Hidrologia de Matas Ciliares

Walter de Paula Lima; Maria José Brito Zakia.

1. Introdução

A Hidrologia Florestal pode ser entendida como a área do conhecimento humano que se preocupa com o manejo ambiental da microbacia hidrográfica. Neste sentido, tendo a água como enfoque central, esta definição implica numa visão integrada ou ecossistêmica de manejo dos recursos naturais, a qual transcende aos interesses fragmentados de diferentes disciplinas e setores.

A bacia hidrográfica é um sistema geomorfológico aberto, que recebe energia através de agentes climáticos e perde através do deflúvio. A bacia hidrográfica como sistema aberto pode ser descrita em termos de variáveis interdependentes, que oscilam em torno de um padrão e desta forma, uma bacia mesmo quando não peturbada por ações antrópicas, encontra-se em equilíbrio dinâmico (LIMA, 1994).

E desta forma caso venha a ocorrer qualquer modificação no recebimento ou na liberação de energia, ou uma modificação na forma do sistema, ocorrerá uma mudança compensatória que tende a minimizar o efeito da modificação e restaurar o estado de equilíbrio dinâmico (LEOPOLD et al, 1964; GREGORY & WALLING, 1973).

O conceito de microbacia é um tanto vago; primeiro, porque não há um limite de tamanho para a sua caracterização, e em segundo lugar, porque há que se fazer distinção entre dois critérios: (LIMA,1994)

a) Do ponto de vista hidrológico as bacias hidrográficas são classificadas em grandes e pequenas não com base em sua superfície total, mas nos efeitos de certos fatores dominantes na geração do deflúvio. Define-se "microbacia" como sendo aquela cuja área é tão pequena que a sensibilidade a chuvas de alta intensidade e às diferenças de uso do solo não seja suprimida pelas características da rede de drenagem.

b) Do ponto de vista de programas e políticas de uso do solo de recente estabelecimento no país - os programas de manejo de microbacias: o critério de caracterização da microbacia, neste caso, é eminentemente político e administrativo.

E neste capítulo , sempre que usarmos o termo microbacia hidrográfica estaremos nos reportando ao conceito hidrológico, exposta em a).

Quanto às matas ciliares, os seus valores do ponto de vista do interesse de diferentes setores de uso da terra são bastante conflitantes: para o pecuarista, representam obstáculo ao livre acesso do gado à água; para a produção florestal, representam sítios bastante produtivos, onde crescem árvores de alto valor comercial; em regiões de topografia acidentada, proporcionam as únicas alternativas para o traçado de estradas; para o abastecimento de água ou para a geração de energia, representam excelentes locais de armazenamento de água visando garantia de suprimento contínuo (BREN, 1993).

Sob a ótica da hidrologia florestal, por outro lado, ou seja, levando em conta a integridade da microbacia hidrográfica, as matas ciliares ocupam as áreas mais dinâmicas da paisagem, tanto em termos hidrológicos, como ecológicos e geomorfológicos. Estas áreas têm sido chamadas de Zonas Ripárias: (MORING et al., 1985), ( ELMORE & BESCHTA, 1987), ( DeBANO & SCHMIDT, 1989), (LIKENS, 1992), (NAIMAN et al., 1992), (FRANKLIN, 1992), (GREGORY et al., 1992), (BREN, 1993).

A zona ripária está intimamente ligada ao curso d'água, mas os seus limites não são facilmente demarcados. Em tese, os limites laterais se estenderiam até o alcance da planície de inundação. Todavia, os processos físicos que moldam continuamente os leitos dos cursos d'água, que vão desde intervalos de recorrência curtos das cheias anuais, até fenômenos mais intensos das enchentes decenais e seculares, impõem, também, a necessidade de se considerar um padrão temporal de variação da zona ripária (GREGORY et al., 1992). O limite a montante, por exemplo, seria a nascente, mas durante parte do ano a zona saturada da microbacia se expande consideravelmente, o que implica na necessidade de se considerar também as áreas côncavas das cabeceiras ("stream-head hollows") como parte integrante da zona ripária.

Devido a esta elevada frequência de alterações que ocorrem na zona ripária, a vegetação que ocupa normalmente esta zona (mata ciliar) deve, em geral, apresentar uma alta variação em termos de estrutura, composição e distribuição espacial. Esta variação deve ocorrer tanto ao longo do curso d'água, refletindo variações de micro-sítios resultantes da dinâmica dos processos fluviomórficos, que resultam em trechos característicos de deposição de sedimentos, assim como trechos característicos de erosão fluvial. Lateralmente, as condições de saturação do solo diminuem à medida que se distancia do canal, o que deve, também, influenciar a composição das espécies.

Do ponto de vista ecológico, as zonas ripárias têm sido consideradas como corredores extremamente importantes para o movimento da fauna ao longo da paisagem, assim como para a dispersão vegetal. Além das espécies tipicamente ripárias, nelas ocorrem também espécies típicas de terra firme, e as zonas ripárias, desta forma, são também consideradas como fontes importantes de sementes para o processo de regeneração natural (TRIQUET et al., 1990), (GREGORY et al., 1992). Por outro lado , trabalhos em andamento mostram que na área de mata ciliar algumas espécies de terra firme não ocorrem, o que faz com que a idéia de "corredor" tenha que ser visto sob esta nova perspectiva (KAGEYAMA et al, 1996).

Esta função ecológica já é, sem dúvida, razão suficiente para justificar a necessidade da conservação das zonas ripárias. A isto, deve-se somar a função hidrológica das zonas ripárias na manutenção da integridade da microbacia hidrográfica, representada por sua ação direta numa série de processos importantes para a estabilidade da microbacia, para a manutenção da qualidade e da quantidade de água, assim como para a manutenção do próprio ecossistema aquático.

2. Função Hidrológica da Zona Ripária

A zona ripária desempenha sua função hidrológica através do seguintes processos principais (STEINBLUMS et al., 1984), (PLATTS et al., 1987), (ELMORE & BESCHTA, 1987) , (LIMA, 1989), GREGORY et al., 1992), (BREN, 1993):

2.1) Geração do escoamento direto em microbacias: escoamento direto é o volume de água que causa o aumento rápido da vazão de microbacias durante e imediatamente após a ocorrência de uma chuva.

O conhecimento (ainda incompleto) dos mecanismos pelos quais a microbacia reage à ocorrência de uma chuva através do escoamento direto é uma das grandes contribuições das pesquisas em microbacias experimentais. Esta área de estudos tem sido tão intensa a ponto de resultar no desenvolvimento de uma sub-disciplina - a Hidrologia de Vertentes ("Hillslope Hydrology") (KIRKBY, 1978), (ANDERSON & BURT, 1990).

Desde os trabalhos pioneiros de Horton publicados a partir de 1933 (HORTON, 1940), prevaleceu a teoria de que o escoamento direto era basicamente produzido pelo escoamento superficial que ocorre toda vez que a intensidade da chuva exceda a capacidade de infiltração do solo, e que toda a água da chuva que se infiltra no terreno alimenta o lençol freático, para depois deixar a microbacia na forma de escoamento base. Mais ainda, segundo esta teoria, o escoamento superficial assim gerado (hoje referido como escoamento superficial hortoniano) provinha de todas as partes da microbacia (CHORLEY, 1978).

Na realidade, o modelo de Horton, a não ser para microbacias do semi-árido, com solos rasos e desprovidos de vegetação, não funciona bem para a quantificação do escoamento direto em microbacias de clima úmido. Por exemplo, BETSON (1964) usou o modelo de Horton para a predição do escoamento direto em microbacias e verificou que o modelo só se ajustava com a multiplicação dos resultados por um fator de correção que variou de 0,046 a 0,858. Segundo o autor, esta necessidade mostrou que o escoamento hortoniano ocorria apenas numa fração da microbacia (4,6 a 85,8%) e usou a expressão "área parcial" para este fenômeno. Na realidade, tem sido verificado que a área parcial não é fixa, mas varia com a duração e a intensidade da chuva, e com as condições de umidade antecedente, sugerindo-se que a expressão mais adequada seria "área variável parcial de contribuição" (CHORLEY, 1978).

Desta forma, apenas parte da microbacia contribui, efetivamente, para o escoamento direto de uma chuva. Nos dois primeiros exemplos de áreas parciais, o processo que ocorre foi denominado de "escoamento superficial de áreas saturadas", o qual ocorre mesmo que a intensidade da chuva seja inferior à capacidade de infiltração do solo. Parte deste processo pode ocorrer na forma de interfluxo lateral. Portanto, não se trata de escoamento hortoniano. Sob certas condições o escoamento superficial de áreas saturadas é o principal componente do escoamento direto (CHORLEY, 1978).

O estudo de hidrogramas de microbacias experimentais de regiões montanhosas permitiu o estabelecimento, no início da década de 60, do conceito de "área variável de afluência"(A.V.A.) (HEWLETT & HIBBERT, 1967). O desenvolvimento deste conceito deveu-se ao fato de que nestas microbacias revestidas de boa cobertura florestal o deflúvio não é produzido ao longo de toda a superfície da microbacia. Ao contrário, o deflúvio nestas condições está sob a influência de uma área de origem dinâmica, uma vez que sofre expansões e contrações (daí o nome "área variável") , e que normalmente representa apenas uma fração pequena da área total da microbacia (Figura 1).

Durante uma chuva, a área da microbacia que contribui para a formação do deflúvio resume-se aos terrenos que margeiam a rede de drenagem, sendo que nas porções mais altas da encosta a água da chuva tende principalmente a infiltrar-se e escoar até o canal mais próximo através de processo sub-superficial. (LIMA, 1995) .

Figura 1 - Visualização do conceito de "área variável de afluência" (AVA) na geração do deflúvio em microbacias. (HEWLETT & HIBBERT,1967)

Com o prolongamento da chuva, estas áreas de origem tendem a se expandir, não apenas em decorrência da expansão da rede de drenagem, como também pelo fato de que áreas críticas da microbacia, tais como áreas saturadas, áreas de solo mais raso, etc. participam da geração do escoamento direto.

A sequência apresentada na Figura 2 permite uma melhor visualização deste processo dinâmico do conceito da área variável de afluência.

Figura 2 - Ilustração do conceito de "área variável de afluência" no processo de geração do escoamento direto de uma chuva em microbacia. (HEWLETT & HIBBERT, 1967)

Em microbacias de clima úmido, (principalmente àquelas com cobertura florestal) o escoamento superficial ("hortoniano") raramente ocorre, a não ser em partes isoladas da microbacia, onde existem condições de baixa infiltração ; ficando restrito , conforme ilustraram as duas figuras anteriores , ao longo da área variável de afluência, que se encontra, normalmente, sempre em condições de saturação.
Nas demais partes da microbacia, como já foi dito anteriormente, a água da chuva tende antes a se infiltrar, alimentando o escoamento sub-superficial, que por ser rápido participa também do escoamento direto da chuva.
Ainda LIMA(1995), em trabalho sobre hidrologia de matas ciliares, destaca que nas áreas com boas condições de cobertura vegetal, a ocorrência de escoamento superficial hortoniano ao longo de todas as partes da microbacia é rara ou mesmo ausente. Por outro lado, áreas parciais da microbacia podem produzir escoamento superficial mesmo quando a intensidade da chuva seja inferior à capacidade de infiltração média para a microbacia como um todo; e estas áreas são:

a) zonas saturadas que margeiam os cursos d'água e suas cabeceiras, as quais podem se expandir durantes chuvas prolongadas (zonas ripárias);

b) concavidades do terreno, para as quais convergem as linhas de fluxo, como as concavidades frequentemente existentes nas cabeceiras (também parte da zona ripária);

c) áreas de solo raso, com baixa capacidade de infiltração.

E assim, apenas parte da microbacia contribui, efetivamente, para o escoamento direto de uma chuva. Nas situações (a) e (b) o processo que ocorre foi denominado de "escoamento superficial de áreas saturadas", o qual ocorre mesmo que a intensidade da chuva seja inferior à capacidade de infiltração do solo. Parte deste processo pode ocorrer na forma de interfluxo lateral, e portanto, não se trata de escoamento hortoniano. (CHORLEY, 1978).

2.2) Quantidade de água: tem sido demonstrado que a recuperação da vegetação ciliar contribui para com o aumento da capacidade de armazenamento da água na microbacia ao longo da zona ripária, o que contribui para o aumento da vazão na estação seca do ano (ELMORE & BESCHTA, 1987). Esta verificação permite, talvez, concluir a respeito do reverso. Ou seja, a destruição da mata ciliar pode, a médio e longo prazos, pela degradação da zona ripária, diminuir a capacidade de armazenamento da microbacia, e consequentemente a vazão na estação seca.

2.3) Qualidade da água: o efeito direto da mata ciliar na manutenção da qualidade da água que emana da microbacia tem sido demonstrado com mais facilidade em diversos experimentos. Esta função da zona ripária é, sem dúvida, de aplicação prática imediata para o manejo de microbacias (KUNKLE, 1974).

A zona ripária, isolando estrategicamente o curso d'água dos terrenos mais elevados da microbacia, desempenha uma ação eficaz de filtragem superficial de sedimentos (AUBERTIN & PATRIC, 1974), (KARR & SCHLOSSER, 1978), (SCHLOSSER & KARR, 1981), (BAKER, 1984), (MORING et al., 1985), (BORG et al., 1988), (ADAMS et al., 1988), (ICE et al., 1989), (MAGETTE et al., 1989).

BARTON & DAVIES (1993) demonstraram que a zona ripária protegida pode também diminuir significativamente a concentração de herbicidas nos cursos d'água de microbacias tratadas com tais produtos.

A maior parte dos nutrientes liberados dos ecossistemas terrestres chega aos cursos d'água através de seu transporte em solução no escoamento sub-superficial. Ao atravessar a zona ripária, tais nutrientes podem ser eficazmente retidos por absorção pelo sistema radicular da mata ciliar, conforme tem sido demonstrado em vários trabalhos (AUBERTIN & PATRIC, 1974), (PETERJOHN & CORRELL, 1984), (FAIL et al., 1987), (DILLAHA et al., 1989), ( MAGETTE et al., 1989), (MUSCUTT et al., 1993).

Como já afirmado, os limites da zona ripária do ponto de vista geomorfológico, não são facilmente delimitados, mas podem variar bastante ao longo da microbacia e principalmente entre diferentes microbacias, em função das diferenças de clima, geologia e solos. Um outro critério de delimitação da extensão da zona ripária seria o do ponto de vista ecológico, como função de corredor de fluxo gênico ao longo da paisagem, assim como visando atender às dimensões mínimas que garantam a sua sustentabilidade.

Esta função de retenção de nutrientes e sedimentos como garantia de proteção da qualidade da água, por outro lado, define o critério hidrológico de dimensionamento da faixa ripária. Não existe ainda nenhum método definitivo para o estabelecimento da largura mínima da faixa ripária que possibilite uma proteção satisfatória do curso d'água (BREN, 1993). FLANAGAN et al (1989), por exemplo, desenvolveram algumas equações de estimativa da largura mínima baseadas em parâmetros hidráulicos.

CLINNICK (1985), por outro lado, elaborou uma revisão exaustiva sobre o uso e a eficácia de diferentes larguras de faixa ciliar visando a proteção do curso d'água em áreas florestais da Austrália. Embora encontrando grande variação de critérios e larguras utilizadas, o autor concluiu que a largura mais recomendada para tal finalidade é de 30 metros.

2.4) Ciclagem de nutrientes: como já comentado, o efeito de filtragem de particulados e de nutrientes em solução proporcionado pela zona ripária confere, também, significativa estabilidade em termos do processo de ciclagem geoquímica de nutrientes pela microbacia.

2.5) Interação direta com o ecossistema aquático: existe uma interação funcional permanente entre a vegetação ripária, os processos geomórficos e hidráulicos do canal e a biota aquática. Esta interação decorre, em primeiro lugar, do papel desempenhado pelas raízes na estabilização das margens. A mata ciliar, por outro lado, abastece continuamente o rio com material orgânico e, inclusive, com galhos e, às vezes, até troncos caídos. Este material orgânico, para cumprir sua função como fonte nutricional para a biota aquática, deve ser retido. A rugosidade das margens proporcionado pela mata ciliar e pela queda destes galhos e troncos (resíduos grosseiros) favorecem este processo de retenção, por obstruirem o fluxo d'água, criando zonas de turbulência e zonas de velocidade diminuída, consequentemente favorecendo o processo de deposição de partículas e sedimentos, e criando, também, micro habitats favoráveis para algums organismos aquáticos. Um terceiro aspecto desta interação resulta da atenuação da radiação solar proporcionada pela mata ciliar, favorecendo o equilíbrio térmico da água e influenciando positivamente a produção primária do ecossistema lótico (GREGORY et al., 1991), (BESCHTA, 1991).

3. Função Ecológica da Zona Ripária

Neste tópico vale a pena diferenciar a produção de água em microbacias com diferentes usos de solo. Considerando microbacias onde o uso da terra não tenha favorecido o surgimento de áreas compactadas ou impermeáveis nas quais poderia ocorrer escoamento superficial hortoniano durante as chuvas, as zonas ripárias desempenham, papel hidrológico fundamental na geração do escoamento direto e por esta razão tais áreas devem estar permanentemente protegidas pela vegetação ciliar.
Em resumo, o escoamento direto (Qd) de uma chuva em microbacias com cobertura florestal de clima úmido é basicamente o resultado dos seguintes processos: (LIMA, 1993)

a) precipitação direta nos canais;

b) escoamento superficial "Hortoniano";

c) escoamento superficial de áreas saturadas;

d) escoamento sub-superficial; e

e) expansão da área variável de afluência.

A figura 3 mostra um esquema sobre as condições em que o deflúvio é influenciado mais pelo processo "hortoniano" ou pela"A.V.A. e a consequência sobre a função da mata ciliar e conseguentemente sbre a difernciação entre mata ciliar e mata de terra firme. Note que este é um esquema da função hidrológica da mata ciliar.

Figura 3 - Esquema comparativo entre os processos que influenciam na geração do defluvio e na presença de matas ciliares mais diferenciadas ou não da mata de terra firme . (modificado a partir de DUNNE,1978)

Esta diferença de e na disponibilidade de água em diferentes regiões da microbacia e que determina a existência da mata ciliar, nos leva a pensar na mata ciliar, ou melhor na zona ripária como um ecossistema , e então aparece o conceito de função ecológica da zona ripária, cujo modelo conceitual é apresentada na figura 4.

Figura 4 - Esquema conceitual de uma área ripária (modificado a partir de LIKENS,1992)

Destes dois últimos esquemas apresentados (figuras 3 e 4) pode-se construir um terceiro esquema (figura 5), onde buscou-se juntar a conceituação das duas funções da mata ciliar aqui apresentadas, a função hidrológica (a mata protegendo o curso d’água) e a função ecológica (a mata protegendo a biodiversidade).

Este esquema é apenas conceitual e não pode ser considerado como definitivo devendo ser aprimorado conforme mais estudos forem sendo realizados.

Figura 5 - Esquema comparativo entre os processos que influenciam no deflúvio e conseguências na presença de matas ciliares mais diferenciadas ou não da mata de terra firme

4. Prioridades de Pesquisa em Hidrologia de Zonas Ripárias

Procurou-se, no presente capítulo, fazer uma abordagem resumida da importância da zona ripária - e da vegetação que nela ocorre - do ponto de vista integrado da microbacia hidrográfica.

As informações disponíveis na literatura mostram que as zonas ripárias, pelo só aspecto de sua função hidrológica, como elemento indispensável para a manutenção do funcionamento hidrológico da microbacia, assim como da estabilidade do ecossistema aquático, e de valores ecológicos da paisagem, deveriam ter prioridades em termos de alocação de recursos para pesquisas.

Mais importante ainda, mostram, também, que o conhecimento acumulado está ainda longe de ser completo. Todavia, embora iniciados recentemente (década passada), os estudos em zonas ripárias vêm ganhando ímpeto em muitos países.

Nas nossas condições, as informações disponíveis são ínfimas, e os estudos já iniciados têm dado ênfase principalmente a aspectos florísticos e fisionômicos de remanescentes de matas ciliares, assim como ao estabelecimento de modelos de recomposição de matas ciliares. Não restam dúvidas de que se tratam de linhas importantes de trabalho, para dar imediatamente início à recuperação de microbacias degradadas, assim como para acumular informações quantitativas sobre esse ecossistema.
Além disto, é preciso também iniciar trabalhos dentro do enfoque da microbacia, como resumidamente apresentado, na busca da caracterização da zona ripária, de suas variações com as condições locais, de sua interação com a geomorfologia, com a geologia e com o regime de chuvas, e principalmente com a vegetação ripária.

Este enfoque tem importância por pelo menos uma razão simples: êle é de conotação prática imediata, já que as informações serão, sem dúvida, úteis para nortear o manejo dos recursos naturais, ou seja, o uso da terra para atender as necessidades do homem, dentro de normas ambientais, isto é, que garantam a perpetuação de valores hidrológicos (qualidade e quantidade da água), ecológicos (biodiversidade) e estéticos da paisagem.

Ao longo deste enfoque, no nosso país o campo encontra-se totalmente inexplorado. Dentro da caracterização da zona ripária, por exemplo, medições hidrológicas em microbacias experimentais, com o objetivo de desenvolver modelos de geração do escoamento direto, aliado a medições isoladas dos componentes deste escoamento ao longo das encostas, das propriedades hidrológicas do solo nas áreas saturadas, e do aspecto dinâmico da zona ripária.

O critério hidrológico de estabelecimento da largura mínima de faixa ciliar na zona ripária visando garantir a proteção dos cursos d'água é, também, outra linha importante dos trabalhos em microbacias experimentais.

Mais importante, finalmente, é a busca do conhecimento integrado destes aspectos hidrológicos com a vegetação que ocupa as zonas ripárias. Qual a relação entre a zona ripária, a mata ciliar e o ecossistema aquático ? É claro que esta pergunta genérica não ajuda muito em termos de delinear linhas de trabalho, nem tampouco vai ter resposta definitiva tão cedo. Mas a Figura mostrada anteriormente pode pelo menos ilustrar um pouco a idéia desta interação e, talvez, fornecer algumas perspectivas de trabalhos integrados em zonas ripárias.

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