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AVALIAÇÃO DA SUSTENTABILIDADE HÍDRICA A PARTIR DA ANÁLISE
ESPACIAL E TEMPORAL DOS FRAGMENTOS DA VEGETAÇÃO RIPÁRIA
DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO CARIPI/PARÁ
Priscilla Flores Leão Ferreira Tamasauskas 1& Aline Maria Meiguins de Lima 2*& Edson José
Paulino da Rocha 3
Resumo – O processo de uso e ocupação da região nordeste do estado do Pará e a intensa
fragmentação da cobertura vegetal, indicam que existem impactos no comportamento hidrológico nas
bacias hidrográficas. Este trabalho teve como objetivo avaliar o grau de fragmentação vegetal das
zonas ripárias da bacia hidrográfica do rio Caripi/Pará, identificando suas características quanto ao
potencial de manutenção das áreas de recarga. Foram realizados a análise temporal das classes de uso
e cobertura do solo, a partir de imagens Landsat; caracterização in loco das principais unidades
componentes com reconhecimento dos principais sistemas ambientais associados; identificação e
delimitação das zonas ripárias, aplicação de métricas de paisagem e estimativa do escoamento pelo
método Curva Número. Os resultados obtidos indicam que a bacia encontra-se em um estado de
fragmentação avançado no médio-alto curso, que pelo modelo e pelas observações de campo podem
estar afetando o regime hídrico, com uma considerável alteração do escoamento, conforme a forma
de cobertura existente. A manutenção das áreas de floresta ciliar é necessária na bacia do rio Caripi;
por ser essencialmente agrícola, a preservação destas pode influenciar na melhoria da oferta hídrica,
e seu correto manejo pode ser vinculado a uma proposta de aproveitamento extrativista para a região.
Palavras-Chave - Uso e ocupação, cobertura do solo, floresta ciliar, regime hídrico.
WATER SUSTAINABILITY ASSESSMENT BASED ON SPACE AND TIME
ANALYSIS OF FRAGMENTS OF RIPARIAN VEGETATION IN CARIPI
RIVER BASIN/PARÁ
Abstract – The process of use and occupation of the northeastern region in Pará and the high
fragmentation of forest, indicate impacts in the watershed, which can result in reducing the amount
of water responsible for the flow of these systems. This study aimed to assess the degree of
fragmentation of riparian vegetation zones of river basin Caripi/Pará and identify the characteristics
of the potential maintenance of recharge areas. The procedures were: the temporal analysis of classes
of land use and land cover from Landsat images; characterization in situ of the landscape units and
description of the main environmental systems associated; identification and delineation of riparian
zones, application of landscape metrics and runoff estimation with curve number method. The results
indicate that the basin is in an advanced state of fragmentation in the middle-higher course. The model
and the field observations indicate that it may be affecting the water regime, with a considerable
change of the flow, according the form of prevailing land cover. The maintenance of riparian forest
in Caripi watershed is required. The basin is essentially agricultural, therefore the preservation of
these areas can influence in the improvement of water supply and the forest management can be a
proposal for extractive use for the region.
Keywords – Use and occupation, soil cover, riparian forest, water regime.
1
Universidade Federal do Pará, Programa de Pós Graduação em Ciências Ambientais - PPGCA ([email protected]).
Universidade Federal do Pará, Programa de Pós Graduação em Ciências Ambientais - PPGCA, Laboratório de Estudos e Modelagem
Hidroambientais - LEMHA ([email protected]).
3
Universidade Federal do Pará, Programa de Pós Graduação em Ciências Ambientais - PPGCA ([email protected]).
* Autor Correspondente
2
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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INTRODUÇÃO
A Região Amazônica apresenta um processo dinâmico de evolução de uso e cobertura do solo,
porém a rede de informações hidrológicas existente não acompanha essas mudanças, tanto em termos
espaciais quanto temporais (RIBEIRO NETO et al., 2008). A demanda por modelar a resposta das
alterações do regime hidrológico em bacias hidrográficas, advém da necessidade de avaliar as perdas
que podem ocorrer, especialmente nas áreas de relevância hídrica e ecológica como é o caso das zonas
ripárias (VOGEL et al., 2009; ATTANASIO et al., 2012). Estas caracterizam-se por serem áreas de
saturação hídrica que margeiam os cursos d’água e onde se estabelecem as matas ciliares (LIMA,
2005; ZAKIA, 2009). São consideradas entre as áreas mais estratégicas para manter a integridade dos
ecossistemas de água doce de ameaças, incluindo a fragmentação e perda de habitats (ABELL et al.,
2007; SALEMI et al., 2012).
No Brasil, dada a importância da vegetação das zonas ripárias, as mesmas são legalmente
protegidas através da instituição de áreas de preservação permanente (APPs), criadas a partir do
Código Florestal Brasileiro de 1965 (Lei Nº 4.771, de 15 de setembro de 1965). Em 2012 foi realizada
uma atualização do Código Florestal Brasileiro (instituído pela Lei Nº 12.651, de 25 de maio de 2012)
no qual as áreas de preservação permanente são instituídas como áreas protegidas cobertas ou não
por vegetação nativa, com a função ambiental de preservar os recursos hídricos e a paisagem
associada.
Na caracterização da bacia hidrográfica e ambientes associados, por meio do estudo de padrões
de paisagem, busca-se identificar as interações entre as manchas no mosaico da paisagem e como
estas se modificam ao longo do tempo e podem intervir na dinâmica natural da bacia. Uma das
ferramentas bastante utilizadas para quantificar a estrutura da paisagem refere-se às métricas de
paisagem (RIITERS, 2009). Estas têm sido amplamente utilizadas em estudos que visam evidenciar
a estrutura da paisagem através da quantificação da mesma, a qual está diretamente relacionada e
correlacionada com os processos associados a dinâmica do ambiente (PENG et al., 2010).
A área de estudo, a bacia hidrográfica do rio Caripi, abrange os municípios de Maracanã (ao
norte) e Igarapé-Açu (ao sul), os quais fazem parte de mesorregião nordeste paraense. Está inserida
ao norte na microrregião do salgado e ao sul na microrregião bragantina. O nordeste paraense, mais
especificamente a zona bragantina, corresponde à área de mais antiga colonização e, portanto, de
ocupação, apresentando assim a paisagem bastante antropizada, em especial pela agricultura, com
remanescentes florestais (matas de várzea e igapó) restritos às margens dos rios, apesar de muitos
apresentarem-se empobrecidos em função do intenso uso da terra (SUN; SEGURA, 2013). Este
trabalho teve por objetivo avaliar o grau de fragmentação vegetal das zonas ripárias da bacia
hidrográfica do rio Caripi/Pará e o potencial hídrico associado.
MATERIAIS E MÉTODO
A bacia hidrográfica do rio Caripi (Figura 1) insere-se na categoria de clima megatérmico
úmido, do tipo Am da classificação de Köppen, com temperatura média, durante todo o ano, em torno
de 25º C a 27º C; a precipitação média anual de 2.344 mm, com forte concentração entre os meses de
janeiro a maio (PACHÊCO; BASTOS, 2001). O comportamento da precipitação na região
Amazônica indica a influência da atividade convectiva da Zona de Convergência Intertropical
(ZCIT), como um dos principais mecanismos reguladores da variabilidade da precipitação que se
estende da costa do Pará até o Amapá (SOUZA; ROCHA, 2006). Albuquerque et al. (2010) afirmam
com relação à evolução da chuva sazonal, que existe uma transição muito brusca do período chuvoso
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– MAM (1.061 mm) para o período menos chuvoso – JJA (330 mm); o mesmo ocorrem, mas em
menor intensidade, na transição de SON (178 mm) para DJF (774 mm).
Figura 1 - Localização da área de estudo.
Materiais
Os dados vetoriais são oriundos das de 04 cartas topográficas na escala 1:100.000 que
abrangem a área de estudo (Cartas SA-23-V-A-IV, SA-23-V-A-V, SA-23-V-C-I e SA-23-V-C-II) e
os dados matriciais dizem respeito às seguintes imagens: LANDSAT 5 (cenas 223/061 imageadas em
27/07/1984, 21/06/1994 e 04/09/2004), LANDSAT 8 (cena 223/061 de 27/07/2013) e SRTM (cenas
s01_w048_1arc_v3 e s02_w048_1arc_v3). As cartas topográficas digitais foram obtidas no sítio
eletrônico da Diretoria de Serviço Geográfico do Exército. Os dados do programa LANDSAT e da
missão SRTM foram conseguidos no sítio do Serviço Geológico Americano. A série de precipitação
pluviométrica (mm/dia) corresponde as estações de Castanhal (cod. 00147007, 1973-2014), Nova
Timboteua (cod. 00147019, 1996-2014) e Magalhães Barata (cod. 00047007, 1996-2014)
gerenciadas pela Agência Nacional de Águas.
Método
Inicialmente foi criado um banco de dados espacial e após, procedeu-se a delimitação da bacia
hidrográfica do rio Caripi por meio do módulo Arc Hydro, que trabalha acoplado ao SIG ArcGis.
Este gera, a partir de um MDE (Modelo Digital de Elevação) o MDEHC (Modelo Digital de Elevação
Hidrologicamente Consistido) que sofreu o processo de recondicionamento a partir da imposição de
feições lineares sobre o mesmo, sendo que tais feições dizem respeito a rede de drenagem. Com a
delimitação da bacia, partiu-se para a delimitação da zona ripária. Para tal, fez-se uso de dados e
softwares específicos para análise e modelagem hidrológica como os programas Arcgis, Hidro e
TerraView com módulo Hidro (TerraView Hidro). Os dados produzidos (extração de fluxo, área de
contribuição e rede de drenagem) e a imagem SRTM mosaicada permitiram a geração do produto
HAND, que representa o valor de distância vertical de cada pixel em relação à drenagem mais
próxima.
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Após a geração da imagem processada pelo algoritmo HAND, faz-se necessário o uso dos
valores históricos de cotas de rio da região da área de estudo, os quais permitiram avaliar e deduzir
os valores de cotas que indiquem as áreas de saturação hídrica e, assim, gerar a zona ripária. Como
não há dados de cotas para o rio Caripi, fez-se uso dos valores de cotas do rio Caeté, que representa
a bacia mais próxima a área de estudo (zona litorânea paraense) com estação de monitoramento da
Agência Nacional de Águas – ANA (cotas da estação Nova Mocajuba - 32350000). Os dados de cotas
(consistidos), perfazem o período de novembro de 1964 a agosto de 2006 e foram lidos no software
Hidro 1.2. Desse modo, foi definido o valor de cota de 670 cm, que compreende aproximadamente
5% do tempo de permanência, para servir de limiar (máximo) na definição das possíveis áreas de
saturação hídrica (zonas ripárias).
Assim, após a definição do valor de cota, fez-se a inserção da imagem resultante da aplicação
do algoritmo HAND no software de SIG ArcGIS e realizou-se a reclassificação da referida imagem
em somente 2 classes, uma que seria até o valor de cota citado anteriormente e a outra como nodata
(sem valor). Ou seja, a reclassificação da imagem do algoritmo HAND faz a seleção de pixels que
possuem até o valor de 670 cm, valores maiores são desprezados, o que gera as áreas de saturação
hídrica e, dessa forma, tem-se a delimitação da zona ripária da área de estudo.
Visando analisar o processo de fragmentação florestal na área de estudo e de sua zona ripária
fez-se uso das métricas de paisagem. Assim, a partir da identificação das formas de uso e cobertura
da terra (Classes: Campo Natural, Pastagem, Mosaico de Ocupações, Vegetação Secundária, Floresta
Secundária, Mangue, Agricultura) dos anos de 1984, 1994, 2004 e 2013, procedeu-se a análise
quantitativa da paisagem por meio do software Fragstats versão 4.2 e do uso das métricas listadas na
Tabela 1. Os resultados obtidos foram tratados no programa Statistica, empregando os métodos de
análise hierárquica (AH) (MINGOTI, 2005) e análise de principais componentes (ACP) (MOITA
NETO; MOITA, 1998).
Tabela 1 - Métricas de paisagem utilizadas.
Aspecto Principal
Análise de Vizinhança
Análise de Formas
Análise de Vizinhança
Análise de
Heterogeneidade
Análise de Vizinhança
Métrica
Unidade
Métricas de Manchas (Patches)
Índice de
Proximidade
(PROX)
Índice de Círculo
Circunscrito
(CIRCLE)
Índice de
Contiguidade
(CONTIG)
Número de
Fragmentos (NP)
Índice de
Conectância
(CONNECT)
PROX ≥ 0
Questão Ecológica
Qual a proximidade de uma mancha ao seus vizinhos
de mesma classe?
Quão compactadas são as manchas em relação a uma
circunferência de mesma área? Quanto mais próximo
de 1, mais próxima é a área do círculo.
Qual a Contiguidade interna (conexão espacial) das
0≦CONTIG≦1 manchas? Quanto mais próximo de 1 representa uma
grande conectividade dentro dos fragmentos.
Métricas de Classes
0< CIRCLE<1
NP ≥ 1
%
Quantas manchas por classe há na paisagem?
Qual o percentual de manchas conectadas de certa
classe segundo dada distância?
Fonte: Adaptado de Lang e Blaschke (2009).
A estimativa de escoamento (Q) da precipitação (P) foi realizada utilizando o método Curva
Número (CN) (GITIK; RANJAN, 2014). O método é baseado na equação do balanço hídrico (1) e
em duas outras equações (2) e (3). Onde Ia corresponde a precipitação interceptada; F é a retenção
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cumulativa; e S é a capacidade máxima de retenção. Se P e o CN são conhecidos, o volume de
escoamento superficial pode ser determinado. Admitindo-se que Ia corresponde a 20% de S (𝐼𝑎 =
0,2𝑆) e que CN varia entre 100 ≥ CN ≥ 0 tem-se a equação (5). Para avaliação do potencial hídrico da
bacia de estudo, adotou-se este método pelo fato do mesmo contemplar as diferentes formas de uso e
cobertura do solo, permitindo assim estimar seus efeitos. Foi considerada a média diária da
precipitação a partir dos valores obtidos nas estações pluviométricas de Castanhal, Magalhães Barata
e Nova Timboteua em julho/1984, junho/1994, setembro/2004 e julho/2013, similar ao desenvolvido
por Latha et al. (2012).
𝑃 = 𝐼𝑎 + 𝐹 + 𝑄
𝑄
𝑃−𝐼𝑎
𝑆=
𝑄=
𝑄=
=
𝐹
𝑆
25400
(1)
(2)
− 254
𝐶𝑁
(𝑃−𝐼𝑎 )2
𝑃−𝐼𝑎 +𝑆
(𝑃−0,2𝑆)2
𝑃+0,8𝑆
(3)
(4)
(5)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na bacia do rio Caripi foi observado, pela relação entre o Número de Fragmentos (NP) de
manchas de floresta ripária (FR) por categoria de formas de uso e cobertura do solo (Figura 2a), que
a área de Campos Naturais foi a que registrou melhor evolução, aumentando de forma significativa
em direção a 2013 (1,5% em 1984 e 27,5% em 2013), em todas as demais situações a tendência ou
foi de redução ou de pouca variação. Em 2013 a faixa de FR coincidente com as áreas de vegetação
secundária sofreu uma significativa redução (22% em 2004; 5,6% em 2013). As áreas de FR foram
substituídas pelas áreas de Mosaico de Ocupações de forma mais expressiva, do que o ocorrido nas
pastagens e zonas agrícolas, estas últimas decresceram cerca de 19% de 1994 a 2013 a pressão sobre
as manchas de FR.
As Figuras 2 (b, c, d) indicam que o ambiente encontra-se fragmentado, com manchas de FR
irregulares (CIRCLE e CONTIG são mais próximos de 0). O resultado da matriz de correlação
indicou que a função CONNECT foi a que apresentou a menor correlação com as demais categorias
(< 0,00), demonstrando a baixa conexão entre as manchas. Quanto ao índice de PROX que serviu de
base para análise de ACP, este mostrou-se variável no decorrer dos anos. Em 1984 a melhor
proximidade entre as manchas se deu na pastagem (86%), em 1994 e 2004 nas áreas de vegetação
secundária (74% e 91%), já em 2013 foi na área de campo natural (81%). Em todo o período
analisado, as manchas de FR demonstraram um comportamento similar (fortemente positivo) nas
áreas de pastagem, vegetação secundária e floresta secundária, indicando uma relação de transição
entre estes ambientes (Figura 2 f, g, h). As manchas de FR nas áreas de agricultura e campo natural,
apresentam em geral uma tendência mais positiva de proximidade, porém com áreas irregulares, o
que pode definir ambientes onde as FR se conservam, porém de forma não muito homogênea.
As áreas de mosaico de ocupações e mangue apresentam manchas de em geral heterogêneas
(tendência negativa), indicando que nesses ambientes as áreas de FR encontram-se mais fragmentadas
e pouco conectadas. Riitters et al. (2009) e Peng et al. (2010) indicam que as métricas são eficazes
na quantificação de padrões espaciais, porém devem considerar a complexidade das várias
componentes existentes, que no caso da bacia do rio Caripi está na integração no mosaico de manchas
de cobertura florestal e sua relação com os cursos de drenagem.
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5
NP
CONTIG
CIRCLE
CONNECT
PROX
0.0
0.1
0.2
0.3
NP
NP
CIRCLE
CIRCLE
CONTIG
CONTIG
CONNECT
CONNECT
PROX
PROX
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
(1994) dist.
0.6
0.4
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
(2004) dist.
(c)
0.5
0.6
0.7
0.8
(1984) dist.
(a)
(b)
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
(d)
NP
CIRCLE
CONTIG
CONNECT
PROX
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
(2013) dist.
0.5
0.6
(f)
(e)
(h)
(g)
Figura 2 - (a) Distribuição relativa ao Número de Fragmentos (NP) de floresta ripária (FR). AH: (b) 1984; (c) 1994; (d)
2004; (e) 2013. (f), (g) e (h) ACP: Índice de Proximidade (PROX); Índice de Círculo Circunscrito (CIRCLE); Índice de
Contiguidade (CONTIG); Índice de Conectância (CONNECT); 1 - Campo Natural; 2 - Pastagem; 3 - Mosaico de
Ocupações; 4 - Vegetação Secundária; 5 - Floresta Secundária; 6 - Mangue; 7 - Agricultura.
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A Figura 3 apresenta o total do escoamento estimado, considerando as principais formas de
uso e cobertura do solo. Onde o Q avaliado representa a média diária (mm) estimada para os meses
de julho/1984, junho/1994, setembro/2004 e julho/2013, que encontram-se no período menos
chuvoso da região. As áreas verdes (mangue, campo natural, floresta e vegetação secundárias) tendem
a representar uma alta contribuição para o escoamento da bacia (Figura 3a). Considerando as manchas
de FR que foram substituídas por manchas de mosaico de ocupações, pastagem e agricultura,
observou-se que as maiores perdas devem ocorrer nas áreas agrícolas.
(b)
(a)
Figura 3 – Estimativa do comportamento de Q (média diária) para a bacia do rio Caripi, segundo as diferentes formas de
uso e cobertura do solo: (a) incremento; (b) perdas.
Attanasio et al. (2012) descrevem as zonas ripárias como áreas dinâmicas da paisagem tendo
delimitado uma área variável de afluência (AVA) correspondente a zona com saturação hídrica da
microbacia com dinâmica dependente da quantidade e intensidade das precipitações a qual está
sujeita. A estimativa do comportamento do escoamento (Q) proposta reforça essa relação, que pode
ser também observada a partir das diferentes formas de uso e cobertura do solo, conforme discutido
por Latha et al. (2012) e Gitik e Ranjan (2014), que aplicam o método Curva Número para
caracterização do comportamento do escoamento.
CONCLUSÃO
A bacia do rio Caripi apresenta uma evolução que indica um aumento da fragmentação da
cobertura vegetal, afetando as áreas de florestas ripárias, que exercem uma contribuição positiva para
a manutenção do potencial hídrico de uma bacia hidrográfica. A adoção das métricas de paisagem
permitiu quantificar esta relação e estabelecer uma ligação com uma estimativa do potencial de
escoamento da bacia pela adoção do método Curva Número. Onde se observou uma alta correlação
entre as variáveis da dinâmica do uso da terra e de estrutura da paisagem.
A deficiência de monitoramento hidrológico, principalmente nas bacias costeiras que são
sujeitas ao efeitos das marés, demanda por formas de estimativa e avaliação do comportamento
hidrológico que possibilitem prever as mudanças decorrentes de seu processo de uso e ocupação. Na
bacia do rio Caripi observou-se que a tendência de mudança dos elementos de maior influência na
paisagem existe a no mínimo três décadas, em que as perdas no potencial de abastecimento hídrico
já são observadas pelos registros de campo. Logo, existe uma importância na manutenção de cada
ambiente componente da paisagem, tanto representativo das formas de cobertura quanto de uso e
ocupação, para garantia das condições de escoamento e para a conversão deste em vazão ou recarga
subterrânea.
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