Uncertainty in erosion prediction with usle : impacts and mitigation

Apesar de haver significativa variabilidade espacial e temporal nas variáveis de modelos de predição de erosão, mesmo em áreas consideradas homogêneas, ela é raramente incorporada na análise e no planejamento conservacionista. As consequências dessa simplificação são predições incorretas de perda de solo, com implicações para a sustentabilidade agrícola e ambiental de glebas. Os objetivos deste trabalho foram: (a) estimar o efeito da variabilidade espacial e temporal dos fatores da Equação Universal de Perdas de Solo - USLE na predição da erosão em uma área homogênea situada no Distrito Federal; (b) incorporar a incerteza resultante no processo de tomada de decisão conservacionista; e (c) propor medidas para sua mitigação. Os resultados indicam que, apesar do baixo coeficiente de variação médio dos fatores da USLE na área estudada, na faixa de 20 %, o coeficiente de variação da perda de solo (A) estimada foi de 64 %, indicando significativa propagação de incerteza no modelo. A implicação disso é que, mesmo sendo o valor médio de A 19 % menor que o limite médio de tolerância à erosão na gleba (T), haveria ainda uma probabilidade de 43 % de que A fosse superior a T. Para reduzir esse risco, são sugeridas medidas que aumentem a margem de segurança do sistema, como a adoção de práticas conservacionistas. Com a introdução de terraços, a probabilidade de falha do sistema seria reduzida para 12 %. Os resultados reforçam a importância da incorporação das variabilidades e incertezas na estimativa da erosão e no planejamento conservacionista, por meio de análise estocástica.Despite the significance uncertainty in the variables of erosion prediction models, spatial and temporal variability is seldom considered in soil conservation analyses and planning. The consequences of this simplification are misleading soil loss predictions, with consequences for the agricultural and environmental sustainability of agricultural fields. The objective of this paper was (a) to estimate the effect of spatial and temporal variability of the USLE factors on erosion prediction of a homogeneous agricultural field, in the Distrito Federal (Brazil), (b) to incorporate the resulting uncertainty in the analysis, and (c) to identify appropriate mitigation measures. Results indicate that despite the low coefficient of variation of the USLE factors (V = 20 %), the coefficient of variation of the predicted soil loss was 64 %, with a significant propagation of uncertainty in the model. The implications of this uncertainty are that, even when the expected value of soil loss (A) was 19 % smaller than that of the average soil loss tolerance (T), there would be a probability of 43 % that A > T. In order to reduce this risk, it is suggested that the safety margin of the system be increased by the implementation of conservation practices, such as terraces. The probability of failure in this new scenario was only 12 %. The results reinforce the importance of the incorporation of variabilities and uncertainties in erosion modeling and conservation planning processes, using stochastic analyses

Effect of rainfall variability and land use on runoff and sediment in the pipiripau river basin, in the Distrito Federal, Brazil

O objetivo do presente trabalho foi avaliar o efeito da variabilidade da precipitação sobre o escoamento direto e sobre o aporte de sedimento na bacia do rio Pipiripau (A = 235 km2), no Distrito Federal. Cinco anos típicos da série de precipitação foram selecionados: o ano mais úmido, o ano mais seco, o ano médio e dois anos que representaram os desvios-padrão da série (médio-seco e médio-úmido). Depois de o modelo ser calibrado com dados diários de chuva e vazão da bacia, simulações foram realizadas para cada evento chuvoso de cada um dos cinco anos selecionados da série, e o escoamento direto e o aporte de sedimento da bacia foram calculados com a MUSLE em três diferentes cenários de uso e manejo do solo: o cenário atual, onde predomina o preparo convencional do solo (PC) nas áreas de agricultura da bacia; o passado recente, em que predominava o Cerrado nativo (CER); e o cenário de plantio direto (PD), nas áreas de agricultura da bacia. Apesar de as vazões médias anuais observadas terem apresentado relação linear com os volumes de precipitação pluvial anual, em todos os cenários, o escoamento direto e o aporte de sedimento apresentaram aumento exponencial com o aumento da precipitação pluvial anual, sendo esse mais pronunciado na condição de preparo convencional (PC) do que nos outros cenários estudados (CER e PD). O aumento observado pode ser explicado pela não-linearidade do modelo MUSLE ao volume de precipitação e ao volume de escoamento.The objective of this study was to evaluate the effect of the rainfall variability on the runoff and sediment amount in the Pipiripau river basin (A = 235 km2), in the Distrito Federal, Brazil. To represent the climatic variability of the historic precipitation series, 5 years were selected: the moistest, the driest, an average, and 2 years representing the standard deviations from the series (half-wet and half-dry). After the calibration of the model with basin rainfall and runoff data, each rainfall event was simulated in each one of the selected years, and sediment yields were computed using software MUSLE for three different land-use and management situations: (a) The present conditions, with predominantly conventional agriculture in the agricultural areas (PC); (b) The former scenario, where native (Cerrado) vegetation existed in the basin (CER); and (c) no-till in the agricultural areas (PD). Although the relationship of the mean annual flow rates with the annual rainfall volume was linear, there was an exponential increase in runoff volume and sediment yield with precipitation in all scenarios; the most significant increases were observed for PC, followed by PD and CER. The exponential increase can be explained by the non-linearity of the MUSLE model regarding both precipitation and runoff volume

Land use, landscape fragmentation, and water quality in a small watershed

A intensidade de uso e ocupação do solo e a fragmentação da paisagem, estimadas através de técnicas de processamento de imagens de satélite, foram relacionadas a parâmetros químicos e físicos de qualidade de água, medidos em 3 pontos de captação do córrego Ponte de Terra, localizado no Distrito Federal. Os parâmetros analisados, coletados mensalmente na bacia (A = 9,8 km2), foram: a cor, a turbidez, a condutividade elétrica, a concentração de amônia, a demanda química de oxigênio (DQO) e o índice de qualidade da água (IQA). Estudou-se, também, a estacionariedade das séries históricas dos parâmetros entre os anos de 1992 e 2005, quando a bacia sofreu um processo significativo de ocupação do solo. Indicadores de intensidade de ocupação do solo (LUIm) e a fragmentação da paisagem (Fp) foram desenvolvidos e calculados para a bacia, usando-se as proporções de áreas de diferentes graus de modificação e a entropia espectral da imagem, respectivamente. Apesar do uso/ocupação do solo e da fragmentação da paisagem terem aumentado significativamente no período estudado, apenas a DQO (média das 3 captações) aumentou de forma significativa. Como a zona ripária se manteve relativamente íntegra no período estudado, é possível que ela tenha amenizado eventuais impactos à qualidade da água na bacia. _______________________________________________________________________________ ABSTRACTLand-use intensity and landscape fragmentation, estimated by digital processing of remotely-sensed images, were related to chemical and physical parameters of water, measured in 3 points of the Ponte de Terra stream (9.8 km2 of basin area), located in Brasilia, Brazil. The water quality parameters studied were the colour, turbidity, conductivity, concentration of ammonia, chemical oxygen demand (COD), and the water quality index (IQA). The stationarity of the time series of the parameters was also studied in the period between 1992 and 2005, when the basin experienced a significant occupation process. Land-use intensity (LUIm) and landscape fragmentation (Fp) indicators were developed and calculated for the basin using the proportions of different use intensity classes, and the spectral entropy of the satellite images, respectively. Despite the fact that the land-use and landscape fragmentation increased significantly in the studied period, only the COD parameter (mean of the 3 points) increased significantly. As the riparian zone remained relatively undisturbed in the period, it is possible that it buffered eventual impacts on the water quality of basin

Calibration and validation of the modified universal soil loss equation (musle) with localhydrologic and sedimentologic data

Modelos hidrossedimentológicos são úteis na análise ambiental de bacias hidrográficas não monitoradas. Entretanto, para que as suas predições sejam confiáveis, é necessário que os modelos sejam adequadamente calibrados evalidados para as condições locais. O objetivo do presente trabalho foi calibrar o coeficiente a da MUSLE para as condições da bacia do ribeirão Pipiripau, usando dados hidrossedimentológicos locais, bem como validar a equação calibrada, comuma série de dados diferente da usada na calibração. O coeficiente a da MUSLE foi calibrado por meio do ajuste entre os valores observados e calculados de aportede sedimento de eventos individuais, correspondentes ao período entre 1999 e2005, usando dados hidrológicos (Q e qp) observados. Para validação do modelo calibrado, a série usada correspondeu aos anos de 1998 e 2006-2009 (N.A.: dadoscorretos, ver p. 12), onde apenas os dados pluviométricos locais e os fatores CN, K,L, S, C e P da bacia, previamente obtidos, foram usados. Os resultados indicam quea MUSLE calibrada apresenta melhor acurácia na estimativa do aporte desedimento total anual (R2 = 0,68 e E = 0,61) do que em nível mensal (R2 = 0,44 e E =0,43). Como o coeficiente de ajuste a da MUSLE foi proporcional ao volume deprecipitação pluvial anual, este poderá ser usado para melhorar as predições do modelo.Hydro-sedimentologic models are useful in the environmental analysis of unmonitoredwatersheds. However, the models must be calibrated and validated for accurate predictions.The objective of this study was to calibrate MUSLE for the conditions of the Piripipau riverbasin (Brazil), using hydrologic and sedimentologic data from 1999 to 2005, and to validatethe calibrated model with another data set (1998, 2006-2009). MUSLE’s a coefficient wascalibrated fitting observed and calculated sediment yield values of individual events, usingobserved hydrologic data (Q and qp). In the validation stage of the calibrated model, onlyobserved rain gauge data and previously obtained CN, K, L, S, C, and P values of the watershedwere used. Results indicate that the calibrated MUSLE fit better to total annual sedimentyields (R2 = 0.68 and E = 0.61) than monthly Y values (R2 = 0.44 and E = 0.43). Sincecoefficient a was directly related to the annual precipitation volume, it can be used to improveMUSLE predictions

Estimation of erosion reduction carried out by agrosilvopasture system and its economic contribution

A erosão do solo gera grandes prejuízos para o meio ambiente e para a sociedade, devido à perda de áreas agricultáveis e à conseqüente degradação dos recursos hídricos. Em vista desse panorama, a Agência Nacional de Águas desenvolveu o Programa do Produtor de Água. Com base na metodologia proposta por esse Programa, fez-se uma estimativa do potencial de abatimento de erosão para a atividade agrossilvipastoril na unidade agroflorestal da Companhia Mineira de Metais, em Paracatu -MG. Além disso, analisou-se a contribuição econômica das receitas geradas pela compensação monetária prevista no referido Programa, verificando que o sistema agrossilvipastoril permitiu um abatimento da erosão correspondente a 78,52%. Esse serviço ambiental, por sua vez, poderia propiciar à empresa uma receita adicional de R$100,00.ha 1.ano-1. A análise da viabilidade econômica apontou um aumento de 27,7$ 100,00.ha-1.year-1. The economic viability analysis pointed to an increase of 27.7% for NPV and EAV and of 7.0% for IRR of agrosilvopasture system, assuming the implementation of "Water Provider Program"

Accuracy of the hydrus model to predict nitrate leaching as a result of applying treated sewage sludge to soils of different textures

Em função dos seus teores de matéria orgânica, de macro e micro-nutrientes, o lodo de esgoto tratado apresenta um grande potencial de utilização no reflorestamento e na recuperação de áreas degradadas. Entretanto, sua aplicação pode levar à contaminação da água subterrânea, em função da alta mobilidade de compostos como o nitrato, que é cancerígeno. A modelagem matemática vem se tornando uma ferramenta importante na avaliação do risco de contaminação de águas superficiais e sub-superficiais por pesticidas e nutrientes. O objetivo do presente trabalho foi avaliar a acurácia do modelo Hydrus 1-D (Versão 3.0) na predição da lixiviação de nitrato no perfil do solo. Para tanto, dados experimentais de um estudo de lixiviação, conduzido em laboratório com três solos de diferentes texturas, submetidos a quatro doses de lodo de esgoto tratado, foram utilizados para alimentar o modelo Hydrus. As condições de contorno e iniciais das colunas experimentais foram introduzidas no modelo Hydrus após a calibração dos parâmetros da equação de Van Genuchten-Mualen, usando o volume percolado do experimento como função objetiva. Valores médios de concentração de nitrato no lixiviado, obtidos na extremidade inferior das 48 colunas de solo no laboratório (combinações de 3 solos, 4 doses de lodo e 4 repetições), foram comparados com os valores de concentração calculados pelo modelo Hydrus 1-D. O erro relativo entre os valores calculados e observados das concentrações foi de -1,97%, e o coeficiente de determinação foi de R2 = 0,96. O coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe foi de E=0,95 que, combinado com os outros dois indicadores de performance, representa uma alta acurácia do modelo na predição do processo de lixiviação de nitrato nas condições estudadas.Due to its organic matter and nutrient content, sewage sludge presents a good potential for use in reforestation and reclamation of degraded lands. However, its application poses water contamination risks, due to the high mobility of compounds such as nitrate (carcinogenic). On the other hand, mathematical modeling is becoming an important tool for the evaluation of risks of water contamination by nutrients and pesticides. The aim of the present study was to evaluate the global accuracy of the Hydrus 1-D model (version 3.0) to predict nitrate leaching within the soil profile. For this purpose, experimental data from a laboratory leaching study, considering three different soils and submitted to four doses of sewage sludge, were fed into the Hydrus model, after calibrating the parameters of the Van Genuchten-Mualen equation, using the percolated volumes from the experiment as the objective function. Mean nitrate concentrations in the leachate, collected at the bottom of the experimental columns, were then compared with nitrate concentrations predicted by the Hydrus model. The mean relative error between the observed (experiment) and calculated (model) values was -1.97%, and the R2 was 0.96. The Nash-Sutcliffe coefficient was E=0.95, indicating a very high model accuracy in the prediction of nitrate leaching, under the studied conditions

Relações de aporte de sedimento e implicação de sua utilização no pagamento por serviço ambiental em bacias hidrográfias

Em razão de sua simplicidade, a relação de aporte de sedimento (RAS), dada pela razão entre a produção de sedimento no exutório e a erosão total na bacia, é comumente usada no estudo e na determinação da produção de sedimentos em bacias hidrográficas. Como há uma série de complexidades ligando a produção de sedimentos (Y) e a erosão a montante (E) na bacia, foram desenvolvidas distintas equações de RAS. Programas de pagamento por serviço ambiental relativos ao abatimento de sedimentação, como o Produtor de Água, frequentemente requerem a estimativa da redução da produção de sedimentos nas bacias hidrográficas, em função de implantação do controle de erosão a montante. Os objetivos do presente trabalho foram calcular a RAS da bacia do ribeirão Pipiripau (DF), usando oito equações existentes na literatura, e estimar a provável redução em Y, em função de uma redução de 50 % da erosão na bacia, bem como avaliar as eventuais dificuldades em sua aplicação. Os valores de RAS obtidos variaram entre 0,12 e 0,52, com média de 0,24 e desvio-padrão de 0,14. Duas das equações apresentaram alta sensibilidade às variáveis, indicando que haveria significativo potencial de propagação de erro se elas fossem usadas. Partindo-se de uma redução de erosão de 50 % na bacia (117.500 t ano-1), a redução no aporte de sedimento usando as RAS das oito equações variou de 14 a 61 mil t ano-1. Essa significativa variação em Y indica considerável incerteza na estimativa de serviços ambientais relativos à redução de aporte de sedimento, em programas de controle de erosão