Nome do Projeto
Caracterização e quantificação da variabilidade espacial de atributos físico-hídricos do solo e de atributos topográficos em escala de bacia hidrográfica visando a modelagem hidrológica
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
05/05/2020 - 04/05/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
Ferramentas estatísticas que consideram a posição e a possível dependência entre as observações têm sido aplicadas no intuito de estudar a variabilidade espacial. Entretanto, essas ferramentas têm sido na maioria das vezes aplicadas em pequenas áreas agrícolas e não em escala de bacia hidrográfica. Assim, o presente projeto de pesquisa tem como objetivo principal a avaliação do potencial de ferramentas estatísticas para caracterizar e quantificar a variabilidade espacial de atributos físico-hídricos do solo e de atributos topográficos bem como do relacionamento entre eles em nível de escala de bacia e de sub-bacia hidrográfica. Além disso, será avaliada a aplicabilidade e a transferabilidade de funções de pedotransferência (FPT) para estimar os atributos hídricos do solo em escala de bacia quando aplicadas em escala de sub-bacia bem como sua habilidade em descrever a estrutura de variabilidade espacial desses atributos. O trabalho será desenvolvido a partir de atributos físico-hídricos e atributos topográficos determinados em uma transeção espacial de 25 km construída na Bacia Hidrográfica do Arroio Pelotas e em uma malha experimental a ser construída em uma sub-bacia do Arroio Pelotas. Em 100 pontos amostrais demarcados na transeção e na malha experimental, serão avaliados os seguintes atributos físico-hídricos do solo na camada de 0-0,20 m de profundidade: frações texturais, densidade do solo, porosidade total, macroporosidade, microporosidade, curva de retenção de água no solo, condutividade hidráulica do solo saturado e carbono orgânico. De posse do modelo digital de elevação hidrologicamente consistente da bacia e da sub-bacia serão obtidos em cada ponto amostral os atributos topográficos altitude, declividade, aspecto, curvatura, plano e perfil de curvatura. A estatística clássica será aplicada aos atributos do solo e aos topográficos para a obtenção das medidas de posição, de dispersão e da forma da dispersão. Para caracterizar e quantificar a estrutura de variabilidade espacial de cada atributo, funções de auto e crosscorrelação e de semivariância serão calculadas. Krigagem e Simulação Sequencial Gaussiana serão usadas para mapear a variabilidade dos atributos físico-hídricos do solo. A caracterização e quantificação das possíveis correlações espaciais entre os atributos físico-hídricos do solo e os atributos topográficos em diferentes escalas de frequência e de espaço serão avaliadas usando a análise em espaço de estados e em wavelets. Será avaliado o desempenho de FPTs já desenvolvidas no intuito de estimar os atributos hídricos do solo bem como avaliar sua capacidade de descrever a estrutura de dependência espacial destes atributos. O desempenho das FPTs será avaliado pelas medidas estatísticas erro médio, raiz quadrada do erro médio e coeficiente de determinação. A partir dos resultados espera-se a caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial de atributos físico-hídricos do solo e de atributos topográficos bem como do relacionamento entre eles em nível de escala de bacia e de sub-bacia hidrográfica; a seleção das FPTs para estimar os atributos hídricos do solo em escala de bacia quando aplicadas em escala de sub-bacia bem como sua habilidade em descrever a estrutura de variabilidade espacial desses atributos; e a publicação de artigos em periódicos científicos da área e resumos em congressos.

Objetivo Geral

O projeto tem como objetivo geral a aplicação de ferramentas estatísticas para caracterizar e quantificar a estrutura de variabilidade espacial de atributos físico-hídricos do solo e de atributos topográficos bem como do relacionamento entre eles em nível de escala de bacia e de sub-bacia hidrográfica. Além disso, será avaliada a aplicabilidade e a transferabilidade de funções de pedotransferência para estimar os atributos hídricos do solo em escala de bacia quando aplicadas em escala de sub-bacia bem como sua habilidade em descrever a estrutura de variabilidade espacial desses atributos.

Justificativa

Os atributos físico-hídricos, químicos e biológicos do solo variam amplamente no espaço. O material de origem e os fatores de formação do solo variam devido às suas características intrínsecas e como consequência os atributos do solo variam na paisagem. A intensidade dessa variação em uma área depende das condições ambientais e como estas atuam sobre os atributos do solo ao longo do tempo bem como o manejo adotado (VIEIRA & DECHEN, 2010).
A variabilidade espacial dos atributos do solo tem sido alvo de estudos desde o início do século XX. Inicialmente, a variabilidade era estudada por meio de ferramentas da estatística clássica, como média, variância e coeficiente de variação, sem considerar a posição das observações no espaço e recomendava-se o uso de métodos estatísticos clássicos, os quais, exigem que a variável sob investigação tenha distribuição normal e seja espacialmente independente (VIEIRA & DECHEN, 2010).
Ferramentas estatísticas da Análise de Séries Temporais/Espaciais (autocorrelogramas, crosscorrelogramas, modelos de espaço de estados, etc.) e da Geoestatística (semivariogramas, semivariogramas cruzados, krigagem, simulação geoestatística, etc.), que consideram a posição no espaço (ou no tempo) e a possível dependência entre as observações da variável em estudo, têm sido aplicadas no intuito de estudar a variabilidade das diferentes variáveis que compõem o sistema Solo-Planta-Atmosfera (REICHARDT & TIMM, 2020). Neste intuito, Nielsen & Wendroth (2003) sugerem uma amostragem ao longo de uma transeção e/ou de uma malha para avaliar a estrutura de variabilidade espacial ou temporal e as relações entre os atributos do solo.
A identificação e quantificação da variabilidade espacial e temporal constitui-se uma ferramenta valiosa, haja vista que permite definir o intervalo adequado de amostragem, reduzindo os custos do monitoramento de dados de campo, sobretudo em estudos associados à simulação hidrológica (HUPET & VANCLOOSTER, 2004; SCHNEIDER et al., 2008), dentre outros. A realização de estudos hidrológicos em bacias hidrográficas surge da necessidade de se compreender o funcionamento do balanço hídrico, dos processos que controlam o movimento, a quantidade e a qualidade da água (ANDRADE et al., 2013). Neste contexto, a
caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial e temporal dos atributos do solo tornam-se importantes para um melhor entendimento da dinâmica da água no sistema solo-planta-atmosfera.
Na maioria das situações, a aplicação de ferramentas da Análise de Séries Temporais/Espaciais no estudo da variabilidade espacial dos atributos do solo tem sido conduzida em pequenas áreas agrícolas e não em escala de bacia hidrográfica (BH), que tem sido a unidade adotada para o planejamento e gestão de recursos hídricos. Dentre as bacias hidrográficas localizadas no sul do estado do Rio Grande do Sul (RS), a do arroio Pelotas (BHAP) é estratégica para o desenvolvimento econômico e social da região, em particular para os municípios de Pelotas, Morro Redondo, Arroio do Padre, Capão do Leão e Canguçu. A BHAP é responsável pelo fornecimento de cerca de 50% da água usada para o abastecimento do município de Pelotas. Além do abastecimento de Pelotas, o Arroio Pelotas possui um valor histórico e cultural incalculável para a região sul do Rio Grande do Sul. Cabe ressaltar que o curso d’água principal da BHAP é importante afluente do canal São Gonçalo, o qual abastece o município de Rio Grande – RS e ainda é uma via navegável importante que liga a laguna dos Patos à Lagoa Mirim.
A importância econômica e social e a carência de estudos na bacia supracitada merecem atenção de pesquisadores em especial para estudos relacionados a um melhor entendimento do meio físico. Assim, este projeto visa a aplicação de ferramentas estatísticas no intuito de caracterizar e quantificar a variabilidade espacial dos atributos físico-hídricos do solo e dos atributos topográficos bem como do relacionamento entre eles em escala de bacia e de sub-bacia hidrográfica, possibilitando, por exemplo, a utilização de modelos hidrológicos na região visando o gerenciamento dos recursos hídricos, justificando a relevância da presente proposta de projeto de pesquisa.

Metodologia

-Bacia hidrográfica envolvida no estudo
Foi selecionada a bacia hidrográfica do Arroio Pelotas em virtude da importância econômica e social para a região sul do Rio Grande do Sul, em particular para os municípios de Pelotas, Morro Redondo, Arroio do Padre, Capão do Leão e Canguçu. Para este estudo foi considerada a área de drenagem à montante da seção de controle Ponte Cordeiro de Farias (BHAP-PCF), pertencente à bacia do Arroio Pelotas.
-Levantamento e processamento de dados básicos da bacia hidrográfica
Foi realizado um levantamento de informações básicas a qual servirá de apoio ao presente estudo, tais como: relevo, hidrografia e tipos de solos.
A partir destas informações foram elaborados o modelo digital de elevação (MDE) e o modelo digital de elevação hidrologicamente consistente (MDEHC). A partir do MDEHC foi possível delimitar a bacia hidrográfica e as suas sub-bacias.
A partir da utilização do mapa de solos e da delimitação da bacia hidrográfica, foi demarcada uma transeção de 25 km na BHAP-PCF, a partir da seção de controle da Ponte Cordeiro de Farias.
-Amostragem de solo ao longo da transeção espacial estabelecida na BHAP-PCF e atributos físico-hídricos determinados
A partir da transeção espacial de 25 km estabelecida na BHAP-PCF foram demarcados 100 pontos amostrais equidististantes entre si de 250 m ao longo da transeção. Em cada ponto da transeção foram coletadas amostras de solo deformadas, na camada representativa de 0,00 a 0,20 m, para determinar as frações texturais (argila, areia e silte) e o teor de carbono orgânico seguindo metodologias descritas, respectivamente, em Gee & Bauder (1986) e Tedesco et al. (1995). Também foram coletadas, em cada ponto da transeção e nessa mesma camada de solo, amostras com estrutura preservada em anéis com dimensões de 0,05 m x 0,047 m de altura e diâmetro, respectivamente, para determinar a densidade do solo, porosidade total, macro e microporosidade, de acordo com metodologias descritas em Embrapa (1997). Nas mesmas amostras preservadas e em cada ponto amostral foi determinada a condutividade hidráulica do solo saturado pelo método do permeâmetro de carga constante, seguindo metodologia descrita em Libardi (2012).
Para elaborar a curva de retenção de água no solo em cada ponto amostral, foram coletadas amostras de solo com estrutura preservada utilizando anéis com dimensões de 0,03 m x 0,047 m de altura e diâmetro, respectivamente. A metodologia descrita em Embrapa (1997) foi adotada para elaboração da curva de retenção em cada ponto amostral. Foram determinados os conteúdos de água volumétricos (θ) retidos nas tensões de 0, 1, 6, 10, 33, 100 e 1.500 kPa.
-Atributos topográficos obtidos em cada ponto amostral da transeção espacial
De posse do MDEHC da bacia foram obtidos os seguintes atributos topográficos em cada ponto amostral demarcado ao longo da transeção espacial: altitude, declividade, aspecto, curvatura, plano e perfil de curvatura.
-Análises estatísticas
Caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial de cada atributo estudado
Primeiramente, a estatística clássica será aplicada aos atributos do solo e aos topográficos para a obtenção das medidas de posição (média, mediana, etc.), de dispersão (amplitude total, desvio padrão, variância e coeficiente de variação) e da forma da dispersão (simetria e curtose). Também será aplicado o teste de Kolmogorov-Smirnov para verificar a normalidade de cada conjunto de dados.
Para caracterizar e quantificar a estrutura de variabilidade espacial de cada atributo ao longo da transeção espacial, será calculada a função de autocorrelação de cada série espacial com o objetivo de identificar a correlação que existe entre observações adjacentes de uma determinada variável. A possível correlação espacial que existe entre observações de duas variáveis será calculada por meio da função de crosscorrelação.
A partir da análise das funções acima descritas, pode-se verificar o potencial uso da abordagem de espaço de estados para descrever a distribuição espacial das observações ao longo do espaço bem como o relacionamento entre os atributos do solo e os topográficos.
Comparação do desempenho dos modelos de espaço de estados e dos modelos de regressão múltipla
Os desempenhos dos modelos de espaço de estados (modelos locais) serão comparados com os dos modelos de regressão estática múltipla (modelos globais) envolvendo o mesmo conjunto de variáveis físico-hídricas do solo e topográficas. Medidas estatísticas tais como coeficiente de determinação (R2), critério de informação de Akaike, erro médio, raiz quadrada do erro médio, etc. poderão ser usadas para avaliar e comparar o desempenho dos modelos construídos.
-Caracterização e quantificação das correlações espaciais entre os atributos do solo e os topográficos usando a análise em Wavelets
A caracterização e quantificação das correlações espaciais entre os atributos físico-hídricos do solo e os atributos topográficos em diferentes escalas de frequência e de espaço em escala de bacia hidrográfica será realizada por meio da análise em Wavelets, Wavelet Coherence e Multiple Wavelet Coherence.
-Avaliação da aplicabilidade e transferabilidade de Funções de Pedotransferência já desenvolvidas na literatura para estimar os atributos hídricos do solo
As funções de pedotransferência (FPTs) a serem avaliadas para estimar os atributos hídricos do solo serão do Tipo 2 (FPT pontual) e Tipo 3 (FPT paramétrica). No caso da FPT Tipo 2 serão estimados alguns pontos da curva de retenção de água [a serem selecionados (p.e., umidade na capacidade de campo, ponto de murcha permanente, etc.] enquanto que no da FPT Tipo 3 serão estimados os parâmetros da equação de Van Genuchten (1980), equação esta bastante usada e aceita na literatura para descrever a curva de retenção de água no solo. Também serão avaliadas FPTs para estimar a condutividade hidráulica do solo saturado. O desempenho das FPTs será avaliado pelas medidas estatísticas erro médio, raiz quadrada do erro médio, coeficiente de determinação, dentre outras. A capacidade das FPTs em descrever a estrutura de dependência espacial dos atributos hídricos será avaliada por meio de ferramentas da Geoestatística e da Análise de Séries Espaciais.
-Sub-bacia hidrográfica envolvida no estudo
Foi selecionada a sub-bacia hidrográfica do Arroio Pelotas denominada de Sanga do Ellert (SBHSE) em virtude da importância econômica e social para o município de Canguçu, onde predomina a agricultura familiar na maioria das propriedades rurais.
A partir da delimitação da sub-bacia hidrográfica, foi estabelecida inicialmente uma malha experimental de 100 pontos. Em cada ponto da malha experimental foram coletadas amostras de solo deformadas, na camada representativa de 0,00 a 0,20 m, para determinar as frações texturais (argila, areia e silte) e o teor de carbono orgânico seguindo metodologias descritas, respectivamente, em Gee & Bauder (1986) e Tedesco et al. (1995). Para elaborar a curva de retenção de água no solo em cada ponto amostral, foram coletadas amostras de solo com estrutura preservada utilizando anéis com dimensões de 0,03 m x 0,047 m de altura e diâmetro, respectivamente. A metodologia descrita em Embrapa (1997) foi adotada para elaboração da curva de retenção em cada ponto amostral, sendo determinados os conteúdos de água volumétricos (θ) retidos nas tensões de 0, 1, 6, 10, 33, 100 e 1.500 kPa. Também foram determinadas nessas amostras, a densidade do solo, porosidade total, macro e microporosidade, de acordo com metodologias descritas em Embrapa (1997). Em cada ponto amostral também foram coletadas amostras com estrutura preservada em anéis com dimensões de 0,05 m x 0,047 m de altura e diâmetro, respectivamente, para determinar a condutividade hidráulica do solo saturado pelo método do permeâmetro de carga constante, seguindo metodologia descrita em Libardi (2012). Os mesmos atributos físico-hídricos do solo serão determinados nos pontos amostrais correspondentes ao adensamento da malha experimental.
-Atributos topográficos obtidos em cada ponto amostral da malha experimental
De posse do MDEHC da sub-bacia foram obtidos os seguintes atributos topográficos em cada ponto amostral demarcado na malha experimental: altitude, declividade, aspecto, curvatura, plano e perfil de curvatura. Os mesmos atributos topográficos serão determinados nos pontos amostrais correspondentes ao adensamento da malha experimental.
-Caracterização e quantificação a estrutura de variabilidade espacial de cada atributo estudado
A estatística clássica será aplicada aos atributos do solo e aos topográficos para a obtenção das medidas de posição, de dispersão e da forma da dispersão.
A caracterização e identificação da estrutura de variabilidade espacial de cada atributo na malha experimental será realizada por meio de ferramentas da Geoestatística.
A Simulação Sequencial Gaussiana (SSG) será usada para a caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo saturado bem como as suas incertezas associadas. Será comparado o desempenho da SSG (abordagem estocástica) com a Krigagem (abordagem determinística). A partir da SSG, será avaliada a influência da variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo saturado sobre hidrogramas de escoamento superficial direto originados de eventos extremos de chuva, com base em simulação hidrológica pelo modelo LISEM (Limburg Soil Erosion Model) em escala de sub-bacia hidrográfica.
As FPTs a serem avaliadas para estimar os atributos hídricos do solo serão do Tipo 2 (pontual) e Tipo 3 (paramétrica). Também serão avaliadas FPTs para estimar a condutividade hidráulica do solo saturado. O desempenho das FPTs será avaliado pelas medidas estatísticas erro médio, raiz quadrada do erro médio, coeficiente de determinação, dentre outras. A capacidade das FPTs em descrever a estrutura de dependência espacial dos atributos hídricos será avaliada pela Geoestatística.

Indicadores, Metas e Resultados

-Caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial dos atributos físico-hídricos do solo e dos topográficos determinados ao longo da transeção espacial construída na Bacia do Arroio Pelotas;
-Caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial dos atributos físico-hídricos do solo e dos atributos topográficos em uma sub-bacia do Arroio Pelotas;
-Caracterização e quantificação da estrutura de variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo saturado bem como as suas incertezas associadas e avaliação da influência da variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo saturado sobre hidrogramas de escoamento superficial direto originados de eventos extremos de chuva, com base em simulação hidrológica pelo modelo LISEM (Limburg Soil Erosion Model) em escala de sub-bacia hidrográfica.
-Caracterização e quantificação das correlações espaciais entre os atributos físico-hídricos do solo e os topográficos, em diferentes escalas de frequência e de espaço, determinados ao longo da transeção espacial na Bacia do Arroio Pelotas usando análise em Wavelets e modelos de espaço de estados;
-Avaliação do potencial de aplicabilidade e de transferabilidade da(s) função(ões) de pedotransferência já desenvolvidas na literatura em estimar os atributos hídricos do solo na bacia e na sub-bacia do Arroio Pelotas e de sua capacidade de descrever a estrutura de dependência espacial destes atributos;
-Avaliação do potencial de aplicabilidade e de transferabilidade da(s) função(ões) de pedotransferência construída(s) na bacia do Arroio Pelotas para estimar os atributos hídricos do solo na sub-bacia do Arroio Pelotas e avaliação de sua capacidade de descrever a estrutura de dependência espacial destes atributos;
-Publicação de artigos em periódicos científicos da área e resumos em congressos.

RELEVÂNCIA E IMPACTO DO PROJETO PARA O DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO, TECNOLÓGICO OU DE INOVAÇÃO
A bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (BHAP) é estratégica para o desenvolvimento econômico e social da região sul do Estado do Rio Grande do Sul, em particular para os municípios de Pelotas, Morro Redondo, Arroio do Padre, Capão do Leão e Canguçu. Além do abastecimento de Pelotas, o Arroio Pelotas possui um valor histórico e cultural incalculável para a região sul do Rio Grande do Sul. Cabe ressaltar que o curso d’água principal da BHAP é importante afluente do canal São Gonçalo, o qual abastece o município de Rio Grande – RS e ainda é uma via navegável importante que liga a laguna dos Patos à Lagoa Mirim. Por outro a sub-bacia denominada de sanga Ellert (SBHSE) é uma bacia de cabeceira da bacia hidrográfica do arroio Pelotas, a qual é localizada inteiramente no município de Canguçu.
A população rural de Canguçu representa 65,6% da população total do município, correspondendo cerca de 19 mil agricultores, e sua economia é baseada na produção de fumo, milho, leite, suínos e aves, possuindo um dos maiores valores de produto interno bruto agrícola. Os agricultores desta região enfrentam problemas na conservação de suas terras, devido ao modelo de agricultura centrado no uso intensivo do solo, não associado ao uso de práticas conservacionistas. Esse problema associado à produção de fumo, em áreas de alta fragilidade ambiental (ex.: declividade acentuada e solos rasos), aumenta a suscetibilidade dos solos à degradação, diminuindo a sua qualidade, a conservação dos recursos naturais e, consequentemente, a capacidade produtiva.
Desta forma, o projeto visa suprir a carência de estudos na bacia do Arroio Pelotas e na sub-bacia de cabeceira da Sanga Ellert no intuito de uma melhor compreensão e entendimento da variabilidade espacial dos atributos do solo bem como do relacionamento entre eles e os fatores topográficos, possibilitando, por exemplo, dar suporte a utilização de modelos hidrológicos na região visando o gerenciamento dos recursos hídricos.
Este projeto está inserido dentro das atividades do Grupo de Pesquisa em Hidrologia e Modelagem Hidrológica em Bacias Hidrográficas da Universidade Federal de Pelotas (dgp.cnpq.br/dgp/espelhogrupo/7312439534927407) que vem desenvolvendo estudos em escala de bacia hidrográfica na região Sul do Estado do Rio Grande do Sul.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANGELO GARCIA COSTA
CLAUDIA LIANE RODRIGUES DE LIMA3
LUANA NUNES CENTENO
LUCIANA MARINI KOPP3
LUIS CARLOS TIMM2
LUIZ FERNANDO SPINELLI PINTO1
MAURICIO FORNALSKI SOARES
MIGUEL DAVID FUENTES GUEVARA
RODRIGO VALANDRO MAZZARO
SAMUEL BESKOW4
SERGIO LEAL FERNANDES1
TAMARA LEITZKE CALDEIRA BESKOW4
TONISMAR DOS SANTOS PEREIRA3
VITOR EMANUEL QUEVEDO TAVARES3

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