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Type: Tese de Doutorado
Title: Análise da relação entre o uso do solo e liberação dos nutrientes fósforo e nitrogênio nas águas superficiais do Rio das Velhas utilizando árvores de decisão e regressão múltipla
Authors: Lilia Maria de Oliveira
First Advisor: Philippe Maillard
First Co-advisor: Eber Jose de Andrade Pinto
First Referee: Eber Jose de Andrade Pinto
Second Referee: Adolf Heinrich Horn
Third Referee: Carlos Wagner Gonçalves Andrade Coelho
metadata.dc.contributor.referee4: Silvia Maria Alves Correa Oliveira
metadata.dc.contributor.referee5: Wanderlene Ferreira Nacif
Abstract: A presença dos nutrientes fósforo e nitrogênio nas águas superficiais se relaciona com o uso e ocupação do solo (LULC) da bacia hidrográfica, devido `a geração e deposição de substâncias no solo, que podem atingir o curso de água pela ação da chuva e do escoamento direto. Fontes poluidoras dispersas na área da bacia podem alterar a qualidade das águas superficiais e são chamadas de fontes difusas ou não-pontuais. A identificação e quantificação da carga poluidora de fontes difusas é de difícil obtenção principalmente quando ocorrem em conjunto com fontes pontuais, como o lançamento de efluentes domésticos ou industriais. A Bacia do Rio das Velhas é um exemplo desse tipo de situação, devido à presença de fontes difusas e pontuais, o que torna complexa a separação das cargas poluidoras dos dois tipos de fontes e, para fontes difusas, a determinação da sua relação com LULC. A tese tem por objetivo primário a análise da relação entre LULC e a liberação dos nutrientes fósforo e nitrogênio para as águas superficiais do Rio das Velhas, considerando potenciais e limitações das análises. Os métodos avaliados utilizam principalmente regressão múltipla e árvore de decisão para criar modelos. Para o desenvolvimento do trabalho foi proposto um índice que relaciona categorias de LULC, como fonte ou filtro de poluição para as águas superficiais, e um método para estimativa das cargas difusas e pontuais com base no fluviograma de vazões. As categorias de LULC foram obtidas considerando três diferentes áreas de análise: bacia hidrográfica, área de contribuição exclusiva e faixas nas margens do curso de água. A seleção dos dados de qualidade para períodos de chuvas e seca também utilizou diferentes abordagens: trimestre chuvoso, período chuvoso e ascensão do hidrograma. O uso de árvore de decisão se mostrou promissor no estabelecimento da relação concentração de nutrientes e LULC, atingindo eficiência de classificação superior a 80% para as duas variáveis avaliadas, nitrato e fósforo total. O uso de regressão múltipla apresentou bons resultados na relação da amônia, nitrito e oxigênio dissolvido com LULC, com coeficiente de determinação de aproximadamente 80%. Os parâmetros fósforo total e nitrato não obtiveram bons resultados na regressão. Por meio da análise do coeficiente de Pearson foi possível identificar a presença de categoria de LULC tidas como fontes de poluição (atividades agropastoris e urbanas) e como filtros de poluição (vegetação). Foi então proposto um índice correlacionando fonte e filtro de poluição, que substituiu o uso de categorias individuais de LULC. O uso do índice (LCPI) promoveu uma melhoria no coeficiente de determinação de 12 dos 15 modelos válidos. Por fim, foi proposto um método para estimar as cargas difusas e pontuais no Rio das Velhas, baseado na análise do fluviograma de cheia. Os resultados iniciais indicaram a influência do regime de chuvas no acúmulo de fósforo e nitrato na bacia, em anos com menor precipitação/vazão, sendo possível obter modelo para o nitrato, mas impossibilitou a obtenção para o fósforo. Os resultados apontaram a necessidade do monitoramento conjunto da vazão e qualidade, com detalhamento dos primeiros hidrogramas de cheia para separação de fontes pontuais de difusas.
Abstract: Phosphorus and nitrogen nutrients in surface water are related to the watershed land use and land cover (LULC) due to substances generation and deposition in the soil that may reach the river by the action of rain or direct runoff. Pollution sources scattered in the basin may modify the surface water quality and are referred to as diffuse or non-point sources. Identification and quantification of pollution load from diffuse sources are hard to obtain especially when they occur jointly with point sources, as industry effluents and domestic sewage. The Velhas river watershed is an example of such a situation, due to the presence of diffuse and point sources, complicating the separation of pollutant loads from the two types of sources and, related to diffuse sources, the determination of its relationship with LULC. This thesis has as primary goal to analyze the relation between LULC and the spreading of phosphorus and nitrogen nutrients into Velhas rivers surface waters, considering potential and limitations of the analysis. The evaluated methods use mainly multiple regression and decision tree to create models. We proposed an index that relates LULC categories, such as pollution source or filter for surface water, and a hydrograph-based method for estimating diffuse and point loads. We obtained the LULC categories considering three different áreas of analysis: watershed, exclusive contribution area and buffers. The quality data selection for rainy and dry periods also use different approaches: rainy quarter, rainy period and hydrograph ascension. For establishing the relation between nutrient concentration and LULC, the decision tree results are promising, reaching classification efficiency greater than 80% on nitrate and phosphorous classes. Multiple regression showed good results in relate ammonia, nitrite and dissolved oxygen with LULC, whose determination coefficient is about 80%. The nitrate and total phosphorous parameters did not produce valid models. Analyzing Pearson coefficient, we identified the presence of LULC category regarded as pollution sources (agropastoral and urban) and as pollution filters (vegetation). Thus, we propose an index (LCPI) that relates these sources and filters substituting the individual LULC categories. Results indicate that LCPI is better than LULC to explain the relationship. In 12 out of 15 models, the coefficient of determination (R2) increased by 11 to 155% using LCPI instead of LULC. Finally, we proposed a method for estimating the diffuse and point loads in Velhas River, based on the analysis of hydrograph in storms events. Initial results showed the influence of rainfall on phosphorus and nitrate accumulation in the basin, in years with lower precipitation/flow. Thus, it was possible to obtain model for nitrate and impossible for phosphorus. The results indicated the need of jointly monitoring quality and flow, with detailing of the first hydrographs about storms events, aiming to split diffuse and point sources.
Subject: Solo  Uso  Velhas, Rio das (MG)
Fosforo
Nitrogênio 
Poluição  Aspectos ambientais 
Árvores de decisão 
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/EQVA-BBWJV3
Issue Date: 28-Jun-2016
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