Otimização de zonas de vegetação para minimizar a perda de solos em bacias hidrográficas

Abstract

As práticas de uso e as alterações da cobertura natural dos solos durante as últimas décadas causaram grandes impactos ecológicos-ambientais nas bacias hidrográficas. O aumento da erosão hídrica é um dos principais problemas e afeta diretamente tanto o solo quanto a água, causando prejuízos em sistemas econômicos e perdas ambientais. Desta forma, torna-se imprescindível a adoção de medidas estratégicas para a mitigação imediata dos impactos ambientais e de planejamento a longo prazo para recuperar as bacias hidrográficas. Os recursos comumente disponíveis em um Sistema de Informações Geográficas (SIG) permitem obter, de forma automática, informações hidrológicas fundamentais, permitindo uma abordagem eficiente e contemplativa dos diversos fatores envolvidos na modelagem da erosão e no planejamento da sua mitigação. O modelo Unit Stream Power Based Erosion Deposition (USPED) prediz a distribuição espacial da erosão e da deposição de sedimentos utilizando o conceito de potência do escoamento, que relaciona a taxa de trabalho com o gasto de energia para determinar a taxa de transporte de sedimentos em condições de equilíbrio. A aplicação da teoria da potência do escoamento em paisagens de topografia complexa, baseando-se em análise de terreno em ambiente SIG, possibilitaram a utilização dos modelos de erosão e transporte de sedimentos para diversas regiões ao redor do mundo. O correto estabelecimento de barreiras físicas, com o intuito de proteger o solo e os recursos hídricos, não deve ser feito arbitrariamente. Desta forma, a proposição de zonas de vegetação para melhorar a qualidade da água de forma otimizada é tema de diversos estudos. A metaheurística algoritmo genético é um algoritmo de busca estocástico inspirado na evolução muito utilizado para esta finalidade. Considerando a bacia hidrográfica como um todo e a otimização em nível de célula do raster para encontrar o melhor arranjo possível, efetuou-se uma restauração de precisão. Os resultados obtidos mostraram um ganho de até 52% na redução da perda de solos perante o cenário inicial. A solução obtida na otimização foi superior à opção de recuperar as áreas que mais sofrem erosão, demonstrando que uma abordagem considerando o efeito conjunto das ações ao longo da bacia possuem maior eficácia do que aquelas baseadas localmente, e.g. recuperar áreas que mais sofrem erosão.Land use and cover changes over the last few decades have caused major ecological and environmental impacts on river basins. The increase of water erosion is one of the main problems and directly affects both soil and water, causing damages in economic systems and environmental losses. In this way, it is essential to adopt strategic measures for the immediate mitigation of environmental impacts and long-term planning to recover the watersheds. The resources commonly available in a Geographic Information System (GIS) provide, in an automatic way, fundamental hydrological information, allowing an efficient and contemplative approach of the several factors involved in the erosion modeling and the planning of its mitigation. The Unit Stream Power Based Erosion Deposition (USPED) model predicts the spatial distribution of erosion and sediment deposition using the stream power concept, which relates the work rate to the energy expenditure to determine the sediment transport rate in steady state conditions. The application of stream power theory in complex topography landscapes, based on GIS analysis, allowed the use of erosion and sediment transport models for several regions around the world. The correct establishment of physical barriers to protect soil and water resources, should not be done arbitrarily. In this way, the proposal of vegetation zones to improve water quality in an optimized way is the subject of several studies. The metaheuristic genetic algorithm is a stochastic search algorithm inspired by evolution widely used for this purpose. Considering the river basin entirely, and a raster`s cell-level optimization approach to find the best possible arrangement, we performed a precision restoration. The results showed a 52% reduction of soil loss compared to the initial scenario. The solution obtained from the optimization method was superior to the option to recover the areas that suffer the most erosion, demonstrating that an approach considering the joint effect of the actions along the basin is more effective than those based locally, e.g. recovering areas that suffer the most erosion.