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 Land-use change impacts on hydrological and hydrochemical processes of peri-urban areas
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/14837

title: Land-use change impacts on hydrological and hydrochemical processes of peri-urban areas
other titles: Impactes da alteração do uso do solo nos processos hidrológicos e hidroquímicos de áreas peri-urbanas
authors: Ferreira, Carla Sofia Santos
advisors: Ferreira, António José
Coelho, Celeste
Walsh, Rory P. D.
keywords: Ciências do ambiente
Utilização do solo - Zonas peri-urbanas - Portugal
Propriedades dos solos
Águas superficiais
Infiltração de água
Água do solo - Escoamento
issue date: 2015
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: As áreas peri-urbanas representam uma das formas mais importantes de desenvolvimento urbano. Aprofundar o conhecimento dos impactes destas áreas ao nível dos processos hidrológicos e a sua influência na qualidade da água superficial, constitui o principal objetivo deste estudo. O trabalho foi desenvolvido numa bacia hidrográfica Portuguesa, com características periurbanas (Ribeira dos Covões), sob a influência do clima Mediterrâneo. O estudo considera uma abordagem a várias escalas espaciais e temporais, envolvendo a realização de medições ao nível das propriedades do solo, ensaios em parcelas experimentais e a monitorização à escala da bacia hidrográfica e sub-bacias. Solos associados a diferentes usos apresentam distintas propriedades físicas que determinam a capacidades de infiltração de água, bem como os mecanismos de geração de escoamento superficial ao longo do ano. Durante períodos secos, a natureza hidrofóbica dos solos florestais e dos campos agrícolas abandonados, localizados na zona de calcários, promove uma baixa capacidade de infiltração da matriz do solo, induzindo a suscetibilidade para a geração de escoamento do tipo Hortoniano. Contudo, a reduzida repelência nas áreas agrícolas (em zona de arenitos) e as características hidrófilas dos solos urbanos promovem uma maior capacidade de infiltração, o que revela o potencial destes solos para a infiltração do escoamento gerado em áreas a montante. Por outro lado, ao longo do período húmido, a repelência do solo vai desaparecendo, o que promove o aumento da capacidade de infiltração, principalmente nas áreas florestais. No entanto, o aumento da humidade do solo restringe a capacidade de infiltração nos solos agrícolas e urbanos, favorecendo a geração de escoamento superficial por saturação, principalmente em locais de fundo de vale e em encostas calcárias de solos pouco profundos. As áreas florestais apresentam uma elevada capacidade de infiltração de água, mesmo quando a matriz do solo apresenta um elevado carácter hidrofóbico, promovida pela presença de macroporos. Todavia, densas plantações de eucaliptal são menos favoráveis à infiltração de água do que áreas de regeneração natural de eucalipto e zonas de carvalhos, devido à maior repelência do solo. O padrão climático, nomeadamente a precipitação, determina o regime hidrológico das bacias hidrográficas e a qualidade da água superficial. As características físicas da bacia, tais como a litologia, também afetam os processos hidrológicos, uma vez que determinam a permeabilidade dos solos e o regime hídrico das linhas de água ao longo do ano. Durante o verão, o escoamento de base representa uma componente relevante das linhas de água, mas o reduzido caudal promove uma baixa capacidade de diluição de poluentes, podendo colocar em causa a qualidade da água durante eventos de precipitação, principalmente devido a concentrações elevadas de carência química de oxigénio e nutrientes. Ao longo da época de chuvas, o aumento da conetividade hidrológica entre as fontes de escoamento superficial e de poluentes, origina maiores contribuições para as linhas de água. Elevadas cargas de poluentes, nomeadamente sólidos em suspensão, metais pesados e azoto, podem colocar em causa a qualidade da água superficial durante maiores eventos de precipitação. De um modo geral, a expansão das áreas urbanas, e particularmente das superfícies impermeáveis, promove o aumento dos coeficientes de escorrência e origina concentrações médias elevadas de alguns parâmetros que afetam a qualidade da água, tais como nitratos e carência química de oxigénio. No entanto, os impactes nos recursos hídricos são determinados pela localização das fontes dentro da bacia hidrográfica. Fontes de escoamento superficial e poluentes localizadas em posições mais elevadas das encostas podem ter um efeito negligenciável nas linhas de água, devido às oportunidades de infiltração e retenção superficial promovidas pela passagem ao longo da encosta. Por outro lado, fontes de escoamento e de poluentes localizadas nas imediações das linhas de água originam maiores impactes nos ecossistemas ribeirinhos. A presença de sistemas de drenagem de águas pluviais aumenta de forma eficiente a conetividade hidrológica dentro da bacia. Os agentes responsáveis pelo ordenamento do território e o planeamento urbano devem considerar a utilização de um mosaico paisagístico constituído por diversos usos do solo, de modo a maximizar a infiltração de água e limitar a conetividade hidrológica entre as fontes de escoamento e as linhas de água. A preservação de um regime hídrico mais aproximado ao de características naturais é importante para a minimização do risco de cheia e a degradação da qualidade da água.

Peri-urban areas represent one of the most important development forms. The aim of this study is to contribute for an improved knowledge about the impact of peri-urban areas on catchment hydrology and surface water quality. The research focus on a Portuguese peri-urban catchment (Ribeira dos Covões), under Mediterranean climate. The study is based on a spatio-temporal multi-scale approach, involving the measurement of soil properties, runoff plot experiments as well as catchment and subcatchments monitoring. Land-uses have distinct soil properties which provides different infiltration capacities and mechanisms for generating overland flow over the year. During the summer, the hydrophobic nature of woodland and abandoned agriculturallimestone fields exhibit low soil matrix infiltration capacity, being prone to induce infiltration-excess overland flow. However, wettable urban soils and low hydrophobic agricultural fields (overlaying sandstone) have greater matrix infiltration capacity, and can provide infiltration opportunities for uphill overland flow. On the other hand, throughout wet season, hydrophobicity switches off and matrix infiltration capacity increases under woodland soils. But increasing soil moisture limit the infiltration capacity of agricultural and urban land-uses, favouring saturation-excess overland flow, particularly in valley bottoms and hillslope shallow soils overlaying limestone. Even under widespread hydrophobic conditions in driest settings, woodland areas can provide high infiltration through macropores. Nevertheless, dense eucalypt plantations are less suitable than open eucalypt stands and woodland areas, due to most severe hydrophobicity. Climate pattern, and particularly rainfall, is the most important parameter affecting stream flow and surface water quality. Physical characteristics of the catchment, such as lithology are also important in determining soil permeability and the temporal stream flow regime. During the summer, base flow represents a larger percentage of the stream discharge, but the limited flow provide minor pollutants dilution during rainfall events, mainly chemical oxygen demand and nutrients, which may threaten water quality standards. Over the wet season, increasing hydrological connectivity of overland flow and pollutant sources provide greatest stream flow inputs. Enhanced pollutant loads, particularly of suspended sediments, heavy metals and nitrogen, can hinder surface water quality during wettest conditions. Generally, increasing urban land-use extent, and particularly impervious surfaces, leaded to enhanced runoff coefficients and high mean concentrations of few pollutants, specifically chemical oxygen demand and nitric oxide. However, impacts on stream flow are largely dependent on the source position across the landscape. Overland flow and pollutant sources located upslope may have a minor impact on riverine ecosystems, due to greater infiltration and surface retention opportunities provided by downslope areas. Contrary, source areas with greater proximity to the stream network would have major impacts. The presence of urban drainage system can efficiently favour flow connectivity, enhancing the impacts on aquatic ecosystems. Landscape managers and urban planners should employ a mosaic of different land-uses, in order to maximize infiltration and disrupt the flow connectivity between sources and stream network. The maintenance of a more natural hydrological regime would be important to minimize flood hazard and preserve water quality.
description: Doutoramento em Ciências e Engenharia do Ambiente
URI: http://hdl.handle.net/10773/14837
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DAO - Teses de doutoramento

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