Modelação de processos erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz

FA C U L DA D E DE LET RA S U N I V E RS I D A D E D O PO RT O Joana Filipa Costa Fernandes 2º Ciclo de Estudos em Riscos Cidades e Ordenamento do Território Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 2014 Orientador: Laura Maria Pinheiro de Machado Soares Coorientador: Classificação: Ciclo de estudos: Dissertação: Versão definitiva Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz i Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz ii AGRADECIMENTOS A realização desta dissertação contou com o apoio e colaboração de várias pessoas e instituições às quais quero expressar o meu sincero reconhecimento. À Professora Doutora Laura, pela orientação, transmissão de conhecimento, celeridade e assertividade nas críticas e sugestões, ao longo da realização da presente dissertação. Todas as palavras são poucas para descrever a disponibilidade, carinho, simpatia e motivação que demonstrou, nos momentos mais difíceis. Por esse motivo dedico-lhe um especial agradecimento. Ao Professor Doutor Carlos Bateira, pelo apoio, ensinamentos e esclarecimento, sobretudo na modelação de alguns fatores da RUSLE, não descurando as condições que proporcionou para a realização de trabalho de campo, bem como as palavras de motivação ao longo deste percurso. À Ana Faria e Ana Sofia Oliveira, pelo companheirismo e entreajuda ao longo deste trabalho, particularmente na fase inicial de levantamento de campo. O esforço, disponibilidade e troca de saberes revelaram-se fulcrais na consolidação de conhecimento. Agradeço-vos a verdadeira amizade e todas as recordações que construímos juntas. Aos Mestres Manuel Teixeira e Carlos Hermenegildo pelo auxílio na realização de trabalho de campo e tratamento de dados, em ambiente de laboratório. Agradeço especialmente pela transmissão de experiência e pela boa disposição empregue em todas as tarefas. Ao António Leitão pela ajuda no processo de inventariação de campo e pela troca de ideias no que concerne ao tema da dissertação. Ao Professor Doutor António Alberto Gomes, pela sugestão imprescindível do software SAGA GIS e por todas as palavras de apoio que me dedicou. À Mestre Mónica Santos, pela excelente cedência de conhecimentos relativamente ao tratamento de dados meteorológicos, procedimentos essenciais para a aplicação da modelação. A todos os Professores do Departamento de Geografia que contribuíram para a apreensão e consolidação de saberes ao longo destes dois anos. À Associação para o Desenvolvimento da Viticultura Duriense (ADVID), pela disponibilidade de dados meteorológicos e cartográficos, em particular aos Engenheiros Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz iii José Manso e Márcio Nóbrega, da Quinta de S. Luiz e ao Engenheiro Álvaro Martinho da Quinta das Carvalhas, pela recetividade e acompanhamento no trabalho de campo. Agradeço a oportunidade de integrar o projeto ModRis/ADVID que me possibilitou adquirir competências vastas a nível profissional. Às minhas amigas Rita Silva, Rita Costa, Carina Duarte, Sara Mateus, Inês Magalhães e Mafalda Brandão pela amizade incondicional, apoio e palavras de incentivo em todos os momentos. Agradeço-vos por fazerem parte da minha vida. Por último e mais importante, à minha família, especialmente aos meus pais e ao meu irmão, expresso a minha eterna gratidão pelo amor incondicional, apoio e compreensão em todo o meu percurso académico e pessoal. Sem o esforço deles não seria possível a conclusão deste longo percurso. A eles dedico a minha dissertação. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz iv RESUMO Palavras-chave: Erosão Hídrica; Modelação; RUSLE; SIMWE; Alto Douro A paisagem cultural do Alto Douro Vinhateiro (ADV) - que integra a mais antiga região vitícola regulamentada do mundo - faz parte, desde 2001, do Património Mundial reconhecido pela UNESCO. A Quinta de S. Luiz dedica a generalidade da sua área de ocupação à produção de vinho, baseada num sistema onde prevalece a armação de terreno em patamares com taludes de terra. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho centra-se na avaliação da suscetibilidade à erosão por escorrência, visando identificar os pontos mais críticos, para que seja possível melhorar os sistemas de proteção e drenagem dos solos e, assim, mitigar potenciais danos. Para tal, recorreu-se a uma sequência metodológica que combina ensaios de campo e laboratoriais para a recolha de um vasto conjunto de parâmetros que condicionam a erosividade e erodibilidade dos solos, permitindo a modelação dos processos erosivos e a elaboração da respetiva cartografia de suscetibilidade. A modelação de base física baseou-se na aplicação e comparação da (R)USLE, (Equação Universal Revista de Perda de Solos), segundo cinco diferentes algoritmos de cálculo do fator LS, e do modelo SIMWE (SIMulated Water Erosion). Realizam-se estes procedimentos utilizando um modelo digital de superfície de grande pormenor (resolução de 1 metro), combinado com a integração, em Sistemas de Informação Geográfica (ArcGis, SAGA GIS e GrassGis). Com base no inventário das ocorrências procede-se à aplicação do modelo estatístico de regressão logística e validação da modelação obtida. Dos resultados obtidos verifica-se que os valores de suscetibilidade alta à perda de solo anual, calculados na (R)USLE, coadunam-se com as áreas onde foram registadas feições erosivas e se sucederam os três eventos de intempéries identificados pela Associação para o Desenvolvimento da Viticultura Duriense (ADVID), apresentando um valor de validação estatística bastante fiável face à realidade. Relativamente ao SIMWE, este ilustra quantitativamente os parâmetros envolvidos no processo erosivo, onde se observa que as áreas passíveis de ser associadas a uma maior perda de solo se conciliam com as áreas de suscetibilidade alta estabelecidas na (R)USLE, concluindo assim que este modelos se complementam. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz v Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz vi ABSTRACT Keywords: water erosion; modelling, RUSLE; SIMWE; Douro Valley The cultural landscape of the Douro Valley Wine Region (DVWR) – which integrates the oldest regulated wine region of the world – belongs, since 2011, to the UNESCO’s World Heritage site. The Saint Luiz Farm dedicates is area to the wine production, based on terraces system where frame grounds and earth embankments are widely present. So, the main aim of this project prevails on the evaluation of the susceptibility of the erosion caused by runoff, pointing out the weakest spots to improve the protection systems and the land drains, therefore, to prevent potential damages. In order to achieve this was used a methodological sequence which combines field and laboratorial trials to collect a wide range of parameters which restrain the soil erosion, allowing the modelling of erosive processes and the elaboration of the susceptibility cartography. The physic basic modelling was based on the application and comparison of the RUSLE, stepping five different algorithms of the LS factor and the SIMWE model. These procedures are performed by a digital model with a detailed surface (resolution of one meter), combined with Geographic Information Systems (ArcGis, SAGAGIS e GrassGis). Based on the occurrences inventory, the statically model of logistic regression and the modelling validation are preceded. Through the final results is conclude that the high susceptibility values of the annual soil loss, calculated in the RUSLE, team up with the areas where the erosion was found and the three steps identified by ADVID were succeeded. This value was very reliable. Regarding SIMWE, this model illustrates quantitatively the involved parameters of the erosion process, which can be observed that the areas associated to a major soil loss associate with the high susceptibility areas in RUSLE. These models complement each other, that’s the final conclusion. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz vii Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz viii ÍNDICE ABSTRACT VI INTRODUÇÃO 1 CAPÍTULO I - ENQUADRAMENTO CONCETUAL E ESTADO DA ARTE 5 1. EROSÃO HÍDRICA DO SOLO: DEFINIÇÃO E TIPOLOGIA DOS PROCESSOS 5 1.1. IMPACTO DAS GOTAS DE ÁGUA NO SOLO .................................................................................6 1.2. EROSÃO LAMINAR ................................................................................................................7 1.3. EROSÃO EM SULCOS .............................................................................................................8 1.4. EROSÃO EM RAVINAS ..........................................................................................................10 1.4.1. TIPO DE RAVINAS ....................................................................................................13 1.5. EROSÃO EM TÚNEIS ............................................................................................................19 1.6 BREVE SÍNTESE ....................................................................................................................19 2. FATORES CONDICIONANTES DA EROSÃO HÍDRICA 20 2.1. COMPONENTES, TIPOLOGIA E MODELOS DE PRODUÇÃO DO ESCOAMENTO .................................20 2.2. CARACTERÍSTICAS DAS VERTENTES ........................................................................................25 3. MODELOS APLICADOS AO ESTUDO DA EROSÃO HÍDRICA DE SOLOS 32 3.1. TIPOS DE MODELOS ............................................................................................................33 3.1.1. MODELOS EMPÍRICOS ..................................................................................................35 3.1.2. MODELOS CONCETUAIS ...............................................................................................37 3.1.3. MODELOS DE BASE FÍSICA ............................................................................................38 3.1.4. MODELOS SEMI-QUANTITATIVOS ..................................................................................40 3.2. CONSIDERAÇÕES EM TORNO DA UTILIZAÇÃO DOS SIG NA MODELAÇÃO DA EROSÃO ....................41 4. ESTUDOS EFETUADOS NO ÂMBITO DA EROSÃO HÍDRICA DOS SOLOS .............................................42 4.1. REFERÊNCIAS DE ÂMBITO INTERNACIONAL .............................................................................42 4.2. ESTUDOS DESENVOLVIDOS EM PORTUGAL .............................................................................46 CAPÍTULO II - METODOLOGIA UTILIZADA NA AVALIAÇÃO DA EROSÃO HÍDRICA DE SOLOS: INFORMAÇÃO DE BASE E CARACTERIZAÇÃO GERAL DOS MODELOS APLICADOS 50 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS 50 2. INFORMAÇÃO DE BASE 53 2.1. A EQUAÇÃO UNIVERSAL DE PERDA DE SOLO ..........................................................................55 2.1.1. FATOR EROSIVIDADE (R) ..............................................................................................56 2.1.2. FATOR DE ERODIBILIDADE (K) .......................................................................................58 2.1.3. FATOR TOPOGRÁFICO (LS) ...........................................................................................61 2.1.4. FATOR COBERTURA DO SOLO (C) ..................................................................................65 Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 2 prejuízos. Nesse sentido, uma das mais importantes aspirações dos proprietários agrícolas, é perceber de que forma devem atuar para prevenir tais ocorrências, o que exige o conhecimento dos processos, dos fatores que os condicionam e, consequentemente, das áreas mais suscetíveis. Esta definição permitirá sustentar a tomada de decisões relativamente às técnicas a implementar, ou, em última análise, destinar essas áreas a usos diferenciados. É precisamente neste domínio que se integra a presente dissertação, visando uma avaliação da suscetibilidade à erosão hídrica de solos no Alto Douro Vinhateiro. Assim, enquadrando-se no Projeto MODRIS (Suscetibilidade a processos hidrogeomorfológicos no Norte de Portugal: modelação matemática de base física e de base estatística) - desenvolvido a partir de um protocolo assinado entre a Associação para o Desenvolvimento da Viticultura Duriense (ADVID) e o Departamento de Geografia da Faculdade de Letras da Universidade do Porto (FLUP), sob coordenação do Professor Carlos Bateira - o objetivo principal deste trabalho relaciona-se com a predição dos sectores mais suscetíveis à erosão hídrica na Quinta de S. Luiz (Adorigo, Tabuaço), uma das áreas experimentais que integram o referido projeto. Para o efeito foi seguida uma sequência metodológica (fig.1) que envolveu a recolha e consulta de bibliografia, o reconhecimento do terreno, a inventariação dos processos/feições erosivas e a aquisição de informação através de ensaios laboratoriais e in situ, a partir dos quais foi aplicada a Equação Universal de Perda de Solos (EUPS ou USLE na versão original) e o Modelo de Erosão e Deposição por Escoamento Superficial, (SIMWE - Simulated Water Erosion). Em ambos foi utilizado um Modelo Digital de Elevação (MDE) de grande pormenor (resolução de 1 metro), processando-se todos os cálculos necessários em Sistema de Informação Geográfica (SIG), designadamente no ArcGis e no open source Grass Gis (Geographic Resources Analysis Support System. Posteriormente aplicou-se o modelo estatístico de Regressão Logística à RUSLE e procedeu-se à sua validação. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 3 De acordo com o objetivo e metodologia definidos, a nossa dissertação encontrase subdividida em quatro capítulos. O primeiro contempla o enquadramento conceptual, abordando questões relacionadas com os processos de erosão hídrica do solo. Com este propósito, faz-se uma alusão à tipologia e processos de erosão hídrica, às propriedades do solo que condicionam a erosão, discutindo-se ainda as fontes e componentes do escoamento numa abordagem à hidrologia de vertentes, em que se destacam os principais modelos e tipologia de fluxos. Concluindo-se com uma breve resenha dos estudos e projetos de investigação desenvolvidos no âmbito do tema em análise, com especial destaque para os que foram implementados na Península Ibérica. O segundo capítulo é dedicado à metodologia aplicada para prossecução do objetivo da presente dissertação. Por conseguinte, apresenta-se a sequência metodológica atrás brevemente referida, combinando ensaios de campo e laboratoriais necessários à determinação de alguns parâmetros que condicionam a erosividade e erodibilidade dos solos, o que nos permitiu a modelação dos processos erosivos e a elaboração da respetiva cartografia de suscetibilidade Assim sendo, descrevem-se os procedimentos de aplicação dos modelos (USLE e SIMWE), assim como o modelo preditivo, de regressão logística, e o modelo de validação, que permite confirmar os resultados do modelo preditivo. No terceiro capítulo, apresenta-se o enquadramento da área de estudo, explanando de uma forma breve aspetos relacionados com a tectónica, geologia, clima, morfologia e uso do solo. Figura 1 - Esquema metodológico. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 4 No quarto e último capítulo apresentam-se e discutem-se os resultados relativos à erosão hídrica na Quinta de S. Luiz, derivados da aplicação dos dois modelos. Para além disso, é feita uma comparação entre a erosão hídrica potencial e real e a análise de resultados do modelo preditivo e da respetiva validação. Seguem-se as considerações finais, onde se pretende responder ao objetivo principal da dissertação, apontando-se ainda futuras linhas de investigação. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 5 CAPÍTULO I - ENQUADRAMENTO CONCETUAL E ESTADO DA ARTE 1. EROSÃO HÍDRICA DO SOLO: DEFINIÇÃO E TIPOLOGIA DOS PROCESSOS A erosão hídrica do solo, em senso lato, pode ser definida como o ‘processo’ de destacamento ou remoção de partículas por ação da precipitação e do escoamento superficial, assumindo maior ou menor intensidade em função das características intrínsecas dos materiais e do meio sobre o qual atua (Selby, 1993; Grimm et al., 2002). Assim, como refere Soares (2008), a erosão é condicionada por um conjunto de fatores que atuam de forma integrada, dependendo, por um lado, da quantidade/duração/intensidade da precipitação e da forma como se processa o escoamento (fatores de erosividade) – que em parte controlam o tipo de processos que serão desencadeados - e, por outro, de parâmetros relacionados com os materiais e o contexto morfoestrutural e antrópico em que se enquadram (fatores de erodibilidade), influenciando a maior ou menor suscetibilidade à atuação dos processos erosivos (fig.2). Neste contexto, Morgan (1986) considera que a erosão hídrica dos solos pode ser subdividida em duas fases principais, correspondendo a primeira ao ‘desprendimento’ de partículas individuais do solo, essencialmente através do impacto das gotas de água (raindrop impact ou rainsplash) e, a segunda, ao seu transporte através do que se Figura 2 - Inter-relação entre os fatores que condicionam a erosão. Extraído de Soares, 2008. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 6 designa fluxo superficial (overland flow ou rainflow). Quando não existe energia suficiente para que o movimento das partículas se mantenha ocorre a deposição, que pode assim ser considerada a terceira fase do processo erosivo (s.l.). Renard e Foster (1983) referem ainda que a carga de sedimentos tende a aumentar com o desprendimento de partículas da vertente, desenvolvendo-se igualmente a capacidade de transporte à medida que o escoamento se acumula e circula a favor do declive, iniciando-se a deposição quando este diminuiu, quando cessa o escoamento ou se alteram as condições da superfície do solo. Podemos assim considerar, de acordo com Bryan (2000), que o impacto da precipitação e a energia associada ao escoamento são os principais agentes da erosão hídrica, que pode ser subdividida em cinco subprocessos - identificados no terreno pelas feições erosivas associadas – designadamente: o já referido impacto das gotas de água da chuva no solo (rainsplash/raindrop erosion); a erosão em manto ou erosão laminar (sheetwash/sheet erosion), que associado ao primeiro definem a designada erosão entre sulcos (interrill erosion); a erosão em sulcos (rill erosion), que corresponde a uma fase ‘incipiente’ da erosão linear; a erosão em ravinas (gully erosion), que vai dar origem a feições de características diferenciadas a que por vezes correspondem termos distintos (i.e. ravinas efémeras/ravinas permanentes); finalmente a erosão em túneis ou canais subterrâneos (pipe erosion), tipologia que surge normalmente associada ao escoamento subsuperficial (interflow). Antes de procedermos a uma breve caracterização destes subprocessos, parecenos importante referir que cada um deles (…) can act in isolation, but all are commonly active on hillslopes, either sequentially or simultaneously (Bryan, ob.cit., p.387). 1.1. IMPACTO DAS GOTAS DE ÁGUA NO SOLO Na erosão hídrica, a desagregação das partículas do solo é provocada pela energia do impacto das gotas de chuva e pela tensão cisalhante do escoamento superficial, podendo considerar-se, na perspetiva integrada acima referida, que este é o primeiro ‘processo’ a atuar face à ocorrência de um evento chuvoso (Amorim et al.,2001). Esta energia, além de promover a desintegração dos agregados naturais do solo, desloca e projeta as partículas finas libertadas a uma distância que, segundo Hillel Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 7 (1998), varia entre 1 e 1,5 mm dependendo do diâmetro das gotas (fig.3). Como estas partículas tendem a preencher os vazios do solo, promovendo a sua compactação, o efeito de splash afeta não só a estrutura superficial do solo, como, ao implicar um decréscimo da capacidade de infiltração favorece o escoamento superficial (McCauley e Jones, 2005). De qualquer modo, a resposta efetiva do solo ao impacto das gotas de chuva, depende do seu teor de humidade inicial, da sua estrutura e textura e da intensidade da precipitação, fatores que condicionam a sua resistência ao cisalhamento (Le Bissonais, 1990). Assim, segundo Al-Durrah e Bradford (1982), o rainsplash é mais provável em condições de saturação do solo, em que a força de cisalhamento é menor. Por outro lado, este processo é também passível de ser associado ao vento, uma vez que a sua velocidade transmite uma força horizontal à gota de chuva promovendo o aumento da sua energia cinética, da qual decorre um acréscimo proporcional da desagregação das partículas do solo (Lyles, 1976; Morgan 1998). 1.2. EROSÃO LAMINAR Durante um evento chuvoso prolongado ou de precipitação intensa, em que capacidade de infiltração do solo é excedida, começa a desenvolver-se o escoamento superficial laminar difuso 1 (fig. 4), responsável pela erosão em ‘toalha ou manto’ (sheet erosion). Forma-se, assim, uma película de água que aumenta de espessura no decorrer do evento, que tende a remover, em finas ‘camadas’, as partículas previamente desagregadas pelo splash (Morgan, 1986; Checchia, 2005). 1 . No ponto seguinte, abordaremos as fontes e componentes dos vários tipos de escoamento, abordando alguns dos modelos propostos para explicar o seu desenvolvimento. Figura 3 - Efeito do impacto das gotas de água no solo e feições erosivas derivadas (pedestais) Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 8 No decorrer do processo o fluxo superficial pode tornar-se turbulento, em função do declive e cobertura solo, mas sempre na dependência da intensidade de precipitação e capacidade de infiltração do solo. Assim sendo, desenvolvem-se forças ascendentes no fluxo onde as partículas mais finas e leves permanecem em suspensão e são transportadas pelo escoamento, enquanto as de maior dimensão são transportadas por saltação ou permanecem na superfície deslizando ou rolando sobre o solo, sob o efeito da força exercida pelo fluxo (Latanzi et al.,1974; Meyer e Armon, 1989; Meyer, 1981; Park et al.. 1983; Bradford et al., 1987; Ghidey e Alberts, 1994). A erosão laminar desgasta a superfície do solo de forma uniforme em toda a sua extensão, desagregando sobretudo partículas de solo que contêm argila e matéria orgânica. Este tipo de erosão é o mais difícil de identificar no terreno, na medida em que não se apresenta sob forma de feição erosiva ativa. Uma das formas de a identificar será através da observação da perda de vegetação, levando ao afloramento dos horizontes mais superficiais do solo, assim como, a exposição das raízes das plantas e a acumulação de detritos finos na base das vertentes ou campos agrícolas, devido ao seu caracter de transporte seletivo. 1.3. EROSÃO EM SULCOS Em resultado da permanência e acumulação do escoamento superficial, este pode concentrar-se de forma linear em determinados locais, passando a escoar em pequenos canais ou sulcos - habitualmente designados rills (fig. 5) - assistindo-se então à remoção do solo em profundidades variáveis (Poesen et al., 2003). Figura 4 - Exemplo de erosão laminar. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 9 Segundo Foster et al. (1985) o desenvolvimento da erosão em sulcos (rill erosion) está associado à existência de irregularidades na superfície (microtopografia), nas quais o fluxo superficial passa a circular preferencialmente, promovendo o seu progressivo aprofundamento e alargamento. Neste contexto, Moss et al. (1982) consideram ainda que para além de existir um percurso descendente principal do fluxo, desenvolvem-se caminhos secundários associados a uma componente lateral, intensificando o movimento das partículas e multiplicando o número de pequenos canais no solo. Neste sentido, Merritt (1984) considera que a transição para o escoamento em canais obedece a quatro fases, nomeadamente o escoamento superficial não concentrado (laminar ou sheet wash), escoamento superficial com caminhos de fluxo concentrado e o desenvolvimento de microcanais sem e com cabeceiras. As maiores diferenças ocorrem sobretudo entre a primeira e segunda fases, verificando-se que a concentração inicial do fluxo dá origem a um sistema de sulcos incipiente. Na segunda fase o fluxo torna-se mais turbulento, pelo que se vão desenvolvendo posteriormente ‘pontos críticos’ de turbulência denominados rol waves 2 (Rauws 1987), que tendem a promover um aprofundamento e alargamento das feições iniciais. Para Bryan (1987), a transição da erosão laminar para a linear em sulcos agrava de forma clara as taxas de erosão, uma vez que o primeiro processo possui um carácter intermitente influenciado pela energia do impacto das gotas de chuva, mas não assume a importância da concentração do fluxo no transporte de materiais. Com efeito, estudos 2 . De acordo com Balmforth e Mandre (2004), estas ondas são distúrbios similares a choques de grande amplitude que se desenvolvem em fluxos de água turbulentos, devido a variações na sua velocidade e profundidade. Figura 5 - Erosão por sulcos na Quinta de S. Luiz Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 10 desenvolvidos defendem que a dimensão das partículas do solo e a concentração de sedimentos no fluxo são dois fatores preponderantes para o desenvolvimento da erosão em sulcos (Boon e Savat, 1981). Por outro lado, quando os sulcos se formam vai ocorrendo um recuo da sua cabeceira (headcut erosion), o que promove a sua expansão progressiva, dependendo a velocidade desse recuo da coesão do solo, da altura e ângulo da cabeceira e da velocidade do fluxo. Como, de uma forma geral, o impacto das gotas de chuva promove a compactação do solo, a capacidade de transporte do fluxo aumenta proporcionando um maior desprendimento das partículas e concentração de sedimentos. Govers (1985) defende ainda que esta concentração de sedimentos no fluxo aumenta mais rapidamente com a tensão de cisalhamento que é exercida sobre as paredes laterais dos sulcos. Decorrente disso a erosão torna-se não seletiva, conseguindo o fluxo arrastar tanto as partículas finas como as mais grosseiras. Assim à medida que a concentração do fluxo e a tensão de cisalhamento aumentam, a energia erosiva é capaz de aprofundar os microcanais. Note-se, no entanto, que a formação e concentração de sedimentos nos sulcos não dependem apenas da energia e das partículas transportadas pelo fluxo, mas também do colapso das suas paredes laterais que posteriormente vão evoluindo para formas de maior dimensão. 1.4. EROSÃO EM RAVINAS Segundo Bull e Kirkby (2002) o termo gully erosion ou erosão em ravinas é atribuído ao processo de concentração do escoamento superficial em canais, removendo partículas de solo que promovem o seu progressivo desenvolvimento. Stabile (2013) classifica estes canais ou ravinas como feições alongadas resultantes do escoamento concentrado da água em vertentes, onde atuam processos de remoção de material do seu leito e taludes devido à acção de águas superficiais, considerando que estas feições ocorrem desconectadas da rede de drenagem e podem apresentar dimensões muito diferentes (fig. 6). Figura 6 - Microravina na Qtª de S. Luiz Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 11 Segundo Morgan (1986), a iniciação do processo de ravinamento é bastante complexo, descrevendo a sua formação pelo aprofundamento de canais pré-existentes, nomeadamente dos sulcos (rills). Assim, a água proveniente do fluxo superficial acumula-se nos sulcos formando um canal incipiente, nas cabeceiras do qual se concentra a erosão. A continuidade do processo, associada à permanência do escoamento, permite a remoção de partículas da própria vertente e por conseguinte o aprofundamento do canal, bem como o enfraquecimento das paredes da cabeceira, originando o seu colapso e recuo progressivo (fig. 7). Ou seja, para este autor a principal causa da formação dos gullies é o aumento do escoamento superficial, que pode ser ocasionado por eventos de precipitação prolongados e intensos ou pela remoção do coberto vegetal, que ao favorecer o efeito de splash tende a compactar os solos e facilitar o desenvolvimento do fluxo superficial. Quando a velocidade do escoamento excede um dado valor crítico ou limiar de resistência do solo, existem condições para o desenvolvimento das ravinas. Estes limiares críticos correspondem, assim, a situações de desequilíbrio que ocorrem quando os parâmetros de força (i.e. turbulência do fluxo superficial) ou resistência (do solo) são alterados. Schumm (1979), por exemplo, explorou a função dos limiares intrínsecos no desenvolvimento das ravinas, tendo em conta a dimensão da área de captação (que controla a descarga) e o declive (que controla a velocidade de escoamento). Considerou que quando numa determinada área o declive excede um valor crítico há tendência para o desenvolvimento de uma incisão no solo, que posteriormente sofre um alargamento e aprofundamento associados à área de captação do escoamento superficial, formando-se então a ravina. Figura 7 - Fases de desenvolvimento das ravinas. Extraído de Morgan, 1986. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 18 Salienta-se, por último, indicadores que fazem apelo ao perfil das feições erosivas ou à morfologia que assume o seu traçado em geral ou as suas cabeceiras. Relativamente à forma do perfil e traçado geral das ravinas, normalmente surgem associadas à dinâmica hidrológica responsável pela sua génese. Por exemplo, Sobreira e Bacellar (1999, citado por Stabile, 2013) consideram que feições dendríticas resultam essencialmente do escoamento superficial, enquanto formas circulares parecem relacionar-se com uma dinâmica subsuperficial (piping), que tende a evoluir por colapso e posterior evolução muitas vezes condicionada por quedas de blocos. De forma similar é interpretada a morfologia das cabeceiras de ravinas, tendo ainda em conta o seu estádio de evolução. Oostwoud-Wijdenes et al. (1999, p.588) subdividiram as cabeceiras (…) into four types: gradual, transitional, abrupt and rilledabrupt, [considerando que] gradual types start as small rills and gradually deepen and widen into gullies. Transitional types showed an inclined channel section. The abrupt types included vertical headwalls. When a rill extended upslope from the headcut, it was classified as rilled-abrupt (fig. 13). Neste contexto, que apela ao padrão evolutivo das ravinas, salienta-se ainda a proposta de Leopold et al. (1964) que referem a existência de ravinas descontínuas e contínuas, considerando que estas últimas são como que uma fase final de (…) entalhes inicialmente descontínuos ao longo de uma depressão topográfica [que] evoluem para formar um só canal contínuo (Bergonse e Reis, 2011, p.102). Figura 13 - Perfil longitudinal de vários tipos de cabeceiras de ravinas. Extraído de Oostwoud-Wijdenes et al. (1999). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 19 1.5. EROSÃO EM TÚNEIS Para além dos processos de erosão superficiais citados, pode ainda considerar-se a erosão em túneis ou canais subsuperficiais (subsurface pipe erosion ), cuja designação pode ainda englobar os termos ‘sufosão’ ou ‘erosão subcutânea’ (Selby, 1993). Segundo Morgan (1986), este processo associa-se ao movimento lateral da água através do solo (interflow), levando ao desenvolvimento de canais subterrâneos cujo colapso pode gerar a formação de ravinas. Segundo Selby (1982), os fatores associados ao desenvolvimento deste tipo de erosão relacionam-se com precipitações sazonais e de grande variabilidade – pelo que são mais frequentes em regiões semi-áridas - solos ricos em argilas expansivas que desenvolvem fissuras de contração em períodos de seca, redução da cobertura vegetal, a existência de camadas relativamente impermeáveis no perfil do solo, ou a atividade de seres vivos que habitam no subsolo. Salientando a importância da textura dos solos, Richley (2000) advoga que a ocorrência da erosão em túneis é usualmente associada a alterações nas condições hidrológicas do solo, que resultam na frequente saturação das argilas. Este processo pode estar associado ao desenvolvimento de caminhos preferenciais de circulação subsuperficial da água, através dos túneis que se vão formando pela desagregação mecânica e transporte dos materiais (Silva, 2011). 1.6 BREVE SÍNTESE Vimos que a erosão hídrica de solos engloba vários tipos de subprocessos, dos quais resultam feições específicas. No entanto, como salientamos, nem sempre é consensual a sua definição e classificação. Assim, tendo em conta as considerações teóricas expressas, apresentamos no quadro 1 uma síntese dos subprocessos e formas associadas, contemplando as propostas de vários autores, mas centrando-nos sobretudo em Laflen et al. (1985), Foster (1986) e Poesen et al. (2003). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 20 Impacto das Gotas de Água Erosão Laminar Erosão em Sulcos Ravinas Efémeras Ravinas Permanentes Ocorre em áreas com declive suave Ocorre em áreas com declive suave acima das linhas de drenagem Ocorre em áreas com declive suave acima das linhas de drenagem Ocorre ao longo das linhas de drenagem rasas a partir da incisão de canais mais profundos que os sulcos Ocorre em linhas de drenagem bem definidas Não apresenta uma forma de erosão visivelmente ativa Pode apresentar dimensões variadas, no entanto menores que os canais de fluxo concentrado Pode apresentar dimensões variadas, maiores do que os micro-canais e menores que as ravinas Apresenta dimensões variadas, porém maiores que os sulcos e menores que os barrancos Apresenta dimensões consideráveis, maiores do que as ravinas. Desintegração dos agregados do solo e projecção de particulas Desagregação de partículase transporte pelo impacto das gotas de água e pelo fluxo de escoamento Remoção de solo pela intensificação do fluxo de escoamento e pelo colapso das paredes dos microcanais Remoção de solo em profundidade pela acumulação do fluxo concentrado Remoção de solo em profundidade pela acumulação do fluxo concentrado ou pelo colapso de pipes Taxa de erosão baixa impercetível visualmente Taxa de erosão baixa impercetível visualmente Taxa de erosão baixa pouco percetível visualmente Taxa de erosão percetivel visualmente Taxa de erosão percetível visualmente Características temporárias, pela remoção dos processos agrícolas e pelo fluxo superficial A energia do impacto das gotas de precipitação e a tensão cisalhante do fluxo superficial desagregão as partículas Não apresenta uma forma de erosão ativa O padrão de fluxo desenvolve feições em lençol ou micro-canais e paralelos desconectados. Características temporárias, pela remoção dos processos agrícolas As secções transversais dos micro-canais normalmente são estreitas em relação à profundidade O padrão do fluxo desenvolve um padrão dendrítico As secções transversais dos micro-canais normalmente são estreitas em relação à profundidade As secções transversais das ravinas são largas relativamente à profundidade, as paredes laterais e a cabeçeira não são muito definidas As secções transversais estreitas relativamente à profundidade, as paredes laterais abruptas e cabeçeiras proeminentes Características temporárias, pela remoção dos processos agrícolas Características temporárias, pela remoção dos processos agrícolas Características permanentes Padrão do fluxo dentrítico ao longo de cursos naturais de água O Padrão do fluxo, com uma componente lateral, desenvolve-se em caminhos secundários 2. FATORES CONDICIONANTES DA EROSÃO HÍDRICA 2.1. COMPONENTES, TIPOLOGIA E MODELOS DE PRODUÇÃO DO ESCOAMENTO No início do ponto anterior, salientamos que a erosão hídrica dos solos resulta da conjugação dos fatores de erosividade e erodibilidade, integrando os primeiros a precipitação e as diversas formas de escoamento, que vão condicionar o tipo de ‘processos’ e a intensidade que assumem (cf. fig. 14). Neste contexto, é importante percebermos quais as fontes e componentes do escoamento, considerando que este fator, embora condicionado pela quantidade, duração e intensidade da precipitação e pelas características dos materiais e do terreno, é o principal interveniente do processo erosivo. Quadro 1 -Características dos diferentes subtipos do processo de erosão hídrica do solo. Modificado de Laflent et al. (1985). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 21 Em termos globais, o escoamento total observado numa determinada área, resulta da distribuição da precipitação em quatro componentes principais ou tipos de fluxo (fig.14): o escoamento em canal (stream flow), para o qual a precipitação contribui diretamente alimentando cursos de água, lagos e outros reservatórios naturais; o escoamento superficial ou escorrência (overland flow), resultado de condicionalismos que inibem a infiltração da água precipitada no solo (i.e. saturação, impermeabilização, hidrofobia, compactação); o escoamento ou fluxo interno ou subsuperficial (interflow), que, dependendo da capacidade de infiltração e associado à maior condutividade hidráulica lateral nas camadas superficiais do solo (relativamente à vertical), vai circular internamente de forma mais rápida ou mais lenta (quick e delayed interflow); o escoamento ou fluxo subterrâneo (groundwater flow), que representa o principal componente do escoamento a médio e longo prazo, correspondendo à água que se infiltra até atingir as camadas mais profundas do solo, o que se verifica principalmente quando o solo é profundo e uniformemente permeável. Mas embora esta classificação seja relativamente consensual, existem vários modelos para explicar a produção do escoamento no geral, mas sobretudo da sua componente superficial. Um dos primeiros modelos foi proposto por Horton (1933). De acordo com este autor o escoamento é condicionado pela intensidade de precipitação e a capacidade de Figura 14 - Componentes do Escoamento. Adaptado de Ward, 1975. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 22 infiltração do solo, salientando que esta última divide a precipitação em duas partes, seguindo posteriormente diferentes caminhos do ciclo hidrológico: uma parte vai alimentar os rios como escoamento superficial durante os eventos de precipitação (overland flow); a outra circula internamente no solo (interflow) alimentando posteriormente os cursos de água sob a forma de escoamento subterrâneo, ou retorna para a atmosfera por processos de evaporação 4 .Neste contexto, Horton considera que a produção de escoamento superficial (overland flow) resulta fundamentalmente da diminuição progressiva da capacidade de infiltração do solo, na sequência de eventos de precipitação. Ou seja, a partir do momento em que o solo deixa de dar resposta à quantidade de chuva que cai, inicia-se a escorrência 5 (Kirkby e Chorley, 2010) No entanto, com base em trabalhos desenvolvidos em áreas florestais onde raramente se observavam fluxos superficiais, Hewlett e Hibbert (1963, 1967) apresentam um modelo alternativo ao anterior. Argumentavam, face à sua experiência de campo, que os solos têm sempre capacidade de infiltração superior à intensidade da maior parte dos eventos de precipitação, pelo que a teoria de Horton não se podia aplicar globalmente para explicar a génese do escoamento superficial. Consideraram, assim, que a maior parte da água da chuva tende a mover-se lateralmente através do solo (fluxo subsuperficial ou interflow) para as secções inferiores de uma bacia hidrográfica, acumulando-se até que essa área fica saturada, começando então a água a fluir à superfície. Face à continuidade da precipitação a área saturada vai aumentando, o que vai igualmente promover um acréscimo do percurso do fluxo superficial. Nesta descrição reside o conceito de ‘área de alimentação variável’ (variable source area) que caracteriza o modelo de Hewlett e Hibbert (Trimble, 2012). Este modelo havia já sido em parte idealizado por Betson, (1964), salientando que o escoamento superficial provinha de uma pequena fração das bacias hidrográficas, ou seja de uma área parcial de afluência. Neste sentido, era importante considerar as áreas de contribuição na produção de escoamento superficial. 4 . Infiltration divides rainfall into two parts, which thereafter pursue different courses through the hydrologic cycle. One part goes via overland flow and stream channels to the sea as surface runoff; the other goes initially into the soil and thence through ground-water again to the stream or else is returned to the air by evaporative processes. The soil therefore acts as a separating surface and . . . various hydrologic problems are simplified by starting at this surface and pursuing the subsequent course of each part of the rainfall as so divided, separately (Horton, 1933, citado por Beven, 2004, p.3447 5 . The Horton Model assumes that, for a prolonged storm of constant intensity, a continuous decrease of the infiltration capacity occurs until a constant low value is reached. If, at any time, the infiltration capacity falls below the rainfall intensity, overland flow begins all over the hillslope (Kirkby e Chorley, 1967, p.6). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 23 Outros autores sugerem modelos para responder à mesma teoria. Dunne e Black (1970), nos Estados Unidos, e ainda Cappus (1960) em França, consideraram que mesmo sob a influência de eventos extremos a água se infiltra nas áreas altas da bacia, deslocando-se subsuperficialmente na vertente, o que vai provocando a saturação do solo (fig.15). Assim sendo, estes autores salientam a importância dos fluxos internos e como estes se comportam sob influência da precipitação. Também Santos (2009) considerou o conceito de “área de alimentação variável” (AAV) , referindo que a precipitação, o fluxo subsuperficial e a humidade inicial do solo proporcionam a expansão e contração do solo saturado e da rede de drenagem da bacia hidrográfica. Mendiondo e Tucci (1997) explicitam o mecanismo subjacente à AAV, analisando os vários modelos propostos (fig.16), que deve ser analisada de acordo com três premissas: (1) as áreas saturadas atuam como únicas fontes de escoamento rápido, mas absorvem parte da precipitação transformando-a em escoamento subsuperficial lento; (2) estas áreas saturadas situam-se na proximidade dos canais principais (3) as áreas saturadas são alimentadas pelo escoamento subsuperfical produzido a montante pela precipitação incidente. Figura 15 - Visão macroscópica e concentrada dos caminhos preferenciais na geração de escoamento numa vertente (Dunne, 1978). Extraído de Mediondo e Tucci (1997). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 24 Figura 16 - Principais mecanismos de geração de escoamento. Extraído de Mediondo e Tucci, 1997. Genericamente, o processo de expansão das áreas saturadas remete ao acréscimo de água no perfil do solo via escoamento subsuperficial, fazendo com que a capacidade de transmissividade do solo seja superada (Siefert e Santos, 2012). Ward (1994) salienta ainda a ideia de um mecanismo dinâmico que se baseia na intumescência de camadas saturadas, implicando uma sinergia entre canais superficiais e subsuperficiais. As camadas saturadas recebem o escoamento interno através do designado ‘efeito pistão’ e do fluxo da rede de macroporos no sentido vertical e longitudinal da vertente, o que aumenta o gradiente da matriz do solo. Para Mediondo e Tucci (1997) os caminhos preferenciais relacionam-se com a funcionalidade do sistema das vertentes uma vez que o excesso de água está em constante circulação até à saída da bacia, o que implica infiltração e re-infiltração contínua através de caminhos preferenciais. Aliado a estes sobrevêm outros subprocessos à micro-escala, nomeadamente o fluxo de macroporos, o efeito pistão, o fluxo de retorno e por vezes a intumescência do nível freático. A importância dada ao fluxo interno, aos caminhos preferenciais e macroporos, extrapolando a ideia que existe uma variabilidade espacial preponderante para definir a heterogeneidade no terreno, torna necessário estabelecer valores médios para a sua caracterização. Ou seja, as características das vertentes e das bacias hidrográficas em geral, apresentam um comportamento não-linear que se vai traduzir em respostas distintas a diferentes inputs. Torna-se assim importante, entre outros aspetos, analisar de que forma a morfologia das vertentes condiciona os processos de escoamento. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 25 2.2. CARACTERÍSTICAS DAS VERTENTES A vertente é a superfície mais instável do relevo, sendo representada pelo seu declive e comprimento, elementos que exercem uma grande influência sobre os processos de erosão (Bertoni e Lombardi Neto, 1999). Deste modo, pode-se afirmar que a erosão é controlada pelo relevo, determinando a sua variabilidade, considerando as diferentes trajetórias que este impõe à circulação dos fluxos de água (Souza, 2001). Mas não é apenas a morfologia que deve ser considerada neste contexto. Segundo Veloso (2002) quase todas as vertentes se encontram cobertas por formações superficiais, autóctones ou alóctones, constituindo produtos da alteração das rochas in situ no primeiro caso, ou materiais que para aí foram transportados no segundo. Estas formações, na perspetiva de Y. Dewolf (1965, citada por Soares, 2008) devem ser entendidas como o conjunto de materiais móveis ou secundariamente consolidados quer in situ quer transportados, que derivam da desagregação mecânica e da alteração química das rochas. O substrato constitui o “esqueleto” sobre o qual assentam, correspondendo as formações autóctones a um substrato origem, enquanto as alóctones resultam de um substrato distinto relativamente ao que presidiu à sua génese (fig. 17). Considera-se, assim, que as vertentes são locais onde ocorre meteorização, transporte e deposição de materiais de acordo com processos diferenciados, em grande parte condicionados pelas características climáticas e contexto morfoestrutural da área em que se inserem (Uhde, 2009). Este contexto é fundamental para compreendermos o comportamento hidrogeomorfológico das vertentes, que vai depender das características das formações superficiais, mas que é igualmente variável em função da sua morfologia, Figura 17 - Relação entre substrato, formação superficial e solo. Extraído de Soares, 2008. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 26 classificada de acordo com a sua curvatura que pode ser analisada no plano ou em perfil (Anjos, 2008). Assim sendo o perfil, traçado por uma linha sobre o terreno, caracteriza a morfologia de uma vertente sendo esta expressa pelo ângulo que define a sua inclinação, pelo comprimento e pela sua orientação. De acordo com o valor angular salienta-se que as vertentes com um ângulo constante são consideradas retilíneas, enquanto as vertentes curvas, expressas pelo seu grau de curvatura, se podem apresentar como côncavas ou convexas. Neste sentido, a forma de uma vertente exerce influência sobre os processos erosivos, na medida em que condiciona, associada a outros fatores (i.e. textura e espessura das formações superficiais, tipo e densidade do coberto vegetal), a circulação dos fluxos de água responsáveis pelo transporte de materiais. As principais conceções teóricas sobre o estudo da forma das vertentes em perfil, defendem a existência de feições básicas, comuns a todas as encostas, independentemente do substrato, clima ou evolução morfológica local. No entanto, estas variáveis atuam diferencialmente no espaço e no tempo, pelo que a morfologia das vertentes resulta de um processo ‘histórico’ de evolução local (Young, 1972). Hack e Goodlett (1960), estabeleceram uma classificação dos segmentos da vertente baseada em critérios geométricos (fig.18). Assim sendo, a área do interflúvio designada por nose, apresenta contornos convexos que configuram a divergência de fluxos; a área entre este segmento convexo e o fundo de vale é designada por vertente lateral (side slope), correspondendo basicamente à razão entre a distância horizontal e vertical, definindo o declive que, como referimos, de uma forma básica pode configurar vertentes retilíneas, convexas ou côncavas; a área central ou qualquer outra que adquira contornos côncavos, é definida como reentrâncias ou depressões (hollow) onde ocorre a convergência de fluxos e sedimentos, podendo corresponder às cabeceiras de um canal de drenagem 6 ; por último a área de sopé (foot slope), que se define como a área de transição entre a vertente propriamente dita e o canal fluvial. Desta forma, os autores estabelecem uma relação entre as formas de relevo, a hidrodinâmica da superfície e os processos erosivos (Colangelo, 2011). 6 . Segundo Reneau e Dietrich (1990), as concavidades (hollows) possuem um baixo gradiente hidráulico o que proporciona, durante a ocorrência de eventos de precipitação, o desenvolvimento de escoamento superficial concentrado. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 27 Seria Troeh (1964, 1965) a apresentar um dos primeiros estudos que relacionam a morfologia e o comportamento de fluxos superficiais em vertentes, classificando-as em quatro tipos principais com base nos mecanismos de acumulação e deflexão dos fluxos e combinando a sua curvatura no perfil e no plano 7 (fig.19). Assim, as vertentes com um plano de curvatura convergente funcionam como áreas de acumulação do fluxo (quadrantes I e II), enquanto as de plano divergente provocam a dispersão do fluxo (quadrantes III e IV), definindo a sua curvatura em perfil (declive) o tipo de processos hidrogeomorfológicos que podem assumir maior importância. 7 .Recorde-se que a curvatura em perfil corresponde à variação do declive na direção da orientação de uma vertente, definindo o seu carácter convexo ou côncavo, aspeto que condiciona a maior ou menor velocidade dos fluxos de água. A curvatura no plano define-se como a variação do declive na direção ortogonal à da orientação da vertente, referindo-se ao caráter divergente ou convergente do terreno. Notese que nesta classificação são excluídas as vertentes rectilíneas - em perfil – e planares – no plano (Anjos et al., 2011). Figura 18 - Topografia de uma cabeceira de drenagem com a representação dos segmentos de encosta propostos por Hack e Goodlett (1960). Extraído de Moura et al.,1991. Figura 19 - Classificação de quatro formas de vertentes segundo a curvatura Adaptado de Silveira, 2010. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 34 Furegatti (2012) apresentou igualmente uma sistematização tipológica dos modelos que simulam processos erosivos, embora mais exaustiva, subdividindo-os em sete categorias: concetuais, fundamentados em processos, de base física, empíricos ou de regressão, semi-quantitativos, de avaliação global de degradação do solo e de evolução do relevo (landform). Considerou, ainda, que os modelos fisicamente baseados podiam ser divididos em três sub-tipos, nomeadamente com base num evento de chuva, com base na continuidade da chuva e espacialmente distribuídos. Considerando o critério escala temporal, Boardman também (2007) salienta a diferença entre modelos orientados para avaliar os efeitos associados a eventos específicos (event based models, como o LISEM - Limburg Soil Erosion Model - ou o ANSWERS - Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation), dos utilizados para analisar consequências a mais longo prazo (averaged daily/monthly/anual/long term), designadamente alterações no uso do solo ou a variabilidade climática (i.e. USLE – Universal Soil Loss Equation ou o WSM - Wallingford Scoring Model). Da mesma forma, em termos espaciais, há modelos desenvolvidos para aplicação em áreas de dimensão diferenciada (i.e. à escala de bacias e sub-bacias hidrográficas, parcelas experimentais, vertente), assim como os que incorporam parâmetros uniformes ou espacialmente homogéneos - lumped models (i.e. EPIC, Erosion-productivity Impact Calculator Model) - dos que reflectem a sua variabilidade espacial - distributed models (i.e. SWAT, Soil and Water Assessment Tool) – considerando-se ainda modelos semi-distribuídos (Jetten et al., 2001). Para além destes vários aspetos ou critérios de classificação, os modelos de erosão podem ainda ser aplicados para avaliar processos e feições erosivas específicas, assim como envolver fatores de erosividade e erodibilidade diferenciados em função dos objetivos e resultados que se pretendem atingir (Hasholt, 2002). Como referem Vente e Poesen (2005, p. 96) grande parte dos modelos (…) are reductionistic and focus on a limited number of soil erosion and sediment transport processes. Most models focus on rill and interrill erosion and some models specifically on gully and bank erosion. Assim, como salientam Karydas et al. (2012, p.1), a classificação dos modelos tem de considerar vários aspetos (…)with regard to several erosion parameters, such as extent and duration of implementation, influencing factors, processes taking into account, features to be assessed, forms of hazard, type of algorithm and type of assessment (figura 24). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 35 . Para uma melhor compreensão da temática alvo da presente dissertação, vamos proceder a uma breve caracterização dos modelos 10 que integram processos erosivos, considerando sobretudo os aspetos estruturais em que assenta a modelação. 3.1.1. MODELOS EMPÍRICOS Considerados de mais fácil aplicação, os modelos empíricos baseiam-se principalmente na obtenção de dados a partir de ensaios laboratoriais e in situ, sendo uma das suas características principais o elevado grau de agregação das variáveis temporais e espaciais e a incorporação reduzida de variáveis causais (Wheater et al., 1993). Ou seja, baseiam-se geralmente em heurísticas simplificadas que se apoiam na resposta conhecida do sistema em estudo, procurando-se prever o seu comportamento partindo de diversas observações e experiências. Assim, estes modelos recorrem à representação simplificada dos processos com base em resultados obtidos experimentalmente, pelo que normalmente se aplicam apenas às áreas usadas para derivar a informação (quadro i, em anexo). Esta limitação, de acordo com Furegatti (2012), prende-se com o fato da modelação pressupor que as variáveis de input permanecem inalteradas no período em estudo – definindo um sistema estacionário – pelo que o potencial de predição associado 10 . Em anexo apresentamos as características sumárias dos principais modelos de erosão. Figura 24 - Critérios de classificação dos modelos, processos contemplados e principais dados de input. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 36 a eventuais alterações é igualmente restringido. Acresce ainda o problema de por vezes não ser considerada a variabilidade espacial dos fatores de erosividade e erodibilidade. Por outro lado, o cálculo das variáveis aplicadas no modelo, não possuem, frequentemente, uma associação às leis físicas que determinam o fenómeno em estudo. Como referem Nearing, Lane e Lopes (1994), constituem sobretudo representações simplificadas dos processos naturais, baseando-se em observações empíricas, sendo por isso também designados por modelos de ‘caixa negra’ (black-box models), de inputoutput ou de regressão, uma vez que estabelecem relações entre as ‘entradas e saídas’ do sistema sem qualquer preocupação em descrever o comportamento de processos específicos. Assim sendo, este tipo de modelos revela-se pouco satisfatório no que se refere ao conhecimento mais detalhado dos processos de erosão hídrica e das feições erosivas resultantes, aplicando-se geralmente para calcular a erosão média anual provocada por processos laminares e lineares (sheet/interrill and rill erosion). Mas apesar das limitações expressas, os modelos empíricos fornecem resultados satisfatórios em algumas situações, pelo que são uma ferramenta útil à tomada de decisões. Merrit et al. (2003, p. 768) salientam que ao incorporarem um pequeno número de variáveis e ignorando a sua heterogeneidade no contexto das áreas em estudo, (…) they can be implemented in situations with limited data and parameter inputs, and are particularly useful as a first step in identifying sources of sediment and nutrient generation (…) particularly at the regional scale . No contexto destes modelos, salienta-se a Equação Universal de Perda de Solo (EUPS) - ou, no original mais conhecido Universal Soil Loss Equation (USLE) - e as suas sucessivas reformulações (i.e. Modified Uiversal Soil Loss Equation – MUSLE; Revised Universal Soil Loss Equation – RUSLE), constituindo um dos modelos empíricos mais conhecidos e aplicados, que tem inclusivamente servido de base à definição de outros modelos do mesmo tipo (Wischmeier e Smith, 1978; Renard, et al., 1991). Aliás, alguns dos modelos derivados correspondem unicamente a uma adaptação dos parâmetros às características específicas das áreas em estudo, como é o caso do SOILOSS (Australian Soil Loss Programme), ou na (re)definição das equações utilizadas no cálculos dos fatores de erosão (principalmente do topográfico LS – lenght/slope). Salienta-se ainda, no sentido de incorporar variabilidade espacial ao nível Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 37 dos parâmetros tradicionalmente ‘homogéneos’ da USLE, o modelo SEDD (Sediment Delivery Distributed) desenvolvido por Ferro e Porto (2000). 3.1.2. MODELOS CONCETUAIS Os modelos conceptuais, por vezes designados como modelos de ‘caixa-cinzenta’ (grey-box models), são normalmente uma mistura entre os empíricos e os fisicamente baseados, aplicando-se essencialmente para responder a questões gerais (Beck, 1987). De acordo com Merrit et al. (2003), incorporam descrições sumárias dos processos à escala da bacia hidrográfica – designadamente mecanismos de transporte de sedimentos associados à produção de escoamento - sem especificar as suas interações, uma vez que tal implicaria informações de detalhe. Assim, consideram princípios físicos, mas de uma forma simplificada. Assim, este tipo de modelos proporciona uma avaliação qualitativa e quantitativa dos processos erosivos, sem envolver uma grande quantidade de dados espacial e temporalmente distribuídos, normalmente determinados por calibração baseada em séries de dados disponíveis ou obtidos de forma empírica (Kleissen et al. 1990; Wheater et al., 1993). O quadro ii, em anexo, apresenta os principais modelos conceptuais e algumas das suas características. A maior parte destes modelos é aplicado à escala da bacia e, ao contrário dos empíricos, contempla normalmente uma escala temporal de mais curto prazo, designadamente ao nível de eventos específicos. Dos modelos que integram esta tipologia pode destacar-se o AGNPS (Agricultural NonPoint Source Pollution), originalmente desenvolvido (…) to predict and analyse the water quality of runoff from rural catchments ranging from a few to over 20 000 hectares (Merrit et al., 2003, p.775). No entanto, também permite avaliar a erosão e transporte de sedimentos – envolvendo o cálculo de componentes hidrológicas e de mobilização de sedimentos e nutrientes - utilizando a formulação da USLE ou a RUSLE neste domínio (Leon e George, 2011). Assim, embora de base conceptual este modelo incorpora aspetos empíricos, indo de encontro ao que inicialmente referimos sobre as dificuldades associadas à classificação dos modelos, que cada vez mais recorrem a uma mistura de procedimentos 11 . 11 . Sobre este assunto, Furegatti (2012, p.62) salienta: A distinção entre os modelos não é exata e pode ser subjetiva. Existem modelos compostos por vários módulos e, portanto, podem conter uma mistura de [cada uma das tipologias] Um modelo pode ser, por exemplo, conceitual em sua estrutura, mas possuir processos descritos por algoritmos empíricos e/ou com base física. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 38 3.1.3. MODELOS DE BASE FÍSICA Estes modelos são concebidos a partir do entendimento dos processos físicos do fenómeno alvo da modelação, sendo também designados modelos de ‘caixa branca’ (white-box models) porque implicam uma clara compreensão causa-efeito. Geralmente são de caracter determinístico 12 , representando os processos físicos observados no mundo real e recorrendo a princípios da mecânica de fluidos, da hidráulica e de outras ciências e tecnologias do campo da Física, da Meteorologia, da Hidrologia ou de outros domínios afins (Bennett, 1974). Normalmente caracterizam-se por descreverem os processos que atuam num dado sistema e a relação entre parâmetros através de funções matemáticas (do escoamento superficial, escoamento sub-superficial, evapotranspiração e escoamento em superfície livre, mas podem ser muito mais complexos, incluindo aspetos relacionados com a qualidade da água, os usos da água e as questões económicas com eles associadas, nomeadamente em matéria de regadio, armazenamento de água, aproveitamentos hidroelétricos, navegação em canais e rios e gestão de cheias e descargas), ignorando variações aleatórias, pelo que para um conjunto de inputs os outputs serão sempre os mesmos. Exigem informação de base de elevada resolução espacial e temporal e são utilizados para aplicações específicas. Normalmente são capazes de explicar a variabilidade espacial das características mais importantes de uma área, como a topografia, declive, exposição, vegetação, solo. Nos quadros (iii, iv, v e vi, em anexo) apresentamos os modelos de base física referidos na vasta bibliografia consultada. Não sendo nosso objetivo fazer uma descrição exaustiva das suas características, até porque vários autores já se debruçaram sobre esta questão, salienta-se o facto de termos considerado a sua subdivisão em função da escala temporal de análise (análise temporal definida versus físicos contínuos) e de incorporarem ou não parâmetros espacialmente distribuídos ou homogéneos. No contexto dos primeiros destaca-se um número considerável dos que visam modelar a erosão face a eventos específicos, como o GUEST (Griffith University Erosion System Template), o LISEM (Limburg Soil Erosion Model) ou o WESP (Watershed Erosion Simulation Program), aspeto interessante que permite, por 12 . Refira-se, de acordo com Vogel (1999), que os modelos determinísticos não são, necessariamente, de base física. Com efeito, incluem por vezes elementos empíricos e concetuais de forma a incorporar características específicas das áreas em estudo e reproduzir aspectos gerais dos processos modelados. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 39 exemplo, fazer simulações utilizando valores de precipitação de episódios conhecidos e responsáveis por danos nas áreas em estudo. Esta simulação, por sua vez, poderá ajudar a definir limiares críticos de precipitação, a partir dos quais será possível estabelecer situações de alerta. Mas independentemente deste aspeto, parece-nos importante referir que a maior parte destes modelos são aplicados, em termos espaciais, a bacias hidrográficas de dimensão variável, aspeto metodológico que revela um certo ‘afastamento’ dos estudos de erosão relacionados com a evolução de vertentes, incluindo no seu desenho experimental parcelas amostra, metodologia empírica muito aplicada no contexto dos tempos áureos da geomorfologia quantitativa (Young, 1960) e no contexto de estudos cujo objetivo era sobretudo avaliar a erosão pós-incêndio (Sala Sanjaume et al, 1991; Coelho et al, 1995). Por outro lado, muitos destes modelos têm uma base hidrológica, o que também justifica o contexto espacial definido - como é o caso do CASC2D-SED (desenvolvido para determinar o hidrograma de escoamento gerado a partir de um evento de precipitação) ou do HEC-HMS (que incorpora vários procedimentos tradicionais da análise hidrológica) – mas normalmente incluem módulos específicos orientados para o cálculo da erosão. Aliás, uma das características destes modelos prende-se precisamente com a complexidade dos cálculos que implicam, já que a sua base teórica assenta num entendimento dos processos físicos que simulam. Outro aspeto importante, prende-se com o tipo de processos/feições erosivas a que os modelos se aplicam. Embora alguns refiram explicitamente a sua adequabilidade aos processos laminares e lineares – como o CONCEPTS (Conservational Channel Erosion and Pollutant Transport System) – outros excluem, por exemplo, a formação de barrancos (gullies) – como o KINEROS (Kinematic Erosion Simulation) ou o PERFECT (Productivity Erosion Runoff Functions to Evaluate Conservation Techniques), excluindo também este último a erosão por sulcos. Assim, na escolha do modelo a aplicar, este é sem dúvida um aspeto a considerar, tendo em conta as características das feições dominantes na área em estudo. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 40 3.1.4. MODELOS SEMI-QUANTITATIVOS Incorporando métodos estatísticos e utilizando frequentemente a atribuição de scores aos fatores condicionantes da erosão, este tipo de modelos (quadro vii, em anexo) combina procedimentos descritivos e quantitativos para caracterizar uma bacia de drenagem, resultando numa estimativa quantitativa ou, por vezes, qualitativa da produção de sedimentos (De Vente e Poesen, 2005; Yura, 2010). Pode-se dizer que os modelos semi-quantitativos são modelos de regressão, mas existem diferenças entre eles. Assim, os modelos de regressão mais tradicionais consideram apenas um fator, como por exemplo a área da bacia, ou até mesmo uma relação entre os diversos fatores. Ao simplificarem demasiado a realidade, permitem explicar apenas uma pequena parte na variação da produção de sedimentos (Verstraeten et al., 2003). Os modelos semi-quantitativos de múltiplas variáveis utilizam diversos fatores selecionados relativos aos processos de erosão e transporte de sedimentos, pelo que são mais ‘realistas’, embora apresentem alguns problemas no que diz respeito à extrapolação de dados. Dos modelos que integram este tipo, todos consideram os processos de erosão linear (i.e. PSIAC - Pacific Southwest Inter-Agency Committee); FSM - Factorial Scoring Model), sendo aplicados normalmente a escalas variáveis. Por exemplo, o PSIAC é geralmente utilizado para analisar e comparar bacias hidrográficas de pequena dimensão (Kouhpeima et al., 2011), enquanto o CORINE (Coordination of Information on the Environment) ou o EHU (Erosion Hazard Unit), se utilizam geralmente num contexto supra-nacional (EEA, 1992), nacional ou regional (Le Gouée et al., 2010). Aliás, embora não façam parte dos quadros que constam em anexo, há outros modelos que em parte podem ser considerados de caracter semi-quantitativo, mas que estão orientados para estudos que visam uma avaliação global da degradação dos solos (Grimm et al., 2002). Normalmente baseiam-se em inventários levados a cabo por ‘peritos’ (expert opinion methodes), sendo os resultados expressos através de mapas que ilustram a distribuição espacial dos fenómenos avaliados. Inserem-se neste contexto o Global Assessment of Soil Degradation (GLASOD), ou o HOT SPOTS (De Ploey et al., 1989; EEA, 2000). Salientamos ainda, embora seja um modelo fisicamente baseado, o Pan-European Soil Erosion Risk Assessment (PESERA), que define as perdas de solo à escala da Europa (Kirkby et al., 2004). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 41 3.2. CONSIDERAÇÕES EM TORNO DA UTILIZAÇÃO DOS SIG NA MODELAÇÃO DA EROSÃO A utilização de modelos de erosão integrados em sofwares, foi impulsionada a partir da década de 1990. Várias versões podem ser obtidas de forma livre na internet, muitas delas combinadas com bases de dados para parametrização dos modelos. Atualmente o uso destes softwares é uma mais-valia para a produção de resultados, com uma maior fiabilidade e dinâmica. Os vários modelos de erosão hídrica focados, têm sido desenvolvidos no sentido da sua manipulação em sistemas de informação geográfica (SIG). Normalmente os modelos são criados ou adaptados através de programação analítica, em scripts, internamente nos softwares SIG. Neste contexto, podemos referir o MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation), para o qual existe a extensão ArcMusle para o ArcGis, o qual pussui igualmente uma interface para o MIKE –SHE (Karidas et al., 2012). Por outro lado o modelo AGNPS aparece associado a vários softwares, mais precisamente Arc/Info, Grass-Gis e HIDRISI. O software livre Grass-Gis permite obter procedimentos aplicados em vários modelos, designadamente no TOPMODEL, ANSWERS, SWAT, MEDRUSH, SIMWE e o CASC2D. Para além disso, existem vários interfaces que são adicionados aos softwares de modelação de erosão e são obtidos gratuitamente. No caso do LISEM, existe para download o PCRaster onde a aplicabilidade do modelo é totalmente incluída. Por outro lado, usando o software IDRISI é possível obter o interface próprio do modelo WATEM, assim como para o Modelo WEPP é disponibilizado um interface gratuito - o GeoWEPP. Para além destes, destaca-se ainda o SAGA GIS, no qual se obtém o modelo de erosão Morgan Morgan Freaman (MMF) bem como o TOPMODEL. Mas independentemente destes aspetos específicos e do SIG a utilizar, são as suas características gerais (permitindo a aquisição, armazenamento, consulta, manipulação, análise, modelação e visualização de informação georreferenciada) que transformaram os SIG numa ferramenta de apoio adequada à resolução de questões de âmbito territorial a escalas diversificadas, nas quais se engloba a erosão de solos (Burrough,1986; Smith et al., 1987; Cowen, 1988). Neste contexto poderíamos referir inúmeras potencialidades dos SIG, designadamente a criação de Modelos Digitais de Elevação (MDE’s) a partir dos quais Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 42 podem ser gerados vários inputs dos modelos (i.e. declives, área de contribuição, exposição de vertentes), a incorporação dos vários parâmetros e o cálculo de equações permitindo gerar cartografia de suscetibilidade, ou até a criação do fluxo de trabalho necessário à obtenção do resultado final da aplicação de um dado modelo (model builder). 4. ESTUDOS EFETUADOS NO ÂMBITO DA EROSÃO HÍDRICA DOS SOLOS Face à existência de uma vasta panóplia de estudos teóricos e metodológicos relacionados com a erosão hídrica de solos - alguns dos quais foram já referidos anteriormente, optamos por salientar neste ponto os que podem ser considerados uma referência pelo seu caracter pioneiro, a nível internacional. Assim, será dado particular destaque aos trabalhos desenvolvidos nos EUA que culminaram com a definição da Universal Soil Loss Equation (USLE), assim como estudos e projetos que na Europa são marcos importantes. Na sequência desta abordagem focaremos os trabalhos realizados em Portugal, centrando-nos sobretudo em referências que, de certa forma, são uma base de consulta obrigatória para investigadores que pretendem desenvolver esta temática no contexto do território nacional. 4.1. REFERÊNCIAS DE ÂMBITO INTERNACIONAL O período compreendido entre 1930 e 1942, é considerado fulcral no contexto da problemática da erosão dos solos nos EUA. Com efeito, na sequência das políticas de conservação de solo que já desde 1907 vinham sendo implementadas, é nesta altura que o congresso norte-americano aprova a Uniform Soil Conservation Law e estabelece a criação do Soil Conservation Service (SCS), desbloqueando as verbas necessárias à investigação que vinha a ser desenvolvida no contexto da erosão hídrica de solos (Laflen e Moldenhauer, 2003; Sanders, 2004). Com efeito, as primeiras experiências de quantificação da erosão tinham já sido levadas a cabo em 1912 por A. W. Sampson no Utah, destacando-se posteriormente os trabalhos coordenados por M. F. Miller na Missouri Agricultural Experiment Station, onde implementa o uso de parcelas de erosão (Renard e Foster, 1985). No entanto, é importante referir o contributo fulcral de H. Bennet, investigador do United States Department of Agriculture (USDA) Bureau of Soils, por vários autores Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 43 considerado o ‘pai’ da conservação dos solos nos EUA. Com efeito, Bennet presidiu ao SCS criado em 1935, sendo responsável pelo estabelecimento de 10 estações experimentais de erosão em várias áreas do país, com o objetivo principal de analisar os fatores condicionantes dos processos erosivos (Flanagan et al., 2003). Estes estudos prolongaram-se durante vários anos permitindo a criação de mais estações experimentais e a consolidação de uma vasta base de dados. É no decorrer deste processo que são criados diversos ‘modelos’ de quantificação da erosão, dos quais se destaca a USLE - publicada em 1965 13 e revista e reeditada em 1978 - de W. Wischmeier e D. Smith, ambos investigadores do Agricultural Research Service (ARS) do USDA, um ramo de investigação criado pelo SCS em 1953. Este modelo é um marco essencial da investigação em torno erosão hídrica de solos, tendo sido aplicado em diversos países, pesem as críticas relativas à sua utilização em contextos espaciais diferentes daquele para o qual foi desenvolvido (Zhang et al., 1996; Boardman, 2006). Mas como qualquer modelo experimental, a USLE foi sofrendo modificações. Em 1977 cria-se o National Soil Erosion Research Laboratory (NSERL), a partir do qual se pretendia iniciar uma nova geração de tecnologias de previsão de erosão, definindo-se então a Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Este modelo renovado e adaptado às novas potencialidades da informática, seria publicado ainda em 1977 sobre coordenação de K. Renard, G. Foster, G. Weesies, D. McCool e D. Yoder. Como os autores referem, a RUSLE (…) is na update of Agricultural Handbook No. 537 [a versão revista da USLE de 1978], containing a computer program to facilitate the calculations [mas também] includes the analyses of research data that were unavailable (…) Although the original Universal Soil Loss Equation (USLE) has been retaines in RUSLE, the technology for factor evaluation has been altered and new data have been introduced with wich to evaluate the terms for specified conditions 14 . No mesmo sentido, viria a ser desenvolvido o Water Erosion Prediction Project (WEPP), coordenado inicialmente por G. Foster, mas que seria publicado em 1995 por D. Flanagan e M. Nearing. Este modelo, fisicamente baseado, opera através de uma simulação da previsão de perda de solo - visando substituir o modelo de empírico da 13 . A primeira versão completa da USLE seria publicada em 1961, no ARS Special Report 22-66, com o título A universal equation for predicting rainfall-erosion losses – An aid to conservation farming in humid regions. 14 . Extraído do prefácio (p. xix) do Agriculture Handbook nº 703, intitulado Predicting soil erosion by water; a guide to conservation plannin with the Revised Universal Soil Loss Equation. USDA, Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 50 CAPÍTULO II - METODOLOGIA UTILIZADA NA AVALIAÇÃO DA EROSÃO HÍDRICA DE SOLOS: INFORMAÇÃO DE BASE E CARACTERIZAÇÃO GERAL DOS MODELOS APLICADOS Each model type serves a purpose, and a particular model type may not categorically be considered more appropriate than others in all situations. Choice of a suitable model structure relies heavily on the function that the model needs to serve. 15 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS Já anteriormente referimos, à semelhança do que traduz a frase anterior, que a escolha do modelo mais adequado a um determinado estudo relacionado com processos de erosão hídrica, está dependente de vários fatores: do(s) objetivo(s), da área de trabalho, das escalas de análise espacial e temporal, dos processos visados, dos parâmetros de entrada necessários e disponíveis. Por outro lado, também salientamos ser cada vez mais frequente a utilização de modelos que incorporam uma mistura de procedimentos (não sendo empíricos, concetuais ou físicos ‘puros’), ou modelos que vão surgindo de progressivas alterações, assim como a utilização de módulos específicos (normalmente de modelos base física) para o cálculo de parâmetros de entrada. Salienta-se, ainda, a utilização dos SIG na obtenção, tratamento e análise da informação de base necessária, assim como no cálculo dos vários parâmetros, permitindo ainda traduzir a sua variação espacial e produzir cartografia que permite identificar e classificar a suscetibilidade à erosão. Neste capítulo, vamos explicar a metodologia utilizada no nosso estudo de caso. Assim, serão apresentadas as características gerais de base dos modelos que vamos utilizar - a Equação Universal de Perda de Solo aplicando algumas variações da RUSLE e o modelo de Simulação de Erosão Hídrica (SIMWE, Simulation of Water Erosion) – justificando as opções e alterações introduzidas na determinação dos dados de input. A seleção destes dois modelos baseou-se no facto de não existir nenhuma alternativa específica para áreas de terraços agrícolas, que alteram profundamente a topografia original. 15 . Merrit et al., 2003, p.769. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 51 Assim, consideramos a aplicação da versão revista da USLE, por ser um dos modelos mais utilizados para estimar a perda anual de solo por erosão hídrica, adaptando-se à informação disponível e ao objetivo principal que pretendemos concretizar. Desta forma, com este modelo é possível discernir as áreas mais suscetíveis através de uma estimativa da perda de solo por unidade de área e de tempo, que no fundo se traduz na perda de solo específica (Wischmeier e Smith, 1965). Como referimos, em Portugal a aplicação deste modelo em áreas de socalcos é escassa, pese o estudo efetuado na bacia hidrográfica da ribeira da Meia Légua por Catalão (2009) e Catalão e Pacheco (2010). É importante salientar que a conclusão deste estudo salienta que a maior percentagem da área da bacia se situa na classe das perdas de solo muito baixas, considerando os autores que a implementação de terraços funciona como elemento de controlo. No nosso estudo de caso, uma das limitações que a este modelo se impunha é o facto de contemplar apenas a erosão em sulcos e entre sulcos (rill and interril erosion), facto pouco favorável na medida em que a área de estudo apresenta ravinas (gullies), se bem que geralmente efémeras. De forma a colmatar esta lacuna, procedeu-se à seleção do SIMWE pela sua aplicabilidade à formação de ravinas, salientando-se que este modelo nunca foi utilizado em Portugal, nem em áreas de terraços agrícolas. A aplicação dos dois modelos implica uma sequência metodológica que apresentamos nas fig. 25 e 26, sendo possível comparar e validar os seus resultados através do inventário de campo efetuado previamente. Nos pontos seguintes explicaremos, mais pormenorizadamente, a metodologia seguida. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 52 Figura 25 - Esquema metodológico da (R)USLE. Figura 26 - Esquema metodológico do SIMWE. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 53 2. INFORMAÇÃO DE BASE A primeira etapa do nosso percurso metodológico, iniciou-se com o reconhecimento da área de estudo e a inventariação das feições erosivas. Assim sendo, procedeu-se ao levantamento de campo seguindo as diretrizes estabelecidas na ficha inventário previamente concebida (fig. 27) Convém referir que no campo 2 desta ficha (‘Características e Indicadores da Feição’) optamos por manter o termo gully, para aplicar a ravinas que evidenciavam maiores dimensões, correspondendo, basicamente, ao conceito de barranco tal como formulado por Rebelo (1982, 2003). Figura 27 - Ficha inventário de feições erosivas na Quinta de S. Luiz. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 54 Após identificação das feições erosivas no terreno, procedeu-se ainda a ensaios in situ (capacidade de infiltração, condutividade hidráulica e resistividade elétrica) e à recolha de amostras de solos para tratamento laboratorial (granulometria, teor de matéria orgânica), permitindo-nos obter informações que, embora não fundamentais para a aplicação dos modelos, permitem uma caracterização mais exaustiva das características do terreno. Reuniram-se, assim, informações de base que nos permitem modelar e cartografar os processos erosivos na área em estudo. Neste contexto, foi ainda primordial a criação de um MDE, a partir do qual foi possível derivar algumas das variáveis essenciais para a modelação da suscetibilidade à erosão. O MDE gerado, com 1 metro de resolução, foi obtido a partir da manipulação de imagens aéreas de grande detalhe, adquiridas no âmbito do projeto MODRIS. A partir da sua manipulação no ArcGis (3D Analyst e Spatial Analyst Tools), foi possível derivar os parâmetros LS e P da equação universal de perdas de solo, que exercem uma forte influência no processo de escorrência e, consequentemente provocam variações no resultado da modelação. Também no SIMWE o modelo digital de elevação é imprescindível, sendo obrigatório na resolução do módulo de produção de sedimentos. Quase todos os modelos de previsão de erosão e geração de sedimentos, requerem dados pluviométricos. No nosso trabalho, utilizamos como referência a informação de duas estações meteorológicas situadas na proximidade da área em estudo, a partir dos quais derivamos o valor do fator R e a taxa de precipitação, constituindo esta última um dado de entrada para a resolução do módulo hidrológico do SIMWE. Os restantes parâmetros necessários à aplicação dos dois modelos, derivaram da manipulação da informação de base referida e de dados decorrentes dos ensaios in situ. Mas para que seja possível um melhor entendimento de toda a sequência metodológica necessária à prossecução dos nossos objetivos, designadamente da cartografia de suscetibilidade à erosão na área de estudo, apresentamos nos pontos seguintes, uma descrição mais pormenorizada dos passos necessários à aplicação dos modelos definidos. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 55 2.1. A EQUAÇÃO UNIVERSAL DE PERDA DE SOLO A Equação Universal de Perda de Solo (USLE), como já referimos, foi apresentada pela primeira vez por Wischmeier e Smith em 1961, sendo posteriormente alvo de revisão e publicação, pelos mesmos autores, em 1965 e 1978 (Laflen e Moldenhauer, 2003). Considerado um dos modelos mais aplicados à previsão anual de perda de solo por erosão hídrica, foi sendo alvo de diversas modificações. Williams e Berndt (1977), por exemplo, desenvolveram a MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation) substituindo (…) the rainfall erosivity factor, R with the product of rainfall amount and runoff amount in aim to predict soil erosion for a water erosion event (Cârdei, 2010, p.250). Posteriormente, Renard e Freimund (1994) e Renard et al. (1997) propõem a RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation), pretendendo discernir a perda de solo por unidade de área e por unidade de tempo, mais precisamente a erosão específica, modelo que na atualidade já possui várias versões - embora retenha a estrutura da USLE - incorporando diferentes equações para o cálculo dos vários parâmetros em vez da utilização dos valores ‘tabelados’ do modelo original, pelo que pode ser utilizada em áreas com características distintas. A EUPS, que permite estimar a erosão média anual do solo, combina um conjunto de fatores condicionantes (fig.28), articulados a partir da seguinte equação: A = R x K x LS x C x P Em que: A - estimativa de erosão (ton.ha⁻¹.ano⁻¹); R - fator de erosividade da chuva; K - erodibilidade do solo; LS - fator conjugado declive e comprimento da vertente; C - fator de cobertura do solo; P –prática agrícola Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 56 2.1.1. FATOR EROSIVIDADE (R) Este fator determina-se em função da intensidade da precipitação, traduzindo a sua capacidade em destacar e transportar as partículas do solo (Meneses, 2011). Segundo Wischmeier e Smith (1978) o fator R obtém-se a partir do índice de erosividade (EI30), mas o seu cálculo apenas deve considerar valores de precipitação igual ou superior a 12.5 mm, sendo apenas estes os ‘eventos’ considerados erosivos. O índice EI30 representa uma relação entre a energia cinética e a capacidade de transporte (Tomás e Coutinho, 1993). Hudson (1986) propôs um índice de erosividade (KE25) onde considera apenas períodos em que a intensidade da precipitação é superior a 25 mm.h⁻¹. O autor justifica este valor como representando o limiar, obtido empiricamente por Ellison (1947), a partir do qual de observa o arranque das partículas de solo pelo impacto das gotas de chuva. Por outro lado, Foster et al. (1981) propõem o cálculo da energia cinética da precipitação através da seguinte equação, no sistema de unidade internacionais. e = 0.119 + 0.0873 * 𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎(𝐈) (Se I ≤ 76mm.h⁻¹) Sendo: e - energia cinética da precipitação em Mj/ha⁻¹.mm⁻¹; I - intensidade da precipitação em mm/h⁻¹. Figura 28 - Fatores que afetam a erosão hídrica do solo. Adaptado de Ferreira, 2008 Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 57 Pela exigência de dados bastante detalhados relativos à variação da precipitação descrita nas metodologias enunciadas, não disponíveis para a nossa área de estudo, no nosso trabalho optou-se pela metodologia sugerida por Bertoni & Lombardi Neto (1995). Assim, são consideradas as médias da precipitação mensal e anual (mm) para estimar o fator R (fig.29), de acordo com as seguintes equações. Em que: EI - média mensal do índice de erosão (Mj/ha.mm); r² - precipitação média mensal (mm); P - precipitação média anual; R - erosividade da chuva (Mj/ha.mm/ano). Os dados de precipitação foram disponibilizados pela ADVID, correspondendo a duas estações meteorológicas localizadas em Adorigo (a primeira com as coordenadas N 41° 09' 33,00'' W 7° 37' 02,00'' e a segunda, N 41° 09' 19,70'' W 7° 37' 00,90''), com registos desde 01-01-1994 a 01-07-2006. No entanto, para obter um conjunto mais fiável de dados (para um período de 29 anos), procedeu-se à seleção de outra estação, próxima das anteriores, nomeadamente a estação de Vale da Figueira do Sistema Internacional de Informação de Recursos Hídricos (SNIRH), com dados entre 01-011983 até 01-01-1994 e 01-07-2006 até 31-12-2012. Figura 29 - Esquema metodológico do fator R. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 58 2.1.2. FATOR DE ERODIBILIDADE (K) A determinação da erodibilidade dos solos pressupõe o conhecimento dos seus constituintes no que se refere à textura, (expressa pelo conteúdo de areias, limo e argila) teor de matéria orgânica, bem como informação sobre a permeabilidade e a estrutura (Tomás, 1993). Os valores de K, de acordo com a metodologia de Wischmeier e Smith (1978), foram originalmente definidos empiricamente através de resultados obtidos em parcelas experimentais, que culminaram com o desenvolvimento do (…) soil erodibility nomograph that has been proven to be easily usable for estimating soil erodibility for most soils (Laflen & W.C. Moldenhauer, 2003, p. 26). A partir deste nomograma é possível determinar o valor de K para qualquer tipo de solo - desde que sejam conhecidos os parâmetros textura/matéria orgânica/permeabilidade/estrutura - o que permitiu criar uma base de dados onde se especificam os valores a atribuir a este fator. Vários têm sido os países que procederam a uma adaptação dos valores de K às características específicas dos seus solos, salientando-se, para Portugal, o trabalho desenvolvido por Pimenta (1998). No caso específico do nosso estudo, considerando tratar-se de uma escala de pormenor, não se justificava aplicar os valores pré-definidos. Assim, para a caracterização das propriedades físicas do solo, procedeu-se à recolha de várias amostras em diferentes locais, (topo meio e base da vertente côncava e convexa), incidindo apenas no horizonte A, na medida em que este é o mais suscetível à erosão. Posteriormente, as amostras de solo foram tratadas em laboratório, onde foram determinados os parâmetros necessários (fig.30). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 59 Figura 30 - Textura do Solo na Quinta de S. Luiz. O processo implicou a secagem das amostras de solo, com a respetiva pesagem das mesmas antes e depois da entrada na estufa. As percentagens de areia (grosseira e fina) e cascalho foram obtidas por peneiração, enquanto o teor de finos (argila e limo) foi determinado por lavagem seguida de decantação. Para o cálculo da matéria orgânica aplicou-se o método de remoção por ignição em mufla, proposto por Courtney e Trudgill (1984), determinando-se o seu valor pela diferença entre o peso inicial e o peso final de cada amostra, após combustão térmica a 700 ° C durante 3 horas. Considerando os resultados obtidos para as amostras SL1 a SL7 (fig.30) e tendo em conta a sua relativa homogeneidade – o que seria de esperar já que na área em estudo se identificam apenas antrossolos - procedeu-se à soma dos valores estimados para cada amostra, determinando-se posteriormente a média aritmética para obtenção de um único valor para cada uma das 4 classes definidas por Wischmeier (1978). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 66 do solo, o tempo e a atividade biológica exercem sobre a erosão do solo Já o subfactor CC representa o efeito do coberto vegetal na redução da energia do impacto da precipitação na superfície do solo, enquanto a cobertura do solo (SC) reduz a capacidade de transporte da água por escoamento superficial (Foster, 1982), diminuindo igualmente a área da superfície suscetível ao impacto das gotas de água (McCool, 1995). A rugosidade da superfície (SR), que pode ser orientada ou dispersa, relacionase, por exemplo, com a existência (ou não) de (…) ridges and furrows left by "cartracking" or a chisel plow used in the preparation of a seedbed (Toy e Foster, 1998, p.5-14). Neste sentido, (…) a rough surface has many depressions and barriers [pelo que durante] a rainfall event, these trap water and sediment, causing rough surfaces to erode at lower rates than do smooth surfaces under similar conditions (Renard et al., 1997, p.160. Na impossibilidade de obter todos os dados de caracterização do fator C de acordo com esta metodologia 18 , é possível recorrer à carta de ocupação do solo (COS) ou à Corine Land Cover (CLC) para identificar e cartografar o uso do solo, procedendo-se posteriormente à reclassificação das diferentes classes de uso em função de valores previamente definidos para este parâmetro. Este procedimento tem sido utilizado em vários trabalhos efetuados no território nacional (i.e. Tomás, 1997; Catalão, 2009; Meneses, 2011; Simões, 2013)., tendo principalmente em conta os valores de referência apresentados por Tomás e Coutinho (1993) e Pimenta (1998a) para os diferentes tipos de cobertura e uso do solo. No caso do nosso estudo optamos por seguir as diretrizes de Pimenta (ob.cit.), utilizando os valores apresentados na fig. 32. No entanto, a identificação e cartografia dos tipos de ocupação do solo foi elaborada com base no reconhecimento de campo da área em estudo e com recurso às imagens aéreas já referidas. 18 . Efetivamente, como salienta Tomás (1993), na determinação do fator C são muitas as variáveis a considerar, englobando, nomeadamente, o tipo de produção agrícola e a rotação de culturas – o que implica considerar também a estação do ano - a quantidade de resíduos existentes à superfície do solo, a a densidade do coberto vegetal e o desenvolvimento de raízes, entre outras. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 67 2.1.5. FATOR PRÁTICA AGRÍCOLA (P) As práticas agrícolas são um fator preponderante na erosão do solo, na medida em que influenciam o comportamento do escoamento superficial (i.e. orientação e velocidade), a quantidade dos sedimentos transportados e o desenvolvimento de feições erosivas (Wischmeier e Smith, 1978). Assim, o tipo de ‘configuração’ do terreno – ao longo das curvas de nível (contouring), em faixas (stripcropping) ou em terraços (terraces) – vai condicionar o padrão do escoamento, a que se associa o declive das áreas cultivadas. Por isso mesmo, embora sejam atribuídos diferentes valores de P à designada prática de conservação, esses valores aumentam em função do declive (quadro 3). Figura 32 - Classes do uso do solo LandCover – Corine e respetivo valor do fator C (Pimenta,1998). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 68 Para obter o fator P no nosso caso de estudo, derivou-se do MDE o mapa de declives, que foi reclassificado tendo em conta as classes e os valores apresentados no quadro anterior, relativamente à cultura em terraços. 2.2. SIMULATED WATER EROSION (SIMWE) Considerando que a EUPS não contempla o processo de formação de ravinas (gullies), feição erosiva importante na nossa área de estudo, optamos por aplicar o modelo SIMWE desenvolvido por Mitas e Mitasova (1998). É um modelo bivariado (…) of erosion, sediment transport, and deposition by overland flow, designed for complex terrain, soil, and cover conditions, baseando-se na descrição do fluxo da água e transporte de sedimentos de acordo com as equações de Foster e Meyer (1972) e Bennet (1974), seguindo os princípios teóricos fundamentais do modelo WEPP de Flanagan e Nearing (1995) (Mitas e Mitasova, ob.cit p.505). O fluxo de água superficial (overland water flow) é descrito pela equação de continuidade proposta por Julien et al. (1995): Em que: h (r, t) -profundidade da água (water depth); t - tempo; i (r,t) - excesso de precipitação (rainfall excess; q (r,t) - fluxo de água (water flow); r = (x, y) – parâmetros derivados do MDE Quadro 3 Valores do Fator P de acordo com Tomás (1993). Extraído de Meneses, 2011. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 69 A equação de continuidade é acopolada à equação de conservação do momento e o raio hidráulico é aproximado pela profundidade do fluxo normal (Mitasova e Mitas, 1998). O fluxo de sedimentos, (sediment flow), corresponde ao transporte de sedimentos pelo escoamento superficial e é descrito pela continuidade da massa do sedimento. Assim expressa-se pela seguinte equação proposta por Hann et al. (1994): Em que: corresponde à taxa de fluxo de sedimentos por unidade de largura; c (r, t) é a concentração de sedimentos; ρ é a massa por partículas de sedimentos; D(r, t) corresponde à taxa de deposição; D(r) é derivado através da relação entre a capacidade de transporte de sedimentos; T(r) corresponde à capacidade de transporte de sedimentos; representa a taxa real do fluxo de sedimentos. Para o cálculo da taxa real do fluxo de sedimentos aplica-se a seguinte equação proposta por Foster e Meyer (1972): Onde ϭ (r) se obtém através da seguinte equação (Foster e Meyer 1972): Corresponde à capacidade de desagregação. Podem ser aplicadas diferentes equações de capacidade de transporte e capacidade de desagregação, no entanto neste trabalho utilizou-se a equação da tensão de cisalhamento (shear stress) proposta por Foster e Meyer (1972). Como alternativa consistente e flexível ao método das diferenças finitas, Mitas e Mitasova (1998) propuseram uma abordagem estocástica baseada na função de Green resolvida pelo método de Monte Carlo. Assim procede-se a uma simulação através da geração de pontos de amostragem, que são posteriormente propagados de acordo com a equação Green Ampt e do cálculo da média das amostras, que vai fornecer uma Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 70 estimativa real dos mapas da profundidade da água (water depth) e concentração de sedimentos, com uma precisão estatística que é inversamente proporcional à raiz quadrada do número das amostras. Este procedimento é descrito pela equação seguinte: Esta equação é utilizada para expressar soluções lineares de equações diferenciais com aplicações físicas ou matemáticas, como se pode exemplificar nas teorias dos autores Karlin e Taylor (1981); Glimm e Jaffe (1972) expressas pela seguinte equação: Onde: r, r` são as localizações; p é o tempo, δ é a função Dirac. A região espacial é uma bacia hidrográfica delineada com 0 condições de contorno descrita por G (r, r´, 0). Estas equações podem ser resolvidas por métodos de projeção (Rouhiand Wright, 1995). Figura 33 - Path sampling solution of the continuity equation for water depth h(r) using duality between particle and field representation: a) water depth at 1 minute,b) water depth after 24 minutes. The grid is 416x430 cells at 10m resolution, Mitasova e Mitas (1998). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 71 Basicamente este método baseia-se na dualidade entre a representação das partículas e do campo distribuídas espacialmente. Assim a densidade das partículas distribuídas definem um campo, que por sua vez é representado por partículas que correspondem à distribuição espacial das suas densidades (Mitasova e Mitas, 1998), como se ilustra na figura 33. No nosso caso de estudo, o modelo SIMWE foi aplicado no software GRASS GIS, através da utilização dos módulos: r.sim.water, que simula o escoamento superficial, e o r.sim.sediment, representando a erosão do solo, o transporte e a deposição de sedimentos (fig.34). No primeiro (fig.35), o fluxo superficial, apresentado em 2D, é descrito pelas equações de Saint Venant (Julien et al., 1995) e pelo método estocástico de Monte Carlo. Os dados de entrada incluem o MDE (elevin), o vetor do gradiente do fluxo - derivado do MDE (dxin e dyin) - a taxa de excesso de precipitação (rainfall excess), através de um mapa raster ou de um único valor - como foi o caso neste trabalho - e a superfície do coeficiente de rugosidade (manin). Os resultados incluem o mapa da profundidade da lâmina de água em (m) (water depth) e o mapa de descarga da água (water discharge). Figura 34 - - Módulos de cálculo do modelo SIMWE no Grass Gis. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 72 O módulo r.sim.sediment, (fig. 36) vai incorporar alguns dos dados de saída do módulo anterior. Assim, engloba o MDE (elevin), o mapa water depth, gerado no módulo precedente, o coeficiente da capacidade de desagregação (detin), o coeficiente da capacidade de transporte (tranin), a tensão de cisalhamento (tauin) e o coeficiente de rugosidade (manin). Os mapas de saída são a capacidade de transporte, a capacidade de transporte limitada erosão-deposição, a concentração de sedimentos, o fluxo de sedimentos e por último o mapa de erosão-deposição. Figura 35 - Sequência metodológica do módulo r.sim.water. Figura 36 - Sequência metodológica do módulo r.sim.sediment. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 73 2.3. MODELO PREDITIVO: REGRESSÃO LOGÍSTICA A utilização deste modelo surgiu pelo facto de ser o mais comum na aplicação a amostras binárias, como por exemplo à ocorrência ou não de perda de solo numa determinada área. Segundo Costa, (2009) a construção de um modelo preditivo, independentemente do ‘processo' a modelar, deve-se assemelhar à realidade da área e ao fenómeno estudado. Neste sentido, torna-se importante uma análise das variáveis para discernir quais exercem maior influência na distribuição espacial do fenómeno, o que exige a elaboração de um inventário prévio onde este é identificado por pontos. Considerando a localização destes pontos de ocorrência e a distribuição aleatória de ‘não-pontos’, ou seja pontos não coincidentes com os locais das ocorrências permitindo apenas caracterizar globalmente o território, obtém-se, através do método da regressão logística, uma equação traduzida pelas ponderações a atribuir a cada variável face à sua relação com os ‘pontos’ e ‘não pontos’. Em que: p - corresponde à probabilidade de ocorrência; exp - eleva e (número de Euler, aproximadamente 2,72) ao valor entre parêntesis; a - corresponde ao valor da interceção de y; β - coeficientes de regressão; X - variáveis independentes Esta equação, na qual são incorporadas, em formato raster, as variáveis definidas, permite obter um mapa que ilustra a distribuição espacial da suscetibilidade de ocorrência dos processos. Por conseguinte, o método de regressão logística pode ser utilizado como um procedimento acessório para determinar as forças e fraquezas dos modelos que aplicamos (apesar dele próprio ser um modelo estatístico), permitindo Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 74 identificar áreas de maior e menor probabilidade de ocorrência das feições erosivas, numa escala de 0 a 1 19 . No nosso caso, as feições erosivas levantadas in situ vão adquirir o valor de 1 (‘pontos’) e de 0 (‘não pontos’). Para o nosso caso de estudo aplicamos este procedimento à (R)USLE, considerando apenas os fatores C, P e LS, uma vez que são os fatores que exercem mais influência no resultado da erosão hídrica potencial. No cálculo da regressão logística utilizámos o software SPSS, transpondo-se depois a equação derivada para o ArcGis 10.2. 2.4. PROCEDIMENTO DE VALIDAÇÃO DOS MODELOS Posteriormente à aplicação de métodos estatísticos torna-se necessário proceder à validação da (R)usle, com os diferentes algoritmos de LS, de forma a testar a precisão dos mesmos, discernindo qual apresenta maior qualidade. Neste sentido, a curva ROC (Receiver Operating Charateristis) é um procedimento de validação que permite visualizar, organizar e selecionar classificadores tendo em conta o seu desempenho (Fawcett, 2006). Assim, este método é baseado no pressuposto que cada instância surge associada a uma classe preditiva. A distinção entre a classe real e a classe predita é efetuada através de N e Y. Por conseguinte para cada instância, associada a uma classe preditiva existem quatro resultados possíveis (Fawcett, 2006), no nosso caso adaptamos à temática em estudo. TP – True Positive (verdadeitos positivos), são áreas classificadas como suscetíveis onde se registam feições erosivas. FN – False Negative (falsos negativos), áreas onde não se verifica suscetibilidade à erosão, porém apresentam registos de feições erosivas. TN – True Negative (verdadeiros negativos), área que não se apresenta suscetível nem se verificam registos de feições erosivas. FP – False Positive (falsos positivos), área suscetível na qual se registam feições erosivas. 19 . A regressão logística produz um operador da mesma maneira que uma regressão múltipla, contudo, difere uma vez que que entra com dados binários de 0 a 1 (Landau, S. e Everitt, B. S., 2004, citado por (Costa, 2009 p. 89). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 75 Desta forma, a partir a do resultado das métricas combinadas é possível a construção de uma matriz de confusão, apelidada também por tabela de contingência, que ilustra todos os resultados possíveis. Para além disso, através da matriz de confusão obtêm-se dados de cálculo dos rácios que integram o método de validação (quadro 4). Rácio Verdadeiro Positivo (hit trace/cal) – VP rácio = 𝐕𝐏 𝐏 Rácio Falso Positivo (false alarm) – FP rácio = 𝐅𝐏 𝐍 Sensibilidade = VP rácio Especificidade = 𝐕𝐍 𝐅𝐏+𝐕𝐍 = 1 – FP rácio Precisão = 𝐕𝐏 𝐕𝐏+𝐅𝐏 Valor preditivo positivo = Precisão Acurácia = 𝐕𝐏+𝐕𝐍 𝐏+𝐍 Salienta-se que este será o método aplicado para a validação do modelo (R)USLE, segundo os diferentes algoritmos do fator LS. Classes Verdadeiras p n Classes Preditivas Y Verdadeiros Positivos Falsos Positivos N Falso Negativo Verdadeiro Negativo Soma P N Quadro 4 - Matriz de confusão/Tabela de contingência (Fawcett, 2006). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 82 Baseando-nos nos dados da estação meteorológica de Adorigo, a mais próxima da área em estudo, reafirmam-se os baixos valores de precipitação referidos, verificando-se que a média anual corresponde a 686,8mm, apesar de ser possível identificar alguns anos mais pluviosos, designadamente nos anos hídricos de 1997/98 e 2000/01. Ao nível da distribuição mensal (fig. 42), os valores médios mais elevados observam-se nos meses de Outubro, Novembro, Dezembro e Janeiro, que abarcam cerca de 41% do total da média anual. O período de Primavera e Verão representa 31 % deste total, na maior parte das vezes devido a chuvas convectivas que se caracterizam por uma elevada intensidade, frequentemente responsáveis pelo desenvolvimento de ravinamentos. Com efeito, a RDD é esporadicamente alvo de episódios de precipitação intensa e por vezes prolongada, suscetíveis de desencadear processos de instabilidade hidrogeomorfológica, tal como aconteceu, por exemplo, no Inverno de 2000/2001 (Bateira, 2006), ou ainda este ano (2014) no início do mês de Julho na área do Pinhão. Figura 41 - Enquadramento climático da RDD. Fonte: (Daveau, 1977); (Atlas do Ambiente). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 83 Neste contexto, é particularmente importante analisar os valores diários de precipitação, principalmente quando se pretende definir limiares críticos de precipitação para o desencadeamento de processos erosivos e de instabilidade. No nosso caso, não é possível proceder ao cálculo dos limiares na medida em que apenas foram registadas três ocorrências de intempéries (fig 43). No entanto, com base nos dados da estação de Adorigo e da data de eventos, que motivaram a ocorrência de processos hidrogeomorfológicos na área em estudo (informação cedida pela ADVID), procedemos ao cálculo das precipitações acumuladas, da probabilidade extrema, períodos de retorno e das combinações críticas para a série de dados de 1983-2012 (para 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 60, 75, e 90 dias). O período de retorno para cada ocorrência foi obtido segundo a distribuição de Gumbel e com base nos valores extremos de precipitação, determinando-se as combinações críticas com base nos dados de quantidade/duração do período de retorno mais elevado. Figura 42 - Precipitação média mensal. Fonte: estação meteorológica de Adorigo, 1982-2012. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 84 Analisando as intempéries ocorridas, nas datas de 08-12-2000, 19-08-2007 e 0709-2009 (quadro 5) os valores revelam que os eventos ocorrem associados a probabilidades extremas com períodos de retorno variados pelo que, é possível depreender que não existe uma tendência a regular para a ocorrência dos mesmos. Verifica-se que no primeiro e no segundo evento a combinação crítica sucedeu em períodos de tempo bastante diminutos, mais precisamente 4 e 1 dias respetivamente. Intensidade R (mm)/dia 08-12-2000 127 431,75 19-08-2007 32,6 132,60 07-09-2009 225,4 30 7,51 EVENTOS R dias Combinações Críticas Quadro 5 - Período de retorno e probabilidade extrema associados a eventos de precipitação Figura 43 - Intempéries na Qtª de S. Luiz Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 85 Este facto pode ser explicado pela elevada intensidade da precipitação. Por outro lado o evento de 07-09-2009 é o que detêm uma maior quantidade de precipitação absoluta, no entanto aparece associado a 30 dias, com efeito conclui-se que a precipitação acumulada, motivada pela fraca intensidade da mesma, desencadeou o evento. Admite-se que as caraterísticas do uso do solo, neste caso a prática agrícola com cultura de vinha em terraços, adquirem extrema importância nos processos erosivos. Assim, a prática agrícola intensiva associada a declives acentuados produz influência direta na perda de solo anual. Desta forma, faremos uma breve descrição da importância da vinha na área em estudo e a sua disposição seguindo as diferentes tipologias de armação de terreno. 1.2. SOLOS E USO DO SOLO As características dos solos da RDD, resultam da articulação entre os contextos morfoestrutural e climático descritos, com as intervenções antrópicas que, desde há séculos, moldaram as vertentes desta área. Efetivamente, tendo em conta a mais recente World Reference Base for Soil Resources (FAO, 2014), podemos considerar que as vinhas durienses se desenvolvem sobre antrossolos (anthrosols), designação aplicada a solos com longo e intensivo uso agrícola, evidenciando uma forte influência do Homem na sua formação/transformação, quer através da desagregação da rocha-mãe quer através da armação do terreno em socalcos (Pereira, 2000). De qualquer modo, numa aceção mais tradicional, Ribeiro (2000) considera que no Douro predominam os leptossolos e cambissolos (detríticos na sua maioria), a que se associam fluvissolos nas áreas de fundo de vale e em algumas estreitas várzeas. No entanto, o autor salienta que principalmente os primeiros não permitiam, no seu estado ‘natural’, a implantação da vinha - devido à sua fraca espessura sobre a rocha-mãe que impedia a penetração do sistema radicular das plantas e não detinha capacidade suficiente para armazenar um volume de água considerável – pelo que sofreram alterações significativas. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 86 Essas alterações prendem-se com o uso agrícola dominante na RDD, particularmente a cultura da vinha (fig.43), que determinou a prática das surribas – mobilização profunda/desagregação da rocha e mistura de camadas para ‘criar’ solo - e o desenvolvimento, ao longo do tempo, de diferentes tipos de armação do terreno (fig. 44). Com efeito, Fauvrelle (2007, p.88) salienta que as (…) técnicas de armação das encostas têm variado consoante as épocas, de acordo com um maior ou menor crescimento económico e populacional e com a evolução das tecnologias. Refere ainda que estas podem ser divididas em dois grupos distintos: as tradicionais ou históricas que se destacam pelo facto de utilizarem muros de suporte de pedra em seco, englobando os socalcos pré e pós-filoxéricos; as mais recentes associadas à mecanização dos trabalhos, designadamente os patamares com taludes de terra - comportando uma ou duas fiadas de vinha – e, principalmente a partir da década de 1980, a designada ‘vinha ao alto’. A vinha, nos socalcos pré-filoxéricos, encontrava-se disposta em pequenos geios de escassa largura, que comportavam 1 ou 2 bardos e raramente três (Pedrosa et al., 2004). Os muros, mais ou menos distanciados em função do declive da vertente, eram construídos com as pedras retiradas do terreno (Bateira et al., 2011). Com a crise filoxérica este tipo de armação foi abandonado, uma vez que a vinha americana utilizada como porta-enxertos exigia maior profundidade dos solos. Porém Figura 44 - Ocupação do solo na Região Demarcada do Douro Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 87 ainda subsistem marcas da sua existência, não só mantendo a produção ‘original’, mas constituindo os designados ‘mortórios’, ocupados por espécies arbustivas autóctones, ou oliveiras e amendoeiras (Fauvrelle, 2007). Os novos socalcos pós-filoxéricos, caracterizados por uma menor quantidade de muros, mais altos e largos, permitiam a plantação de mais pés de vinha alinhados pelas curvas de nível. No entanto, as plataformas de cultivo apresentam normalmente maior inclinação, sendo ligadas por escadas e rampas (Sousa et al., s/d). A partir das décadas de 1960 e 1970, a escassez de mão-de-obra torna urgente a mecanização das propriedades. Nesse sentido, assiste-se a acentuadas mudanças na técnica de surribar. Neste sentido, constroem-se patamares com taludes em terra, sem muros de xisto (Seixas et al., 2006). Cada patamar possui uma altura variável em função do declive natural da vertente, comportando uma ou duas fiadas de vinha aramada com esteios, de xisto ou madeira (Fauvrelle, ob.cit). Segundo Magalhães (2012), para declives superiores a 20% os patamares não devem comportar mais de dois bardos, sendo que a largura dos terraços não deverá exceder os 3,8 a 4 m. A partir dos anos 80 do século XX, aparece uma nova forma de armação do terreno: vinhas plantadas segundo a linha de maior declive (Seixas et al., 2006). Este sistema de ‘vinha ao alto’ dispõe-se segundo linhas perpendiculares às curvas de nível, separadas por estradas de acesso (Bateira et al., 2011). No entanto, só pode ser utilizado em encostas com declive inicial inferior a 30%, restringindo-se normalmente às áreas de topo aplanado ou rechãs (Resolução do Conselho de Ministros 150/2003 de 22 de Setembro e Despacho Conjunto 473/2004 de 30 de Junho). Assim, particularizando para a nossa área de estudo, vislumbra-se que a Qtª de S. Luiz, com o total de 127,27 ha, detêm a maior parte da sua área ocupada por vinha, cerca de 69,5 %, (fig. 45; Quadro 6). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 88 No que se refere aos sistemas de armação de terreno, verifica-se que predomina a vinha em patamar, que ocupa mais de 50% da área ocupada por vinha, seguindo-se a vinha ao alto, que ocupa cerca de 18,5 %. Este facto deve-se sobretudo aos elevados declives das áreas em questão. Os restantes sistemas de armação identificados surgem de forma esporádica, de modo que não exercem grande influência no panorama geral, (fig. 46; Quadro 7). Quadro 6 - Percentagem de ocupação de Uso do Solo Figura 45 - Uso do Solo na Qtª de S. Luiz Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 89 Designação Área (%) Vinha em patamar 54,6 Vinha ao alto 18,5 Vinha tradicional (pós-filoxera) 15,5 vinha sem armação 11,3 Área total de vinha 88,95 (ha) Quadro 7 - Percentagem de ocupação de sistemas de armação de terreno. Figura 46 - Sistemas de armação de terreno na Qtª de S. Luiz. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 90 CAPÍTULO IV - MODELAÇÃO E CARTOGRAFIA DOS PROCESSOS 1. INVENTARIAÇÃO DAS FEIÇÕES EROSIVAS NA QUINTA DE S. LUIZ Decorrente do levantamento de campo na área em estudo, foi possível avaliar o panorama geral relativamente à tipologia dos processos erosivos predominantes, sendo identificadas 219 feições erosivas (fig. 47). Estas feições correspondem sobretudo a processos lineares, nomeadamente ravinas e sulcos, verificando-se que a erosão laminar é irrelevante ou inexistente. Desta forma, os processos de escorrência concentrada exercem mais influência na dinâmica erosiva da área em estudo, registando-se, de forma isolada, 115 ravinas e 56 sulcos. Não obstante, foram também identificados 21 taludes com feições simultâneas de sulcos e ravinas e 27 taludes com um padrão constante composto por sulcos (fig. 48). Figura 47 - Inventário de feições erosivas na Quinta de S. Luiz. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 91 Justifica-se assim, como referimos no segundo capítulo, a aplicação dos dois modelos selecionados, considerando que a (R)USLE é direcionada para a erosão em sulcos, enquanto o SIMWE é indicado para a erosão em ravinas. 2. RESULTADOS DA APLICAÇÃO DA (R)USLE NA QUINTA DE S. LUIZ Neste ponto expõe-se os resultados obtidos no cálculo de cada fator da (R)USLE, que surgem sob o formato de um único valor ou em imagem raster. Como salientado, apresenta-se também um estudo comparativo da aplicação do modelo considerando diferentes algoritmos de cálculo do fator LS. 2.1. FATOR EROSIVIDADE (R) Vimos que os resultados obtidos para este fator têm por base os dados diários de precipitação das estações de Adorigo e Vale da Figueira, constituindo uma série que abrange o período de 1983 a 2012. Assim sendo, seguindo a metodologia apresentada por Bertoni & Lombardi e Neto (1995) procedeu-se ao cálculo da média mensal e anual, do índice de Figura 48 - Tipologia das feições erosivas na Quinta de S. Luiz. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 98 2.5.1. EROSÃO HÍDRICA POTENCIAL Na erosão hídrica potencial determina-se a perda de solo rejeitando-se os fatores que se apresentam variáveis no tempo, ou seja fatores C e P, na medida em que estes não são permanentes, devido à influência antrópica. Neste sentido consideram-se apenas os fatores R, K e LS, o que significa que a erosão hídrica potencial depende unicamente de caraterísticas relacionadas com a precipitação (erosividade), topografia (LS) e atributos físicos do solo (erodibilidade). Por conseguinte, efetuou-se o cálculo destes fatores no software ArcGis 10.2 considerando os diferentes algoritmos do fator LS, resultando em 5 mapas em formato raster que posteriormente foi reclassificado em quatro classes (definidas pela quebra natural dos valores obtidos), para a determinação das áreas mais suscetíveis à erosão hídrica potencial na Quinta de S. Luiz (fig.55; Quadro 9). A partir destes procedimentos consideramos que o cálculo da erosão potencial para os algoritmos de Engel et al. (1991) e Mitasova et al . (1996) não se adequam à realidade observada in situ, considerando a maior parte de área em estudo com a classe de sucetibilidade nula. Outro dos aspetos a salientar é que os algoritmos de Böhner & Selige (2006) e Desmet & Govers (1996) apresentam resultados iguais. Neste sentido, analisando os resultados obtidos com os três primeiros algoritmos do fator LS, verifica-se que na generalidade as classes de suscetibilidade baixa e nula apresentam valores mais elevados. Por outro lado, as classes de suscetibilidade moderada e elevada localizam-se em vertentes convexas com orientação generalizada para Oeste e Noroeste, associando-se também às áreas onde o declive e o comprimento das vertentes apresentam valores mais elevados. Verifica-se, desta forma, que o fator LS exerce uma forte influência nos valores de erosão hídrica potencial. Os fatores R e K revelam extrema importância, na medida em que nas vertentes onde a altitude é mais acentuada os valores de precipitação são mais elevados, por outro lado quando associadas a um maior declive o fluxo superficial é mais acentuado e por conseguinte o nível de matéria orgânica é diminuído. Conclui-se que esta metodologia revela indicações preponderantes, em termos de planeamento do uso do solo, na área em estudo, levando ao repensar sobretudo do coberto vegetal implementado em cada sector, visto que a prática agrícola é homogénea e dificilmente contornável. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 99 Figura 55 - Erosão Potencial na Qtª de S. Luiz segundo diferentes algoritmos de LS: a) Moore (1991); b) Böhner & Selige (2006); c) Desmet & Govers (1996); Engel et al. (1991); Mitasova et al. (1996). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 100 Erosão Potencial (%) Moore et al . (1991) Böhner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al . (1991) Mitasova et al. (1996) Elevada 6,5 3,7 3,7 2,7 0,2 Moderada 18,9 14,5 14,5 7,5 2,1 Baixa 37,4 34,1 34,1 8,5 15,7 Nula 37,2 47,7 47,7 81,3 82,0 Classe Moore et al . (1991) Böhner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al . (1991) Mitasova et al . (1996) 12 2 2 2 2 267 72 64 24 0 387 88 81 180 67 462 56 71 12 149 Feições Erosivas Analisando o inventário de feições erosivas, (Quadro 9), confirma-se que, em todos os modelos, a classe de suscetibilidade moderada contempla o maior número de registos de feições erosivas, o inverso acontece na classe de suscetibilidade nula. O modelo segundo o algoritmo de Engel et al. (1991) considera a classe de suscetibilidade moderada como sendo a que integra o maior número de registos. Outra das dissemelhanças prende-se com o facto do modelo de Mitasova et al. (1996) não incluir nenhuma feição erosiva na classe de suscetibilidade baixa. Mais uma vez considera-se que os dois últimos modelos não contemplam fiabilidade face à realidade observada in situ, (Quadro 10). 2.5.2. EROSÃO HÍDRICA REAL - (R)USLE Para o cálculo da erosão hídrica real, em que se utilizam todos os parâmetros da (R)USLE, consideramos igualmente os diferentes algoritmos do fator LS, mais uma vez com recurso software ArcGis 10.2 e procedendo à reclassificação dos resultados em quatro classes. Decorrente desta análise observa-se que a determinação deste modelo, com diferentes algoritmos do fator LS, difere bastante, concluindo-se assim que os modelos resultantes do algoritmo de Engel et al. (1991) e Wischmeier & Smith (1978) não se adequam ao estudo de erosão na área em estudo. Assim, vislumbra-se que para os modelos calculados, com os restantes algoritmos, a perda de solo real anual com classes de suscetibilidade elevada localizam-se sobretudo em vertentes convexas com orientação Noroeste e Oeste. Para além desta associação destaca-se ainda que esta classe está aliada a vertentes com um forte declive e um longo comprimento. Em contraponto, as áreas onde a perda de solo é menos evidente Quadro 10 - Percentagem da Erosão Potencial segundo cinco algoritmos, considerando a área total da Qtª de S.Luiz (127,97 ha). Quadro 9 - Percentagem de feições erosivas por classe de suscetibilidade. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 101 Erosão Real - (R)USLE (%) Moore et al . (1991) Böhner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al. (1991) Mitasova et al . (1996) Elevada 5,3 3,6 3,7 1,9 0,1 Moderada 16,2 13,0 14,5 4,4 2,1 Baixa 29,8 38,6 34,1 8,0 19,0 Nula 48,7 44,8 47,7 85,8 78,7 Classe Moore et al . (1991) Böhner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al . (1991) Mitasova et al . (1996) Nula 54 38 38 196 162 Baixa 74 72 72 10 53 Moderada 49 78 78 12 3 Elevada 42 31 31 1 1 Feições Erosivas localizam-se onde o coberto vegetal exerce influência direta e onde a declividade e o comprimento das vertentes obtêm valores menores, (fig. 56). Nos cinco algoritmos calculados verifica-se que a classe de suscetibilidade elevada é a que ocupa menor percentagem de área, prevalecendo a maior percentagem de ocupação na classe de suscetibilidade nula, (Quadro 11). Na generalidade a classe de suscetibilidade elevada é a que apresenta menores registos de feições erosivas, com exceção dos últimos algoritmos, uma vez que para a generalidade da área não se prevê erosão, (Quadro 12). Comparativamente com os valores médios obtidos para a erosão potencial verifica-se que estes valores são bastante menores relativamente aos valores de erosão real, depreendendo deste facto que os fatores C e P exercem uma influência considerável na perda de solo anual (Quadro 13). Decorrente desta análise é possível identificar áreas que revelam prioridade de intervenção, de forma a diminuir a suscetibilidade ao risco de erosão. Assim, medidas de redução da declividade e comprimento das vertentes, e a implementação de um coberto vegetal mais eficaz, seriam uma das soluções que poderiam levar à diminuição da perda de solo anual da área em estudo. O número de feições erosivas, associadas à classe de suscetibilidade alta apresenta-se menor na erosão real que na erosão potencial visto esta deter uma percentagem maior da área com suscetibilidade mais elevada. Quadro 12 - Percentagem de feições erosivas por classe de suscetibilidade. Quadro 11 - Percentagem de Erosão Real segundo cinco algoritmos, considerando a área total da Qtª de S.Luiz (127,97 ha). Quadro 13 - Comparação entre a Erosão Hídrica Real e Potêncial em ton.ha¯¹. ano¯¹. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 102 Figura 56 - Erosão Real na Qtª de S. Luiz segundo diferentes algoritmos do fator LS: a) Moore (1991); Böhner & Selige (2006); Desmet & Govers (1996); Engel et al. (1996); Mitasova et al. (1996). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 103 Rusle com diferentes algorítmos do LS Intercepção de Y Fator P Fator C LS Moore et al . (1991) -6,642 -3,822 26,787 0,298 Böhner & Selige (2006) -6,948 0,658 28,19 0,161 Desmet & Govers (1996) -7,257 -0,188 25,897 0,436 Engel et al. (1991) -6,971 11,995 21,388 0,06 Mitasova et al . (1996) -6,918 11,358 21,433 0,000 2.6. REGRESSÃO LOGÍSTICA Para estimar a probabilidade de perda de solo anual por erosão hídrica na Quinta de S. Luiz, recorremos à aplicação do modelo de predição de regressão logística binária, com recurso aos sotwares SPSS e ao ArcGIS. Assim, consideramos os resultados obtidos na erosão real com os diferentes algoritmos de cálculo do fator LS, incluindo apenas para análise os fatores C, P e LS. Esta escolha decaiu por considerarmos que este são os fatores que exercem mais impacto no resultado final deste modelo. Desta forma, pretendemos demonstrar o efeito destes fatores na qualidade global do modelo da RUSLE segundo os diferentes algoritmos de LS. Para o efeito apresentamos os valores dos coeficientes (Quadro 14). Ressalta-se que os coeficientes de regressão traduzem o impacto de cada variável independente no modelo final. Por conseguinte os valores dos coeficientes superiores a 1, apresentados no quadro 13, refletem o risco dessa variável influenciar o modelo final, por outro lado as variáveis que apresentam valores inferiores a 1 indicam o risco inverso. Ao analisar o quadro 15, verifica-se que o fator P é o que exerce um menor contributo na suscetibilidade e no resultado final do modelo de predição segundo os algoritmos de LS de Moore et al. (1991) e Desmet & Govers (1996). Por outro lado, nos restantes modelos, é precisamente o fator LS que exerce menor influência, revelando não ser o fator preponderante na avaliação das suscetibilidade. Em todos os modelos calculados verifica-se que o fator C é o que detêm mais importância na avaliação da suscetibilidade à perda de solo. Posteriormente, procedemos à aplicação da equação do modelo, no software ArcGIS através da qual foi possível combinar os valores de coeficientes dos fatores analisados, culminando assim no mapa final de probabilidade de ocorrência, (fig. 57). Quadro 14 - Coeficientes de regressão logística da (R)USLE. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 104 Figura 57 - Regressão Logística aplicada à RUSLE na Quinta de S. Luiz segundo diferentes algoritmos do fator LS: a) Moore (1991); b) Böhner & Selige (2006); c) Desmet & Govers (1996); d) Engel et al. (1991); e) Mitasova et al. (1996). Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 105 (R)usle com diferentes algorítmos do LS (%) Moore (1991) Böner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al. (1991) Mitasova et al. (1996) Elevada 9,23 9,67 8,19 19,62 52,48 Moderada 23,09 24,82 16,39 13,55 27,76 Baixa 48,26 46,07 56,21 60,82 12,43 Nula 19,42 19,43 19,22 6,01 7,34 Classe Moore et al . (1991) Böhner & Selige (2006) Desmet & Govers (1996) Engel et al . (1991) Mitasova et al . (1996) 12 2 2 2 2 267 72 64 024 387 88 81 67 180 462 56 71 149 12 Feições Erosivas Desta forma, é possível observar uma grande porção de áreas onde a probabilidade de ocorrência de erosão é baixa e moderada, seguindo-se em número mais reduzido a quantidade de áreas onde a probabilidade é elevada ou nula. Salienta-se que a perda de solo, segundo o algoritmo de Mitasova et al. (1996) apresenta valores desadequados, na medida em que classifica a maioria 52,48% da área com uma classe de suscetibilidade elevada. Por outro lado, segundo o algoritmo de Engel et al. (1991) apresenta o valor mais elevado na classe de suscetibilidade baixa revelando-se igualmente desadequado. Os restantes algoritmos apresentam valores similares, classificando a classe de suscetibilidade baixa com a maior percentagem e inversamente a classe de suscetibilidade elevada com a percentagem, de área de ocupação, mais reduzida., (Quadro 15). Examinando agora as feições erosivas, (Quadro 16), verifica-se que nos primeiros dois algoritmos as feições erosivas distribuem-se maioritariamente nas classes de suscetibilidade baixa e moderada, sendo que a classe de suscetibilidade elevada também abarca um número bastante similar No terceiro algoritmo o maior número de feições erosivas surge nas classes de suscetibilidade moderada e alta. No caso dos dois últimos algoritmos, mais de metade das feições ocorrem nas classes de suscetibilidade alta e moderada. Salienta-se ainda que as feições erosivas associadas à classe nula surgem de forma pouco significante com valores iguais em todos os algoritmos. Quadro 15 - Percentagem de perda de solo anual por classe de suscetibilidade com o modelo de Regressão Logística. Quadro 16 - Percentagem de feições erosivas por classe de suscetibilidade. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 106 De forma a validar, os resultados obtidos pelo método estatístico utilizou-se a curva ROC, onde é possível avaliar o grau de aproximação de cada modelo à realidade. (fig 58). Desta análise observa-se que o modelo estatístico, de predição da perda de solo, que se apresenta mais fiável é o que incorpora o algorítmo de Desmet & Govers (1996), seguindo-se os de Moore et al. (1991) e os de Böhner & Selige (2006) com valores muito similares, com um elevado grau de confiança. Os modelos obtidos com os algorítmos de Enge et al. (1991) e Mitasova et al. (1996) revelam os valores de fiabilidade reduzidos e bastante equivalentes entre si concluindo que estes são modelos inadequados visto que possuem um valor inferior a 75 %. 2.7. VALIDAÇÃO Seguindo as conceções teóricas explicitadas no cap. II, foi possível determinar os rácios para cada modelo da (R)USLE, seguindo os diferentes algoritmos do LS. No quadro 18, apresentam-se os resultados da validação. Figura 58 - Validação aplicada ao modelo de Regressão Logística. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 107 Rusle com diferentes algorítmos do LS TPR FPR PREC ACC TPR/FPR Moore et al. (1991) 0,410138249 0,215471414 0,000323468 0,784464953 1,903446224 Böhner & Selige (2006) 0,460829493 0,166291689 0,000470865 0,833644934 2,771211806 Desmet & Govers (1996) 0,460829493 0,123132064 0,00131598 0,876721505 3,742562886 Engel et al . (1991) 0,059907834 0,059449818 0,000171273 0,940400505 1,007704255 Mitasova et al . (1996) 0,059907834 0,02238426 0,000454752 0,977460 2,676337517 Analisando o resultado dos diferentes classificadores, segundo os diferentes algoritmos do LS, (Quadro 17), verifica-se que na sua generalidade, o rácio dos valores positivos apresenta um valor reduzido, sendo que o valor mínimo para ser considerado válido é 75%. Por outro lado, vislumbra-se que nos algoritmos de Engel et al. (1991) e Mitasova et al. (1996) o valor deste rácio é quase nulo, facto este, que se coaduna com os resultados pouco adequados estabelecidos na regressão logística. Estes resultados, gerais, pouco satisfatórios já eram previsíveis uma vez que o levantamento de campo não incidiu sobre a Qtª de S. Luiz, na sua totalidade, contemplando apenas 219 feições erosivas levantadas. Dissecando os resultados da fiabilidade, também um dos parâmetros mais importantes, na medida em que estabelece a razão entre todos os dados, é possível apurar resultados bastante satisfatórios. Porém este é um parâmetro que pode gerar enviesamento de dados, na medida em que se verifica que o modelo com valores mais diminutos, relativamente ao rácio dos valores positivos, é o que surge com a maior percentagem de fiabilidade. Decorrente da aplicação do modelo estatístico e da validação à RUSLE, procedemos à aplicação do modelo SIMWE que considera processos de erosão acelerada contemplando a formação de feições erosivas em ravinas e barrancos. 3.RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO SIMWE NA QUINTA DE S. LUIZ Dado que a (R)USLE não contempla processos de ravinamento, recorremos a este modelo que considera a erosão por fluxo concentrado, através de uma simulação de fluxo de água, transporte e deposição de sedimentos na Quinta de S. Luiz. Na figura 59 a) podemos observar que o movimento de água no solo é bastante lento denotando valores de 0 a 0.11 m, (facto que podemos associar aos valores diminutos de condutividade hidráulica na área em estudo, obtidos no âmbito do projeto ModRis). Quadro 17 - Coeficientes de validação da Matriz de Confusão. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 114 Moore et al. (1991) e Desmet & Govers (1996) onde o fator LS é variável com maior impacto. Os resultados obtidos na regressão logística para os algoritmos de Engel et al. (1991) e Mitasova et. al (1996) são completamente desadequados, uma vez que classificam a maior parte da área em estudo com suscetibilidade alta e moderada. Estes resultados comprovam-se com a validação deste método, pela curva ROC, onde se revela que o algoritmo de Desmet & Govers (1996) apresenta-se como o mais fiável. Posteriormente, tornou-se necessário validar o modelo com o inventário efetuado in situ, onde se comprovou que as metodologias Engel et al. (1991) e Mitasova et. al (1996) não se ajustam à predição de perda de solo, na área em estudo, visto que apresentam um rácio de verdadeiros positivos pouco satisfatório. Estes valores reduzidos relacionam-se com a evidência de um inventário pouco completo, uma vez que não contempla a área toda da Qtª de S. Luiz, visto que em contraponto os valores de suscetibilidade alta calculados na (R)USLE, coadunam-se com as áreas onde foram registadas feições erosivas e onde se sucederam os três eventos de intempéries identificados pela ADVID. Perante o predomínio de feições erosivas em ravinas, na área de estudo, optamos por aplicar o modelo SIMWE. Este modelo foi desenvolvido no software Grass Gis, o que inicialmente se tornou uma limitação, na medida em que não é um software intuitivo e trabalha com uma estrutura de comandos, porém essa dificuldade foi ultrapassada e a sua utilização tornou-se fulcral para o desenvolvimento deste trabalho. Esta é uma metodologia que em nada se assemelha à (R)usle uma vez que produz resultados mais quantitativos, porém também muito interessantes, na medida em que revela o valor de parâmetros que derivam do processo de perda de solo anual estimado na (R)USLE. Assim, uma das principais conclusões que podemos retirar deste modelo é que as áreas mais suscetíveis são áreas onde os valores de fluxo superficial exercem mais influência, em muito motivados pelos valores de concentração de sedimentos serem menores que a capacidade de transporte resultando em áreas onde a desagregação de partículas é mais avultada. Por último, assume-se que embora seja difícil a comparação entre estes dois modelos é possível efetuar uma associação de parâmetros tendo em conta a sequência processos envolvidos na erosão hídrica. Assim, conseguimos comparar diretamente alguns dos parâmetros do modelo SIMWE com os fatores de erodibilidade, inclinação e Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 115 comprimento de vertente da (R)USLE, os restantes parâmetros e fatores surgem associados de uma forma menos obvia. Assim sendo, consideramos que estas metodologias se complementam e traduzem-se num boa ferramenta para a predição de erosão hídrica na área em estudo. Como perspetivas futuras achamos importante aplicar a (R)USLE a uma subbacia, na Qtª. de S. Luiz, onde a perda de solo e o levantamento de feições erosivas sejam mais significativos. Por outro lado, seria interessante aplicar o SIMWE baseado apenas num evento de precipitação e restringindo-o somente a áreas onde as ravinas sejam mais recorrentes. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. 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Luiz 131 MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA USLE Universal Soil Loss Equation Vertente Anual Sulcos; Intersulcos Estima a média anual de perda de solo baseada nos parâmetros de erosividade (precipitação) e erodibilidade (topografia, características do solo, uso do solo e práticas agrícolas). Wischmeir & Smith, 1978 http://topsoil.nserl.purdue.edu/ usle/ RUSLE Revised Soil Loss Equation Vertente Anual Sulcos; Intersulcos Corresponde a uma revisão da USLE de forma a tornar o modelo mais operacional, incorporando algumas alterações na determinação dos parâmetros que incorporam a equação. Renard et al., 1991 http://www.iwr.msu.edu/rusle/a bout.htm SLEMSA Soil Loss Estimation Model for Southern Africa Vertente Anual Sulcos; Intersulcos Modelo semelhante à USLE visando identificar as áreas com maior risco de erosão. Os parâmetros utilizados são o declive, propriedades do solo, vegetação, cursos de água, precipitação, vento, práticas agrícolas e de conservação e escoamento. Stocking, 1981 SOILOSS Australian Soil Loss Programme Continental; Regional; Vertente Mensal, Anual Sulcos; Intersulcos Modelo desenvolvido para adaptar e calibrar os factores da RUSLE às características do território Australiano. Rosewell, 1993 http://members.ozemail.com.au/ ~pkinnell/SOILOSS.htm SEDD Sediment Delivery Distributed Bacias; Sub-bacias Evento; Anual Não Menciona Baseia-se na USLE apenas com diferenças nos parâmetros R e LS. No entanto, incorpora variação espacial dos factores (distributed model). Ferro e Porto, 2000 ANEXOS 1. MODELOS EMPÍRICOS Quadro anexo i - Modelos empíricos considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012. Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 132 MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA AGNPS Agricultural NonPoint Source Pollution Bacias Evento Intersulcos; Sulcos; Barrancos (Gullies) Simula a produção de sedimentos em função do uso do solo, tipo de solo, práticas agrícolas e componentes hidrológicas. Foi inicialmente desenvolvido para avaliar a qualidade da água envolvida nos processos de escoamento em bacias de áreas rurais. Young et al., 1989 http://go.usa.gov/KFO EMSS Environmental Management Support System Bacias Diário Modela apenas o escoamento e sedimentos em suspensão Corresponde essencialmente a um software que incorpora ferramentas distribuídas em 3 módulos principais. Estima o escoamento diário e a carga de poluentes. Os dados de entrada para o modelo são a precipitação diária e a média mensal da evapotranspiração potencial. Watson et al., 2001 SWRRB Simulater for Water Ressouces in Rural Basins Bacia Simulação contínua com base em dados diários Menciona características dos canais como entrada Desenvolvido para bacias rurais com três componentes príncipais: clima, hidrologia e sedimentação. Considera processos de escoamento superficial percolação, fluxo de retorno evapotranspiração, reservatório de armazenamento e sedimentação. É uma modificação do modelo CREAMS, estimando igualmente a predição de sedimentos utilizando os parâmetros do modelo RUSLE. Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990. SEDNET Sediment River Network Bacias ou áreas de dimensão diferenciada Anual Considera vários processos em vertentes - nomeadamente a formação de barrancos - e margens fluviais Funciona com um conjunto de softwares que simulam processos físicos de erosão, transporte e deposição de sedimentos. O modelo baseia-se nas características físicas da bacia e necessita de um número bastante reduzido de dados de entrada. Alguns autores integram-no no contexto dos modelos fisicamente baseados. Presser et al., 2001 http://www.toolkit.net.au/sedne t SWAT Soil and Water Assessment Tool Sub-bacia ou Bacia Diário Não considera a formação de sulcos, ravinas ou qualquer outro tipo processos lineares. Incorpora vários módulos matemáticos que se baseiam nas características físicas da bacia hidrográfica. Os processos físicos associados ao movimento da água, movimento de sedimentos e crescimento de culturas são directamente modelados pelo SWAT. Arnold et al., 1998 http://swat.tamu.edu/software/s wat-executables/ MMF Morgan Morgan and Finney Model Vertente e Bacia Anual Considera gullies Neste modelo a desagragação do solo é descrita pela intensidade da precipitação, pelo factor K da USLE e pela quantidade de escoamento. O transporte de sedimentos é estimado através do declive, do escoamento e dos factores C e Pda USLE. Alguns autores consideram-no um modelo misto, integrando aspectos dos fisicamente baseados e dos empíricos. Morgan, 2001 HSPF Hydrological Simulation Program - FORTRAN Bacia Simulação contínua com base em séries de dados Não menciona Modelo de simulação hidrológica e qualidade da água, que incorpora um conjunto de módulos. Utiliza dados de precipitação, temperatura, radiação solar, uso do solo e práticas agrícolas. Desta simulação resulta a taxa de fluxo, carga de sedimentos e concentração de nutrientes e pesticidas. Bicknell et al.,1993 http://water.usgs.gov/software/ HSPF/ HYDROLOG Daily Conceptual Rainfall-Runoff Model Bacia Não menciona Éum modelo hidológico e de qualidade da água, que utiliza dados históricos de precipitação, temperatura, radiação solar, uso do solo e práticas agrícolas para simular a quantidade de escoamento, taxa de fluxo, carga de sedimentos e a concentração de nutrientes. Porter e McMahon, 1971 SIMHYD Simplified Hydrology Model Bacia Diário Modela apenas a precipitação e o escoamento superficial É uma versão simplificada do modelo HIDROLOG utilizado para simular o escoamento através dos dados de entrada da evapotranspiração potencial e da precipitação diária. Chiew et al., 2002 ACTMO Agricultural Transport Model Bacia Evento Não menciona Prevê a concentração de químicos no fluxo e nos sedimentos movidos espacialmente através do solo. Frere et al., 1975 2. MODELOS CONCETUAIS Quadro ii – Modelos Concetuais considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012 Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 133 MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA GUEST Griffith University Erosion System Template Parcelas Evento Pode, ou não, considerar erosão em sulcos. O modelo possui uma abordagem simultânea à previsão da erosão e deposição baseada num único evento. Rose et al., 1997 PERFECT Productivity Erosion Runoff Functions to Evaluate Conservation Techniques Campo Diário Não inclui sulcos nem gullies Desenvolvido para simular o escoamento, erosão, balanço hídrico do solo, crescimento e produtividade das plantas. A perda de solo é estimada através de uma função do volume de escoamento, cobertura do solo, taxa de pico de escoamento, erosividade, erodibilidade, práticas de cultivo e características da bacia. Littleboy et al., 1989 http://www.apsim.info/How/Perf ect/Perfect.htm MIKE-11 Bacia Eventos únicos ou múltiplos Não considera gullies. Foi desenvolvido para simular as descargas e nível da água em rios mediante a precipitação incidente na bacia hidrográfica. É composto por vários módulos, nos quais se incluem alguns específicos para cálculo da erosão. DHI, 2005 http://www.mikebydhi.com/Produ cts/WaterResources/MIKE11.as px MEDRUSH Medalus Desertification Response Unit She Bacias de grande dimensão Longo prazo Considera sulcos, gullies e ribeiras O modelo foicriado para incorporar a interacção entre a taxa de processos de degradação do solo e as mudanças no solo e vegetação. Kirkby et al., 1995 SIRG Surface Runoff, Infiltration, River, Discharge and Groundwater Flow Pequenas Bacias Evento Não Menciona Descreve a variação espacial e temporal da precipitação e do escoamento superficial, englobando igualmente aspectos ligados à infiltração e fluxo subsuperficial. Yoo, 2002 GBHM Geomorphology-Based Hydrology Simulation Model Vertente e Bacia Não Menciona Modelo desenvolvido para a simulação hidrológica tendo em conta as propriedades geomorfológicas da bacia hidrogrfáfica. São considerados basicamente três parâmetros, mais precisamente a vegetação e cobertura da superficie, parâmetros de água no solo e por fim parâmetros dos canais dos rios. Yang et al., 1998 CONCEPTS Conservational Channel Erosion and Pollutant Transport System Bacia Longo prazo Considera sulcos, intersulcos e gullies Simula o fluxo unidimensional instável, transporte de sedimentos, processos erosivos e transporte de poluentes em canais de bacias hidrográficas. Langendoen, 2000 USDA (U.S Department of Agriculture) ANSWERS Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Response Simulation Pequenas Bacias Evento Considera sulcos para o parâmetro de rugosidade. Considera gullies Éum modelo baseado na análise de um único evento. Avalia os efeitos das práticas de uso do solo na erosão e produção de sedimentos. Beasley & Huggins, 1981 LISEM Limburg Soil Erosion Model Pequenas bacias (0.01 km2 a 100 km2) Evento Considera sulcos, interssulcos e gullies Modelo espacialmente distribuído que simula a desagregação e deposição de sedimentos durante um único evento. Possui componentes hidrológicas, de erosão e deposição. Para além disso utiliza um algoritmo adicional para simular a erosão por gullies. De Roo et al., 1996 http://blogs.itc.nl/lisem/ CREAMS Chemicals , Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems Escala de campo (40-400 ha) Evento e longo prazo Considera sulcos e gullies Simula o escoamento, erosão e transporte de materiais durante e imediatamente após um único evento de chuva. Knisel, 1985 EUROSEM European Soil Erosion Model Escala de campo ou pequenas bacias Evento Considera sulcos e canais, não considera ephemeral gullies Baseia-se na modelação da fase de destacamento e transporte de sedimentos. Descreve os processos erosivos e a sua dinâmica. Contém vários módulos. Morgan et al., 1998; Quinton, 1994 http://www.es.lancs.ac.uk/peop le/johnq/EUROSEM.html KINEROS Kinematic Erosion Simulation Bacia Evento Não considera gullies; não separa explicitamente sulcos de interssulcos. O modelo utiliza equações diferenciais que descrevem o escoamento superficial, transporte e deposição de sedimentos resolvidas pela técnica das diferenças finitas. Smith et al., 1995 WESP Watershed Erosion Simulation Program Pequenas bacias Evento Não considera sulcos. O modelo utiliza a component hidrológica do modelo KINEROS eas técnicas de modelação do WEEP. Simula eventos de chuva e considera a erosão pelo impacto das gotas de chuva e pelo fluxo superficial. Lopes, 1995 CASC2D-SED CAScade 2-Dimensional SEDimentation Bacias (de 0.016 até 2300 km2) Evento Não considera sulcos Desenvolvido para determinar o hidrograma de escoamento gerado a partir de um evento de precipitação. O modelo possui um modulo de erosão/deposição para prever taxas de sedimentos. Julien e Saghafian, 1991; Ogden, 1998 http://www.engr.colostate.edu/ ~pierre/ce_old/Projects/CASC 2DSED%20Web%20site%200825 06/CASC2D-SED-Home.htm Análise temporal definida 3. MODELOS DE BASE FÍSICA Quadro anexo iii - Modelos de base fisica considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012 Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 134 MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA SHE/SHESED Système Hydrologique Européen/Système Hydrologique Européen Sediment Vertente, Bacia e Canais Simulação contínua Considera sulcos Simula a erosão pelo impacto das gotas da chuva, escoamento superficial e transporte de sedimentos. Para canais simula a erosão no canal e o transporte de sedimentos a jusante. Wicks & Bathrust, 1996 WEPP Water Erosion Prediction Project Vertente ou Bacia Simulação contínua Sulcos, interssulcos e gullies Éum modelo de simulação que estima o escoamento através da curva SCS ou pela equação de Green Ampt e a desagregação e transporte através dos parâmetros do declive, vegetação, tensão cisalhante, força de cisalhamento, rugosidade, matéria orgânica e massa das raízes. Flanagan e Nearing, 1995 http://geowepp.geog.buffalo.e du/; http://forest.moscowfsl.wsu.ed u/fswepp/ ARNO Arno River Model Bacia Simulação contínua Não menciona Este modelo incorpora a probabilidade espacial da capacidade de humidade do solo, bem como as diferentes áreas de contribuição que promovem a saturação do mesmo. Todini, 1988 IHDM Institute of Hydrology Distributed Model Vertente, bacia ou canal Simulação contínua Não menciona O modelo utiliza equações de fluxo e de superfície para modelar os teores de água de captação e os fluxos. A principal metodologia são as técnicas numéricas de aproximação e os principais parâmetros são as propriedades hidraulicas, propriedades dos materiais e geometria da bacia. Morris, 1980 SIMWE (Simulated Water Erosion) Vertente ou Bacia Simulação contínua Considera ravinas e gullies Éum modelo bivariado que simula a erosão, transporte e deposição por escoamento superficial. A sua metodologia baseiase essencialmente na combinação de dois módulos, nomeadamente o modelo hidrológico de fluxos sobre a terra e o modelo hidrológico de fluxo de sedimentos. Mitas e Mitasova (1998) Físicos Contínuos MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA EGEM Ephemeral Gullies Erosion Model Bacia Evento; anual Considera apenas gullies Foi desenvolvido especificamente para estimar as perdas de solo por barrancos efémeros. O modelo possui a componente hidrológica e de erosão e pode ser aplicado a um único evento ou para condições médias anuais. Woodward, 1999 RORB Runoff Routing Model Bacia Não menciona Éum modelo que simula hidrogramas de escoamento através de processos de chuva-vazão. Laurenson e Mein, 2010 http://eng.monash.edu.au/civil/ research/centres/water/rorb/ TR-20 Technical Report-20 Model Bacia Evento Modela apenas o escoamento Permite efectuar uma análise hidrológica da bacia hidrográfica. Estima o escoamento a partir de eventos de inundação, áreas de drenagem e tempos de concentração. USDA Soil Conservation Service (SCS) http://www.nrcs.usda.gov/wps/ portal/nrcs/detailfull/national/ home/?cid=stelprdb1042924 WBNM Watershed Bounded Network Model Bacia Evento Não Menciona É utilizado para a modelação hidrológica detalhada. Modela a precipitação, o escoamento superficial, o fluxo de canais e os reservatórios de armazenamento. Boyd et al., 1979, 1996; Rigby et al., 1999 HEC-HMS Hydrological Engineering Center – Hydrologic Modeling System Bacia Evento Não considera sulcos nem gullies Foi desenvolvido para simular processos hidrológicos em bacias dendríticas. Os elementos hidrológicos, conectados através de redes, simulam processos de escoamento. O software inclui vários procedimentos tradicionais da análise hidrológica, como a infiltração associada ao evento e hidrogramas unitários . USACE (2008) http://http://www.hec.usace.arm y.mil/software/hec-hms/ Análise temporal definida Quadro iv(Continuação) Modelos de base fisica considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012 Quadro v - Modelos de base fisica considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012 Modelação de Processos Erosivos no Alto Douro Vinhateiro: o caso de estudo da Quinta de S. Luiz 135 MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA TOPMODEL TOPography MODEL Bacia Não considera sulcos nem gullies Utilizado para a previsão de escoamento baseado na teoria das áreas de contribuição a partir de características topográficas do solo. Beven e Kirkby,1976, 1979; Beven,1995 TOPOG TOPOGraphy Vertente Não inclui erosão linear Modelo hidrológico e hidraulico utilizado para a determinação de linhas de fluxo baseado nas curvas de nível. Dawes e Short, 1988; Dawes et al., 1997; CSIRO, 2000 MEFIDIS Modelo de Erosão Distribuído e Físico Bacia de tamanho médio Eventos Considera sulcos. Não simula explicitamente gullies mas considera um índice para estimar a perda de solo por gullies. Permite a simulação a produção de escoamento, fluxo, desagragação do solo, transporte e deposição. Os parâmetros utilizados são: dados de precipitação, parâmetros do solo, uso e cobertura do solo, propriedades do canal, índice de humidade com o TOPMODEL. Nunes et al., 2005 Espacialmente Distribuídos MODELO ESCALA ANÁLISE ESPACIAL E TEMPORAL PROCESSOS DE EROSÃO OBJECTIVOS/PARÂMETROS REFERÊNCIA PSIAC Pacific Southwest InterAgency Committee Bacia (maior que 30 km2) Anual Considera sulcos, gullies e ribeiras Estima a taxa média anual de produção de sedimentos através de parâmetros individuais: geologia, solo, clima, escoamento, topografia, cobertura do solo, uso do solo, erosão e transporte de sedimentos. Estes parâmetros são subdivididos em classes, às quais são atribuídos scores. Psiac, 1968 FSM Factorial Scoring Model Bacia Anual Considera sulcos, gullies e ribeiras Estima a produção anual de sedimentos e consiste na aplicação de cinco factores: topografia, cobertura vegetal, gullies , litologia, geometria da bacia. Verstraeten et al., 2003 VSD Vegetation Surface Material Drainage Density Bacia Anual Considera sulcos, gullies e ribeiras Este modelo foicriado para obter a relação entre a produção de sedimentos e as características da bacia, designadamente a densidade do coberto vegetal, a erodibilidade do solo e a densidade de drenagem. Jinfa e Xiuhua, 2004 GAVRILOVIC Bacia Considera sulcos, gullies e ribeiras Desenvolvido para estimar a erosão e a deposição de sedimentos. Os factores usados são a protecção do solo, a erodobilidade e o tipo e a severidade da erosão. Para além disso considera a precipitação anual, o declive e a área da superfcie da bacia considerada. Gravilovic, 1976 EHU Erosion Hazard Unit Bacia Considera sulcos É uma versão modificada do modelo SLEMSA e utiliza os dados de precipitação para estimar a energia da chuva e combina o índice de erodibilidade do solo para calcular um risco de erosão. Stocking and Elwell, 1973 CORINE Coordination of Information on the Environment Bacia Considera sulcos O principal objectivo é determinar o risco de erosão e é baseado nos príncipios da USLE e combina seis parâmetros. EEA, 1992 CSSM Coleman and Scatena Scoring Model Bacia Considera sulcos, gullies e ribeiras Este modelo foi desenvolvido para localizar áreas de grande desagregação de sedimentos e estabelecer uma avaliação qualitativa da contribuição das mesmas na erosão e transporte de sedimentos. Coleman e Scatena, 1996 FKSM Fleming and Kadhimi Scoring Model Bacia Considera sulcos Éum modelo que se baseia na atribuição de pontuação (de 1 a 5) aos factores que influênciam o risco de erosão, nomeadamente o declive, erosividade, erodibilidade, cobertura do solo e uso do solo. Fleming e Kadhimi, 1982 WSM Wallingford Scoring Model Pequenas bacias Considera sulcos, gullies e ribeiras Foi desenvolvido para prevêr a desagregação de sedimentos de pequenas bacias. Os factores qualitativos analisados são: o tipo de solo, feições erosivas, vegetação. Os factores quantitativos são: declive da bacia, área de bacia e precipitação média anual. Lawrence et al., 2004 Semi-quantitativo 4. MODELOS SEMI-QUANTITATIVOS Quadro anexo vi Modelos de base fisica considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012 Quadro anexo vii - Modelos Semi-quantitativos considerando a escala de análise espacial e temporal, os processos de erosão contemplados e os seus principais objetivos. Adaptado de: Merrit et. al, 2003; Furegatti, 2012; Karydas et al., 2012