Recarga de Aquíferos: subsídios à
gestão hídrica e ambiental – Bacia
do Rio Paracatu (SF-7)
Doutorando: Vitor Vieira Vasco...
Objetivo Geral
• Apresentar métodos de avaliação de recarga e
descarga de aquíferos que podem servir de
subsídio para gest...
Contexto de Pesquisa
• Grupo de Pesquisa sobre a Bacia do Rio
Paracatu: 2002 – atual.
• Instituições
– UFOP
– CETEC-MG
– I...
Epistemologia
• Recarga de aquíferos como eixo de ligação
entre as Políticas de Meio Ambiente e de
Recursos Hídricos.
• In...
O que está faltando nos diagnósticos
ambientais tradicionais?
• Relações topológicas
– Circulação Hídrica:
• Superficial
•...
Caracterização Ambiental da Bacia do
Rio Paracatu
• Localização
• Litoestratigrafia
• Geologia Estrutural
• Geomorfologia
...
Litoestratigrafia Croquis Estruturais
Estruturas Rúpteis e Dúcteis
Geomorfologia
Análise de AgrupamentoAltimetria Declividade
Solos
Densidade de Bifurcação e DrenagemHidrografia
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e de corpos de água
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Vegetação e Uso do Solo
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Estudos Aplicados
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Metodologia de Atuação Local
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1 – Vale do Rio da Areia; 2 – Serrinha; 3 – Chapada da Serra ...
ATRIBUTO
POTENCIALIDADEDERECARGA
(QUANTIDADEDEÁGUA)
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ATRIBUTO
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(QUALIDADEDAÁGUA)
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Fossa negra
Lixão
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Diagnósticos Locais de Potencialidade e
Segurança de Recarga
Delimitação de Áreas de Favorabilidade de
Recarga e Análise de Impacto Ambiental
Bacia de Entre-Ribeiros
Pluviosidade
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Aplicação do Filtro de Chapman e Maxwell (1996), com parâmetro α = 0,925, para os
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1996, utilizando o filtro Bflow (Lyne e...
Modelagem de Sistemas Hídricos por
Mínimos Quadrados Parciais - PLS
• 25 observações – 2 eixos multivariados de explicação...
Atributo
VariáveisIndependentes
Variáveis morfométricas: altitude, altitude normalizada, altitude padronizada,
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Resultados do Modelo PLS
Regressão Modelo sem fluxos
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Padrão
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Predito Corrigido com desvio
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• Coeficientes
• Coeficientes Padronizados
• Desvio Padrão dos Coeficientes Padronizados
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Fluxo
Rápido
Altitude de Encosta , Altitude em relação aos Rios,
Altitude Normalizada, ...
• Vales próximos aos rios
– Maior fluxo rápido e fluxo total
– Menor Fluxo de Base e Interfluxo
– Relação mais acentuada e...
Análise Integrada
- Delimitação de áreas mais relevantes para
recarga de aquíferos
• Relevância das áreas altimetricamente...
Análise Integrada
• Diferenças entre potencial de infiltração e
contribuição para fluxo de base:
– Contribuição inter-baci...
Obrigado
Vitor Vieira Vasconcelos
Pós-Graduação em Evolução Crustal e
Recursos Naturais – DEGEO/UFOP
vitor.v.v@gmail.com
Recarga de Aquíferos: subsídios à gestão hídrica e ambietnal
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Defesa de Tese apresentada como pré-requisito de doutoramento na Pós-Graduação em Recursos Naturais e Evolução Crustal do Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. Objetivo geral: Propor como incluir os processos de recarga e descarga de aquíferos dentro dos procedimentos de estudo, gestão e tomada de decisão ambiental dentro dos Instrumentos da Política Nacional de Meio Ambiente. Objetivos Específicos: Desenvolver metodologia de estudo de recarga de aquíferos para instrumentos de planejamento regional.
Apresentam-se ferramentas metodológicas para caracterização espacial dos processos de recarga e descarga de aquíferos em múltiplas escalas de abordagem como subsídio para instrumentos de gestão das políticas de recursos hídricos e de meio ambiente. Esses métodos consistem em: diagnóstico expedito de recarga de aquíferos em contextos locais; caracterização espaço-temporal da dinâmica de ocupação do solo em áreas com maior favorabilidade de recarga; caracterização cartográfica de favorabilidade de recarga de aquíferos; mapeamento da contribuição de vazão específica para componentes de fluxo (rápido, interfluxo e base); modelagem espacial da influência dos atributos ambientais sobre os componentes de fluxo. Os métodos foram aplicados na Bacia do Rio Paracatu, afluente do Rio São Francisco. Os resultados são interpretados de maneira interescalar e oferecem informações úteis para o uso sustentável dos recursos hídricos e a ocupação do solo.

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Recarga de Aquíferos: subsídios à gestão hídrica e ambietnal

  1. 1. Recarga de Aquíferos: subsídios à gestão hídrica e ambiental – Bacia do Rio Paracatu (SF-7) Doutorando: Vitor Vieira Vasconcelos Orientador: Prof. Dr. Paulo Pereira Martins Junior Coorientadores: Prof. Dr. Renato Moreira Hadad (PUC-Minas) Prof. Dr. Sucharit Koontanakulvong (Chulalongkorn University) Março de 2014
  2. 2. Objetivo Geral • Apresentar métodos de avaliação de recarga e descarga de aquíferos que podem servir de subsídio para gestão e tomada de decisão ambiental dentro dos Instrumentos das Políticas Públicas de Meio Ambiente e de Recursos Hídricos.
  3. 3. Contexto de Pesquisa • Grupo de Pesquisa sobre a Bacia do Rio Paracatu: 2002 – atual. • Instituições – UFOP – CETEC-MG – IGA – PUC-Minas
  4. 4. Epistemologia • Recarga de aquíferos como eixo de ligação entre as Políticas de Meio Ambiente e de Recursos Hídricos. • Interdisciplinaridade no estudo e gestão da circulação hídrica • Avaliação Crítica dos Instrumentos Jurídicos Existentes
  5. 5. O que está faltando nos diagnósticos ambientais tradicionais? • Relações topológicas – Circulação Hídrica: • Superficial • Subsuperficial • Subterrânea – Geossistemas – Ecossistemas Drenabilidade do solo • Dinâmica temporal de uso do solo e da circulação hídrica • Integração entre os estudos e as necessidades de gestão da bacia
  6. 6. Caracterização Ambiental da Bacia do Rio Paracatu • Localização • Litoestratigrafia • Geologia Estrutural • Geomorfologia • Pedologia • Integração entre Rochas, Geoformas e Solos • Climatologia • Vegetação e Uso do Solo • Hidrogeologia
  7. 7. Litoestratigrafia Croquis Estruturais Estruturas Rúpteis e Dúcteis
  8. 8. Geomorfologia Análise de AgrupamentoAltimetria Declividade Solos
  9. 9. Densidade de Bifurcação e DrenagemHidrografia Padrões de Drenagem Densidades de surgências e de corpos de água
  10. 10. Pluviosidade Regiões Homogêneas de Sistemas Hídricos Vegetação e Uso do Solo Rochas Portadoras de Sistemas Aquíferos
  11. 11. Estudos Aplicados • 5 métodos: – Diagnóstico Expedito de Áreas de Recarga em Contextos Locais – Caracterização Espaço-Temporal da Dinâmica de Ocupação em Áreas de Maior Favorabilidade de Recarga de Aquíferos – Caracterização Cartográfica de Favorabilidade de Recarga de Aquíferos – Mapeamento da Contribuição de Vazão Específica e Componentes de Fluxo – Modelagem Espacial da Influência dos Atributos Ambientais nos Componentes de Fluxo
  12. 12. Metodologia de Atuação Local
  13. 13. Diagnósticos Locais de Potencialidade e Segurança de Recarga 1 – Vale do Rio da Areia; 2 – Serrinha; 3 – Chapada da Serra do Boqueirão; 4 – Serra do Sabão; 5 – Serra das Araras; 6 – Lagoas do Rio da Prata; 7 – Captação do Córrego da Bica; 8 – Captação do Ribeirão dos Órfãos; 9 – Chapadão do Pau Terra.
  14. 14. ATRIBUTO POTENCIALIDADEDERECARGA (QUANTIDADEDEÁGUA) Vegetação na área de recarga (infiltração menos evapotranspiração) Caatinga Campo Cerrado Cerradão Floresta Decídua Caatinga Arbórea Cultura permanente Cultura temporária Área desmatada Floresta Semidecídua Mata Ciliar Vegetação Higrófita ou Hidrófila Floresta Ombrófila 1,3 1,1 0,9 0,8 0,7 Declividade (infiltração) Plano 0-3% Suave-Ondulado 3-8% Ondulado 8-20% Forte-Ondulado 20-45% Escarpado > 45% 2,5 1,5 1 0,5 0,25 Solos (drenagem) Neossolos Quartzarênicos (solos arenosos profundos) Latossolos (solos não arenosos profundos) Cambissolos (solos rasos) Solos de horizonte B textural (solos com camada argilosa) ou plíntico (enrijecido) Neossolos litólicos (solos muito rasos, com afloramentos rochosos) Solos hidromórficos e aluviais 6 2,5 1 0,6 0,3 Geologia (potencial hídrico do aquífero) Arenito (porosos profundos) Acamamento detrito- laterítico (porosos rasos) Karst Basáltico Fissurado 3 2,2 1,4 0,9 0,7 Tipologia de Recarga e Surgência Sumidouros e Ressurgência kárstica Vereda Dolinas Nascente de contato litológico ou artesiana Nascente de fratura Nascente intermitente 1,5 1,3 1,2 0,8 0,4 Uso do Solo (compactação e impermeabilização) Nativo Cultura permanente Cultura temporária Pastagem Solo Exposto Urbano Industrial 1,5 0,8 0,5 0,3 0,1 Técnicas de conservação do solo e da água Barragens de Captação Terraceamento Camalhões em curvas de nível Plantio Direto Sem técnicas 3 1,5 1,4 1,2 1
  15. 15. ATRIBUTO PROTEÇÃOSOBREARECARGA (QUALIDADEDAÁGUA) Fontes de poluição Esgoto não tratado Esgoto tratado Fossa negra Lixão Mineração (metais) Fossa séptica Aterro sanitário Pocilga Curral Granja Mineração (não-metais) Pastagem Plantação 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Distância da fonte de poluição à surgência (autodepuração subsuperficial e subterrânea) Despejo direto 1-5 metros 6-25 metros 26-50 metros Poluição Difusa > 50 metros Poluição Difusa 0,1 0,2 0,5 0,8 1 Posição topográfica da fonte de poluição em relação à surgência (Profundidade do nível freático) Várzea Vale Fluvial Encosta Topo de elevação (Relevo ondulado ou montanhoso) Tabuleiro em altitude 0,2 0,4 1 4 10 Transmissão no solo (autodepuração subsuperficial) Solos hidromórficos e aluviais Neossolos litólicos (solos muito rasos, com afloramentos rochosos) Neossolos Quartzarênicos (solos arenosos profundos) Cambissolos (solos rasos) Solos de horizonte B textural (solos com camada argilosa) Latossolos (solos não arenosos profundos) 0,1 0,3 0,5 1 3 Transmissão do aquífero (autodepuração subterrânea) Kárstico (sumidouros e ressurgências) Kárstico (dutos) Basáltico Aluvial Fraturado Poroso 0,3 0,5 0,6 1 3 Processos Erosivos Voçorocas Ravinas Sulcos Laminar Sem erosão 0,8 0,85 0,9 0,95 1 Assoreamento Sedimentos não permitem a água aflorar Mais de 50% da largura do leito com sedimentos aflorantes Bancos de sedimento aflorando no leito Sedimentos no fundo do leito Sem assoreamento (menos de 5% do fundo do leito) 0,6 0,75 0,9 1 1,2 Vegetação no entorno da surgência (função tampão e filtragem biológica) Sem vegetação, com solo impermeabilizado ou compactado Sem vegetação, com solo permeável Até 5 metros de floresta Até 10 metros de cerrado Campo 5-30 metros de florestas > 10 metros de cerrado > 30 metros de floresta 0,25 0,5 0,75 1 1,5 Técnicas de conservação do solo e da água Sem técnicas Plantio Direto Camalhões em curvas de nível Terraceamento Barragens de Captação 1 1,3 1,7 2 3
  16. 16. Diagnósticos Locais de Potencialidade e Segurança de Recarga
  17. 17. Delimitação de Áreas de Favorabilidade de Recarga e Análise de Impacto Ambiental
  18. 18. Bacia de Entre-Ribeiros
  19. 19. Pluviosidade
  20. 20. Classes 1975 Variação 1975-1989 (%) 1989 Variação 1989-2008 (%) 2008 Variação 1975-2008 (%) Hectare % Hectare % Hectare % Agricultura Tradicional Agricultura Irrigada Pecuária Assentamentos Reflorestamento Área Alagada Cerrado Mata 3287,91 0,00 58564,34 0,00 0,00 6011,93 285968,28 42300,10 0,83 0,00 14,78 0,00 0,00 1,52 72,19 10,68 +1189,18 - +83,01 - - -69,12 -32,23 -14,50 42387,22 14743,63 107181,11 0,00 0,00 1856,74 193797,94 36168,39 10,70 3,72 27,06 0,00 0,00 0,47 48,92 9,13 +135,47 +165,41 +7,72 - - -61,79 -55,72 +17,66 99808,69 39131,38 115452,98 11426,19 1230,89 709,38 85821,77 42555,09 25,20 9,88 29,14 2,88 0,31 0,18 21,66 10,74 +2935,63 - +97,14 - - -88,20 -69,99 +0,60 Sub-Total Antrópico 61852,25 15,61 +165,65 164311,96 41,48 +62,53 267050,13 67,41 +331,75 Sub-Total Nativo 334280,32 84,39 -30,65 231823,07 58,52 -44,32 129086,24 32,59 -61,38 Total 396132,57 100,00 396135,03 100,00 396136,36 100,00 Área, Porcentagem e Variação Temporal da Ocupação da Bacia de Entre-Ribeiros.
  21. 21. Classes 1975 Variação 1975- 1989(%) 1989 Variação 1989-2008 (%) 2008 Variação 1975-2008 (%)Hectare % Hectare % Hectare % Agricultura Tradicional Agricultura Irrigada Pecuária Assentamentos Reflorestamento Área Alagada Cerrado Mata 277,25 0,00 7274,44 0,00 0,00 124,99 48555,24 6212,83 0,44 0,00 11,65 0,00 0,00 0,20 77,76 9,95 +1244,57 - +112,95 - - 0,00 -21,15 -26,65 3727,76 256,51 15491,11 0,00 0,00 124,99 38287,76 4557,05 5,97 0,41 24,81 0,00 0,00 0,20 61,31 7,30 +108,26 +2150,62 +60,75 - - 0,00 -75,60 +6,78 7763,27 5773,15 24901,27 9674,50 0,00 124,99 9341,92 4866,17 12,43 9,25 39,88 15,49 0,00 0,20 14,96 7,79 +2700,14 +242,31 - - 0,00 -80,76 -21,68 Sub-Total Antrópico 7551,69 12,09 +157,89 19475,38 31,19 +147,04 48112,19 77,05 +537,10 Sub-Total Nativo 54893,06 87,91 -21,72 42969,79 68,81 -66,64 14333,08 22,95 -73,89 Total 62444,75 100,00 62445,17 100,00 62445,27 100,00 Área, Porcentagem e Variação Temporal da Ocupação das Áreas Prováveis de Recarga da Bacia de Entre-Ribeiros.
  22. 22. Visão integrada: Ocupação do Solo X Recarga de Sistemas Hídricos • Agricultura Irrigada e Tradicional deslocam pecuária para as cabeceiras (planas ou onduladas) • Assentamentos de Reforma Agrária nas áreas preferencias de recarga de aquífero
  23. 23. Cartografia de Favorabilidade de Recarga de Aquíferos
  24. 24. Ponderação dos atributos das Unidades Hidrológicas de Paisagem Altitude em relação ao nível de nascentes Abaixo de -5 metros; Descarga De -5 a +5 metros Flutuação do contato freático De +5 a +20 metros Transiência Acima de +20 metros Recarga 0,7 0,85 1,6 2,25 Altitude em relação ao curso d’água de jusante Abaixo de +10 metros Descarga De +10 a +20 metros Flutuação do contato freático De +20 a +40 metros Transiência Acima de +40 metros Recarga 0,7 0,85 1,6 2,25
  25. 25. Solos (drenagem) Neossolos Quartzarênicos Latossolos Cambissolos Solos de horizonte B textural ou plíntico Neossolos litólicos Solos hidromórficos e aluviais 6 2,5 1 0,6 0,3 Litoestratigrafia (potencial de recarga do aquífero) Aquíferos porosos profundos Aquíferos porosos rasos Karst Kárstico/fissurad o Fissurado 3 2,2 1,4 1,1 0,7 Declividade (infiltração) Plano 0-3% Suave-Ondulado 3-8% Ondulado 8-20% Forte-Ondulado 20-45% Escarpado > 45% 2,5 1,5 1 0,5 0,25 Ponderação preliminar da Drenagem de Solos e do Potencial de Recarga de Aquíferos X Pluviosidade (em mm/ano) / 1000
  26. 26. Modelagem de Sistemas Hídricos 1. Estimativa dos componentes de vazão (Base, Interfluxo, Fluxo Rápido) 2. Mapeamento da contribuição específica dos componentes de vazão 3. Mapeamento de atributos ambientais 4. Regressão sobre as influências dos atributos ambientais nos componentes de vazão 5. Mapeamento de contribuição dos atributos ambientais para os componentes de vazão
  27. 27. Quantificação de Componentes de Vazão por Meio de Filtros Recursivos 1. Escolha das estações fluviométricas i. Período 1976-2000: 23 estações. ii. Outras 2 estações com períodos mais curto 2. Testes de Estacionariedade e Correlação 3. Preenchimento de Falha i. Escolha das Estações de Apoio ii. Desagregação por período chuvoso e período seco iii. Preenchimento de Falhas por Maximização da Expectância e por Imputação Múltipla 4. Separação do fluxo de base por filtros recursivos i. Mapa de vazão específica de Fluxo de Base, Interfluxo, Fluxo Rápido e Vazão total
  28. 28. Preenchimento de falhas no período chuvoso da Estação 42251000 por Maximização de Expectativa (EM) e por Imputação Múltipla (MI).
  29. 29. Preenchimento de falhas no período chuvoso da Estação 42250000 por EM e por MI
  30. 30. Integrado ao restritor lógico para evitar sobre-estimação de vazão
  31. 31. Hidrograma Conceitual
  32. 32. Aplicação do Filtro de Chapman e Maxwell (1996), com parâmetro α = 0,925, para os dados de vazão diária da Estação 42290000, ano hidrológico de 1976.
  33. 33. Separação do Interfluxo e do Fluxo de Base da estação 42860000, ano hidrológico de 1996, utilizando o filtro Bflow (Lyne e Hollick, 1979).
  34. 34. Modelagem de Sistemas Hídricos por Mínimos Quadrados Parciais - PLS • 25 observações – 2 eixos multivariados de explicação • Variáveis • independentes: Atributos Ambientais • dependentes: Componentes de Vazão • Análise de Agrupamento das variáveis • Comparação de modelos: • Sem fluxos regionais • Com fluxos regionais • Regionalização de Vazão para a foz do Paracatu • Mapas de vazão específica ponderados para fluxo de base, interfluxo, fluxo rápido e vazão total • Análise gráfica e cartográfica das variáveis
  35. 35. Atributo VariáveisIndependentes Variáveis morfométricas: altitude, altitude normalizada, altitude padronizada, balanço de massas, altitude de encosta, declividade, declividade acumulada de drenagem, curvatura, módulo da curvatura, índice de convergência, índice de rugosidade, índice de rugosidade vetorial, dispersão de fluxo, índice topográfico de umidade, índice topográfico de escoamento subsuperficial, fator de visão do céu, fator de visão de terreno, visibilidade do céu, insolação total anual, aquecimento anisotrópico diurno, índice de barlavento predominante (NEE), índice de sotavento predominante (NEE), índice de efeito do vento predominante (NEE), força efetiva do vento predominante (NEE) Variáveis morfométricas de drenagem: nível de base, nível de nascentes, altura ao curso de água, altura ao nível de base, distância horizontal ao curso de água, distância ao exutório (foz) da bacia Distância a Estruturas Rúpteis Pluviosidade anual média Atributos de Poços Perfurados (vazão de estabilização, vazão específica, nível dinâmico, rebaixamento) Variáveis Espaciais (latitude, longitude, distância à borda) Variável Dependente Vazão Total, Fluxo de Base, Interfluxo e Fluxo Rápido
  36. 36. Resultados do Modelo PLS Regressão Modelo sem fluxos regionais Modelo com fluxos regionais R2 Q2 Desvio Padrão R2 Q2 Desvio Padrão Vazão total 0.35 -0.10 0.84 0.84 0.73 0.42 Fluxo rápido 0.40 -0.12 0.81 0.76 0.43 0.51 Interfluxo 0.40 -0.04 0.81 0.43 -0.12 0.79 Fluxo de Base 0.35 -0.21 0.85 0.84 0.67 0.42
  37. 37. Predito Corrigido com desvio de predição da última estação à montante Vazão Específica (m3.s/km2) Vazão média anual (m3.s) Vazão Específica (m3.s/km2) Vazão média anual (m3.s) Vazão Total 4.31 194719.87 4.41 199070.7 Fluxo Rápido 1.48 66703.57 1.50 67917.31 Interfluxo 1.19 53411.52 1.10 49518 Fluxo de Base 1.67 75184.58 1.81 81797.97 Somatório dos componentes 4.33 195299.67 4.41 199233.3 Regionalização de Vazões e seus respectivos componentes para a Bacia do Rio Paracatu
  38. 38. Análises do Modelo • Coeficientes • Coeficientes Padronizados • Desvio Padrão dos Coeficientes Padronizados • VIP – Valor de Influência na Projeção • Desvio Padrão do VIP • Comportamento Espacial
  39. 39. VazãoTotal Fluxode Base Interfluxo Fluxo Rápido Altitude de Encosta , Altitude em relação aos Rios, Altitude Normalizada, Altitude em Relação ao Nível de Base (Micro-relevo ) + + - Altitude absoluta, altitude de nascentes, nível de base, distância à foz, chuva (Macro-relevo) + - Distância Horizontal aos Rios - + - Vazão de Estabilização de Poços, Vazão Específica de Poços + + - Aquecimento Anisotrópico Diurno - - + Distância a mesofraturas + - Balanço de Massas + + Convergência + Rebaixamento de Poços +
  40. 40. • Vales próximos aos rios – Maior fluxo rápido e fluxo total – Menor Fluxo de Base e Interfluxo – Relação mais acentuada em vales encaixados • Ondulação do relevo diversidade de geotopos – Convergência, declividade, rugosidade, posição de encosta (exposição à radiação solar e aos ventos), curvatura e módulo da curvatura Fluxo Rápido Interfluxo Fluxo total Fluxo de Base VazãoTotal Fluxode Base Interfluxo Fluxo Rápido Longitude - + Latitude - Distância às bordas - - Mais afetado Menos afetado
  41. 41. Análise Integrada - Delimitação de áreas mais relevantes para recarga de aquíferos • Relevância das áreas altimetricamente mais elevada - Análise interescalar: • Interpretação de Campo • Sensoriamento Remoto • Análise quantitativa o Vazão o Índices hidromorfométricos o SIAGAS
  42. 42. Análise Integrada • Diferenças entre potencial de infiltração e contribuição para fluxo de base: – Contribuição inter-bacias • Fraturas nas bacias altimetricamente mais elevadas • Abaulamento da Bacia do São Francisco – Efeito pistão – Lentes de pelitos nos aquíferos porosos
  43. 43. Obrigado Vitor Vieira Vasconcelos Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais – DEGEO/UFOP vitor.v.v@gmail.com

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