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    X SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA FÍSICA APLICADA

     

     

    CONDICIONANTES GEO-HIDROECOLÓGICOS DE VOÇOROCAMENTOS EM CABECEIRAS DE DRENAGEM, BANANAL-SP (1)

     

     

    Otavio M. da Rocha Leão(2)

    Paulo J. Leal(3)

    Daniel M. Preza(3)

    Ana Luíza Coelho Netto(4)

     

    1 Pesquisa desenvolvida no GEOHECO/ Laboratório de Geo-Hidroecologia, IGEO/UFRJ; Financiada por: CNPq, PRONEX-CNPq, FAPERJ.

    2 Geógrafo, Msc, Doutorando-PPGG-UFRJ; Professor Assistente - UERJ-FFP.

    3 Geógrafo, Mdo-bolsista CNPq/PPGG-UFRJ

    4 Geógrafa, Professora Titular-DEGEOG/UFRJ, Pesquisador 1-B CNPq, Coordenadora do GEOHECO/UFRJ.



     

    Eixo 3: Aplicações da Geografia Física à Pesquisa.

    Sub-eixo 3.4: Aplicações temáticas em estudos de casos.




     

    I Introdução

     

    Os voçorocamentos vêm sendo tradicionalmente abordados como um importante problema ambiental, devido, principalmente, a degradação de terras produtivas e a exportação de sedimentos que são responsáveis por assoreamentos de canais fluviais e barragens. Atualmente discute-se também as conseqüências desses voçorocamentos na preservação de recursos hídricos, já que os sedimentos erodidos alteram a qualidade da água e aumentam os custos para sua utilização. Além disso, as voçorocas podem modificar o armazenamento da água subterrânea através da redução do lençol freático, pois a incisão vertical acaba alterando os gradientes topográficos e hidráulicos, muitas vezes causando uma forte descarga para os canais fluviais e reduzindo a capacidade das encostas de armazenarem água, alterando, inclusive, o regime hidrológico de bacias hidrográficas.

    Esse fato torna-se mais grave ainda, pois muitos vales de cabeceiras de drenagem, fundamentais para a regulagem dos fluxos hidrológicos dos canais das bacias de drenagem, são regulados pelos fluxos subterrâneos. Esses fluxos são responsáveis pela maior parte da vazão desses canais, sobretudo nos períodos de estiagem, quando diminuem ou cessam as contribuições superficiais e sub-superficiais rasas, comuns nos períodos de chuva. HILL (1990) em estudo sobre o funcionamento hidrológico de cabeceiras de drenagem no noroeste dos EUA, destaca o importante papel exercido pelos voçorocamentos no regime hidrológico das bacias, causando uma rápida descarga de água subterrânea para os canais fluviais e afetando a disponibilidade de água nos períodos de estiagem.

      A propagação de voçorocamentos em cabeceiras de drenagem do médio vale do Rio Paraíba do Sul, em muitos casos, associa-se à expansão da rede de canais, sofrendo um forte controle lito-estrutural. Coelho Netto et al. (1988) observaram na bacia do rio Bananal que as voçorocas expandem a remontante através dos eixos dos fundos de vales não-canalizados (unidades côncavas), característicos das zonas de cabeceiras de drenagem. Essa expansão tende a avançar através dos eixos das concavidades principais para as concavidades de ordem hierárquica inferior, podendo, sob certas condições, romper e recuar os divisores topográficos (Coelho Netto e Fernandes, 1990).  AVELAR & COELHO NETTO (1992a e 1992b) indicam que o desenvolvimento de unidades côncavas associa-se, em grande parte, a certas condições de fraturamento das rochas, as quais propiciam a exfiltração de fluxos d’água subterrâneos ascendentes (artesianismo). Esses fluxos são passíveis de desencadearem mecanismos erosivos por excesso de poro-pressão nas faces de exfiltração (seepage erosion) situados nas paredes dos voçorocamentos.

    Os voçorocamentos em cabeceiras de drenagem do médio vale do Paraíba do Sul ocorrem geralmente em áreas de pastagens com coberturas de gramíneas. Os trabalhos de FERNANDES (1990), DEUS (1991) e CAMBRA (1999), conduzidos na bacia do rio Bananal, afluente do Rio Paraíba do Sul, demonstram as relações entre a cobertura de gramíneas e os processos de escoamento nas encostas, apontando para os fluxos subsuperficiais, característicos desse tipo de cobertura. Os autores caracterizam essas cabeceiras de drenagem recobertas por gramíneas como áreas favoráveis à infiltração da água da chuva, devido à ação dos dutos formados pela densa malha de raízes finas e pelos caminhos escavados pelas formigas saúva que se proliferam nessas áreas. Esse ambiente serve, por tanto, para a recarga do aqüífero regional, e sob certas condições de precipitação, pode formar um aqüífero temporário local.

    O eixo das concavidades constituem zonas de convergência de fluxos de água superficiais e sub-superficiais, como indicado por (ANDERSON e BURT, 1978; Dunne, 1980; Coelho Netto, 1985; Fernandes et al, 1994), podendo também catalizar fluxos subterrâneos COELHO NETTO (1997). GABBARD et al (1998) demonstram que os processos erosivos podem ser fortemente influenciados pela posição na paisagem, respondendo a variações no gradiente hidráulico responsável pela movimentação da água em superfície e em sub-superficie. Esses gradientes hidráulicos podem ser controlados por níveis de base locais que regulam a dissecação e a estocagem diferencial dos materiais, como apontado por DANTAS et al (1994). Os gradientes topográficos e a morfologia das vertentes controlam os fluxos superficiais e sub-superficiais rasos, enquanto que o aqüífero regional não é controlado, necessariamente, pela topografia superficial, podendo gerar fluxos subterrâneos entre vales vizinhos com desnivelamento topográfico, como sugerido por COELHO NETTO (1997).

    O controle das voçorocas nos vales de cabeceira de drenagem requer esforços no sentido de se regular os fluxos hidrológicos nas encostas.  Para isso torna-se necessária a identificação dos padrões de recarga local associados às características do topo do solo que influenciam a infiltração da água da chuva. Necessita-se ainda, investigar o comportamento da água subterrânea e suas relações com as entradas de chuvas locais e regionais.

    O presente trabalho objetiva o monitoramento dos fluxos hidrológicos em vales de cabeceira de drenagem, afetados por voçorocamentos, para identificação das relações entre as características dos materiais e suas relações com a geração de fluxos sub-superficiais e os mecanismos associados à propagação de voçorocamentos.

     

    II.  Área de Estudo

     

    Os estudos de campo estão sendo conduzidos na bacia do Rio Piracema (180 km2), um dos principais afluentes do rio Bananal, o qual drena da Serra da Bocaina para o médio curso do rio Paraíba do Sul, abrangendo os municípios de Bananal/SP e Barra Mansa/RJ (Figura 1). Na área prevalece um clima mesotérmico do tipo Cwa de Koppen, apresentando temperatura média anual em torno de 200 C. As chuvas tendem a se concentrar nos meses do verão, quando acontecem chuvas de maior intensidade devido a atuação das frentes frias, que segundo MEIS et al (1981) são responsáveis pelas variações na pluviosidade média anual. A região era originalmente recoberta pela Floresta Latifoliada Tropical (Mata Atlântica) sendo quase totalmente devastada no século XIX durante o ciclo do café. Com o declínio dessa atividade os cafezais foram substituídos por pastagens para a pecuária extensiva, que hoje recobrem a região, intercalados por pequenos fragmentos de florestas secundárias. A Serra da Bocaina permaneceu livre dessas alterações mantendo ainda hoje amplas áreas com a cobertura florestal original.

    A bacia do Rio Piracema situa-se em terreno metamórfico de alto grau no interior da faixa Ribeira com idade pré-cambriana (HEILBRON, 1995). Esse terreno metamórfico é composto por uma seqüência de rochas metassedimentares conhecidas como Grupo Paraíba do Sul, além de ortognaisses e rochas granitóides intrusivas (ALMEIIDA et al, 1991). Em relação às deformações, HEILBRON (op cit) destaca pelo menos três fases durante o proterozóico superior, associadas ao Ciclo Brasiliano.

    Posteriormente este terreno pré-cambriano foi afetado por tectonismo extensional e magmatismo durante o Mesozóico-Cenozóico. O magmatismo é caracterizado por diques de diabásio e intrusões de rochas alcalinas. Ainda associado a esta tectônica rúptil extensional, ocorre um intenso fraturamento vertical, que pode ser dividido em dois setsprincipais:

    1-       Fraturas de direção NE-SW, ou seja, paralelas ao “strike” da foliação/bandamento das rochas pré-cambrianas.

    2-       Fraturas de direção NW-SE, ou seja, ortogonais ao primeiro conjunto.

     O relevo apresenta dois compartimentos principais, um composto pelas escarpas das Serras do Mar e da Mantiqueira e um outro composto por colinas com feições convexas/côncavas. A historia quaternária recente dessa região foi revista pelos trabalhos de MEIS et al, (1975); MEIS (1977); MEIS et al. (1985) e MOURA (1991). Nesses trabalhos demonstrou-se um padrão descontínuo e episódico de erosão e sedimentação nas encostas e ciclos de agradação e degradação nos vales fluviais. Esses episódios contribuíram para a formação dos denominados complexos de rampa que são superposições de camadas coluviais e alúvio-coluviais que se estendem desde os fundos dos vales até a média encosta, formando espessos pacotes sedimentares incoesos que entulharam a antiga rede de canais.

     

    Figura 1 – Mapa de localização da bacia do rio Bananal no médio vale do rio Paraíba do Sul

     

     

     

    Figura 2 – Mapa da EEBV com as estações piezométricas e as baterias de tensiômetro

     

    BIGARELA E MOUSINHO (1965) defendem que a degradação nos fundos de vale foi uma resposta ao clima mais úmido do período pós-glacial. MEIS (1977) aponta que o aumento da sedimentação nas encostas associado ao déficit hídrico ocorrido no Pleistoceno Superior provocou um ciclo de agradação que ocorreu em grande parte do planalto sudeste brasileiro. Ainda segundo MEIS (1977) a formação de pacotes sedimentares espessos nos canais principais motivou, em alguns casos, a desorganização da rede de drenagem. MEIS (op cit) destaca que essas superfícies elevadas pelo ciclo de agradação são largas e sub-horizontais. Segundo COELHO NETTO et al (1994) os processos de degradação das encostas e agradação dos fundos de vale operariam de maneira sincrônica e seriam responsáveis pelo modelado regional do relevo. COELHO NETTO  et al (op cit)  destacam que um período de relativa estabilidade morfo-dinâmica prevaleceu durante o Holoceno, até ocorrer uma expressiva retomada erosiva, em escala regional, decorrente das transformações ambientais associadas ao ciclo do café (meados do século XVIII até o final do século XIX). Dantas & Coelho Netto (1995) baseados em documentos históricos, verificaram a ocorrência de alterações climáticas (chuvas mais intensas no verão) e ocorrência de “rios de lama”, indicando uma intensificação da erosão superficial. Tal fato implicou no aumento das descargas fluviais nos rios principais, induzindo uma retomada da expansão da rede de canais. Coelho Netto et al (1988) considera, no entanto, que a combinação de vegetação de gramíneas, associadas ao ciclo do gado iniciado em 1900, e a conseqüente proliferação de formigas “Saúvas” foram os principais responsáveis pela recarga dos aqüíferos subterrâneos e a reativação/expansão das voçorocas.

    Em um anfiteatro tributário do Rio Piracema desenvolve-se uma voçoroca de expressiva incisão vertical e recuo lateral que vem tendo a sua evolução monitorada desde 1982 pela equipe do Laboratório de Geo-Hidroecologia/UFRJ. O anfiteatro é formado por diversos vales não canalizados, todos eles controlados pelo set fraturamento e apresenta um extenso voçorocamento com progressão remontante acelerada em dois dígitos principais.

    O anfiteatro da Estação Experimental da fazenda Bela Vista (EEBV) é quase totalmente ocupado por vegetação herbácea rasteira introduzida para pastagem.  Em alguns poucos trechos  desenvolve-se agrupamentos de espécies pioneiras e secundárias. Segundo DEUS (1991) as espécies vegetais se distribuem na área obedecendo as diferentes situações de umidade, acompanhando a morfologia do terreno. Enquanto que a gramínea paspalum sp e várias outras espécies herbáceas concentram-se nos segmentos côncavos das encostas, as áreas convexas são ocupadas pela gramínea Imperata brasiliensis

     DEUS (1991) em estudos hidrológicos conduzidos na EEBV indica que a atividade biogênica associada à cobertura de gramínea do anfiteatro favorece a infiltração da água no solo através da formação de “pipe flow”. Deus (op cit) mostra que os dutos escavados pela formiga saúva são um importante componente na determinação das rotas preferenciais de escoamento no topo do solo, gerando uma recarga do aqüífero temporário na base dos depósitos arenosos quaternários. 

    COELHO NETTO (1997) e ROCHA LEÃO & COELHO NETTO (2001) indicam uma aceleração nas taxas de recuo no dígito da porção superior mesmo com a diminuição da área de contribuição. A aceleração dessas taxas de recuo contraria dados da literatura, os quais condicionam o surgimento de canais aos parâmetros morfológicos (gradiente e área de contribuição).

     

    III. Metodologia

     

    Foi realizado o monitoramento hidrológico na Estação Experimental da fazenda Bela Vista entre fevereiro de 2000 e julho de 2003. Nesse período foram registrados as entradas de chuvas, o comportamento da água subterrânea, e as cargas de pressão negativa no metro superior do solo, na zona não-saturada. Todos os registros são diários, realizados por operador de campo. A figura 2 localiza as estações de monitoramento utilizadas no presente trabalho. As entradas de chuva no anfiteatro da EEBV estão sendo mensuradas através de um pluviômetro e um pluviógrafo que estão em funcionamento desde novembro de 1999 com registros contínuos. O pluviógrafo é automático e fornece dados sobre total pluviométrico e intensidade da chuva em todos os eventos de chuva ocorridos na EEBV. O pluviômetro é manual e é medido pelo operador de campo após cada evento de chuva.

    Foram obtidas cargas de pressão (altura H20) em um piezômetro localizado a montante do dígito ativo do voçorocamento durante todo o período amostral, que serviu para indicar o comportamento da água subterrânea entre 2000 e 2003. Em julho de 2002 foram realizadas novas sondagens na EEBV e instalados novos poços e piezômetros em diferentes posições do anfiteatro e em diferentes profundidades do perfil, para uma análise da variação espacial das cargas de pressão positivas e para constatação da existência de  fluxos ascendentes (artesianismo) nas cabeceiras do voçorocamento. A tabela 1 sumariza as características dos materiais e o posicionamento das 7 estações que contam com um poço e um piezômetro, mensurando as cargas de pressão na rocha alterada, abaixo do contato com os depósitos quaternários em zona permanentemente saturada, inclusive durante as estiagens. O molhamento e a drenagem do metro superior do solo estão sendo registrados através de uma rede de 27 baterias de tensiômetros de Mercúrio (10, 30, 60 e 90cm) que foram instalados em diferentes posições de encosta em um vale não canalizado que está sendo revegetado. A revegetação induzida conduzida nesse vale foi realizada durante os meses de junho a novembro de 2001 através do plantio de 7000 mudas em curvas de nível com espaçamento de 2,5m entre as covas. As espécies escolhidas têm como característica o grande desenvolvimento do sistema radicular e a capacidade de buscar água no solo a grandes profundidades. Nesse trabalho pretende-se avaliar os efeitos do processo de revegetação induzida no molhamento do topo do solo.

    As profundidades (10, 30, 60, 90cm) foram selecionadas, pois representam trechos do perfil do solo que apresentam variações nas propriedades relevantes a infiltração (textura; estrutura e presença de raízes). As baterias de tensiômetros funcionam desde janeiro de 2000 e as leituras são diárias.

     

    IV Resultados

     

    N

    Cota da Estação(m)

    Cota do

    Piez. (m)

    Profundidade

    do Piez. (m)

    Cota do
    Poço(m)

    Profundidade

    do poço (m)

    Textura na profundidade do Piez.

    1

    26.5

    21.2

    5.3

    23.85

    2.65

     

    2

    44.73

    32.63

    12.1

    36.73

    8

     

    3

    47.42

    34.17

    13.25

    35.72

    11.7

    Silte arenoso

    4

    53.69

    39.59

    14.1

    41.69

    12

    Areia siltosa

    5

    56.48

    46.23

    10.25

    49.68

    6.8

     

    6

    35.77

    12.97

    22.8

    24.77

    11

    Silte areno-argiloso

    7

    45.7

    35.6

    10.1

    35.95

    9.75

    Areia siltosa

     

    Tabela 1- Posição das estações de monitoramento de Água Subterrânea da EEBV. Cotas referentes à altitude do canal do Rio Piracema no trecho da EEBV. Profundidades em relação à superfície do terreno.

     

     

     

    Figura 3 – Histograma de precipitação e carga de pressão da estação 2

     

    A figura 3 demonstra as relações entre as chuvas e o comportamento da água subterrânea na estação 2. O período registrado com mensurações de campo demonstra que as cargas de pressão seguem a distribuição das chuvas, porém revela um intervalo de dois meses entre o pico da carga piezométrica e o início do período chuvoso, evidenciando um atraso na resposta das cargas de pressão às entradas de chuva. O início do período amostral registra o maior evento de chuva, culminando um período chuvoso, em todos os compartimentos da bacia, o que condicionou a elevação das cargas piezométricas. A partir de meados de janeiro de 2000 as cargas de pressão diminuem sistematicamente durante todo ano, refletindo a escassez de chuvas nesse período. Com as chuvas iniciadas em meados de outubro de 2000, diminui-se o ritmo de queda das cargas de pressão que param de cair somente no final do verão. Vale ressaltar que no período mais chuvoso do ano registraram-se as menores cargas de pressão, que só começaram a subir no final de Janeiro, num período de rápida ascensão atingindo o pico no mês de março de 2000, revelando um atraso de mais de três meses na resposta ao início das chuvas do verão. Esse fato demonstra que o aquífero estudado possui um comportamento regional, não respondendo imediatamente as chuvas locais nem as regionais. Ainda observando-se a figura 3, nota-se um padrão semelhante para o ano de 2001, sendo que as cargas piezométricas começam a cair somente em março, embora de um patamar menos elevado do que aquele observado em janeiro de 2000. Nesse período ocorreram chuvas mais abundantes na primavera o que diminuiu o tempo de resposta às chuvas do verão 2001/2002, já que as cargas piezométricas começam a subir em janeiro de 2002. A série de dados revela um período de ascensão rápida das cargas de pressão no início de Janeiro de 2002. De uma maneira geral em todos
    os anos ocorreu um atraso no tempo de resposta, variando apenas o ritmo da elevação e recuo das cargas.

     

     

    Figura 4 – Histograma com carga total das baterias dos piezômetros

     

    As figuras 2 e 4 mostram os valores de carga total para todos os piezômetros, demonstrando que a rota dos fluxos subterrâneos segue a direção do eixo do anfiteatro, já que o fluxo vai dos trechos com maiores cargas para as áreas com valores menores.

     

     

     

     

    Figura 5 – Histogramas com precipitação, carga de pressão e Nível d’água

     

     

     

    .

    Figura 6 - Histogramas com precipitação, carga de pressão e diferença entre o nível piezométrico e o Nível d’água, respectivamente.

     

     

    Observando a figura 5 percebe-se o comportamento das cargas de pressão e as diferenças entre as cargas totais e o nível freático. Quando a carga total é maior do que o nível freático, significa que existem fluxos ascendentes (artesianismo). O piezômetro 1, que está localizado no fundo da voçoroca bem próximo ao fluxo canalizado da mesma, não apresentou variação significativa de carga de pressão (variação de menos de 20cm). E a carga total esteve superior ao nível da água em 40cm.

    O piezômetro 2 apresentou uma variação de até 2m nos valores de carga de pressão, sendo que os valores aumentaram bastante entre 27/01/03 e 09/02/03. O piezômetro 3 começou o período de mensuração com uma carga de pressão relativamente alta e a partir do dia 28/09/03, começou a  perder carga, baixando-a em até 2,4 metros. Além de apresentar um artesianismo significativo no período que foi do começo das mensurações (14/09/02) até o final de janeiro de 2003. O comportamento dessa estação se mostrou bem diferente das outras estações, assemelhando-se com o comportamento do piezômetro 6.

    As cargas de pressão da estação 4 variaram em 2,3 metros, sendo que houve uma elevação significativa entre 27/01/03 e 09/02/03. O piezômetro 5 teve uma elevação rápida de carga no final do mês de janeiro de 2003, com uma variação de até 2 metros.

    As cargas de pressão do piezômetro 6 começaram altas e foram baixando, variando em 0,5 metro e com um artesianismo de até 5 metros. A estação mais próxima (7) apresentou artesianismo abaixo de 1 metro. Demonstrando uma diminuição das cargas de pressão em relação ao nível freático, na direção jusante-montante do anfiteatro.   As cargas do piezômetro 7 variaram em 90 centímetros, apresentando-se com artesianismo por todo o período de até 1 metro.

    Os histogramas da figura 5 sobre as variações nas cargas de pressão apresentaram três tipos de comportamento: a) elevação das cargas no final do mês de janeiro ou início de fevereiro de 2003 (2, 4 e 7); b) redução das cargas do inicio ao fim das mensurações (3 e 6); c) estabilidade das cargas com pouca variação nos valores (1).

    De uma maneira geral conclui-se que os fluxos artesianos são constantes através do eixo principal do voçorocamento, funcionando como fonte perene de água que exfiltra no fundo da voçoroca próximo a cabeceira do voçorocamento. As variações ao longo do ano revelam um atraso no tempo de recarga do aqüífero às entradas de chuvas locais, evidenciando um comportamento regional para o referido lençol subterrâneo. 

    As mensurações da sucção do solo foram em dois períodos de 15 dias na estação úmida (23/11 até 07/12 de 2000 e 28/11 até 12/12 de 2002).

            Os anos escolhidos (um antes e o outro depois do processo de revegetação induzida) apresentaram um comportamento pluviométrico bastante semelhante e os períodos escolhidos representam bem o regime pluviométrico do ano.

            Foram obtidas cargas de poro-pressão (ou de sucção) em quatro diferentes profundidades: 10, 30, 60 e 90 cm. É importante ressaltar que todos os valores que serão analisados a seguir são valores médios de todas as baterias de tensiômetros somadas.

     

     

     

    Figura 7 - Cargas de pressão durante o verão em 10 cm de profundidade nos anos de 2000 e 2002

     

    A análise cuidadosa das informações da profundidade de 10cm é de vital importância para o trabalho, pois a maioria dos indivíduos vegetais que participaram do processo de revegetação estavam na época da coleta dos dados com raízes a 10 cm de profundidade.

           Em ambos os períodos a carga de pressão aumenta, ou seja, o solo se torna mais úmido naquela profundidade, após o evento chuvoso. Mas, comparando os dois gráficos, percebe - se que a aumento carga de pressão a 10 cm de profundidade no período após o processo de revegetação (ano de 2002) é mais rápido do que no período antes do processo de revegetação (ano de 2000), indicando que com revegetação da área a infiltração da água da chuva está sendo mais veloz. Isso ocorre, pois as raízes dos indivíduos que participaram do processo de revegetação induzida funcionam como dutos preferenciais para a infiltração da água.

           Constata se também que a diminuição da carga de pressão no período após a revegetação induzida também ocorre mais rapidamente do que no período antes da revegetação induzida. Isso ocorre devido ao aumento do consumo de água pela malha de raízes, já que além do consumo de água pelas raízes das gramíneas, é nessa profundidade que se situam a maioria das raízes dos indivíduos que foram inseridos na área pelo processo de revegetação induzida.

           As outras profundidades estudadas não apresentaram valores muito significativos para esse estudo, já que indivíduos que participaram do processo de revegetação induzida ainda são novos (1,5 ano de vida) e suas raízes só atingiram a profundidade de 10 cm. Resultados completos dessas análises já foram publicados em Preza (2003).

     

    V Bibliografia

     

    ALMEIDA, J.C.H., EIRADO SILVA, L.G. & AVELAR,A. S. (1991) “Coluna tectono-estratigráfica da parte do Complexo Paraíba do Sul na região de Bananal,SP.” Anais do II Simp. Geol. Do Sudeste/ SBG, São Paulo.

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