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Hidráulica e Reabilitação FluvialDECivil

Mestrado Integrado em Engenharia CivilDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E ARQUITECTURA

2º Semestre 2009 / 2010

MAC, IST, UÉvora, 2009

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PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS EROSÃO HÍDRICA

Miguel de Azevedo CoutinhoProf. Hidráulica e Recursos Hídricos, IST



2º Semestre 2009 / 2010


Extrema aridez e erosão eólica. Planalto Boliviano. http://en.wikipedia.org/wiki/Soil_erosion

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PROCESSOS HIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS

EROSÃO HÍDRICA EnquadramentoConceitos e DefiniçõesSolo - Recursos EdáficosProcessos, Funções e InteracçõesSustentabilidade e DegradaçãoAmeaças e Disfunções - ErosãoDirectiva-QuadroIncidência, Tolerância e RiscoCritério de Risco e DelimitaçãoMedidas PrioritáriasConclusões

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2º Semestre 2009 / 2010


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EROSÃO HÍDRICA Enquadramento

Escoamento nasbacias hidrográficas

Componentes e fases dociclo hidrológico …fase superficial -escoamento sobre o terreno

- não canalizado (no espaço interfluvial)escoamento nos cursos de água

- canalizado (na rede de drenagem)



2º Semestre 2009 / 2010


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EROSÃO HÍDRICA Escoamento nas

bacias hidrográficashidrologia dos escoamentos -

origem e movimento da águacaudais (instantâneos) - máximos, médiosvolumes de escoamentohidrogramas de escoamento

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2º Semestre 2009 / 2010


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PROCESSOSHIDRO-SEDIMENTOLÓGICOS

EROSÃO HÍDRICA Escalas dos Sistemas FluviaisSISTEMA FLUVIAL ou

REGIÃO HIDROGRÁFICA( > ≈ 20 000 km2)

Bacia Hidrográfica Principal( 200 a 20 000 km2)

bacia hidrográfica afluente( 20 a 200 km2)

sub-bacia hidrográfica( 2 a 20 km2)

bacia de recepção (ou colectora)( 0,1 a 2 km2)

ENCOSTAS(≈ < 10 ha)

talhão ou parcela agrícola(≈ < 500 m2)

Vizinhanças e InteracçõesGlobal local



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bacias hidrográficashidrologia dos escoamentos -

origem e movimento da águacaudais (instantâneos) - máximos, médiosvolumes de escoamentohidrogramas de escoamento

Fórmula racionalQmáx. = c . i . Ab

c - coeficiente dependentedas características da bacia

i - intensidade de precipitaçãoAb - área da bacia

Caudal - Q

Tempo - t

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bacias hidrográficascaracterísticas da bacia -

morfologia da bacianatureza da superfície do terrenoocupação e uso do solo

comportamento hidrológicopercipitação útil = escoamento (mm)

comportamento hidráulicopropagação do escoamento

= caudal (m3s-1)

Caudal - Q

Tempo - t



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EROSÃO HÍDRICA Comportamento hidrológico

Variáveis dos ProcessosAnálise sistémica

relações causa - efeitosolicitações - respostasestado do sistema

Ocorrência da águaprecipitação

Efeitos à superfície do terreno

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EROSÃO HÍDRICA Comportamento hidrológico

Efeitos à superfície do terrenoOcorrência da água

efeito erosivoda precipitação

GÉNESE DE SEDIMENTOS



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EROSÃO HÍDRICA Comportamento hidráulico

Processos àsuperfície do terrenoEscoamento sobre o terreno

efeito erosivodo escoamento

Transporte de sedimentosno escoamento


+ GÉNESE DE SEDIMENTOS

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EROSÃO HÍDRICA Comportamento hidrológicoComportamento hidráulico

GÉNESE (produção e alimentação)DE SEDIMENTOS


Descarga de sedimentos no lago Leman. http://en.wikipedia.org/wiki/Sediment



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PROCESSOS HIDRO--SEDIMENTOLÓGICOS

FLUXOS DE SEDIMENTOSDelta do rio Mississippi -

- Golfo do México

Fluxos de sedimentos no meio receptor. Golfo do México.

Delta do rio Mississippi -- Golfo do México

Interacção sistema Continental / sistema Costeiro

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Escoamento sobre o terreno

Processos à superfíciedo terreno

escoamento não canalizadoefeito da vegetaçãorugosidade da superfícieirregularidade da “secção”

Fórmula de ManningQ = v . A ; v = K . Rh2/3 . i1/2

K - coeficiente da f. Manningi - declive do fundoA - área da secçãoRh - raio hidráulico da secção



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Escoamento sobre o terreno

Processos à superfíciedo terreno

escoamento não canalizado(sobre o terreno)

canalização incipiente

sulcos

concentraçãoe confluência

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Escoamento nas encostas

Processos das encostas

escoamento distribuído eescoamento concentrado

escoamento canalizadoerosão distribuída

(ou laminar)

erosão localizadasulcos e ravinas



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EROSÃO HÍDRICA Génese de sedimentos

Movimentos de MassaFluxo de materiaisà superfície da TerraAcção da gravidade

Mecanismos detransportede sedimentos

Destacamento de sedimentos por

impacte de gotas de chuva

Transporte de sedimentos

nas encostas

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EROSÃO HÍDRICA Génese de sedimentos

Materiais dasuperfície da Terra

LitosferaRochasSolos

Ciclos geológicos

Processossedimentológicos

Génese deSedimentos,

Solos eRochas

sedimentares



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18Perfil de um solo. http://en.wikipedia.org/wiki/Soil


EROSÃO HÍDRICA Conceitos e Definições(1) Solo

(definição Directiva )Camada superior da crosta da Terra ...

(2) Impermeabilização...

(6) Inventariação(7) Uso do Solo(8) Áreas Prioritárias(9) Processos de Degradação do Solo

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19Perfil de um solo. http://en.wikipedia.org/wiki/Soil


EROSÃO HÍDRICA Conceitos e Definições

Perfil do soloHorizontes

O – matéria orgânicaA – solo superficialB – subsoloC – substrato (camada de transição)D – rocha mãe (bedrock)

ou outro material de basehttp://en.wikipedia.org/wiki/Soil_horizon



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Classificação dos solosresultantes dos processos

da pedo-génesefactores condicionantes:climamorfologia do terrenodrenagemformações de base...

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2º Semestre 2009 / 2010


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Erosãodesagregação e transporte de partículas dasuperfície da Terra (sedimentos), resultanteda acção da chuva, vento gelo ou outrosagentes, nomeadamente, de actividades humanasProcessos sedimentológicos- Erosão (sentido lato)DesagregaçãoDestacamentoErosão (sentido restrito)Transporte Deposição



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Perda de SoloProcesso natural (erosão geológica)Desagregação e transporte de partículasda superfície da Terra (sedimentos),resultante da acção da chuva, vento, geloou outros agentes.

Erosão aceleradaAs actividades humanas são responsáveispela aceleração dos mecanismos naturaisde erosão dos solos

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2º Semestre 2009 / 2010


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E - erosão hídrica ou perda de soloC - características do climaSo - propriedades do soloMe - fisiografia das encostas (espaço interfluvial)St - características da superfície do terrenoAH - actividades humanas e coberto vegetal (uso do solo)

E = f ( C, So, Me, St, AH )


EROSÃO HÍDRICA Erosão Hídrica

Variáveis dos Processos



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E - erosão hídrica (específica) ou perda de solo (t. ha . ano -1),R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1),K - erodibilidade do solo (t. h . MJ -1 . mm -1),L S - factor fisiográfico (comprimento / declive), C - factor de coberto vegetal,P - factor de prática agrícola.

E = R . K . L S . C . P



Modelação e Quantificação da ErosãoEquação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE)

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Equação Universal da Perda de Solos - EUPS (USLE)Quantificação das variáveis:

Parâmetro –R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1)

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R - factor de cálculo complexo (traduz o valor anual médio global daenergia cinética da precipitação, majorado pela intensidade máxima da

precipitação em 30 minutos, calculado por chuvadas)Ver “Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A. 1993”

m

1j30i jI.ER

n

RR

n

1ii

méd

;

Rméd - erosividade anual média;Ri - erosividade no ano i; E.I30 - índice de erosividade de

Wischmeier (por chuvada);n - n.º de anos do período;m - n.º de chuvadas do ano i.



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E.I30 - erosividade da chuvada - j (MJ. mm. h -1. ha -1)

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ek - energia cinética da precipitação, com intensidade constante - por mm de chuva (MJ.mm-1.ha-1);q - n.º de períodos de precipitação, com intensidade constante Ik;pk - precipitação no período com intensidade constante (mm);Ik - intensidade de precipitação no período k (mm. h-1);I30 - intensidade máxima de precipitação, em 30 minutos, na chuvada j (mm. h-1).

k10k Ilog.e 0873,0119,0 jj máx30k

q

1kk30 I.p.eI.E

;263,0ke

; Ik ≤ 76 mm. h -1

; Ik > 76 mm. h -1

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Parâmetro –R - erosividade da precipitação (MJ. mm. h -1. ha -1. ano -1)

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R ≈ 3,0.P-550,0P - precipitação anual média (mm. ano -1)

Outras relações em “Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. P. e Coutinho, M. A., 1993”



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Parâmetro –K - erodibilidade do solo (t. h . MJ -1 . mm -1)

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K ≈ 0,003 a 0,060K - erodibilidade média da Terra ≈ 0,035

- erodibilidade média de Portugal ≈ 0,025

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EUPS (USLE)K - erodibilidade

do solo(t . h . MJ -1 . mm -1)Solo:(textura, % em peso)areia 5,0areia (mt. f.) elimo 65,0argila 30,0m. orgânica 2,8estrutura

gran. finapermeabilidade

lenta / moderada 29



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Parâmetro – K (erodibilidade do solo - t. h . MJ -1 . mm -1)

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759,33)2,5.(2)3,25.(Mo).(12.102,1.M

K41,14

M - [limo e areia muito fina (%)] . [100 – argila (%)],Mo - matéria orgânica ( %), - código de classe de estrutura do solo (1 a 4), - código de classe de permeabilidade do solo (1 a 6),

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EROSÃO HÍDRICA Erosão HídricaCaracterísticas

dos SolosTextura

( %, em peso)areia limoargila

Estrutura

Permeabilidade

Matéria orgânica

Estrutura ( )1 - granular mt. fina2 - granular fina3 - granular grosseira4 - compacta

Permeabilidade ( )1 - mt. lenta2 - lenta3 - lenta a moderada4 - moderada5 - moderada a rápida6 - rápida



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Parâmetro –L S - factor fisiográfico - comprimento / declive ( - )

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componentes da encosta:e - comprimento da encosta ( m )s - declive ( % ) ou, - ângulo c/ horizontal ( º )(metodologia específica em encostas de perfíl complexo)

L S L . S

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2º Semestre 2009 / 2010





Parâmetro – LS (factor fisiográfico - adm.)componente - L - factor comprimento

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e - comprimento da encosta (m )m - expoente do f. comprimento ( - )

me

22,13L

s( % )

s > 53 < s < 51 < s < 3

s < 1

m( - )

0,50,40,30,2



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Parâmetro – LS (factor fisiográfico - adm.)componente - S - factor declive

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s - declive da encosta ( % )( s = 9 % = 5,1 º )

S = 10,8 . sen( ) + 0,03 para s 9 %

S = 16,8 . sen( ) - 0,50 para s > 9 %

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2º Semestre 2009 / 2010





Parâmetro – LS (factor fisiográfico - adm.)talhão Wischmeier -

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e = 22,13 m (72’)s = 9,0 %

L S = 1,0 9%

22,13 m



2º Semestre 2009 / 2010




EUPS (USLE)LS - factor

fisiográfico

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e = 22,13 m (72’)s = 9,0 %LS = 1,0

1

e = 100,0 ms = 9,0 %LS 2,0

2

e = 22,13 m s = 5,3 %LS 0,5

3

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2º Semestre 2009 / 2010





Parâmetro –C - factor de coberto vegetal ( - )

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C ≈ 0,0 a 1,0C - factor de cálculo complexo

(traduz a protecção do coberto vegetal e medidas não estruturais)C = 1,0 - cultura inexistente - terreno em alqueive (área protegida ≈ 0 %)C = 0,0 - cultura de máxima cobertura (área protegida ≈ 100 %)



2º Semestre 2009 / 2010


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EUPS (USLE)C - factor de

coberto vegetal ( - )traduz o valor anual médiodo efeito de protecção dosolo, pelo coberto vegetalcálculo complexo

ponderação, em períodomédio, do factor de coberto,em cada período do calendárioagrícola, com a incidência daprecipitação (%)

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2º Semestre 2009 / 2010





coberto vegetal ( - )

Alqueive (área protegida ≈ 0 %)terreno lavrado, sem cultura,mantido permanentemente(alqueive verde)

≠ terra lavrada e de pousio (fallow)ou “set-aside”

C = 1,039



2º Semestre 2009 / 2010





coberto vegetal ( - )Tipos de coberto vegetal eusos agrícolas:

agricultura,silvicultura,pecuária

Medidas de uso e ocupaçãozonas “verdes” ou

z. degradadas !!!(WOCAT 2007: where the land is greener

http://www.wocat.org/overviewbookPDF.asp)40

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2º Semestre 2009 / 2010





coberto vegetal ( - )Medidas de gestão do

coberto vegetal:culturas:

trigo, milho, batata, …ocupação:

agrícola, silvícola, …c. arvenses, pomar,

montado, …gestão:

calendários agrícolas,rotação de culturas, “mulching”, “set-aside”, … 41



2º Semestre 2009 / 2010





coberto vegetal ( - )Períodos /

calendário agrícola0 - solo lavrado (após pousio)1 - sementeira2 - estabelecimento da cultura3 - maturidade4 - colheita5 - pousio

Ver “Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A. 1993” 42

(em construção)

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2º Semestre 2009 / 2010





coberto vegetal ( - )

Tabela de factor decoberto vegetal




2º Semestre 2009 / 2010





Parâmetro –P - factor de prática agrícola ( - )

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P ≈ 0,0 a 1,0P - factor relativo a efeitos de mecanização, estruturação

e prática de uso (traduz medidas não regulamentares e de protecção)P = 1,0 - ausência de medidas de protecção - lavouras ao longo do decliveP = 0,0 - máxima protecção e estruturação - terraços de nível

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2º Semestre 2009 / 2010




EUPS (USLE)P - factor de

prática agrícola ( - )Práticas de gestão da

actividade agrícola:lavouras:

ao declive, de nível, …organização espacial:

faixas de vegetação, …culturas alternadas,medidas mistas(culturais e de uso), …

estruturação do terreno:vala e cômoro, drenagens, terraços, … 45



2º Semestre 2009 / 2010





prática agrícola ( - )

Tabela de factor deprática agrícola


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2º Semestre 2009 / 2010






Esquemas depráticas agrícolas

47(em construção)



2º Semestre 2009 / 2010






faixas devegetação

evolução paraterraços

vala e cômoro…

48

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2º Semestre 2009 / 2010


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PROCESSOSHIDRO-

-SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Risco de erosão

Erosão Média ?

Produção deSedimentos ??

Que Riscode Erosão???



2º Semestre 2009 / 2010


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Bacia hidrográfica do rio Guadiana

≈ 12 t . ha-1

Bacia hidrográfica do rio Mira≈ 18 t . ha-1

Bacia hidrográfica do rio Sado≈ 7 t . ha-1

PROCESSOSHIDRO-

-SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Quantificaçâo

da Erosão

Planosde Bacia Hidrográfica(esc. ≈ 1:100 000)

Solos (esc. ≈ 1:1 000 000 +)

Fisiografia (esc. ≈ 1: 25 000)

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2º Semestre 2009 / 2010


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Bacia hidrográficado rio Guadiana

≈ 12 t . ha-1

Bacia hidrográficado rio Mira≈ 18 t . ha-1

Bacia hidrográficado rio Sado≈ 7 t . ha-1

Bacia hidrográficado rio Tejo10 a 14 t . ha-1

Pq. bacias da Estremadura

> 14 t . ha-1

Pq. bacias do Minho e Douro

Litoral< 8 t . ha-1

Zona Interior Centro

10 a 12 t . ha-1

Bacia hidrográficado rio Douro

9 a 12 t . ha-1

Pq. bacias Litoral e rio

Vouga< 7 t . ha-1

Bacia hidrográficada rib.ª de Bensafrim

≈ 8 t . ha-1

EROSÃO MÉDIA ≈ 10 t . ha-1.ano-1!!!( ≈ 600 m3 . km-2 . ano-1)

PROCESSOSHIDRO-

-SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Quantificaçâo

da ErosãoPlanos

de Bacia Hidrográfica(esc. ≈ 1:100 000)Cartas de Aptidão deUso da TerraOutros estudos …

- estimativas comgrande reserva!



2º Semestre 2009 / 2010


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PROCESSOS HIDRO- SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Quantificaçâo

da Erosão

Produção de sedimentosparcela daErosão específica,ou Perda de Solo

Ps = CPs . E

E

Ps

encostaou bacia talhão ou

pq. encosta

CPs - coeficiente deprodução de sedimentos

(varia entre 0,0 e 1,0)

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2º Semestre 2009 / 2010


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EROSÃO HÍDRICAOrdens de grandeza do Coeficiente

de Produção de SedimentosUnidade CPs

SISTEMA FLUVIAL ouREGIÃO HIDROGRÁFICA

( > ≈ 20 000 km2) < 0,1Bacia Hidrográfica Principal

( 200 a 20 000 km2) 0,05 a 0,5bacia hidrográfica afluente

( 20 a 200 km2) 0,4 a 0,8sub-bacia hidrográfica

( 2 a 20 km2) 0,6 a 0,9bacia de recepção (ou colectora)

( 0,1 a 2 km2) 0,75 a 0,95ENCOSTAS

(≈ < 10 ha) 0,85 a 1,0talhão ou parcela agrícola

(≈ < 500 m2) ≈ 1,0

ORDENS DE GRANDEZA DE CPs

CPs = 1,0CPs

0,85 a 1,0

CPs0,75 a 0,95

CPs

0,7 a 0,9

CPs

0,4 a 0,8

CPs

0,05 a 0,5CPs

< 0,1



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Ps = f ( E, Hb, Mb, La, IH )

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EROSÃO HÍDRICA Produção de sedimentos

Ps - produção de sedimentos ou fluxo de sedimentos na baciaE - erosão hídrica ou perda de soloHb - comportamento hidrológico da baciaMb - morfologia da bacia (espaço interfluvial e rede de drenagem)La - características hidráulicas das linhas de águaIH - intervenções humanas na bacia e rede de drenagem

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2º Semestre 2009 / 2010


CPs - coeficiente de produção de sedimentos (%)Ab - área da bacia (mi2)Lb - comprimento do cursos de água principal (m)hb - altura da bacia (m)

- relação de bifurcação média da bacia (- )Ver “Erosão hídrica dos solos em pequenas bacias hidrográficas, Tomás, P. e Coutinho, M. A. 1993” 55

PROCESSOSHIDRO-

-SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Quantificação da Produção de sedimentosCálculo do Coeficientede Produção de Sedimentos

(t . km-2 . ano-1)

B10b

b10b10Ps10 Rlog.786,2

hLlog.510,0Alog.230,0501,4Cogl

Equação de Roehl (1962) – SDR (sediment delivery ratio), in

Gregory e Walling,1973

BR



2º Semestre 2009 / 2010


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PROCESSOSHIDRO-

-SEDIMENTOLÓGICOSEROSÃO HÍDRICA Quantificação da Erosão

Produção de sedimentos(t . km-2 . ano-1)

in “O Assoreamento das Albufeirase o Ambiente”, Rocha, J. S. (s. d.), LNEC

http://www.dha.lnec.pt/nre/portugues/funcionarios/papers/jrocha/Assoreac.pdf

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2º Semestre 2009 / 2010


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PROCESSOSHIDRO-


Limiares de Erosãofactores condicionantes:máximosTolerância à erosãoSedimentação de linhas de água e albufeiras…

Riscos de erosãomínimosEquilíbrio de linhas de águaCaudal sólido ecológico (!?)



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PROCESSOSHIDRO-


Limitação deRiscos de Erosão

PROTECÇÃO DO SOLOCONTROLO DA EROSÃO

→→ CONSERVAÇÃO DO SOLO (E DA ÁGUA)

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