométrica em cinco dias anteriores a coleta de campo nos reservatórios Passo Real (Município Alto Alegre) e Dona Francisca (Município Estrela Velha) .......................................................................................................................................... 103 Figura 5.11 – Volume pluviométrico acumulado em trinta dias anteriores ao trabalho de campo no Alto Jacuí ........................................................................................................... 104 Figura 5.12 – Velocidade e direção do vento durante o período de coleta dos dados no reservatório Passo Real ...................................................................................................... 105 Figura 5.13 – Velocidade e direção do vento para cinco dias anteriores de coleta dos dados no reservatório Passo Real ...................................................................................................... 106 Figura 5.14 – Radiação global média diurna (média diária dos dados horários das 9 a 21 horas) durante o período de coleta dos dados no reservatório Passo Real ............................ 106 Figura 5.15 – Tempo de residência, vazão e cota do reservatório Passo Real ...................... 109 Figura 5.16 – Tempo de residência, vazão e cota do reservatório Dona Francisca. .............. 109 Figura 5.17 – Estatística descritiva mensal e períodos normal/chuvoso da transparência da água do reservatório Passo Real. ........................................................................................ 111 Figura 5.18 – Estatística descritiva mensal e períodos normal/chuvoso da transparência da água do reservatório Dona Francisca. ................................................................................. 111 Figura 5.19 – Dendrograma para a análise de agrupamento da transparência da água do reservatório Passo Real ...................................................................................................... 112 Figura 5.20 – Dendrograma para a análise de agrupamento da transparência da água do reservatório Dona Francisca ............................................................................................... 112 Figura 5.21 – Média da transparência da água para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Passo Real no sentido do rio. ........................................... 113 Figura 5.22 – Média da transparência da água para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Passo Real no sentido do rio. ........................................... 114 Figura 5.23 – Espacialização da transparência da água do reservatório Passo Real (Fev.09 a Mar.10) .............................................................................................................................. 115 Figura 5.24 – Espacialização da transparência da água do reservatório Dona Francisca (Fev.09 a Mar.10) ........................................................................................................................... 116 Figura 5.25 – Estatística descritiva mensal e sazonal da temperatura da água do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 118 Figura 5.26 – Estatística descritiva mensal e sazonal da temperatura da água do reservatório Dona Francisca. ................................................................................................................. 118 Figura 5.27 – Dendrograma para a análise de agrupamento da temperatura da água do reservatório Passo Real ...................................................................................................... 119 Figura 5.28 – Dendrograma para a análise de agrupamento da temperatura da água do reservatório Dona Francisca ............................................................................................... 120 Figura 5.29 - Média da temperatura da água sazonal (Fev. 09 a Mar. 10) para os pontos amostrais dos reservatórios Passo Real no sentido do rio. Verão (Fev.09, Mar.09, Jan.10 e Mar.10), Outono (Abr.09 e Jun.09), Inverno (Jul.09 e Ago.09) e Primavera (Out.09 e Dez.09) .......................................................................................................................................... 120 Figura 5.30 - Média da temperatura da água sazonal (Fev. 09 a Mar. 10) para os pontos amostrais do reservatório Dona Francisca no sentido do rio. Verão (Fev.09, Mar.09, Jan.10 e Mar.10), Outono (Abr.09 e Jun.09), Inverno (Jul.09 e Ago.09) e Primavera (Out.09). ........ 121 11 Figura 5.31 – Espacialização da temperatura da água do reservatório Passo Real (Fev.09 a Mar.10) .............................................................................................................................. 123 Figura 5.32 – Relação entre o deslocamento no sentido do rio e a temperatura da água no reservatório Passo Real. ..................................................................................................... 124 Figura 5.33 – Espacialização da temperatura da água do reservatório Dona Francisca (Fev.09 a Mar.10) ........................................................................................................................... 125 Figura 5.34 – Diferença de temperatura na coluna d’água (subsuperfície menos três vezes a medida do disco de Secchi) nos principais pontos amostrais e o volume de chuvas dos cinco dias anteriores (Alto Alegre) a medida de campo para o reservatório Passo Real. ............... 126 Figura 5.35 – Diferença de temperatura na coluna d’água (subsuperfície – três vezes a medida do disco de Secchi) nos principais pontos amostrais e o volume de chuvas dos cinco dias anteriores (Estrela Velha) a medida de campo para o reservatório Dona Francisca. ............ 126 Figura 5.36 – Perfil vertical e temporal da temperatura da água para os principias setores do reservatório Passo Real ...................................................................................................... 128 Figura 5.37 – Perfil vertical e temporal da temperatura da água para os principias setores do reservatório Dona Francisca ............................................................................................... 129 Figura 5.38 – Estatística descritiva mensal e períodos seco/chuvoso da clorofila a do reservatório Passo Real. ..................................................................................................... 130 Figura 5.39 – Estatística descritiva mensal e períodos seco/chuvoso da clorofila a do reservatório Dona Francisca. .............................................................................................. 130 Figura 5.40 – Dendrograma para a análise de agrupamento da clorofila a do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 131 Figura 5.41 – Dendrograma para a análise de agrupamento da clorofila a do reservatório Dona Francisca............................................................................................................................ 132 Figura 5.42 – Média da clorofila a para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Passo Real no sentido do rio. ...................................................... 133 Figura 5.43 – Média da clorofila a para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Dona Francisca no sentido do rio................................................ 133 Figura 5.44 – Espacialização da clorofila a do reservatório Passo Real (Fev.09 a Mar.10) .. 135 Figura 5.45 – Espacialização da clorofila a do reservatório Dona Francisca (Fev.09 a Mar.10) .......................................................................................................................................... 136 Figura 5.46 – Perfil vertical e temporal da clorofila a para os principias setores do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 137 Figura 5.47 – Perfil vertical e temporal da clorofila a para os principias setores do reservatório Dona Francisca .................................................................................................................. 138 Figura 5.48 – Relação da clorofila com a temperatura de Fev.09 a Mar.10, sinalizando duas situações: outono, primavera e verão; e, inverno. a) Reservatório Passo Real e b) Reservatório Dona Francisca. ................................................................................................................. 139 Figura 5.49 – Relação da clorofila com a transparência de Fev.09 a Mar.10, sinalizando duas situações: período normal e período chuvoso. a) Reservatório Passo Real e b) Reservatório Dona Francisca. ................................................................................................................. 139 Figura 5.50 – Estatística descritiva mensal e períodos normal e chuvoso do TSS do reservatório Passo Real. ..................................................................................................... 141 Figura 5.51 – Estatística descritiva mensal e períodos normal e chuvoso do TSS do reservatório Dona Francisca. .............................................................................................. 142 Figura 5.52 – Dendrograma para a análise de agrupamento do TSS do reservatório Passo Real .......................................................................................................................................... 143 Figura 5.53 – Dendrograma para a análise de agrupamento do TSS do reservatório Dona Francisca............................................................................................................................ 143 12 Figura 5.54 - Média do TSS para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Passo Real no sentido do rio. .......................................................................... 144 Figura 5.55 – Média do TSS para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Dona Francisca no sentido do rio. ................................................................... 145 Figura 5.56 – Espacialização do TSS do reservatório Passo Real (Fev.09 a Mar.10) ........... 146 Figura 5.57 – Espacialização do TSS do reservatório Dona Francisca (Fev.09 a Mar.10) ... 148 Figura 5.58 – Perfil vertical e temporal do TSS para os principias setores do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 149 Figura 5.59 – Perfil vertical e temporal do TSS para os principias setores do reservatório Dona Francisca .................................................................................................................. 150 Figura 5.60 – Estatística descritiva mensal e períodos normal/chuvoso do COD do reservatório Passo Real. ..................................................................................................... 151 Figura 5.61 – Estatística descritiva mensal e períodos normal/chuvoso do COD do reservatório Dona Francisca. .............................................................................................. 151 Figura 5.62– Média do COD para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Passo Real no sentido do rio. .......................................................................... 152 Figura 5.63 – Média do COD para os períodos normal e chuvoso para os pontos amostrais do reservatório Dona Francisca no sentido do rio. ................................................................... 153 Figura 5.64 – Espacialização do COD do reservatório Passo Real (Fev.09 a Mar.10) ......... 154 Figura 5.65 – Espacialização do COD do reservatório Dona Francisca (Fev.09 a Mar.10) .. 155 Figura 5.66 – Perfil vertical e temporal do COD para os principias setores do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 156 Figura 5.67 – Perfil vertical e temporal do COD para os principias setores do reservatório Dona Francisca .................................................................................................................. 157 Figura 5.68 – Efeito do vento a montante do ponto 12 (Jacuí-Mirim) com a ressupensão de material inorgânico (Mar.09) e deslocamento de cianofíceas (Dez.10) ............................... 158 Figura 5.69 – Cores da água durante o período de coleta (Fev.09 a Mar.10) do reservatório Passo Real.......................................................................................................................... 161 Figura 5.70 – Cores da água durante o período de coleta (Fev.09 a Mar.10) do reservatório Dona Francisca .................................................................................................................. 162 Figura 5.71 - Relação entre precipitação pluviométrica e a média do TSS/Transparência para o reservatório Passo Real ................................................................................................... 165 Figura 5.72 - Relação entre precipitação pluviométrica e a média do TSS/Transparência para o reservatório Dona Francisca ............................................................................................ 165 Figura 5.73 – Relação entre precipitação pluviométrica e TSS, precipitação pluviométrica e a média da transparência da água dos tributários ................................................................... 166 Figura 5.74 – Relação do NDVI e precipitação pluviométrica com o TSS médio do reservatório Passo Real ...................................................................................................... 168 Figura 5.75 – Relação do NDVI e precipitação pluviométrica com a transparência média do reservatório Passo Real ...................................................................................................... 168 Figura 5.76 – Espectros de reflectância de campo para o reservatório Passo Real. .............. 170 Figura 5.77 – Espectros de reflectância de campo para o reservatório Dona Francisca ........ 171 Figura 5.78 – Correlograma do valor de reflectância, análise derivativa e remoção do contínuo nos diferentes comprimentos de onda com o total de sólidos em suspensão (linha em vermelho – limite dos valores estatisticamente significativos, = 0,001) ........................... 173 Figura 5.79 – Correlograma do valor de reflectância, análise derivativa e remoção do contínuo nos diferentes comprimentos de onda com transparência do Disco de Secchi (linha em vermelho – limite dos valores estatisticamente significativos, = 0,001) ........................... 173 13 Figura 5.80 – Correlograma do valor de reflectância, análise derivativa e remoção do contínuo nos diferentes comprimentos de onda com clorofila a (linha em vermelho – limite dos valores estatisticamente significativos, = 0,001) .......................................................................... 174 Figura 5.81 – Correlograma do valor de reflectância, análise derivativa e remoção do contínuo nos diferentes comprimentos de onda com carbono orgânico dissolvido (linha em vermelho – limite dos valores estatisticamente significativos, = 0,001) .............................................. 174 Figura 5.82 – Diagramas de correlação entre razão de bandas e variáveis limnológicas ...... 175 Figura 5.83 – Relação dos dados de reflectância com as variáveis limnológicas ................. 177 14 LISTA DE QUADROS Quadro 2.1 – Variáveis limnológicas, relação com outras variáveis e principais indicadores ambientais em reservatórios ................................................................................................. 29 Quadro 3.1 - Matriz dos índices de dissecação das formas de relevo..................................... 44 Quadro 3.2 – Características das classes de uso e ocupação das terras utilizadas para determinação do mapa temático ........................................................................................... 45 Quadro 3.3 – Datas dos trabalhos de campo realizados nos reservatórios Passo Real e Dona Francisca.............................................................................................................................. 47 Quadro 3.4 – Variáveis condições do tempo, características da água e do entorno ................ 50 Quadro 3.5 – Características morfométricas mensuradas para os reservatórios ..................... 52 Quadro 4.1 - Características altimétricas da BH do Alto Jacuí .............................................. 60 Quadro 4.2 – Duração dos ciclos vegetativos para as principais culturas anuais .................... 76 Quadro 5.1 – Modelado do relevo do alto Jacuí e declividade média, tipo de solo e uso da terra de compartimento. ....................................................................................................... 92 Quadro 5.2 – Características morfométricas dos reservatórios Passo Real e Dona Francisca . 99 Quadro 5.3 – Pontos amostrais dos reservatórios Passo Real e Dona Francisca com concentrações de clorofila a superiores a 30 μg/L (Inadequado segundo a Classe II – Resolução CONAMA – 357/2005) ..................................................................................... 140 Quadro 5.4 – Correlação significativa entre intervalos espectrais e variáveis limmológicas 172 15 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Coeficientes de exportação de fósforo total e nitrogênio total de acordo com o uso da terra e os seres vivos presentes em uma BH............................................................... 33 Tabela 2.2 – Comprimentos de onda das bandas de absorção e emissão de fluorescência dos pigmentos fitoplanctônicos................................................................................................... 38 Tabela 3.1 – Área das SHs do Alto Jacuí e número de municípios abrangidos ...................... 40 Tabela 3.2 – Classes adotadas para o mapa de declividade, com as suas características de forma do relevo e velocidade do escoamento superficial relacionadas .................................. 42 Tabela 5.1 – Normal climatológica da precipitação pluviométrica do Alto Jacuí (1940-2006) .......................................................................................................................................... 101 Tabela 5.2 – Condição do céu durante a aquisição dos dados de campo nos reservatórios Passo Real e Dona Francisca .............................................................................................. 107 Tabela 5.3 – Velocidade do vento média (Km/h) e direção durante a aquisição dos dados de campo nos reservatórios Passo Real e Dona Francisca........................................................ 107 Tabela 5.4 – Rugosidade da superfície da lâmina d’água durante a aquisição dos dados de campo nos reservatórios Passo Real e Dona Francisca........................................................ 107 Tabela 5.5 – Correlação entre as variáveis limnológicas para o reservatório Passo Real ..... 160 Tabela 5.6 – Correlação entre as variáveis limnológicas para o reservatório Dona Francisca .......................................................................................................................................... 160 Tabela 5.7 – Variância dos dados limnológicas para o reservatório Passo Real ................... 163 Tabela 5.8 – Variância dos dados limnológicas para o reservatório Dona Francisca ........... 163 Tabela 5.9 – Valores de TSS e transparência estimados para os reservatórios segundo normais climatológicas de precipitação, períodos e a probabilidade de ocorrência ........................... 166 Tabela 5.10 – Estimativas dos modelos de TSS e transparência para o reservatório Passo Real .......................................................................................................................................... 168 Tabela 5.11 – Modelos empíricos de estimativa de variáveis limnológicas com diferentes técnicas de análise de dados espectrais ............................................................................... 176 16 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AJ: BH Alto Jacuí ANA: Agência Nacional das Águas BH: Bacia hidrográfica CEE: Companhia Estadual de Energia Elétrica - RS Chl: Clorofila COAJU: Comitê de Gerenciamento da Bacia Hidrográfica do Alto Jacuí - RS COD: Carbono orgânico dissolvido CONAMA: Conselho Nacional do Meio Ambiente Dc: Denudacional de topo convexo DF: Dona Francisca DNPM: Departamento Nacional de Produção Mineral DS: Disco de Secchi EMBRAPA: Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária ENVI: Environment for Visualizing Images ER: SH Ernestina FEE: Fundação de Economia e Estatística - RS FEPAGRO: Fundação Estadual de Agropecuária - RS FEPAM: Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler – RS HAND: Height Above the Nearest Drainage IDESE: Índice de Desenvolvimento Socioeconômico IN: SH Ingaí INMET: Instituto Nacional de Meteorologia IV: SH Ivaí JA: SH Jacuí JM: SH Jacuí-Mirim JZ: SH Jacuizinho MAPA: Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento MNT: Modelo numérico do terreno NDVI: Índice de Vegetação por Diferença Normalizada PR: Passo Real Prob.: Probabilidade SPRING: Sistema de Processamento de Informações Georrefereciadas SRTM: Shuttle Radar Topography Mission SH: Sub-bacia Hidrográfica Temp: Temperatura da água TSS: Total de Sólidos em Suspensão UHE: Usina Hidroelétrica 17 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS ................................................................................... 19 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................. 24 2.1. Intervenção antrópica na natureza .......................................................................... 24 2.2. Bacias hidrográficas e erosão do solo..................................................................... 25 2.3. Construção de barragens e alterações nas variáveis limnológicas ........................... 28 2.4. Propriedades ópticas da água e constituintes opticamente ativos ............................ 35 3. METODOLOGIA .......................................................................................................... 39 3.1. Delimitação das bacias hidrográficas ..................................................................... 40 3.2. Banco de dados geográficos ................................................................................... 41 3.3. Caracterização geral da área de estudo ................................................................... 41 3.4. Compartimentos do relevo ..................................................................................... 43 3.5. Uso da terra ........................................................................................................... 44 3.6. Precipitação pluviométrica..................................................................................... 45 3.7. Determinação dos pontos amostrais nos reservatórios ............................................ 45 3.8. Trabalhos de campo ............................................................................................... 47 3.8.1. Variáveis limnológicas ....................................................................................... 48 3.8.2. Condições de campo ........................................................................................... 50 3.8.3. Dados espectrais de campo ................................................................................. 51 3.9. Dados complementares .......................................................................................... 51 3.9.1. Morfometria dos reservatórios ............................................................................ 51 3.9.2. Dados históricos: chuva e vazão ......................................................................... 52 3.9.3. Perfis longitudinais dos rios ................................................................................ 53 3.9.4. Dados atuais: meteorológicos e vazão ................................................................. 53 3.10. Tratamento e análise dos dados ............................................................................ 53 4. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO .......................................................... 56 4.1. Hidrologia ............................................................................................................. 56 4.2. Características climáticas ....................................................................................... 57 4.3. Relevo ................................................................................................................... 59 4.4. Solos ..................................................................................................................... 63 4.5. Cobertura vegetal nativa ........................................................................................ 65 4.6. Sistema Socioeconômico ....................................................................................... 68 4.6.1. Densidade demográfica ....................................................................................... 68 18 4.6.2. Saneamento básico ............................................................................................. 70 4.6.3. Indústria ............................................................................................................. 72 4.6.4. Mineração........................................................................................................... 74 4.6.5. Culturas anuais ................................................................................................... 76 4.6.5.1. Sistemas de Preparo do solo ............................................................................. 82 4.6.6. Pecuária .............................................................................................................. 84 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................................. 86 5.1. Bacia hidrográfica do Alto Jacuí ............................................................................ 86 5.1.1. Compartimentação do relevo .............................................................................. 86 5.1.2. Uso e ocupação das Terras .................................................................................. 88 5.1.2.1. Uso da terra, compartimentos do relevo e conflitos ambientais......................... 91 5.1.2.2. Uso da terra no contexto temporal .................................................................... 93 5.1.3. Fragilidade ambiental no Alto Jacuí e pressão antrópica...................................... 94 5.2. Os reservatórios Passo Real e Dona Francisca ....................................................... 96 5.2.1. Vazão do rio Jacuí .............................................................................................. 96 5.2.2. Perfil longitudinal dos rios .................................................................................. 98 5.2.3. Caracterização morfométrica dos reservatórios ................................................... 99 5.2.3. Definição da normal climatológica e tempo atual .............................................. 101 5.2.3.1. Condições in situ durante a coleta de dados .................................................... 107 5.2.4. Tempo de residência das águas dos reservatórios .............................................. 108 5.2.5. Variáveis limnológicas ..................................................................................... 110 5.2.5.1. Transparência Secchi ..................................................................................... 110 5.2.5.2. Temperatura da água ...................................................................................... 117 5.2.5.3. Clorofila a ..................................................................................................... 129 5.2.5.4. Total de sólidos em suspensão ....................................................................... 141 5.2.5.5. Carbono Orgânico Dissolvido ........................................................................ 150 5.2.6. Relação entre as variáveis limnológicas dos reservatórios ................................. 157 5.2.6.1. Relação das variáveis com a cor da água ........................................................ 161 5.2.6.2. Variabilidade espaço-temporal ....................................................................... 163 5.2.7. Influência das SHs nas variáveis limnológicas .................................................. 164 5.3. Uso potencial dos dados de sensoriamento remoto ............................................... 169 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ....................................................................................... 178 5.1. Recomendações ................................................................................................... 180 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 182 19 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS O crescimento acelerado da população urbana e da industrialização no Brasil nas últimas décadas motivou a construção de reservatórios como maneira de suprir a demanda de abastecimento de água e a geração de hidroeletricidade. Em virtude dessa demanda muitos rios foram represados em diferentes setores e resultando, em muitos casos, a série de reservatórios em cascata. Assim, as distintas condições de origens dos ambientes lênticos e os impactos das atividades antrópicas conferem aos reservatórios diferentes características, em especial quanto à qualidade da água (BRANCO; ROCHA, 1977; KIMMEL et al., 1990; ESTEVES, 1998; TUNDISI et al., 2006; REBOUÇAS, 2006). Os reservatórios em geral têm seu funcionamento em uma posição intermediária de rio e lago (KIMMEL et al., 1990). O material de suspensão introduzido pelos tributários nos reservatórios desencadeia o processo de deposição à medida que diminui a velocidade da água sobre o reservatório, tendo como consequência o assoreamento e aumento da transparência da água. A maior transparência da água também proporciona maior disponibilidade de luz no ecossistema aquático (BRANCO, 1986) e havendo nutrientes (fósforo, nitrogênio) disponíveis na coluna d’água são fatores que contribuem para a produtividade primária. Portanto, o material dissolvido e suspenso na água, juntamente com aumento na temperatura podem ser os fatores responsáveis pelo aumento de algas e eutrofização de reservatórios. No estado do Rio Grande do Sul, os principais reservatórios foram construídos no alto curso do Rio Jacuí e no rio Uruguai (Planalto Sul-Rio-Grandense) com a finalidade de atender a demanda energética. No rio Jacuí foram construídas a Usina Hidrelétrica (UHE) Ernestina, sendo a primeira a ser concluída (1957), seguida por UHE Jacuí (1962), Passo Real (1973), Itaúba (1978) e Dona Francisca (2001), seqüencialmente no sentido do rio (CRUZ, 1996). As maiores superfícies aquáticas, no rio Jacuí, pertencem a Passo Real com 225,3 km² e Dona Francisca com 19,6 km². O alto curso da bacia hidrográfica (BH) do rio Jacuí encontra-se ocupada principalmente pela agricultura, com destaque para as culturas da soja e do trigo (com a prática do sistema de cultura rotativa anual). O relevo do entorno do reservatório Passo Real é caracterizado por apresentar colinas, enquanto que o de Dona Francisca é caracterizado pelo relevo de morros. Dessa forma, a água recebida pelos reservatórios pode apresentar interferência das condições do uso das terras e do relevo das áreas de captação. Ainda a situação em que os reservatórios se encontram, em cascata, na qual a saída de água de um 20 sistema representa a entrada de outro, pode interferir na qualidade da água dos reservatórios até o exultório do rio Jacuí no Lago Guaíba. A BH do alto rio Jacuí localizado no centro-norte do Rio Grande do Sul está representado na Figura 1.1, com os reservatórios inseridos no rio Jacuí e os municípios que compreendem a BH. Variações espaciais e temporais nas características de superfície das águas dos reservatórios podem ser estudadas (analisadas e monitoradas), com suporte das técnicas de sensoriamento remoto. Essa técnica permite identificar a gênese e o deslocamento de substâncias específicas em suspensão ou dissolvidas na água (RUDORFF, 2005). Nesse contexto, o sensoriamento remoto permite estimar a transparência da água, a concentração de sólidos em suspensão e a quantidade de clorofila (DEKKER, 1993; NOVO, 2001). Em síntese, auxilia na estimativa do estado trófico de um reservatório. A eficiência dessa ferramenta foi comprovada em vários estudos com imagens multiespectrais (GIARDINO et al., 2001; BARBOSA, 2005; NOVO et al., 2006) e dados de espectrorradiometria de campo (BARBOSA, 2005; RUDORFF, 2005). Com base em dados de sensoriamento remoto, Pereira Filho e Galvão (1997) identificaram um aumento na reflectância na faixa do vermelho do espectro eletromagnético para o reservatório Passo Real. Além disso, os autores observaram uma variação do comprimento de onda de máxima reflectância para diferentes compartimentos aquáticos do reservatório. Essa variação esteve relacionada a diferenças no uso e ao manejo do solo nas bacias de captação de cada compartimento aquático. Os compartimentos localizados em bacias hidrográficas onde foi praticado o plantio direto apresentaram picos de reflectância na faixa verde do espectro, o que indica maior presença de clorofila em relação aos Totais de Sólidos em Suspensão (TSS). Por outro lado, nas bacias hidrográficas onde a prática predominante era o preparo de solo com cultivo convencional ocorreu a maior reflectância no vermelho. 21 Figura 1.1 – Mapa de localização da BH do alto rio Jacuí – RS com seus municípios 22 O sensoriamento remoto aplicado ao estudo da água compreende a relação entre espectros de reflectância da própria água e seus constituintes opticamente ativos (KIRK, 1994). Neste sentido, definem-se quatro domínios a serem investigados com os recursos de sensoriamento remoto, a nível orbital. O primeiro está relacionado com a periodicidade da obtenção de dados, visto que o satélite obtém informações de um mesmo lugar em intervalos regulares de tempo. O segundo está relacionado com resolução espectral, que permite explorar as propriedades espectrais produzidas por constituintes específicos na água. O terceiro domínio refere-se a resolução espacial, refere-se ao menor elemento no terreno (EIFOV - Effective Instantaneous Field of View) que pode ser registrado como em um ponto na imagem. E, o quarto domínio, a resolução radiométrica, que consiste na sensibilidade dos detectores em registrar pequenas variações de radiação refletida pelos alvos. A hipótese do trabalho é de que ocorram diferenças nas propriedades ópticas da água no contexto espaço-temporal de reservatórios em função das características de suas bacias hidrográficas abastecedoras e os processos hidrodinâmicos do próprio reservatório. Portanto, destacam-se os seguintes questionamentos: 1) Qual a influência do uso e ocupação das terras, do relevo e dos solos das bacias hidrográficas contribuintes dos reservatórios sobre as variáveis limnológicas, considerando as variações no tempo e espaço? 2) Quais são as mudanças que ocorrem na qualidade da água na estrutura vertical e horizontal dos reservatórios? 3) E, qual o potencial dos dados de sensoriamento remoto para o mapeamento dos constituintes opticamente ativos? Nesse contexto, o objetivo geral consistiu em analisar e caracterizar a estruturação espaço-temporal das variáveis limnológicas nos reservatórios das UHEs Passo Real e Dona Francisca do rio Jacuí, no contexto de suas bacias hidrográficas. Os objetivos específicos foram: a) Estabelecer relações entre a temperatura, os totais de sólidos em suspensão, a transparência, a clorofila a e carbono orgânico dissolvido nas águas dos reservatórios. Nesse, contexto, a representação de mapas temáticos das variáveis limnológicas no contexto espaço- temporal permite entender a origem de substâncias, processos hidrodinâmicos e a identificação de compartimentos aquáticos. b) Relacionar as variáveis limnológicas com as características climáticas, de relevo, dos solos e de uso das terras das bacias hidrográficas de cada compartimento aquático. As características naturais e a ocupação antrópica na bacia hidrográfica são responsáveis em 23 diferentes graus na entrada de materiais/nutrientes para os rios e consequente alteração limnológica dos reservatórios. c) Verificar o uso potencial dos dados de espectrorradiometria de campo para monitoramento dos constituintes opticamente ativos dos reservatórios. O dado de sensoriamento remoto de campo consegue representar com maior fidelidade as características ópticas da água. Os dados de reflectância são relacionados com as variáveis limnológicas para identificar os comprimentos de onda com melhor correlação. 24 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Intervenção antrópica na natureza Os corpos d’água são constituintes da paisagem, tanto pelo ponto de vista morfológico quanto econômico (SCHAFER, 1985) e estabelecem comunicação direta com a BH, estabelecendo fluxos de energia e matéria. A BH é configurada por um conjunto de superfícies inclinadas, na qual a água do escoamento superficial segue uma trajetória rica em interações (vegetação, culturas agrícolas, cidades) e orientada pela maior inclinação do plano definido pelo comprimento de rampa e a intensidade do fluxo de energia que aumenta conforme a declividade do terreno (D’AGOSTINE, 1999). A rede de drenagem é o produto de intensificação do escoamento superficial e dos processos erosivos, ocorrentes em uma BH. As áreas antropizadas são crescentes nas bacias hidrográficas, principalmente com a ampliação das cidades e da agricultura. Em detrimento, ação antrópica têm alterado o funcionamento natural das bacias hidrográficas com exposição e impermeabilização do solo, tendo consequências ao ciclo hidrológico. A intervenção antrópica em muitos rios brasileiros tem acontecido com a instalação de barragens para a produção de energia elétrica. A quantidade e qualidade da água dos reservatórios formados e a própria dinâmica dependem das características da BH, por meio da entrada de energia e matéria de origem alóctone. Portanto, as barragens interferem e dependem da organização espacial da BH. A organização espacial da BH compreende a estruturação do geossistema e do sistema socioeconômico (CHRISTOFOLETTI, 1999) (Figura 2.1). Essa organização é resultante da interação dos elementos componentes do sistema físico da natureza (estruturação do geossistema) possuindo expressão espacial na superfície terrestre e constituído por sistema de elementos, funcionando através da circulação de energia e matéria (CHRISTOFOLETTI, 1999). Embora os geossistemas sejam naturais, há necessidade da conexão da natureza com a sociedade, caracterizando a influência do sistema socioeconômico na organização espacial (SOTCHAVA, 1977; PEREZ FILHO, 2008). O geossistema é uma classe de sistema aberto e hierarquicamente organizado, sob ação antrópica cada vez mais intensa (CRUZ, 1985). O geossistema transforma-se como um todo, mas alguns de seus componentes o fazem sob diferentes velocidades e, algumas vezes, com rumos diferentes (SOTCHAVA, 1977). 25 Figura 2.1 – Estruturação do geossistema e do sistema socioeconômico Fonte: Christofoletti (1999). As mudanças nos subsistemas devem ser entendidas na escala temporal (PEREZ FILHO, 2006). A temporalidade do geossistema pode ser caracterizada pelo estado sazonal, pois explora de forma avançada o comportamento anual do geossistema, assim como a representação paisagística (BERTRAND; BERTRAND, 2007). Na condição da BH e os reservatórios inseridos foi colocada em evidência no geossistema as águas (Figura 2.1), que depende dos elementos do próprio geossistema e do sistema socioeconômico. O levantamento das características da água é normalmente realizado com a coleta de dados de campo, por meio da amostragem de fatores abióticos e bióticos, em diferentes locais e períodos do ano (BICUDO; BICUDO, 2004). Considerando o sistema socioeconômico coloca-se em evidência a agricultura. O estudo a partir do ciclo vegetativo das culturas agrícolas inclui-se no estado sazonal, na qual a ação antrópica tem forte participação no processo de evolução. O monitoramento realizado em determinada fase agrícola, com dados coletados in situ ou através de sensores orbitais, representa um estado do geossistema. A noção de dinâmica permite classificar o geossistema quanto ao estado do sistema ou estados sucessivos, no qual possibilita assumir ou propor hipóteses sobre a sua dinâmica futura (RODRIGUES, 2001). 2.2. Bacias hidrográficas e erosão do solo Nas regiões de clima úmido, as chuvas são as principais causadoras da erosão do solo nas bacias hidrográficas. O escoamento superficial desagrega as partículas e as transporta até áreas de agradação ou a rede de drenagem até ocorrer a sua deposição. A erosão atua no 26 modelado do relevo e, até mesmo na formação de solos, mas, esse processo vem sendo acelerado pelas atividades antrópicas, com a perda substancial de elementos físicos e químicos em escala de algumas décadas (FARIA, 1996). Os tipos de erosão, geradas pelo regime pluvial em uma BH (AMARAL, 1984; LEPSCH et al., 1991; FARIA, 1996; BERTONI; LOMBARDI NETO, 1999) são: a) erosão por salpicamento: remoção das partículas dos agregados dos solos pelas gotas da chuva; b) erosão laminar: transporte dos sedimentos e ação erosiva dos fluxos em lençol; e, c) erosão linear: fluxos concentrados que erodem e transportam sedimentos através de sulcos, ravinas e voçorocas. A erosão do solo conduz à mudança na sua coloração e ao aparecimento de eventuais blocos que poderão permanecer no local, enquanto os de menor granulometria, como silte e argila, são retirados do solo, resultando no seu empobrecimento (MAFRA, 1981). A erosão é acelerada quando atividades humanas são desenvolvidas, como as práticas de desmatamento, queimadas, pisoteio do gado com implantação da pecuária e construção de rodovias. Com isso, a perda de solos no Brasil é em média 2,5 vezes maior que a taxa de formação, causando prejuízos à natureza e à agricultura (FARIA, 1996). A susceptibilidade à erosão do solo, ou seja, sua erodibilidade frente à água (BERTONI; LOMBARDI NETO, 1999) dificilmente é considerada em processos para ocupação humana. Apenas, considera-se, quando é uma limitação a ocupação antrópica, como a baixa fertilidade dos solos e/ou relevo dissecado. A intensidade, a duração e a frequência das precipitações pluviométrica estabelecem um limite de saturação do solo, deixando-o de absorver água e, dependendo da intensidade da chuva conduzir a dinamização do escoamento superficial (MENDES, 1993). A intensidade das precipitações pluviométricas determina diferentes diâmetros das gotas de chuva, como exemplificado em Ayoade (1996), em que 10, 30 e 102 mm/h proporciona um diâmetro de 1, 2 e 3 mm, respectivamente. A capacidade da chuva em causar erosão em uma área não protegida é chamada de erosividade das chuvas (BERTONI; LOMBARDI NETO, 1999). A presença de vegetação em uma BH aumenta a proteção e a retenção do solo erodido. A faixa de vegetação presente em uma encosta aumenta progressivamente a infiltração e retém as substâncias suspensas do escoamento (SANTOS, 2004). O dossel da vegetação (arbóreo-arbustiva) diminui a velocidade das gotas da chuva e o impacto delas no solo; e, as raízes que se mantêm fixas ao solo, proporcionam modificações na estrutura do solo, que evitam a compactação e favorecem a infiltração. A alta proteção exercida por florestas na BH 27 foi verificada em trabalhos como Sheridan et al. (1999), Ferreira et al. (2008) e Gomi et al. (2008). As áreas agrícolas são muito dinâmicas; o período com maior proteção é a fase em que as culturas estão em desenvolvimento vegetativo e menor proteção na fase de preparo do solo (ROSS, 1996). O crescimento das culturas agrícolas reduz a exposição e dependendo da quantidade de folhas que essas possuírem, poderá contribuir significativamente no processo de interceptação e diminuir a erosão pluvial. As culturas agrícolas fecham o ciclo com a colheita, quando o solo tem a tendência de ficar desprotegido. No sistema de preparo do solo de cultivo convencional é realizada a mobilização do solo. A erosão neste sistema produz impactos na forma e na estrutura do solo, densidade, resistência a penetração e diminuição da estabilidade dos agregados (HOUSE; PARMELEE, 1985; COSTA et al., 2003). Tendo em vista a proteção do solo das áreas agrícolas, no estado do Rio Grande do Sul, através da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) e Associação Rio-Grandense de Empreendimentos de Assistência Técnica e Extensão Rural (EMATER) tem incentivado o plantio direto, técnica que consiste na ausência da remoção do solo no plantio. Apesar dos ganhos assumidos com o melhoramento das técnicas utilizadas no desenvolvimento das atividades agrícolas (redução na perda de solos), ainda registra-se a forte compactação exercida pelas máquinas agrícolas, dificultando o processo de infiltração da água no solo (HILL, 1990; CAMARA; KLEIN, 2005). O uso de fertilizantes na agricultura (N – Nitrogênio, P – Fósforo e K – Potássio) também tem apresentado impactos nos constituintes do solo como: decréscimo do teor de matéria orgânica, degradação das características físicas, alterando a capacidade de retenção e escoamento das águas (MOTA, 1997; SILVA et al., 2004). O papel da matéria orgânica é de agregar as partículas do solo, e os fertilizantes reduzem essa capacidade, logo a perda de nutrientes em uma BH predominantemente agrícola pode ser significativa. Ross (1996) e Crepani et al. (1998), com base no PROJETO RADAMBRASIL (IBGE, 1973), apresentam diferentes graus de proteção do solo em relação a cobertura terrestre (Floresta > gramíneas > solo exposto) e ao tipo de solo (Latossolo > Argissolos, Nitossolos e Chernossolos > Neossolos). Os autores fazem referência ainda à dissecação do relevo, amplitude altimétrica e declividade das encostas como indicadores de vulnerabilidade de erosão. O sistema fluvial recebe a carga de material advinda da bacia hidrográfica e transporta para diferentes níveis, que de acordo com a capacidade e competência desse rio, ocorre ou não 28 a deposição do sedimento. Os rios, por sua vez, podem erodir seus canais, verticalmente, aprofundando o talvegue, ou lateralmente, alargando o canal (NOVO, 2008), resultante da ação conjunta da incisão fluvial e da denudação da encosta (CUNHA; GUERRA, 1996). A carga transportada pelo rio, normalmente, apresenta granulometria reduzida que se conserva em suspensão pelo fluxo turbulento e se deposita em águas muito calmas como a de lagos (CHRISTOFOLETTI, 1981). 2.3. Construção de barragens e alterações nas variáveis limnológicas A construção de barragens – imposição antrópica – em rios proporciona alterações espaço-temporais como o aumento da taxa de sedimentação, a inundação de áreas florestais e agrícolas, alterações físicas e químicas no meio aquático e modificações substanciais na fauna e na flora silvestre (ESTEVES, 1998). A morfologia, as condições físicas e a química da água representam impactos na origem de um reservatório. Além disso, os organismos lóticos são substituídos por novas espécies e surgem novos processos ecológicos (sedimentação e desenvolvimento de plâncton) (GUNKEL et al., 2003). Essas condições podem estar relacionadas a uma maior disponibilidade de nutrientes, a proliferação de algas e o aparecimento de macrófitas aquáticas. Algumas das variáveis limnológicas que descrevem a situação ambiental de um reservatório são: a temperatura, sólidos em suspensão, clorofila, transparência, carbono orgânico dissolvido. O Quadro 2.1 apresenta as principais características das variáveis limnológicas mencionadas em relação a outras variáveis da água e indicadores no ecossistema aquático. A inserção das barragens em rios proporciona características hidrodinâmicas e de qualidade da água semelhante a um lago. A redução da velocidade da água à medida que a água do rio avança até a barragem condiciona a formação de três zonas (WETZEL, 2001): zona de rio, zona de transição e zona de lago. Cada uma dessas zonas ou compartimentos aquáticos apresenta diferenças limnológicas entre si, com a possibilidade de encontrar múltiplos compartimentos, decorrentes do padrão temporário da estrutura vertical, como o caso da estratificação térmica, pelo padrão dendrítico da represa e entrada de tributários (HENRY, 1999). A participação das condições externas e a circulação interna na formação de compartimentos aquáticos de um reservatório estão representadas na Figura 2.2. 29 Quadro 2.1 – Variáveis limnológicas, relação com outras variáveis e principais indicadores ambientais em reservatórios Variável limnológica Unidade Relações com outras variáveis Principais indicadores no ecossistema aquático Temperatura ºC O aumento da temperatura diminui a concentração de oxigênio da água e crescimento do fitoplâncton. Estratificação térmica. Clorofila a μg/L Mudanças de sabor, odor, turbidez, cor e aumento da matéria orgânica (MOTA, 1997). Além de influenciar no pH e Oxigênio. Representa a produtividade biológica no sistema, pois representa o principal pigmento das algas e cianobactérias (LONDE et al., 2005). Carbono Orgânico Dissolvido mg/L Aumento de COD condiciona um pH ácido. Efetivamente em medidas não exageradas traduz-se em alimento para as bactérias. As macrófitas aquáticas contribuem no aporte de COD para o sistema. Total de Sólidos em Suspensão mg/L Aumento do TSS aumenta os valores de turbidez. Atua na absorção da luz diminuindo a produtividade biológica dos reservatórios (ESTEVES, 1998). Transparência m A transparência é inversamente proporcional aos constituintes opticamente ativos (fitoplâncton, sólidos orgânicos e inorgânicos) e pode indicar indiretamente a concentração de oxigênio dissolvido. A transparência é inversamente proporcional à quantidade de compostos orgânicos e inorgânicos no percurso da luz e ao coeficiente de atenuação da irradiância (KIRK, 1994; ESTEVES, 1998). A vegetação, o relevo, a forma e o tamanho do reservatório são condições que diferem o acesso do vento na circulação das águas em um reservatório. A energia cinética promovida pelo vento gera correntes, ondas, turbulência e situações transientes que promovem a mistura e dissipação no ecossistema aquático (TUNDISI; TUNDISI, 2008), alterando as condições da temperatura da água (WETZEL, 2001) e a ressuspensão de material. As trocas gasosas também são motivadas pela ação do vento e proporcionam uma quantidade de oxigênio à água. A radiação solar ao atingir e atravessar a massa d’água apresenta dois fenômenos físicos: uma, passa o líquido e vai diminuindo em quantidade ao mesmo que muda a qualidade, é a luz; a outra é absorvida pela água, o calor (BRANCO, 1986). A importância da radiação no ecossistema aquático consiste o meio necessário para os organismos produtores realizarem a conversão da energia luminosa pela fotossíntese. 30 Figura 2.2 – Compartimentação vertical e horizontal de reservatórios e suas características Fonte: Adaptado de Tundisi, 1999 (Compartimentação vertical); Kimmel et al., 1990 (Compartimentação horizontal). A estratificação térmica, um dos primeiros impactos produzidos na formação de um sistema lêntico, caracteriza-se pela formação de camadas variadas de temperatura, conduzindo a alterações físico-químicas da água com prejuízo para os seres vivos. As camadas decorrentes da estratificação térmica são: epilímnio (camada superior), metalímnio (intermediária, com a definição da termoclina) e hipolímnio (camada inferior). A 31 estratificação térmica é provocada pela resistência térmica à mistura, que é crescente com a temperatura, em função da diminuição da densidade e sua diferença entre as camadas (ESTEVES, 1998). Por isso, o ambiente com estratificação térmica apresenta limitação em relação à troca de energia e matéria entre epilímnio e hipolímnio. A radiação diurna também pode propiciar microestratificações térmicas e termoclinas secundárias no epilímnio, influenciando nos processos químicos e biológicos (TUNDISI; TUNDISI, 2008). No estudo da estratificação térmica é importante ter conhecimento do tempo de residência das águas, a profundidade do reservatório, a velocidade do vento e sua direção (FORD, 1990). Os reservatórios, quanto à temperatura da água, podem ser classificados de acordo com o balanço térmico (HUTCHINSON; LÖFFLER, 1956). A latitude e a altitude são fatores a serem considerados para classificação. Com essa condição os lagos no sul do Brasil são monomíticos quentes, ou seja, a circulação ocorre no inverno com temperaturas acima de 4º C e a estratificação térmica nas demais estações do ano (WETZEL, 2001). Na condição particular do Estado do Rio Grande do Sul, os reservatórios apresentam normalmente estratificação térmica de setembro a fevereiro, quando a superfície aquática oferece resistência para circulação, que, pode ser rompida nesse período em caso de enchentes, mas, após alguns dias, a estratificação retorna (RODRIGUES, 2002). O aumento significativo da transparência da água no sentido do rio-barragem, associado à deposição de material inorgânico (STEVAUX et al., 2009) proporciona de imediato a ampliação da zona eufótica. A extensão da zona iluminada é um fator muito importante para o grau de produtividade do reservatório, seguido pela localização geográfica e a idade do ecossistema, a diversidade biológica, a intensidade e a duração da radiação solar, a quantidade de nutrientes, a temperatura e geologia local (CLETO FILHO, 2005). A produtividade biológica pode ser acelerada e descontrolada, tendo como consequência, a eutrofização. A hierarquia de fatores e as complexidades que determinam a produtividade de um lago estão representadas na Figura 2.3. A eutrofização é a resposta da água de um reservatório em relação ao enriquecimento de nutrientes, principalmente de fósforo e nitrogênio, cuja origem pode ser natural e mais frequente das atividades humanas (Industrial, cidades, agricultura e o uso de fertilizantes) (OCDE, 1992). As consequências são a alta produção de algas e macrófitas aquáticas que podem alterar as propriedades organolépticas da água potável, corrosão de equipamentos hidrelétricos, diminuição da concentração de oxigênio, acumulação de amoníaco na coluna de água e a ressuspensão de certos metais (Fe, Mn) do sedimento em condições anóxicas (SALAS; MARTINO, 1990). Os 32 reservatórios são mais susceptíveis à eutrofização, pois a quantidade de nutrientes que entra na maior parte permanece no reservatório em circulação e a quantidade de saída depende do tempo de residência (TUNDISI, 1988). Figura 2.3 – Hierarquia de fatores e as complexidades que determinam a produtividade de um lago Fonte: Adaptado de Thienemann (1925). O fósforo e nitrogênio podem ser fornecidos pelos tributários da bacia hidrográfica de forma pontual e difusa, ou ainda pela precipitação pluviométrica (VON SPERLING, 2005). O transporte do sedimento realizado no escoamento superficial tem alta capacidade de levar altas cargas de fósforo à rede de drenagem (THORNTON, 1990). Esse nutriente pode ser utilizado pela produção fitoplanctônica e a deposição dos sedimentos no decorrer no reservatório e podendo ser disponibilizado novamente através da circulação (OCDE, 1982). Normalmente a redução da concentração de fósforo e ferro ocorre no sentido rio- barragem e sua posterior sedimentação que podem ser atribuídos a três principais fatores (RODRIGUES, 2002): 1) absorção pelo fitoplâncton e sua posterior sedimentação; 2) 33 absorção ao material particulado inorgânico (THORNTON, 1990) e; 3) precipitação do fósforo com compostos férricos (WETZEL, 2001). A razão nitrogênio/fósforo na água controla a produtividade da maioria das espécies de algas. No entanto, a baixa razão nitrogênio/fósforo cria condições propícias, principalmente no verão, para o desenvolvimento de cianofíceas, pois estas apresentam a capacidade de fixar nitrogênio (THORNTON, 1990; PAERL, 2008). Com isso, a presença de fósforo pode ser determinante para a eutrofização e o problema maior decorre que algumas espécies de cianofíceas são potencialmente tóxicas. Estudos realizados em diferentes áreas na Europa, Estados Unidos e Austrália reunidos no Nutrient data Book (MARSTON et al., 1995) apontam maiores coeficientes de exportação de fósforo e nitrogênio das bacias hidrográficas agrícolas e urbanas. Estimativas de coeficientes de exportação foram utilizadas pelo Centro Panamericano de Ingenieria Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPES) (SALAS; MARTINO, 1990) para lagos tropicais, incluindo reservatórios Brasileiros. Tais coeficientes de fósforo e nitrogênio estão dispostos para alguns usos da terra e seres vivos (Tabela 2.1), que podem ser exportados através dos processos erosivos na BH aos corpos d’água (BRAGA et al., 2005). Tabela 2.1 - Coeficientes de exportação de fósforo total e nitrogênio total de acordo com o uso da terra e os seres vivos presentes em uma BH Coeficientes de Exportação Fósforo Total (g) Nitrogênio Total (g) Uso da terra Urbano (ha/ano) 1.000 5000 Agricultura (ha/ano) 500 5000 Vegetação (ha/ano) 100 3000 Seres vivos Pessoas (hab./ano) 1.000 Bovinos (animal/ano) 7.000 Porco ou ovino (animal/ano) 3.000 Cavalo (animal/ano) 4.500 Aves (animal/ano) 300 Fonte: Castagnino (1982), citado por Salas e Martino (1990). A existência de nutrientes na coluna d’água, associado à radiação solar, transparência da água, estabilidade da coluna d’água, pH e herbivoria são fatores importantes para a proliferação de fitoplâncton (FERNANDES et al., 2009). A clorofila a é uma variável muitas vezes utilizada para a determinação de biomassa fitoplanctônica, devendo ser considerado estado fisiológico e espécie (KURODA et al., 2005). O aumento da vazão dos principais tributários implica no aumento da zona de transporte em um reservatório, e assim, a maior 34 produção de biomassa e produção fitoplanctônica ocorrem geralmente em zonas transicionais em reservatórios (KIMEL et al., 1990), com modificações do pH da água (THOMAZ et al., 1997). Por outro lado, o crescimento máximo de cianobactérias ocorre em habitat com pH variando de 7,5 a 10 (GIRALDEZ-RUIZ et al., 1999), sendo impossibilitado em valores de pH abaixo de 5 (BROCK, 1973). A concentração de clorofila a pode ser um indicador do grau de trofia dos reservatórios, ou seja, enriquecimento de nutrientes e produtividade biológica do ambiente. A distribuição probabilística dos estados tróficos em lagos realizada pela OECD (1992) foi sobreposta a proposta de CARLSON (1977), modificado por LAMPARELLI (2004) com aplicação em reservatórios conforme apresentado na Figura 2.4. A correspondência dos pode ser observada entre a distribuição probabilística e estados tróficos. O estado eutrófico a hipereutrófico é indesejado para um reservatório, pois representa um excesso de nutrientes na água e significa poluição do ecossistema aquático. Figura 2.4 – Probabilidade da distribuição das categorias de estado trófico proposto pela OECD (1992) e os intervalos segundo Carlson (1977) modificado por Lamparelli (2004) com aplicação em reservatórios O carbono orgânico dissolvido (COD) é uma das principais frações de matéria orgânica que se constitui em fonte de energia em ecossistemas aquáticos, exercendo influência nos processos biogeoquímicos. O COD apresenta dois tipos de substâncias, 35 classificadas em: húmicas e não-húmicas. As substâncias húmicas constituem a maior fração de COD em ambientes aquáticos continentais, normalmente associada à comunidade fitoplanctônica e às macrófitas aquáticas, mas, também, advinda dos processos erosivos envolvidos na BH (BIANCHINI JR, 1985; WETZEL, 2001). As substâncias não-húmicas são formadas por compostos nitrogenados, carboidratos solúveis, lipídios, vitaminas e enzimas, com participação de bactérias, fitoplâncton e por material em suspensão (ESTEVES, 1998). O TSS compreende os sólidos orgânicos em suspensão e sólidos inorgânicos em suspensão transportados pela água com um diâmetro maior que 0,45 μm (TODESCHINI, 2004). Os sólidos orgânicos são representados principalmente pelo fitoplâncton, zooplâncton e substâncias húmicas com origem autóctone. Os sólidos inorgânicos são constituídos principalmente de silte e argila com origem alóctone (ESTEVES, 1998), cuja menor granulometria facilita o transporte. 2.4. Propriedades ópticas da água e const ituintes opticamente ativos A radiação solar que atinge a superfície de reservatórios é absorvida, transmitida e refletida pela água. A reflectância é registrada por sensores remotos, quanto a sua intensidade, largura de banda e tipicamente as feições espectrais denotam o grau de participação das propriedades limnológicas. As variáveis que possuem a capacidade de influenciar nas propriedades óticas da água são sólidos suspensos e dissolvidos, fitoplâncton e matéria orgânica chamados de constituintes opticamente ativos (ESTEVES, 1998; NÓBREGA, 2002; HELLWEGER et al., 2004). No entanto, a água em estado puro possui intensa absorção molecular em comprimentos de onda do ultravioleta (<400 nm) e a partir da faixa do verde (520 nm) (JENSEN, 2009) (Figura 2.5). O espalhamento da radiação eletromagnética (muito menor que a absorção) diminui à medida que se aproxima de comprimentos de onda do infravermelho próximo. A soma dos coeficientes de absorção e espalhamento representa o coeficiente de atenuação. Por isso, o estudo das águas por sensoriamento remoto ocorre em comprimentos de onda de 400 a 900 nm (BARBOSA, 2005). 36 Figura 2.5 - Curva de espalhamento e absorção da água pura e as regiões do espectro eletromagnético Fonte: Bukata et al. (1995). Adaptado por Jensen (2009). As diferenças entre a concentração dos constituintes opticamente ativos na água resultam em propriedades ópticas inerentes de absorção e espalhamento da radiação eletromagnética. A distinção de assinaturas espectrais para cada tipo de água (sob diferentes concentrações de constituintes opticamente ativos) parte da radiação solar é absorvida pelas algas para a realização da fotossíntese (BARBOSA, 2005). O espalhamento da radiação ocorre principalmente com a presença de sólidos em suspensão. Na Figura 2.6 é apresentado o comportamento espectral dos constituintes opticamente ativos que podem estar presentes em uma massa d’água. Com relação ao total de sólidos em suspensão (TSS) na água, a resposta espectral está associada a uma faixa ampla do espectro, com destaque para o aumento da reflectância (espalhamento) na faixa entre 600 e 700 nm, podendo se expandir para a região do infravermelho próximo de acordo com a concentração e tipo de material (SOUZA et al., 1991; NOVO, 1998; ARRAUT et al., 2005; RUDORFF et al., 2005). A fração orgânica é responsável pela absorção da radiação eletromagnética nos comprimentos de onda do visível, com valores altos no ultravioleta e azul, decrescendo até o verde e valores muito baixos no 37 vermelho (MANTOVANI; NOVO, 1996; NOVO, 2001). A fração inorgânica favorece o espalhamento da radiação eletromagnética, aumentando a reflectância no vermelho (KIRK, 1994). A resposta espectral em função desse material varia de acordo com sua granulometria (CABRAL et al., 1990), sendo que a presença de silte e areia tendem ter maiores reflectâncias do que aquele constituído por argila (JENSEN, 2009). Figura 2.6 – Padrão espectral da água e os constituintes opticamente ativos em imagens do sensor hiperespectral Hyperion/EO-1 na região Amazônica Fonte: Rudorff (2006). O fitoplâncton, através dos pigmentos fotossintetizantes, é um dos constituintes responsáveis pela absorção da luz no meio aquático em função dos elementos utilizados para a fotossíntese. As propriedades de absorção do fitoplâncton conduzem a diminuição da reflectância da água na região do azul, passando o máximo de reflectância para a região do verde e um aumento da energia refletida no vermelho, devido à fluorescência de clorofila a (DEKKER, 1993; NOVO, 2001; BARBOSA, 2005). Regiões espectrais com picos de absorção referentes a clorofila a foram mais acentuados em 438nm e 676nm (DEKKER, 1993) e, ainda utilizando análise derivativa1 de dados hiperespectrais de campo conclui que as regiões de 630–645nm, 660–670nm, 680-687nm e 700- 735nm demonstraram melhor relação com o pigmento (HAN, 2005). Na Tabela 2.2 são apresentadas as bandas de absorção e de fluorescência dos pigmentos fitoplanctônicos. 1 A utilização de análise derivativa para a análise de dados hiperespectrais é para detectar ou realçar os constituintes opticamente ativos nos espectros. Goodin et al. (1993) verificou que a primeira derivada é capaz de remover o sinal da reflectância da água, facilitando a detecção de TSS, já a segunda derivada permitiu a melhor identificação da clorofila. 38 Tabela 2.2 – Comprimentos de onda das bandas de absorção e emissão de fluorescência dos pigmentos fitoplanctônicos Absorção (nm) Pigmento Tipo de Plâncton Fluorescência (nm) Pigmento Tipo de plâncton 438 Clorofila a Todos os tipos 470 Hexa-ficoxantina Cianobactérias 480 - caroteno Dinoflagelados, diatomáceas, crisófitas 493 Ficobilina Cianobactérias 562 c-ficoeritrina Cianobactérias 560-570 Ficobilina Cianobactérias 567 Ficobilina Cianobactérias 570-660 Ficoeritrina Cianobactérias 615 c-ficocianina Cianobactérias 624 Cp-cianina Cianobactérias 627 Ficobilina Cianobactérias 650 Aloficocianina Cianobactérias 650-660 Ficocianina Cianobactérias 676 Clorofila a Todos os tipos 685 Clorofila a Todos os tipos Fonte: Weaver e Wrigley, 1994. A matéria orgânica dissolvida tem como principal constituinte o carbono orgânico dissolvido na água oriundo da decomposição de organismos vivos terrestres ou aquáticos, principalmente o fitoplâncton durante sua senescência (ESTEVES, 1998). A matéria orgânica dissolvida no meio aquático interfere no coeficiente de absorção do fluxo de energia, alterando a cor da água pura. Mobley (2004) descreve a curva de absorção da matéria orgânica ou substância amarela, onde estas substâncias absorvem muito na região do ultravioleta, azul e verde e muito pouco na região do vermelho conforme a sua concentração. A combinação e proporcionalidade dos constituintes no meio aquático determinam às águas, uma maior complexidade na sua compreensão e dificultam o isolamento para a realização das análises espectrais em dados de sensoriamento remoto. A presença de partículas inorgânicas em suspensão aumenta o coeficiente de retroespalhamento da água, diminuindo os coeficientes de absorção proporcionados pelos pigmentos fitoplanctônicos (KIRK, 1994). Além disso, o alto coeficiente de atenuação da água na região do visível decorrente de sua alta transmitância proporciona baixo sinal de reflectância às massas d’água (WOODRUFF et al., 1999; NOVO, 2001; JENSEN, 2009). As medidas espectrorradiométricas de reflectância realizadas in situ descrevem com maior fidelidade a água e seus constituintes opticamente ativos do que as imagens de satélite, pela menor influência dos efeitos atmosféricos e de escala (BARBOSA, 2005). O grande número de canais, que os espectrorradiômetros em geral possuem, permitem relacionar os constituintes opticamente ativos a comprimentos de onda específicos, com possibilidade da construção de modelos precisos. 39 3. METODOLOGIA O fluxograma da metodologia aplicada para o desenvolvimento do trabalho é apresentado na Figura 3.1. Figura 3.1 – Fluxograma de desenvolvimento do trabalho O conceito de BH envolve explicitamente o conjunto de terras drenadas por um corpo d’água e seus afluentes e representa a unidade mais apropriada para o estudo qualitativo e quantitativo do recurso água e dos fluxos dos sedimentos e nutrientes (PIRES et al., 2002). A BH está organizada e funcionalmente estabelecida, através de seus principais elementos: as vertentes e a rede de drenagem. As interações que ocorrem nesses elementos estão condicionadas as dimensões espaço e tempo. O espaço representa a dimensão da localização 40 (x, y e z) do objeto e o tempo envolve dinâmica do espaço (t) do estado do sistema (natureza da análise). Os reservatórios, por outro lado, são componentes diferenciados da paisagem que promovem alterações consideráveis no regime hidrológico e na dinâmica ecológica de rios e BH, muito dependentes da organização espaço-temporal (HENRY, 1999; TUNDISI, 2006). A BH do Alto Jacuí e os reservatórios Passo Real e Dona Francisca foram selecionados para integração do estudo. Os motivos foram os seguintes: suas localizações no rio correspondem ao início e fim da série em cascata, respectivamente, diferença de área alagada, contexto de ocupação da BH. O motivo foi de trabalhar com as diferenças existentes entre os reservatórios, a participação das bacias hidrográficas que os abastecem e os impactos proporcionados às variáveis limnológicas. 3.1. Delimitação das bacias hidrográficas A BH do Alto Jacuí compreende cinco Sub-bacias Hidrográficas (SH): rio Jacuí, rio Jacuí-Mirim, rio Ingaí, afluentes do reservatório Passo Real; rio Ivaí, afluente do reservatório Itaúba; e, Rio Jacuizinho, afluente do reservatório Dona Francisca. O trabalho considerou a BH do Alto Jacuí2, e, especificamente, as SHs dos reservatórios mencionados. A BH do rio Jacuí foi considerada a jusante do reservatório Ernestina, o qual também foi individualizado com sua área de captação. A delimitação realizada visa contribuir para o estudo dos reservatórios do Alto Jacuí e os impactos proporcionados pelas SHs. As SHs do alto Jacuí individualizadas, extensão e número de municípios abrangidos são apresentados na Tabela 3.1. Tabela 3.1 – Área das SHs do Alto Jacuí e número de municípios abrangidos BH e SHs Área Municípios abrangidos Km² % Área Total Área Parcial AJ - Alto Jacuí 13.290,64 100,00 24 21 ER – Ernestina 1.042,46 7,84 1 5 JA - Rio Jacuí 4.147,23 31,20 8 12 JM - Rio Jacuí-Mirim 1.606,21 12,09 - 8 IN - Rio Ingaí 1.088,60 8,19 - 5 IV - Rio Ivaí 1.699,59 12,79 - 6 JZ - Rio Jacuizinho 2.125,93 16,00 3 12 2 O limite da bacia hidrográfica do Alto Jacuí considerado no Plano de Bacia (COAJU, 2009) e pela Secretaria Estadual de Meio Ambiente do Rio Grande do Sul não atinge a barragem Dona Francisca (dique), mas sim a área de captação decorrente do rio Jacuí até o ponto de inclusão da bacia do rio Jacuizinho. 41 3.2. Banco de dados geográficos O banco de dados geográficos foi construído no SPRING (Sistema de Processamento de Informações Georrefereciadas), com as informações disponíveis do alto Jacuí, referentes a documentos cartográficos analógicos e georreferenciados. A base cartográfica incorporada ao banco de dados é oriunda da digitalização das cartas topográficas Passo Fundo, Cruz Alta e Santa Maria (Escala 1:250.000, ano 1980, Diretoria do Serviço Geográfico – Ministério do Exército) com os planos de informação: rede de drenagem, rede viária e cidades (FEPAM, 2008). Os limites municipais utilizados foram definidos a partir de IBGE (2008). Essas informações iniciais foram importantes para o reconhecimento da área de estudo, que posteriormente foram complementadas com dados obtidos em imagens de satélite e in situ. Os limites das SHs foram extraídos a partir dos dados SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) utilizando o algoritmo HAND (Height Above the Nearest Drainage) proposto por Rennó et al. (2008). A grade SRTM utilizada é oriunda do projeto TOPODATA – Banco de Dados Geomorfológico do Brasil (VALERIANO, 2008) com resolução espacial de 30 m (dados interpolados). O limite da lâmina d’água dos reservatórios foi obtida a partir do fatiamento (delimitação de um intervalo de número digital) da banda 5 da imagem de satélite TM Landsat 5 (órbita/ponto 222/80) da data 29 de outubro de 2009 (Cota de Passo Real -1,30 m e Dona Francisca +0,35 m, conforme dados disponibilizados pela CEEE). 3.3. Caracterização geral da área de estudo A caracterização geral da área de estudo da BH do alto Jacuí visou realizar o levantamento dos elementos do geossistema e socioeconômico. O levantamento dessas informações teve o intuito de identificar os aspectos naturais e antrópicos na BH que podem proporcionar maior escoamento superficial, assim como fonte pontual/difusa de materiais/nutrientes e poluentes para rios e reservatórios. Com a construção do banco de dados geográficos cada elemento foi incluído como plano de informação no SPRING. Os elementos considerados para a caracterização geral da área de estudo são descritos a seguir: a) Clima: normal climatológica de temperatura, radiação solar, insolação e precipitação das estações meteorológicas localizadas nos municípios Cruz Alta (INMET), Júlio de Castilhos (FEPAGRO), Passo Fundo (INMET) e Soledade (INMET), realizado por Instituto de Pesquisas Agronômicas do Rio Grande do Sul (1989). 42 b) Solos: o mapa de solos do estado do Rio Grande do Sul (BRASIL, 1973) na escala 1:1.000.000 foi modificado por Streck et al. (2008) com a finalidade de atender o Sistema Brasileiro de Classificação dos Solos (EMBRAPA, 1999). Esse mapa foi digitalizado e inserido no SPRING para vetorização dos polígonos correspondente às classes de solos existentes na área de estudo. c) Declividade: a grade numérica SRTM de 30 m, oriunda do projeto TOPODATA, foi utilizada para elaboração do mapa de declividade no software ENVI (Environment for Visualizing Images) no algoritmo HAND. As classes de declividade utilizadas foram de acordo com Lepsch et al. (1991), que propõem sete classes, segundo a capacidade de uso da terra, a forma do relevo e a velocidade do escoamento superficial. As classes de declividade e tais características estão descritas na Tabela 3.2. Tabela 3.2 – Classes adotadas para o mapa de declividade, com as suas características de forma do relevo e velocidade do escoamento superficial relacionadas Classes de declividade (%) Forma do relevo Escoamento superficial A: 0 a 2 Plano (terraços) Muito lento ou lento B: 2 a 5 Suave ondulado (colinas) Lento ou médio C: 5 a 10 Ondulado (morros e morrotes) Médio ou rápido D: 10 a 15 Muito inclinado (morros e morrotes) Rápido E: 15 a 45 Fortemente ondulado (morros e serras) Muito rápido F: 45 a 70 Montanhoso (montanhas e serras) Muito rápido G: Mais de 70 Escarpado (serras e escarpas) Muito rápido Fonte: Lepsch et al. (1991). d) Vegetação: o mapa de vegetação (IBGE, 1986) na escala 1:1.000.000 foi digitalizado, georreferenciado e vetorizado. O mapa foi digitalizado e inserido no SPRING para vetorização dos polígonos correspondente às classes de vegetação. e) Água (Hidrologia): foi definido pela rede de drenagem de 5ª a 8ª ordem de Strahler e dos limites dos reservatórios do rio Jacuí. A rede de drenagem foi obtida nas imagens SRTM e os limites dos reservatórios foram obtidos da imagem de satélite (anteriormente descritos). f) Agropecuária: dados sobre as principais culturas anuais (soja, trigo, milho e fumo), rebanho bovino e sistemas de preparo do solo (convencional, mínimo e plantio direto na palha) foram obtidos do Censo Agropecuário de 2006 (IBGE, 2006). g) Indústria: indústrias com potencial poluidor hídrico foram encontradas em FEPAM (2005). Os parâmetros demanda bioquímica de oxigênio, demanda química de oxigênio e 43 metais pesados são medidos na carga bruta de efluentes (antes do tratamento) para definir o potencial hídrico das indústrias. h) População: os dados utilizados são oriundos da estimativa de população realizada pelo IBGE (2008) das áreas rurais e urbanas. As áreas urbanas foram interpretadas visualmente na imagem de satélite TM Landsat 5 e realizada a edição vetorial das mesmas. Com as medidas das áreas rurais e urbanas foi calculada a densidade demográfica correspondente a cada área. i) Urbano: consulta dos índices de saneamento básico, componente do Índice de Desenvolvimento Socioeconômico do Rio Grande do Sul - IDESE (FEE, 2006). j) Mineração: ocorrência de minerações por município, conforme DNPM (2005). Os dados socioeconômicos, disponibilizados por município (dados censitários), foram tabulados e classes estabelecidas conforme cada tema. Os valores foram inseridos para cada município no SPRING. As variáveis socioeconômicas foram estimadas, conforme a área municipal pertencente a BH. 3.4. Compart imentos do relevo A geração do mapa dos compartimentos do relevo seguiu a classificação proposta por Ross (2003). A construção do mapa obedeceu a ordem taxonômica com os seguintes níveis: a) unidades morfoestruturais, b) unidades morfoesculturais, c) formas denudacionais (D) e agradacionais (A), d) unidades de padrões de formas semelhantes, no caso de formas denudacionais pode ser aguçadas (a), convexas (c), tabulares (t) e aplanadas (p); e) representa a dimensão das formas, conforme a matriz de índices de dissecação (dimensão interfluvial média e grau de entalhamento dos vales) apresentada na Quadro 3.1. Seguindo a metodologia proposta por ROSS (2003) foram desenvolvidas as seguintes etapas. Primeiramente a identificação e delimitação de áreas homogêneas na imagem de satélite Landsat 5 TM 5 (222/80 de 20 de outubro de 2009 e 223/80 de 29 de outubro de 2009) e na imagem de radar SRTM. Em seguida foi realizada a medida da dimensão interfluvial e grau de entalhamento dos vales, tendo como apoio a geração de perfis topográficos na grade SRTM. E, por fim, classificou as áreas homogêneas, segundo a matriz de dissecação das formas de relevo (Quadro 3.1). 44 Quadro 3.1 - Matriz dos índices de dissecação das formas de relevo Grau de entalhamento dos vales Dimensão interfluvial média Muito grande (1) > 3750 m Grande (2) 1750 a 3750 m Média (3) 750 a 1750 m Pequena (4) 250 a 750 m Muito pequena (5) < 250 m Muito fraco (1) < 50 m 11 12 13 14 15 Fraco (2) 50 a 100 m 21 22 23 24 25 Médio (3) 100 a 150 m 31 32 33 34 35 Forte (4) 150 a 200 m 41 42 43 44 45 Muito forte (5) > 200 m 51 52 53 54 55 Fonte: adaptado de Ross (2003). 3.5. Uso da terra As imagens de satélite do sensor TM Landsat 5 (222/80 de 20 de outubro de 2009 e 223/80 de 29 de outubro de 2009) foram utilizadas para a elaboração do mapa de uso da terra. Os seguintes passos foram adotados para a elaboração do mapa de uso da terra: 1º) Escolha das imagens de satélite da área em questão, considerou a ausência da cobertura de nuvens e período de preparo do solo para plantio das culturas anuais. 2º) Foram elaborados mosaicos das imagens de satélite que posteriormente foram georreferenciadas no software ENVI. As imagens TM Landsat 5 ortorretificadas e disponibilizadas pela University of Maryland (http://glcfapp.glcf.umd.edu:8080/esdi/index.jsp) foram utilizadas como base de georreferenciamento. 3º) As imagens georreferenciadas foram exportadas do software ENVI e importadas ao SPRING. A classificação supervisionada foi realizada e o classificador com melhor desempenho foi Distância Euclidiana. As características das classes de uso das terras da BH estão relacionadas no Quadro 3.2. 4º) As áreas urbanas delimitadas a partir da imagem de satélite foram incluídas por mosaico na matriz de classificação. 45 Quadro 3.2 – Características das classes de uso e ocupação das terras utilizadas para determinação do mapa temático Classes Uso e ocupação Descrição Áreas antrópicas não agrícolas Área urbana Áreas densamente povoadas, onde se concentram residências, vias de transporte e os locais em que se dão várias atividades econômicas e sociais