Proposta de um índice de impedância de superfície para modelagem de processos erosivos em bacias hidrográficas
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Autor(es)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Proposal of a surface impedance index for modeling erosion processes in river basins
Primeiro orientador
Membros da banca
Frederico Wagner de Azevedo Lopes
Luis Felipe Soares Cherem
Antonio Pereira Magalhaes Junior
Vagner Braga Nunes Coelho
Luis Felipe Soares Cherem
Antonio Pereira Magalhaes Junior
Vagner Braga Nunes Coelho
Resumo
A conectividade de sedimentos é um método utilizado para avaliar a probabilidade de transporte de sedimentos e prever possíveis impactos ambientais negativos. Ela envolve a transferência integrada de sedimentos, com componentes estruturais e funcionais. Os índices de conectividade de sedimentos são ferramentas valiosas para a gestão do uso da terra, especialmente no que diz respeito à identificação de áreas de risco para escorregamentos e movimentos de massa. No entanto, a impedância da superfície, um dos parâmetros usados nesses índices, enfrenta críticas devido à incerteza associada ao uso de valores tabelados que não refletem a diversidade das paisagens. Assim, este trabalho propõe o desenvolvimento de um novo índice de impedância da superfície (IIS) que integra o peso relativo das variáveis uso e ocupação da terra, solo e declividade obtidos a partir de modelagens hidrossedimentológicas. A proposta visa ajustar a representação da impedância da superfície para melhor ponderar a resistência ao fluxo de sedimentos, contribuindo para uma modelagem mais precisa da dinâmica dos sedimentos. A metodologia foi estruturada em cinco blocos sequenciais: modelagem hidrossedimentológica; identificação da importância relativa das variáveis espaciais (uso da terra, tipos de solo e declividade); formulação do índice de impedância baseado nessas variáveis; validação do índice; aplicação do índice desenvolvido nas regiões modeladas utilizando como parâmetro no índice de Cavalli (2013). Diversos softwares livres foram utilizados, incluindo o QGis para geoprocessamento, o SWAT para modelagem hidrossedimentológica, e o R para as análises estatísticas. Um software de gestão desenvolvido pelo autor integrou os dados com esses softwares para uma melhor organização e processamentos. As áreas de estudo incluíram diversas bacias hidrográficas no Brasil, selecionadas por suas características hidrológicas e por conta dos dados de monitoramento sedimentológico. A modelagem hidrossedimentológica utilizou o SWAT para simular a produção de sedimentos, com a calibração e a validação dos modelos baseadas em coeficientes de eficiência. A importância relativa das variáveis espaciais foi determinada com o emprego de Redes Neurais Artificiais. O índice de impedância de superfície (IIS) foi validado com a equação USLE e aplicado na conectividade sedimentológica, utilizando o software SedInConnect para calcular os índices de conectividade. A calibração e a validação dos modelos hidrossedimentológicos garantiram da precisão das simulações. A análise dos resultados mostrou que as simulações de vazão e de sedimentos tiveram um bom ajuste, com coeficientes de eficiência satisfatórios. A análise da distribuição das taxas de produção de sedimento revelou que a agricultura possui maiores taxas, especialmente nas áreas de maior densidade. A importância relativa das variáveis espaciais foi determinada empregando-se Redes Neurais Artificiais, mostrando que a agricultura tem maior influência na taxa de produção de sedimento. O IIS foi validado pela adaptação da Equação Universal de Perda de Solo (USLE), demonstrando-se correlações satisfatórias com a taxa de produção de sedimento. A aplicação do IIS no Índice de Conectividade de Sedimento (IC) apresentou maior coerência com a taxa de produção de sedimentos em comparação com o uso da rugosidade de superfície.
Abstract
Sediment connectivity is a method used to assess the probability of sediment transport and predict potential negative environmental impacts. It involves the integrated transfer of sediments, with structural and functional components. Sediment connectivity indices are valuable tools for land use management, especially with regard to identifying areas at risk for landslides and mass movements. However, surface impedance, one of the parameters used in these indices, faces criticism due to the uncertainty associated with the use of tabulated values that do not reflect the diversity of landscapes. Thus, this work proposes the development of a new surface impedance index (SII) that integrates the relative weight of the variables land use and occupation, soil and slope obtained from hydrosedimentological modeling. The proposal aims to adjust the representation of surface impedance to better weight the resistance to sediment flow, contributing to a more accurate modeling of sediment dynamics. The methodology was structured in five sequential blocks: hydrosedimentological modeling; identification of the relative importance of spatial variables (land use, soil types, and slope); formulation of the impedance index based on these variables; validation of the index; application of the developed index in the modeled regions using the Cavalli index (2013) as a parameter. Several free software programs were used, including QGis for geoprocessing, SWAT for hydrosedimentological modeling, and R for statistical analysis. A management software developed by the author integrated the data with these programs for better organization and processing. The study areas included several river basins in Brazil, selected for their hydrological characteristics and sedimentological monitoring data. The hydrosedimentological modeling used SWAT to simulate sediment production, with calibration and validation of the models based on efficiency coefficients. The relative importance of the spatial variables was determined using Artificial Neural Networks. The surface impedance index (SII) was validated with the USLE equation and applied to sedimentological connectivity, using the SedInConnect software to calculate the connectivity indices. Calibration and validation of the hydrosedimentological models ensured the accuracy of the simulations. The analysis of the results showed that the flow and sediment simulations had a good fit, with satisfactory efficiency coefficients. The analysis of the distribution of sediment production rates revealed that agriculture has higher rates, especially in areas of higher density. The relative importance of the spatial variables was determined using Artificial Neural Networks, showing that agriculture has a greater influence on the sediment production rate. The SII was validated by adapting the Universal Soil Loss Equation (USLE), demonstrating satisfactory correlations with the sediment production rate. The application of the SII in the Sediment Connectivity Index (SI) showed greater coherence with the sediment production rate compared to the use of surface roughness.
Assunto
Modelagem de dados – Aspectos ambientais, Sedimentologia, Bacias hidrográficas
Palavras-chave
hidrossedimentologia, conectividade sedimentológica, modelagem SWAT, erosão de solo, dinâmica de sedimentos