Hidrogeomorfologia de bacias de zero-ordem e ocorrência de nascentes

Abstract

Resumo: Nascentes são sistemas ambientais onde a água armazenada abaixo da superfície exfiltra de maneira perene ou temporária. As áreas de contribuição localizadas a montante das nascentes são denominadas bacias de zero-ordem e são responsáveis por captar e prover os volumes de água necessários para a manutenção das nascentes. A interação entre os fatores naturais componentes da paisagem e a circulação da água nas bacias hidrográficas é objeto de pesquisa da hidrogeomorfologia. Existe uma base conceitual bem desenvolvida a respeito da influência da topografia nos mecanismos de geração de escoamento superficial. Todavia, a relação entre os fatores hidrogeomorfológicos e os escoamentos subsuperficial e subterrâneo, que alimentam as nascentes, ainda não está completamente elucidada. O presente trabalho tem como objetivo principal investigar os fatores hidrogeomorfológicos que determinam a ocorrência e a manutenção de três nascentes em área de clima subtropical com cobertura florestal. As nascentes estudadas drenam a partir de um mesmo divisor na bacia experimental do rio Saci, com área de 18,5 ha, localizada no município de Rio Negrinho, SC. As bacias de zeroordem apresentam áreas de contribuição superficial significativamente distintas, variando entre 0,41 ha e 6,84 ha. As cotas em que as nascentes ocorrem são similares e independem do comprimento da vertente. A integral hipsométrica do embasamento rochoso não apresenta tendência de variação no sentido de jusante da área de estudo. Por outro lado, a participação relativa da espessura hidrologicamente ativa do solo diminui ligeiramente à medida que aumenta a área de drenagem. Foi implementado um monitoramento automático com resolução temporal de 10 minutos para medição das vazões em seis estações, sendo três nascentes, dois pontos intermediários e o exutório da drenagem da área de estudo. O período de monitoramento considerado compreende aproximadamente 100 dias, decorridos entre outubro de 2016 e junho de 2017. Os coeficientes de escoamento, considerando as áreas de drenagem superficiais, variaram entre 0,11 e 1,98. Os resultados indicam que a vazão subterrânea representa de 45% a 60% do volume drenado, enquanto que a descarga subsuperficial foi de 34% a 45%. O escoamento superficial, menos representativo tanto em relação ao tempo quanto ao volume, representou frações entre 1% e 12%. Os índices do escoamento subterrâneo e de escoamento subsuperficial apresentaram tendências opostas. À medida em que aumenta a área de drenagem superficial os índices de escoamento subterrâneo tendem a diminuir e os índices de escoamento subsuperficial a aumentar. Os coeficientes de recessão, determinados pelo método de correlação, indicaram uniformidade das características do aquífero. Alicerçado nesta conclusão, estimaram-se os volumes de rocha e solo necessários para produzir as vazões observadas nas estações de monitoramento. Os resultados obtidos evidenciaram que os divisores de drenagem subterrâneos não correspondem aos interflúvios superficiais, indicando que a dimensão das áreas de drenagem superficiais não representa o fator preponderante na ocorrência das nascentes estudadas. Entretanto, a topografia da camada impermeável determina a cota aproximada do local de exfiltração e o volume da camada hidrologicamente ativa atua como variável complementar à topografia da rocha na manutenção das nascentes.

Abstract: Springs are environmental systems in which water stored below the surface discharges perennially or temporarily. The area located upstream of a spring is called the zero-order basin and is responsible for the catchment of the water volume necessary to maintain the spring. Hydrogeomorphology research assesses the interaction between the natural components of the landscape and water circulation in a hydrographic basin. There is a well-developed conceptual framework regarding the influence of topography on the mechanisms of surface runoff. However, the relationship between hydrogeomorphological factors and subsurface and underground flow that feed springs is not yet fully understood. The main objective of the present study is to investigate the hydrogeomorphological factors that determine the occurrence and maintenance of three springs in a subtropical forested area. The studied springs drain from the same watershed located in the experimental basin of the Saci River, with an area of 18.5 ha, in the municipality of Rio Negrinho, Santa Catarina, Brazil. The catchment area of the zero-order basins are significantly different, ranging from 0.41 ha to 6.84 ha. The altitude at which the springs occur are similar and independent of the length of the slope. The hypsometric integrals of the bedrock do not show a tendency of variation in the downstream direction of the study area. On the other hand, there is a slight decrease in the relative participation of the thickness of the hydrologically active soil layer as the drainage area increases. To measure flow in the study area, automatic monitoring was implemented with a 10-minute time resolution at two intermediate points and the outlet of three springs, for a total of six stations. Monitoring occurred over a period of 100 days between October 2016 and June 2017. Considering surface drainage areas, the runoff coefficients ranged from 0.11 to 1.98. The results indicate that the underground flow rate represents 45 to 60% of the drained volume, while subsurface discharge was 34 to 45%. The surface flow, which is less representative in terms of both time and volume, presented fractions between 1 and 12%. The underground and subsurface flow rates show opposite trends. As the surface drainage area increases, underground flow rates tend to decrease while subsurface flow rates increase. The recession coefficients, determined using the correlation method, indicate uniformity in aquifer characteristics. Based on this conclusion, the rock and soil volumes needed to produce the flows observed at the monitoring stations were estimated. The results show that the underground drainage divides do not correspond to the surface divides, indicating that the size of the surface drainage area is not the predominant factor in the occurrence of the studied springs. However, the topography of the impermeable layer determines the approximate level of the outlet site while the volume of the hydrologically active soil layer acts as a complementary variable to bedrock topography for spring maintenance.