Sistema de suporte à decisão espacial aplicado à análise da vulnerabilidade dos recursos hídricos na bacia Guapi-Macacu / RJ.

No contexto do planejamento e gestão dos recursos hídricos em bacias hidrográficas, é crescente a demanda por informações consistentes relativas ao estado do ambiente e pressões ambientais de forma integrada, para que possam informar à população e subsidiar atividades do setor público e privado. Essa demanda pode ser satisfeita com a modelagem e integração em um Sistema de Informações Geográficas (SIG), com propriedades e funções de processamento que permitem sua utilização em ambiente integrado. Desta forma, neste trabalho é apresentada uma metodologia para a avaliação muticriterial dos recursos hídricos de bacias hidrográficas, que vai desde a seleção de indicadores e definição dos pesos, até a execução de avaliações e espacialização de resultados. Esta metodologia é composta por duas fases: avaliação da vulnerabilidade dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica a partir do uso de sistemas de suporte à decisão espacial, e, avaliação da qualidade das águas através da adaptação de um Índice de Qualidade das Águas. Foi adotada uma base de conhecimento, sistemas de suporte à decisão, SIG e uma ferramenta computacional que integra estes resultados permitindo a geração de análises com cenários da vulnerabilidade dos recursos hídricos. Em paralelo, a qualidade das águas das sub-bacias hidrográficas foi obtida a partir da adaptação do cálculo do Índice de Qualidade das águas proposto pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) e aplicação do Índice de Toxidez. Os resultados mostraram sub-bacias com seus recursos hídricos mais ou menos vulneráveis, bem como sub-bacias com toxidez acima da legislação. A avaliação integrada entre áreas mais vulneráveis e que apresentam menor qualidade e/ou maior toxidez poderá nortear a tomada de decisão e projetos visando a conservação dos recursos hídricos em bacias hidrográficas.

Planejamento ambiental da bacia hidrográfica do Rio Guapi-Macacu: estudo da paisagem e qualidade ecológica

Os estudos de relação entre a paisagem e a água doce vêm sendo aprofundados pela comunidade científica e pelos propositores de políticas públicas, principalmente, para atender às demandas sobre as maneiras que este sistema ambiental pode ser alterado e na identificação das implicações políticas e ecológicas destas mudanças. Quanto mais se torna intenso e diversificado o uso dos corpos hídricos e da paisagem em bacias hidrográficas maior é a necessidade de se definir formas de planejamento, gerenciamento e gestão ecológica desses ecossistemas. O completo entendimento do funcionamento e dos processos ecológicos que ocorrem em uma bacia hidrográfica exige conhecimento simultâneo de seus sistemas aquáticos e terrestres, da biodiversidade, da fisiografia, da geologia e de sua conservação, temporal e espacial. Este entendimento e conhecimento da área de interesse são vitais para proposições de instrumentos ambientais legais, como Unidades de Conservação (UCs). É muito importante que a fundamentação destas propostas tenha como eixo principal o funcionamento dos ecossistemas e das paisagens, de forma a garantir uma maior conectividade e integração entre água (doce, salobra e salgada) e terra, e seus múltiplos usos. A presente tese foi desenvolvida com base neste contexto, apresentando e aplicando metodologias integradoras, seja na ecologia de paisagem (EP), seja na relação entre os ambientes dulcícola e terrestre. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de processos para planejamento ambiental em BHs, através do diagnóstico, compreensão e análise do funcionamento e dinâmica da paisagem e de ecossistemas de rios e córregos, apoiados no uso de geotecnologias. De acordo com os resultados obtidos, a BHGM ocupa uma área de 1260,36 km e 204,69 km de perímetro. É uma bacia com forma mais alongada que circular (KC = 1,6144e IC =0,4747 km/km) que indica uma menor susceptibilidade a enchentes em condições normais de precipitação exceto em eventos de intensidades anômalas. O mapeamento base (2007) realizado indicou que a bacia possuía 34,86% de uso antrópico e 64,04 % de remanescente florestal. Os dados de fitofisionomia potencial indicaram predominância da classe Florestas Ombrófila Densa Submontana (40%) e de Terras Baixas (39%). Foram estabelecidas para bacia 269 unidades de paisagem (integração da geomorfologia, geologia, fitofisionomia e uso da terra e cobertura vegetal (2007)) que junto com os dados de métrica de paisagem constituíram a proposta integrativa da tese para ecologia de paisagem. Em relação à qualidade ambiental foram adotados o índice de avaliação visual (IAV), o índice multimétrico físico-químico bacteriológico e o índice biótico estendido (IBE). A comparação entre estes índices demonstrou a confirmação entre os seus resultados para a maioria dos pontos amostrados nas áreas de referência e de pelo menos dois índices para os pontos intermediários e impactados. Foram propostos também dois cenários para a bacia: um considerando as condicionantes e medidas compensatórias vinculadas à licença prévia do complexo petroquímico do Estado do Rio de Janeiro (COMPERJ); e outro, sem considerar estas condições. O primeiro indicou a realização da restauração ecológica, seguindo as diretrizes do mapa síntese, integrada para restauração da paisagem.

Uso e cobertura da terra na bacia hidrográfica do rio Guapi - Macacu.

2008

Dinâmica de uso e cobertura da terra nas bacias hidrográficas de Guapi-Macacu e Caceribu - RJ.

2009

Geomorfologia das bacias dos rios Guapi-Macacu e Caceribu - recôncavo da Baía de Guanabara - Estado do Rio de Janeiro.

2012

Vulnerabilidade dos solos à erosão: estimativa da perda de solos na bacia hidrográfica do Rio Guapi-Macacu - RJ.

Este trabalho apresenta metodologias para estimativa de perda de solos na Bacia Hidrográfica do Rio Guapi-Macacu - RJ. Para a estimativa anual de perdas de solo foi utilizada a ferramenta InVest (Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs) através do módulo que desenvolve retenção de sedimentos. Esse módulo permite calcular a perda de solo média anual de cada parcela de terra, além de determinar o quanto de solo pode chegar a um determinado ponto de interesse. Para identificar a perda potencial de solo, o modelo emprega a Equação Universal de Perda de Solo (USLE) na escala do pixel, integrando informações sobre relevo, precipitação, padrões de uso da terra e propriedades do solo. Seus resultados são dados em toneladas por sub-bacias. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram concluir que embora haja limitações no uso da Equação Universal de Perda de Solo, o modelo possibilitou a espacialização de classes de perdas de solos com indicações de áreas consideradas mais ou menos vulneráveis aos processos erosivos, considerando os dados disponíveis e suas escalas. O uso do InVest para calcular a USLE apresentou como principal vantagem a possibilidade de integração dos dados necessários em um único ambiente, reduzindo a possibilidade de erros na conversão de dados. Contudo, a maior limitação encontrada a sua aplicação está na dificuldade de obtenção de dados de entrada necessários ao modelo.

Estimativa da erosividade nas bacias hidrográficas dos rios Guapi-Macacu e Caceribu.

As perdas de solos ocasionadas por eventos de chuvas não dependem somente da resistência que o solo oferece ao impacto das gotas, mas também da energia cinética da chuva e da intensidade e duração. A influência desses fatores na capacidade da chuva em causar erosão é estimada através de índices de erosividade, sendo mais utilizados dois índices na literatura: EI30 e KE > 25. O presente trabalho teve como objetivo estimar os índices de erosividade com base nos dados pluviométricos de 19 estações e mostrar as distribuições espaciais dos mesmos nas bacias hidrográficas dos rios Guapi- Macacu e Caceribu. Os resultados mostraram que os dois índices apresentaram padrão similar em termos de valores relativos e de distribuição na área de estudo. Os índices apresentaram maiores valores mensais no período de novembro a março que corresponde ao verão, quando é característico ocorrerem chuvas de maiores intensidades, devido ao aumento da temperatura e das movimentações de massas de ar. Ao contrário, os menores valores foram observados nos meses de junho a agosto, período no qual ocorrem chuvas com menores intensidades.

Impacto do uso do solo no crescimento, limitação nutricional, taxonomia e variação estequiométrica do perifíton em rios tropicais

Os rios em todo o mundo estão ameaçados através da alteração do uso e cobertura do solo. Nesse contexto, o perifíton é sugerido como indicador biológico devido ao seu ciclo de vida curto, à comunidade autótrofa e à riqueza de espécies. O objetivo deste estudo foi identificar mudanças em parâmetros estruturais e funcionais da assembleia perifitica em relação aos diferentes tipos de cobertura do solo (pristino, perturbação intermediária e perturbado); em especial na limitação nutricional, crescimento e acúmulo, composição taxonômica e estequiometria da comunidade. O trabalho foi desenvolvido em três rios (Santa Maria, Itaperiti, Anil) da bacia Guapi-Macacu, RJ, Brasil. A limitação nutricional foi acessada através de Substratos Difusores de Nutrientes alocados in situ; estes substratos consistem em potes com agar-agar, enriquecidos com nutrientes (N, P, N+P), ou não (controle), que difundem até o filtro, servindo de substrato para o crescimento perifítico. Ainda, o crescimento foi acessado através da colonização de azulejos, amostrados em datas diferentes; na última data, a amostragem também foi feita para a verificação da composição taxonômica e estequiométrica da assembleia. Os resultados mostraram que a comunidade perifítica é limitada primariamente por luz nos pontos pristinos; já nos pontos perturbados, há limitação por nitrogênio ou fósforo, dependendo do uso do solo predominante agricultura com maior aporte de nitrogênio, causando limitação por fósforo, e pecuária com maior aporte de fósforo, causando limitação por nitrogênio. Os trechos perturbados apresentaram maior biomassa perifítica em termos de clorofila a; além disso, também mostraram as maiores taxas de crescimento da comunidade. Também, houve mudanças na composição taxonômica da comunidade no gradiente de perturbação, com o aumento de gêneros tolerantes à poluição e diminuição de gêneros não tolerantes e da diversidade e a equitabilidade. A intensidade luminosa foi determinante na presença dos táxons, e a concentração de fosfato, nas suas abundâncias. Por fim, as razões estequiométricas - C:N, C:P and N:P - diminuíram em função da concentração de nutrientes na água, indicando o potencial de remoção de nutrientes em córregos poluídos. O presente trabalho foi inovador na área limnológica devido à abordagem estequiométrica em conjunto com o grande número de outras variáveis biológicas. Em tempo, a dificuldade de separação dos efeitos das variáveis ambientais neste estudo in situ faz com que seja sugerido o uso de experimentos controlados em mesocosmos posteriormente

Perfil comparativo do déficit de vegetação natural em APPs - matas ciliares e nascentes - em bacias hidrográficas no bioma Mata Atlântica - RJ.

A proteção de Áreas de Preservação Permanente (APP) tem sido foco de muita discussão na concepção da nova Lei 12.651/2012 que substitui a Lei 4.771/1965 que instituía o Código Florestal Brasileiro, com divergências entre ruralistas e ambientalistas no que tange à conservação ambiental. Quantificar e identificar o estado de degradação destas áreas é de fundamental importância para a orientação de políticas públicas e ações voltadas à conservação dos recursos florestais, com implicações na qualidade do solo e da água, e fauna. Desta forma, o presente estudo se propôs a traçar um perfil comparativo do déficit de vegetação natural em APPs - matas ciliares e nascentes - em duas bacias hidrográficas sob o bioma Mata Atlântica - RJ, Guapi-Macacu e Caceribu. Para tal, foram utilizadas ferramentas implementadas em SIG para processamento e organização de dados cartográficos e delimitação das APPs, bem como para identificação de áreas de vegetação natural presentes em APPs de matas ciliares e nascentes e cálculo de áreas. Dados secundários como o mapa de uso e cobertura da terra (obtido pelo processamento de imagens de 2007 do satélite Landsat) foram utilizados para a obtenção das áreas de vegetação. Foi obtido um mapa final com as áreas de vegetação natural em APPs de matas ciliares diferenciadas de áreas de vegetação natural em APPs de nascentes, apresentando também a vegetação natural presente em ambas as bacias que não em áreas de APPs de matas ciliares e nascentes. Os resultados apontaram que a bacia do Caceribu possui um déficit de vegetação natural em APP de matas ciliares e nascentes da ordem de 91%, e no caso da bacia Guapi-Macacu esse déficit é de aproximadamente 38%. Estes dados, apesar de terem sido obtidos na escala 1:50.000, a partir de imagens de média resolução espacial - 30 metros, chamam a atenção para o fato de que ações de revegetação destas áreas são prioritárias perante sua importância para a prestação de diversos serviços ambientais, essenciais para o bem estar das populações que vivem nestas bacias ou em bacias próximas.

Regolith mass balance inferred from combined mineralogical, geochemical and geophysical studies: Mule Hole gneissic watershed, South India

The aim of this study is to propose a method to assess the long-term chemical weathering mass balance for a regolith developed on a heterogeneous silicate substratum at the small experimental watershed scale by adopting a combined approach of geophysics, geochemistry and mineralogy. We initiated in 2003 a study of the steep climatic gradient and associated geomorphologic features of the edge of the rifted continental passive margin of the Karnataka Plateau, Peninsular India. In the transition sub-humid zone of this climatic gradient we have studied the pristine forested small watershed of Mule Hole (4.3 km(2)) mainly developed on gneissic substratum. Mineralogical, geochemical and geophysical investigations were carried out (i) in characteristic red soil profiles and (ii) in boreholes up to 60 m deep in order to take into account the effect of the weathering mantle roots. In addition, 12 Electrical Resistivity Tomography profiles (ERT), with an investigation depth of 30 m, were generated at the watershed scale to spatially characterize the information gathered in boreholes and soil profiles. The location of the ERT profiles is based on a previous electromagnetic survey, with an investigation depth of about 6 m. The soil cover thickness was inferred from the electromagnetic survey combined with a geological/pedological survey. Taking into account the parent rock heterogeneity, the degree of weathering of each of the regolith samples has been defined using both the mineralogical composition and the geochemical indices (Loss on Ignition, Weathering Index of Parker, Chemical Index of Alteration). Comparing these indices with electrical resistivity logs, it has been found that a value of 400 Ohm m delineates clearly the parent rocks and the weathered materials, Then the 12 inverted ERT profiles were constrained with this value after verifying the uncertainty due to the inversion procedure. Synthetic models based on the field data were used for this purpose. The estimated average regolith thickness at the watershed scale is 17.2 m, including 15.2 m of saprolite and 2 m of soil cover. Finally, using these estimations of the thicknesses, the long-term mass balance is calculated for the average gneiss-derived saprolite and red soil. In the saprolite, the open-system mass-transport function T indicates that all the major elements except Ca are depleted. The chlorite and biotite crystals, the chief sources for Mg (95%), Fe (84%), Mn (86%) and K (57%, biotite only), are the first to undergo weathering and the oligoclase crystals are relatively intact within the saprolite with a loss of only 18%. The Ca accumulation can be attributed to the precipitation of CaCO3 from the percolating solution due to the current and/or the paleoclimatic conditions. Overall, the most important losses occur for Si, Mg and Na with -286 x 10(6) mol/ha (62% of the total mass loss), -67 x 10(6) mol/ha (15% of the total mass loss) and -39 x 10(6) mol/ha (9% of the total mass loss), respectively. Al, Fe and K account for 7%, 4% and 3% of the total mass loss, respectively. In the red soil profiles, the open-system mass-transport functions point out that all major elements except Mn are depleted. Most of the oligoclase crystals have broken down with a loss of 90%. The most important losses occur for Si, Na and Mg with -55 x 10(6) mol/ha (47% of the total mass loss), -22 x 10(6) mol/ha (19% of the total mass loss) and -16 x 10(6) mol/ha (14% of the total mass loss), respectively. Ca, Al, K and Fe account for 8%, 6%, 4% and 2% of the total mass loss, respectively. Overall these findings confirm the immaturity of the saprolite at the watershed scale. The soil profiles are more evolved than saprolite but still contain primary minerals that can further undergo weathering and hence consume atmospheric CO2.

ESTIMATION OF EVAPOTRANSPIRATION IN AN EXPERIMENTAL WATERSHED IN A DECIDUOUS FOREST OF SOUTH INDIA

Forested areas play a dominant role in the global hydrological cycle. Evapotranspiration is a dominant component most of the time catching up with the rainfall. Though there are sophisticated methods which are available for its estimation, a simple reliable tool is needed so that a good budgeting could be made. Studies have established that evapotranspiration in forested areas is much higher than in agricultural areas. Latitude, type of forests, climate and geological characteristics also add to the complexity of its estimation. Few studies have compared different methods of evapotranspiration on forested watersheds in semi arid tropical forests. In this paper a comparative study of different methods of estimation of evapotranspiration is made with reference to the actual measurements made using all parameter climatological station data of a small deciduous forested watershed of Mulehole (area of 4.5 km2 ), South India. Potential evapotranspiration (ETo) was calculated using ten physically based and empirical methods. Actual evapotranspiration (AET) has been calculated through computation of water balance through SWAT model. The Penman-Montieth method has been used as a benchmark to compare the estimates arrived at using various methods. The AET calculated shows good agreement with the curve for evapotranspiration for forests worldwide. Error estimates have been made with respect to Penman-Montieth method. This study could give an idea of the errors involved whenever methods with limited data are used and also show the use indirect methods in estimation of Evapotranspiration which is more suitable for regional scale studies.

Landscape-scale soil erosion modelling and ecological restoration for a mountainous watershed in Sichuan, China

Sichuanissa Tiibetin ylängön metsäkato on pysähtynyt mutta eroosio-ongelmat jatkuvat Viikin tropiikki-instituutin tutkija Ping ZHOU kartoitti trooppisen metsänhoidon alaan kuuluvassa väitöskirjatyössään maaperän eroosioalttiutta ja sen riippuvuutta metsäkasvillisuudesta Jangtsen tärkeää sivuhaaraa Min-jokea ympäröivällä n. 7400 neliökilometrin suuruisella valuma-alueella Sichuanin Aba-piirikunnassa. Aineistonaan hän käytti muun muassa satelliittikartoitustietoja ja mittaustuloksia yli 600 maastokoealalta. Tutkimuksen nimi suomeksi on "Maaperän eroosion mallinnus ja vuoristoisen valuma-alueen ekologinen ennallistaminen Sichuanissa Kiinassa". Aikaisempien tutkimusten perusteella oli tiedossa että metsien häviäminen tällä alueella pysähtyi jo 1980-luvun alussa. Sen jälkeen on metsien pinta-ala hitaasti kasvanut etupäässä sen vuoksi, että teollinen puunhakkuu luonnonmetsissä kiellettiin kokonaan v. 1998 ja 25 astetta jyrkemmillä rinteillä myös maatalouden harjoittaminen on saatu lopetetuksi viljelijöille tarjottujen taloudellisten houkuttimien avulla. Täten myös pelto- ja laidunmaata on voitu ennallistaa metsäksi. Ping Zhou pystyi jakamaan 5700 metrin korkeuteen saakka kohoavan vuoristoalueen eroosioalttiudeltaan erilaisiin vyöhykkeisiin rinteen kaltevuuden, sademäärän, kasvipeitteen ja maalajin perusteella. Noin 15 prosentilla tutkitun valuma-alueen pinta-alasta, lähinnä Min-joen pääuomaa ympäröivillä jyrkillä rinteillä, eroosioriski oli suuri tai erittäin suuri. Eri tyyppisellä kasvillisuudella oli hyvin erilainen vaikutus eroosioalttiuteen, ja myös alueen sijainti vuoriston eri korkeuksilla vaikutti eroosioon. Säästyneet lähes luonnontilaiset havumetsät, joita on etupäässä vuoriston ylimmissä osissa 2600-4000 metrin korkeudella, edistävät tehokkaasti metsän luontaista uudistumista ja levittäytymistä vaurioituneille alueille. Säilyneiden metsien puulajikoostumus antoi tutkimuksessa mahdollisuuden ennustaa metsien tulevaa kehitystä koko tutkitulla valuma-alueella sen eri korkeusvyöhykkeissä ja eri maaperätyypeillä. Ennallistamisen kannalta ongelmallisimpia olivat alueet joilta metsäpeite oli lähinnä puiden teollisen hakkuun vuoksi kokonaan hävinnyt ja joilla maaperä yleisesti oli eroosion pahoin kuluttama. Näillä alueilla ei ole tehty juuri mitään uudistamis- tai ennallistamistoimenpiteitä. Niillä metsien ennallistaminen vaatii myös puiden tai pensaiden istuttamista. Tähän sopivia ovat erityisesti ilmakehän typpeä sitovat lajit, joista alueella kasvaa luontaisena mm. sama tyrnilaji joka esiintyy myös Suomessa. Työssä tutkittiin yli kahdeksankymmenen paikallisen luontaisen puulajin (joista peräti noin kolmannes on havupuulajeja) ekologisia ominaisuuksia ja soveltuvuutta metsien ennallistamiseen. Avainasemassa työn onnistumisen kannalta ovat nyt paikalliset asukkaat, joiden maankäytön muutokset ovat jo selvästi edistänet luonnonmetsän ennalleen palautumista. Suomen Akatemia rahoitti vuosina 2004-2006 VITRI:n tutkimushanketta, josta Ping Zhou'n väitöskirjatyö muodosti keskeisen osan. Kenttätyö Sichuanissa avasi mahdollisuuden hedelmälliseen monitieteiseen yhteistyöhön ja tutkijavaihtoon Kiinan tiedeakatemian alaisen Chengdun biologiainstituutin (CIB) kanssa; tämä tieteellinen kanssakäyminen jatkuu edelleen.

Natural regeneration and ecological succession in Pinus kesiya watershed plantations in northern Thailand : Implications on plantation management

Establishment of Pinus kesiya Roy. ex Gord. plantations in Thailand began in the 1960s by the Royal Forest Department. The aim was to reforest abandoned swidden areas and grasslands in order to reduce erosion and to produce timber and fuel wood. Today there are about 150, 000 ha of P. kesiya plantations in northern Thailand. Most of these plantations cannot be harvested due to a national logging ban. Previous studies have suggested that Pinus kesiya plantations posses a capability as a foster environment for native broadleaved tree species, but little is known about the extent of regeneration in these plantations. The general aim of the study was to clarify the extent of forest regeneration and interactions behind it in Pinus kesiya plantations of the Ping River basin, northern Thailand. Based on the results of this study and previous literature, forest management proposals were produced for the area studied. In four different pine plantation areas, a total of seven plantations were assessed using systematic data collection with clustered circular sample plots. Vegetation and environmental data were statistically analysed, so as to recognise the key factors affecting regeneration. Regeneration had occurred in all plantations studied. Regeneration of broadleaved trees was negatively affected by forest fire and canopy coverage. A high basal area of mature broadleaved trees affected the regeneration process positively. Forest fire disturbance had a strong effect also on plantation structure and species composition. Because of an unclear future forest management setting as regards forest laws in Thailand, a management system that enables various future utilisation possibilities and emphasises local participation is recommended for P. kesiya watershed platations of northern Thailand.

Assimilation of remote sensing and hydrological data using adaptive filtering techniques for watershed modelling

The knowledge of hydrological variables (e. g. soil moisture, evapotranspiration) are of pronounced importance in various applications including flood control, agricultural production and effective water resources management. These applications require the accurate prediction of hydrological variables spatially and temporally in watershed/basin. Though hydrological models can simulate these variables at desired resolution (spatial and temporal), often they are validated against the variables, which are either sparse in resolution (e. g. soil moisture) or averaged over large regions (e. g. runoff). A combination of the distributed hydrological model (DHM) and remote sensing (RS) has the potential to improve resolution. Data assimilation schemes can optimally combine DHM and RS. Retrieval of hydrological variables (e. g. soil moisture) from remote sensing and assimilating it in hydrological model requires validation of algorithms using field studies. Here we present a review of methodologies developed to assimilate RS in DHM and demonstrate the application for soil moisture in a small experimental watershed in south India.