Simulações de chuva para medição e modelação da erosão do solo em áreas florestais recentemente ardidas

Abstract

Os incêndios florestais podem provocar um notável aumento das taxas de erosão. Os solos de áreas ardidas são mais susceptíveis a erosão devido a redução substancial do coberto do solo, por um lado, e, por outro, a alterações nas características físicas e químicas do próprio solo, como por exemplo a sua porosidade e repelência á água. O projecto EROSFIRE (POCTI/AGR/60354/2004), financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) e cofinanciado pelo FEDER, tem como principal objectivo o desenvolvimento de uma ferramenta que permite avaliar o risco de erosão do solo após um incêndio e poderá contribuir para uma gestão sustentável de áreas recentemente ardidas. Enquanto o modelo USLE é considerado o “model-to-beat”, por ter sido utilizado pelo INAG para o mapa de perdas de solos de 2003, o projecto aposta sobretudo em modelos mais modernos, baseados em processos físicos. Em particular o modelo MEFIDIS será aplicado para os três conjuntos de dados que estão a ser recolhidos no âmbito do EROSFIRE. Estes três conjuntos envolvem simulações de chuva à escala de micro-parcela (0,28m2 ), parcelas de erosão com a mesma dimensão que as das simulações de chuva e parcelas de erosão a escala de encosta. É de realçar que simulações de chuva constituem a principal técnica utilizada pelo EROSFIRE para a medição da escorrência e erosão, nomeadamente porque evita a grande incerteza que as condições meteorológicas impõem às parcelas de erosão. O presente trabalho tem como objectivo principal analisar e modelar, para dois eucaliptais, a produção de escorrência superficial e as perdas de sedimentos em várias campanhas de simulações de chuva durante o primeiro ano após um incêndio. A área de estudo está no concelho de Albergaria-a-Velha e foi atingida por um incêndio florestal no início de Julho de 2005. Seleccionaram-se como locais de estudo duas encostas; ambas plantadas com Eucalyptus globulus mas distintas no que diz respeito às práticas florestais anteriores ao incêndio. Uma encosta não foi lavrada e na outra foi seguindo as linhas de máxima pendente. Entre Setembro de 2005 e Julho de 2006, quatro campanhas de simulações de chuva foram efectuadas nas duas encostas, resultando em um conjunto de 34 simulações. A primeira campanha, em Setembro 2005, envolveu parcelas que foram amostradas e portanto perturbados após as respectivas experiências, enquanto as outras três campanhas envolveram sempre as mesmas parcelas (referidas a seguir como “parcelas fixas”). Excepto em alguns casos de avarias, cada campanha compreendeu quatro simulações de chuva em cada encosta, efectuadas em dois pares de parcelas localizados na parte superior e inferior da encosta. Cada par de simulações foi efectuado em simultâneo, uma das quais com uma intensidade elevada e a outra com uma intensidade extrema durante uma hora. Durante cada simulação mediu-se a quantidade de escorrência cada minuto, e recolheu-se, sempre que possível, cinco amostras de escorrência para determinar, no laboratório, as concentrações de sedimentos e matéria orgânica. Os simuladores de chuva são réplicas do desenhado por Cerdà et al. (1997) e foram calibrados no laboratório em várias ocasiões, assim que as intensidades elevadas e extremas variavam a volta de 40-45 e 80- 85 mm/h, respectivamente. Cada par de simulações envolveu ainda a amostragem, numa terceira parcela, das condições iniciais no que diz respeito às variáveis consideradas mais relevantes para a modelação da resposta hidrológica e de erosão como, por exemplo, a profundidade do solo, a sua humidade (sensor “Theta”) e repelência à água (teste de etanol). A produção de escorrência é sobretudo muito significativa durante as duas primeiras campanhas de simulações de chuva, em Setembro (77% de média)e Novembro de 2005. Há uma clara sugestão da importância da intensidade de chuva artificial nas taxas de erosão, mas os valores médios (14.4 g/m2 ) são baixos em comparação com estudos anteriores em Portugal. Sobretudo no que diz respeito à escorrência, conseguem-se bons resultados com MEFIDIS. No entanto, as simulações realizadas sob condições hidrófobas requerem que o efeito da repelência do solo à água seja “emulado”, tendo sido precisso calibrar o modelo para dois parâmetros de carácter hidráulico (conductividade hidráulica e potencial de sucção do solo) e mais um de carácter erosivo (resistência do solo ou “soil shear strenght”).

The forest fires can provoke a notable increase of the erosion taxes. The soils of burning areas are prone to erosion due to a substantial reduction of the covered of the soil, on one side, and, for other, to alterations in the physical and chemical characteristics of the soil, for example the porosity and repellence. The EROSFIRE project (POCTI/AGR/60354/2004), financed by the Foundation for the Science and the Technology (FCT) and co-financed by FEDER, has as main objective the development of a tool that allows to evaluate the risk of erosion of the soil after a fire and it can contribute to a maintainable administration of areas recently burning. While the USLE model is considered like the "model-to-beat", for it being used by INAG for the map soil "Losses after forest fires of the Summer of 2003", the project it bets in more modern models, based on physical processes. MEFIDIS will be applied for the three groups of data that are to be collected in EROSFIRE. These three groups involve rainfall simulations at the micro-plot scale (0,28m2 ), erosion plots with the same dimension that rse´s and open plots at slope scale. Rainfall simulations experiences constitute the main technique used by EROSFIRE for runoff and erosion measurements, namely because it avoids the great uncertainty that the meteorological conditions impose to the erosion portions. The present work has as main objective to analyze and model, for two eucalypts sites, the runoff and sediment production in several campaigns of rainfall simulations during the first year after the fire. The study area is in the Albergaria-a-Velha municipality and it was reached by a forest fire in the beginning of July of 2005. Two slopes planted with Eucalyptus globulus were selected like study area, one slope was not ploughed and the other one has vertical ploughing. Between September of 2005 and July of 2006, four rainfall simulations campaigns were carried out in the two places, resulting in a group of 34 simulations. The first campaign, in September 2005, involved plot sampling, while the other three campaigns always involved the same plots, without sampling (referred as "fixed plots"). Except mechanical problems, eight rse´s were carried out (four by site); in each slope in two pairs of plots located in the superior and inferior part of each site. Each pair of simulations was effectuated in simultaneous, one with high rainfall intensity and the other with an extreme intensity during one hour. During each simulation the amount of runoff every minute was measured, and whenever possible, five runoff samples were taken to determine in the laboratory, the sediments yield and organic matter. The rainfall simulators are similar to the drawn by Cerdà et al. (1997) and were calibrated at the laboratory in several occasions. The high and extreme intensities varied between 40-45 and 80-85 mm/h, respectively. Each pair of rainfall simulations still involved the sampling, in a third plot (control), of the initial conditions such soil depth, moisture (sensor "Theta") and repellence (Ethanol test), considered more relevant variables in what concerns to hydrologic and erosion answer of the model. The runoff production is above all very significant during the first two campaigns of rse´s, in September (77% mean) and November of 2005. There is a clear suggestion of the importance of the intensity of artificial rain in the erosion taxes, but the mean values (14.4 g/m2 ) are low in comparison with previous studies in Portugal. Runoff modelling was reasonably good with MEFIDIS. However, the simulation campaigns carried out under soil water repellent conditions request that the effect of repellence must be "emulated", having been needed to calibrate the model for two hydraulic parameters (hydraulic conductivity and capillarity pressure) and one more with erosive character (soil shear strenght).