UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS UNIIVER SIDADE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL FEDER AL DE PERNA MBUCO CENTR O DE TECNO LOGIA ESTUDOS EH IDROLÓGICOS EM MICROBACIAS COM GEOCIÊ NCIAS DIFERENTES USOS DO SOLO NA SUB-BACIA DO PROGR AMA DE PÓS-- ALTO NATUBA-PE GRADU AÇÃO EM TECNO LOGIA AMBIEN TAL E RECUR SOS FELIPE ALCÂNTARA DE ALBUQUERQUE HÍDRIC OS o ORIENTADOR: Ricardo Augusto Pessoa Braga Co-ORIENTADOR: Paulo Frassinete de Araujo Filho Dissertação de Mestrado Recife, 2010 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS ESTUDOS HIDROLÓGICOS EM MICROBACIAS COM DIFERENTES USOS DO SOLO NA SUB-BACIA DO ALTO NATUBA-PE FELIPE ALCÂNTARA DE ALBUQUERQUE Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Pessoa Braga Co-Orientador: Prof. Dr. Paulo Frassinete de Araujo Filho Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil, área de concentração Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, do Centro de Tecnologia e Geociências da Universidade Federal de Pernambuco, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre, defendida no dia 22 de dezembro de 2010. Recife, 2010 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL FELIPE ALCÂNTARA DE ALBUQUERQUE Dissertação de Mestrado 22 de Dezembro de 2010 Ricardo Augusto Pessoa Braga (Orientador) Abelardo Antônio de Assunção Montenegro (Externo) Paulo Tadeu Ribeiro de Gusmão (Interno) Paulo Frassinete de Araujo Filho (Interno) Vicente de Paula Silva (Suplente Externo) Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral (Suplente Interno) 3 Dedicatória Dedico este trabalho à minha família que perseverou sobre a própria existência no tempo, sobrevivendo à incansável perseguição ao povo Judeu. Aqui chegamos sem nada e com muito trabalho somos donos de nosso próprio chão e destino, construindo um futuro para todos e não só alguns. ‘A fragilidade perante estarmos expostos a vários outros eventos nos recorda que também fazemos parte do meio natural e dele dependemos e correspondemos’ 4 Agradecimentos Todos nós sempre questionamos em algum momento da vida o porquê das coisas acontecerem como acontecem e quais os significados que elas trazem para nós. Quem somos, é uma prerrogativa ligada intimamente ao ambiente que nos cerca, mas talvez dependa mais ainda das nossas escolhas. A vida segue altos e baixos com inúmeros obstáculos. Às vezes são pedras pequenas, mas a maioria das pessoas tem que lidar com pedras gigantes no caminho. E qual a solução? Seguir em frente trabalhando muito como se tudo dependesse disso. Por isso que nós, como seres humanos, somos realizadores do nosso destino, ainda que exista um limite para cada ser. Isso me leva ao ponto de partida, onde lembro de que a primeira pessoa a ser agradecida é D’us. Sem esquecer o detalhe mais importante de todos, é preciso saber e conceber a importância das pessoas, como minha avó mesma sempre diz: Homem algum é uma ilha. As pessoas que escolhemos para serem nossos amigos são a base de quem somos realmente, dividindo o nosso ser, em duas partes distintas: quem somos a partir da família e quem somos a partir da sociedade. Então agradeço a minha família por me ensinar a viver de forma honesta e digna, respeitando seja quem for e de que classe social for. Obrigado pela educação moral, social e pelo carinho. Agradeço aos meus amigos os quais estiveram incondicionalmente me apoiando nos momentos tensos e me dando força para continuar a trilhar o caminho certo. Agradeço aos mais próximos, Caius, André, Fernando, Igor e a todos os outros de igual importância. 5 Obrigado aos amigos do GRH, PRODEMA e LSA que estiveram em suporte à minha pessoa, contribuindo com sabedoria e amizade. Agradeço a Albert, Leidjane, Dayana, Pedro, Anderson, Osvalcélio, Laércio, Lopes, Kildare, Janaina, Valquíria, Fernanda, Graciele, Glauber, Freire, Sara, Manuela, Cristiane, Tiago, Jéssica, Milena, Marcelo Aquino, Doutor Coelho, Larissa, Prof. Paulo Tadeu e Ronaldo. Agradeço aos meus grandes professores formadores, Prof. Jaime Cabral, Profa Suzana Montenegro, Prof. Roberto Azevedo, Prof. Alfredo Ribeiro, Prof. Ricardo Braga e Prof. Paulo Frassinete. Especialmente aos meus orientadores e amigos Ricardo Braga e Paulo Frassinete, que me ensinaram, participaram e formaram junto a mim, uma equipe perseverante para conclusão deste trabalho. Ao Cnpq pela concessão da bolsa de mestrado. A Sociedade Nordestina de Ecologia (SNE) por me incluir no projeto, Nascentes do Natuba, financiado pelo Fundo Nacional do Meio Ambiente - FNMA e por proporcionar toda a logística possível para a realização do trabalho. Obrigado aos amigos da SNE, Raquel, Marcelo, Leonardo, Josenaldo, Ana Gama, Leandro, Ari, Carlos Eduardo e Caca. 6 Resumo ESTUDOS HIDROLÓGICOS EM MICROBACIAS COM DIFERENTES USOS DO SOLO NA SUB-BACIA DO ALTO NATUBA-PE Resumo: A qualidade e quantidade da água de uma microbacia podem ser influenciadas pelo clima, a cobertura vegetal, a topografia, a geologia, o tipo e o uso do solo na bacia hidrográfica. O objetivo deste estudo foi conhecer o comportamento hidrológico de microbacias em condições diferenciadas de uso do solo, na Zona da Mata de Pernambuco, relacionando estes diferentes tipos de uso do solo em resposta à vazão da microbacia durante os eventos de chuva, e, como esse processo interfere nos padrões de qualidade da água. Foram estabelecidas 3 microbacias experimentais: Natuba 1 de uso e cobertura naturais, Natuba 2 de uso e cobertura mista e Natuba 3 de uso e cobertura antropizada. Foram realizados estudos fisiográficos das microbacias, o levantamento das espécies e estudo de DAP, monitoramento da qualidade da água e estudo de Chuva-Vazão através dos equipamentos de medição hidrometeorológicos. A precipitação observada no período chuvoso superou os valores médios históricos dos postos de monitoramento vizinhos, sendo junho o mês responsável por 34,67% de toda precipitação prevista até o fim de 2010. Tendo como base a resolução CONAMA 357/2005 os parâmetros de qualidade pH, Turbidez, Nitrato, Sólidos totais e coliformes apresentaram condição de Classe Especial nas 3 microbacias. Isso demonstra que esta sub-bacia do rio Natuba não apresenta forte incidência de poluentes. O estudo da vazão específica mostrou que em Natuba 3 observaram-se os maiores valores de vazão em litros por segundo em unidades de Km2 comparando-se às outras microbacias. A partir dos principais eventos de precipitação foi possível se observar que ocorreu uma atenuação dos picos de vazão diretamente proporcional a complexidade vegetacional. Assim como, foi possível observar que áreas com maior cobertura natural ajudaram a regularizar a vazão de forma mais eficiente. Dessa forma fica visível a prestação do serviço ambiental hidrológico por parte da cobertura vegetal, sendo assim, necessário que em áreas prioritárias de produção agrícola haja a máxima conservação florestal, objetivando a preservação do recurso hídrico. Palavras Chaves: Uso do Solo, Vazão, Qualidade da Água, Serviços Ambientais. 7 Abstract Abstract: The quality and quantity of water from a watershed may be influenced by the climate, vegetation, topography, geology, type and land use in the watershed. The aim of this study was the hydrology of catchments in different conditions of land use in the Forest Zone of Pernambuco, relating these different types of land use in response to the streamflow of the watershed during rain events, and as this process interferes with the standards of water quality. Three experimental watersheds were established: Natuba 1 natural use and cover, Natuba 2 mixed use and land cover and Natuba 3 disturbed use and cover. Physiographic studies were conducted of the watersheds, a survey of species and study of DAP, monitoring of water quality and study of rain- streamflow through the meteorological measurement equipment. The observed precipitation in the rainy season exceeded the historical average of neighboring monitoring stations, and in June the month accounted for 34.67% of all precipitation expected by the end of 2010. Based on the Resolution CONAMA 357/2005 quality parameters pH, turbidity, nitrate, coliform and total solids present condition of the Special Class on the three watersheds. This demonstrates that this sub-basin of the river Natuba not show strong impact of pollutants. The study showed that the specific streamflow in Natuba 3 we observed the highest flow values in liters per second units km2 compared to other watersheds. From the main precipitation events could be observed that there was an attenuation of peak flows directly proportional to vegetation complexity. Like, it was observed that areas with higher natural cover helped regularize the flow more efficiently. Thus visible environmental service provision by the hydrological vegetation, therefore, necessary that in the priority areas of agricultural production there is the greatest forest conservation in the preservation of water resources. Key words: Land use, Streamflow, Quality water monitoring, Environmental Service. 8 Sumário RESUMO ...................................................................................................................................................... 7 ABSTRACT .................................................................................................................................................. 8 SUMARIO ................................................................................................................................................... 9 LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................................. 11 LISTA DE QUADROS............................................................................................................................. 15 LISTA DE TABELAS .............................................................................................................................. 16 LISTA DE APÊNDICES ......................................................................................................................... 17 1- INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 18 1.1-CONTEXTUALIZAÇÃO DO ESTUDO ......................................................................................... 18 1.2 OBJETIVOS DA PESQUISA............................................................................................................ 23 2- REVISÃO TEMÁTICA ....................................................................................................................... 24 2.1- A BACIA HIDROGRÁFICA ................................................................................................................. 24 2.2- O CICLO HIDROLÓGICO E O BALANÇO HÍDRICO .............................................................................. 26 2.3- ESCOAMENTO SUPERFICIAL ............................................................................................................ 28 2.4- URBANIZAÇÃO E ESCOAMENTO SUPERFICIAL ................................................................................. 29 2.5- INFLUÊNCIA DA COBERTURA VEGETAL ........................................................................................... 31 2.6- GEOPROCESSAMENTO: SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA................................................... 32 2.8- ESTRUTURAS DE MONITORAMENTO HIDRÁULICO (VERTEDOUROS E BUEIROS) .............................. 33 2.8- MODELAGEM ................................................................................................................................... 34 2.9- QUALIDADE DA ÁGUA ..................................................................................................................... 35 2.10- VARIÁVEIS DA QUALIDADE DA ÁGUA ........................................................................................... 37 2.10.1- Potencial Hidrogeniônico (pH) ............................................................................................ 37 2.10.2- Temperatura ......................................................................................................................... 37 2.10.3- Turbidez: ............................................................................................................................... 37 2.10.4- Sólidos Totais ....................................................................................................................... 38 2.10.5- Oxigênio Dissolvido ............................................................................................................. 39 2.10.6- Condutividade Elétrica ......................................................................................................... 39 2.10.7- Nitrogênio ............................................................................................................................. 40 2.10.8- Fósforo ................................................................................................................................. 41 2.10.9- Coliformes totais ................................................................................................................... 41 2.10.10- Coliformes fecais ................................................................................................................ 42 2.11- INSTRUMENTOS DE GESTÃO EM RECURSOS HÍDRICOS ................................................................... 42 3 - MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................................... 44 3.1 - ÁREA ESTUDADA............................................................................................................................ 44 3.2 - ESTUDO FÍSIOGRÁFICO DAS MICROBACIAS .................................................................................... 51 3.2.1 - Forma da microbacia ............................................................................................................ 52 3.2.2 - Índice de compacidade (Kc) .................................................................................................. 53 3.2.3 - Declividade da microbacia .................................................................................................... 53 3.2.4 - Curva Hipsométrica .............................................................................................................. 53 3.2.5 - Elevação média da bacia ....................................................................................................... 54 3.2.6 - Densidade de Drenagem ........................................................................................................ 54 3.3 – ESTUDO E CARACTERIZAÇÃO DA COBERTURA DO SOLO ................................................................ 55 3.4 - ESTUDO DO COMPORTAMENTO PLUVIOMÉTRICO ............................................................................ 58 3.5 - ESTUDO DO COMPORTAMENTO FLUVIOMÉTRICO ............................................................................ 59 3.6 - EQUIPAMENTOS DE MONITORAMENTO HIDROMETEOROLÓGICO .................................................... 68 3.7 - QUALIDADE DAS ÁGUAS ................................................................................................................ 76 4 - RESULTADOS .................................................................................................................................... 79 9 4.1 - CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS MICROBACIAS ............................................................. 79 4.1.2 – Alto Natuba ........................................................................................................................... 79 4.1.3 – Microbacia do Natuba 1 ....................................................................................................... 80 4.1.4 – Microbacia do Natuba 2 ....................................................................................................... 80 4.1.5 – Microbacia do Natuba 3 ....................................................................................................... 81 4.2 – USO DO SOLO E COBERTURA VEGETAL ............................................................................. 82 4.2.1 – Microbacia Natuba 1 ............................................................................................................ 82 4.2.2 – Microbacia Natuba 2 ............................................................................................................ 84 4.2.3 – Microbacia Natuba 3 ............................................................................................................ 86 4.3 - QUALIDADE DA ÁGUA ................................................................................................................ 89 4.3.1 – MICROBACIA NATUBA 1 ............................................................................................................. 89 4.3.2 – MICROBACIA NATUBA 2 ............................................................................................................. 96 4.3.3 – MICROBACIA NATUBA 3 ........................................................................................................... 103 4.4 - FATORES COMPARATIVOS E RELEVANTES ÀS TRÊS MICROBACIAS ................................................ 111 4.5 – ANÁLISE DE CONFORMIDADE ...................................................................................................... 116 4.6 – ANÁLISE DE CONDIÇÃO ............................................................................................................... 118 4.7 – ANÁLISE DE DEPENDÊNCIA .......................................................................................................... 122 5 – QUANTIDADE DA ÁGUA ............................................................................................................. 124 5.1 – CHUVAS ....................................................................................................................................... 124 5.2 – VAZÃO ......................................................................................................................................... 134 5.2.1 – Microbacia Natuba 1 .......................................................................................................... 134 5.2.2 – Microbacia Natuba 2 .......................................................................................................... 136 5.2.3 – Microbacia Natuba 3 .......................................................................................................... 140 5.3 – ESTUDO COMPARATIVO DO COMPORTAMENTO DA VAZÃO DECORRENTE DOS EVENTOS CHUVOSOS SOBRE AS MICROBACIAS EXPERIMENTAIS ............................................................................................. 144 5.3.1 - Evento 27/06/10 a 30/07/10 ................................................................................................. 144 5.3.2 - Evento 12/07/10 a 14/07/10 ................................................................................................. 145 5.3.3 - Evento 06/08/10 a 10/08/10 ................................................................................................. 146 5.3.4 - Evento 20/08/10 a 24/08/10 ................................................................................................. 147 5.3.5 - Evento 13/09/10 a 15/09/10 ................................................................................................. 148 5.4 – VAZÃO ESPECÍFICA MENSAL ........................................................................................................ 149 6 – DISCUSSÃO ..................................................................................................................................... 151 6.1 - QUALIDADE DA ÁGUA .............................................................................................................. 151 6.1.1 - TEMPERATURA .......................................................................................................................... 152 6.1.2 – PH ............................................................................................................................................. 153 6.1.3 – TURBIDEZ ................................................................................................................................. 154 6.1.4 – OXIGÊNIO DISSOLVIDO ............................................................................................................. 154 6.1.5 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA ...................................................................................................... 155 6.1.6 – FOSFATO ................................................................................................................................... 156 6.1.7 – NITRATO ................................................................................................................................... 157 6.1.8 – SÓLIDOS TOTAIS ....................................................................................................................... 157 6.1.9 – COLIFORMES TERMOTOLERANTES ............................................................................................ 158 6.2 - QUANTIDADE DA ÁGUA ........................................................................................................... 159 6.2.1 – COMPORTAMENTO PLUVIOMÉTRICO ......................................................................................... 159 6.2.2 – COMPORTAMENTO FLUVIOMÉTRICO ......................................................................................... 160 7 – SERVIÇOS AMBIENTAIS GERADOS ........................................................................................ 162 8 – CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES FINAIS .......................................................................... 164 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................................... 166 APÊNDICES ........................................................................................................................................... 176 10