Índice de conectividade hidrossedimentológica para bacias montanhosas

Abstract

A conectividade hidrossedimentológica é definida como a transferência integrada de água e sedimentos entre compartimentos da paisagem, de qualquer fonte possível para determinado ponto de controle em um sistema onde o vetor de transporte é a água. O estudo da conectividade hidrossedimentológica contribui para a compreensão da dinâmica de sedimentos em bacias hidrográficas. A partir da compreensão dos elementos que influenciam a conectividade hidrossedimentológica é possível determinar graus de conectividade de maneira espacialmente distribuída e temporalmente variável para uma bacia. Uma maneira de avaliar essa dinâmica é a partir do uso de índices, porém grande parte dos índices de conectividade, atualmente, consideram apenas componentes estruturais, permitindo uma distribuição variando apenas espacialmente. O presente trabalho teve como objetivo principal elaborar um índice de conectividade hidrossedimentológica (IHC- Index of Hydrosedimentological Connectivity) a partir da integração de aspectos funcionais e estruturais, permitindo a variação espaço-temporal da conectividade. Bacias montanhosas no sul do Brasil tendem a apresentar altos graus de conectividade, pois possuem chuvas bem distribuídas ao longo do ano e oferecem menores possibilidades para deposição dos sedimentos. Esse fato interfere diretamente na dinâmica hidrossedimentológica da mesma. A bacia hidrográfica do rio Mascarada, cabeceira do rio dos Sinos, Rio Grande do Sul, possui elevada amplitude altimétrica. Assim, essa bacia foi utilizada como área de estudo dos artigos que compõe essa tese. Foi realizado o monitoramento hidrossedimentológico da bacia de estudo, através da instalação de uma estação hidrossedimentológicas e outros três pluviômetros. Para elaboração do IHC foram avaliadas diferentes variáveis, função de duas componentes: a conectividade estrutural e a conectividade funcional. Em relação a componente estrutural, o uso de modelos digital de terreno de alta resolução se mostrou importante para o cálculo das variáveis físicas da paisagem, como declividade e comprimento do caminho do fluxo. Ainda, em relação a parte estrutural, a impedância de água e sedimento se mostrou eficaz quando calculada a partir do coeficiente de Manning, principalmente em bacias cobertas por florestas. As cicatrizes dos escorregamentos de terra apresentaram maiores valores de conectividade de sedimentos, pois representam áreas de solo exposto e sobrepostas aos caminhos preferenciais do fluxo, atuando como fontes de sedimentos na bacia. Considerando a importância do aspecto funcional, foram inseridas características da precipitação no cálculo do IHC, o que permitiu a avaliação da conectividade hidrossedimentológica a partir da variação espaço-temporal em escala de evento na foz da bacia hidrográfica. Os valores de IHC máximo e médio apresentaram correlação positiva (volume 0,88 e 0,69; vazão de pico 0,83 e 0,63, respectivamente) com os valores monitorados na foz da bacia hidrográfica do rio Mascarada. Os caminhos de fluxo preferencial nas encostas, levantados em campo, apresentaram maiores valores de IHC, o que demonstrou coerência na representação da paisagem pelo IHC, visto que a validação da conectividade ainda é um desafio. Ao final desse estudo produziu-se o IHC de fácil aplicação, com uma estrutura simples e de dados de entrada facilmente disponíveis. Esse novo IHC poderá contribuir para a gestão de bacias hidrográficas, fornecendo informações espacializadas do alcance de sedimentos na bacia hidrográfica em relação às suas fontes, além da identificação dessas fontes.

Hydrosedimentological connectivity is defined as the integrated transfer of water and sediments between compartments of the catchment, from any possible source to a given control point in a system where the transport vector is water. The study of hydrosedimentological connectivity contributes to the understanding of sediment dynamics in catchments. From the understanding of the elements that influence on hydrosedimentological connectivity, it is possible to determine connectivity degrees in a spatially-distributed and temporally-variable manner for a catchment. One way to evaluate this dynamic is through the use of indexes, however, a large part of the connectivity indexes, currently, consider only structural components, allowing a distribution varying only spatially. The present work had as main objective to develop a new index of hydrosedimentological connectivity (IHC) from the integration of functional and structural aspects of connectivity, allowing spatio-temporal variation. Mountain catchments in Brazil tend to have high degrees of connectivity, as they have well-distributed rainfall throughout the year and offer fewer possibilities for sediment deposition. This fact directly interferes with its hydrosedimentological dynamics. The Mascarada River catchment has a high altimetric range. Therefore, this catchment was used as a study area for the papers that make up this dissertation. The hydrosedimentological monitoring was carried out in the study catchment, through the installation of a hydrosedimentological station and three precipitation-gauges. For the IHC development, different variables were evaluated, as a function of two components: structural connectivity and functional connectivity. Regarding the structural component, the use of high-resolution digital terrain models was proved to be important for the calculation of the physical variables of the landscape, such as the slope and length of the flow path. Still, in relation to the structural part, the water and sediment impedance was proved to be effective when calculated from the Manning coefficient, mainly in the forest-cover catchment. The landslides scars showed higher values of sediment connectivity, as they represent areas of exposed soil and superimposed on the preferential flow paths, acting as sediment sources in the catchment. Considering the importance of the functional aspect, precipitation characteristics were inserted in the IHC calculation, which allowed the evaluation of hydrosedimentological connectivity based on the space-time variation at the event scale at the catchment outlet. The IHC maximum and mean values showed a positive correlation (runoff volume 0.88 and 0.69; peak flow 0.83 and 0.63, respectively) with the values monitored at the catchment outlet. The preferential flow paths on the hillslopes, raised in the field survey, presented higher IHC values, which demonstrated consistency in the landscape representation by the index since the validation of connectivity is still a scientific big challenge. At the end of this study, the IHC was easily applied, with a simple structure and easily available input data. This index can contribute to the catchment management, providing spatialized information on the reach of sediments in the catchment in relation to their sources, in addition to identifying these sources.