Breve histórico sobre o desenvolvimento do modelo HAND

Uma narrativa contextualizadora

por Antonio Donato Nobre

De 1999 a 2002, nossa equipe de pesquisadores do Projeto LBA instalou na Amazônia a primeira bacia hidrográfica instrumentada em floresta não perturbada, no Igarapé Asu, próximo a Manaus (descrita em Waterloo et al 2006 e Cuartas et al 2007). Alguns anos após a instalação, enfrentamos o desafio de representar as propriedades do solo e inferir a dinâmica da água do solo a partir apenas dos dados pontuais gerados pelos instrumentos de monitoramento. Os dados dispersos precisavam ser interpolados e extrapolados de forma significativa para uma grande área, de difícil acesso. O uso de técnicas passivas de imageamento bidimensional da superfície para estimar a possível distribuição das propriedades do solo era limitado pela impenetrabilidade do dossel florestal. No entanto, naquela época missões de sensoriamento orbital por radar geraram modelos de elevação da superfície (maquetes digitais em 3D, JERS-1, SRTM). Começamos então a buscar uma solução inovadora para mapear solos que pudesse conjugar inferência hidrológica com os dados topográficos a partir de então disponíveis.

Ao descrever a paisagem amazônica, muitos pesquisadores usam rotineiramente classificações qualitativas de terrenos, de acordo com o regime de saturação de água e a posição no relevo local (por exemplo, Sioli 1984, Chauvel et al, 1987). Para a Hileia amazônica (ampla extensão da bacia situada abaixo dos 600 m de altitude acima do nível do mar), era bastante comum usar os termos geomorfológicos / fisionômicos (ou fisiográficos), como – baixio, -encosta e -platô. Tal classificação pode ser tomada por seu valor prático, com base em propriedades locais percebidas dos terrenos, como uma descrição semântica de compartimentos da paisagem. No entanto, essa forma coloquial de se referir a classes de terrenos ostenta pouca ou nenhuma dimensão quantitativa. Sua capacidade preditiva ficava limitada pela dificuldade de fazer qualquer associação física significativa e reproduzível com a topografia (definida em relação ao nível do mar). Consideremos um exemplo sul-americano: um pântano pode ocorrer em qualquer altitude, perto da foz do rio Amazonas – quase ao nível do mar -, até nas margens do Lago Titicaca nos Andes, a 4000 m de altura. É claro, então, que a altura acima do nível do mar mescla e confunde os gradientes de encostas locais com gradientes para toda a paisagem, na escala continental.

Precisávamos isolar logicamente os ambientes locais e colocá-los em uma estrutura topográfica comparável. Essa foi minha visão que nos motivou a buscar o desenvolvimento de um novo modelo normalizado de terreno. A ideia era muito simples, não obstante parecia que ninguém havia visto isso antes. Alguns anos mais tarde, no âmbito do projeto de modelagem GEOMA, liderei um esforço para construir uma ferramenta computacional que poderia normalizar DEMs assim como havia imaginado, de modo que gradientes locais pudessem tornar-se fisicamente comparáveis ​​para áreas maiores. O desenvolvimento conceitual da classificação da paisagem em classes de terreno hidrologicamente relevantes (descritas em Nobre et al., 2011) precedeu o algoritmo HAND e, de fato, orientou seu desenvolvimento. Tínhamos no grupo alguma incredulidade de que tal normalização topográfica ainda não houvesse sido feita, então reviramos a (vasta) literatura sobre topografia-hidrologia, apenas para confirmar a inexistência de algo similar ao HAND.

Confiantes na originalidade da ideia, por volta de 2005 realizamos os primeiros testes promissores para a bacia do Igarapé Asu. De posse do protótipo de ferramenta de normalização, voltamos para as classes de terreno verificadas em campo. Para testar a capacidade quantitativa da nova classificação normalizada de terreno realizamos uma análise dos dados de distribuição da água no solo. Com base na alocação de classes de profundidade do lençol freático, identificamos as contrastantes categorias de terrenos e as chamamos de -baixio (waterlogged, lençol superficial), ecótono (ecotone, lençol raso), encosta & platô (slope & plateau, lençol profundo). A classificação HAND da paisagem foi inicialmente pensada para resolver uma interpolação em uma pequena bacia hidrográfica (13 km²). À medida que a aplicamos com sucesso para áreas circundantes, próximas e distantes do Igarapé Asu, concluímos que tínhamos nos deparado com uma robusta propriedade física da paisagem: a antes esquiva coerência topográfica da água no solo, agora correlacionada a uma nova dimensão física do terreno, a topologia normalizada HAND.

Em Nobre et al (2011) introduzimos formalmente o modelo de terreno HAND, que captura com substância física a relação topográfica entre solo e água, demonstrando-o com ampla validação. A classificação de terrenos baseada no modelo HAND foi aplicada e verificada na bacia do Igarapé Asu, com resultados robustos também para duas áreas envolventes, o rio Cuieiras (500 km²) e a parte inferior da bacia do Rio Negro (18.000 km²). Depois deste desenvolvimento inicial na Amazônia central, aplicamos e verificamos a classificação HAND para áreas heterogêneas ainda maiores dispersas pelo Brasil (totalizando mais de 300 mil km², Nobre et al. 2011b). A classificação HAND também foi validada de forma independente para diferentes geomorfologias, com resultados igualmente robustos. Com Nobre et (2011) apresentamos os fundamentos físicos do modelo HAND e uma nova classificação quantitativa da paisagem. Tal classificação tornou-se uma referência muito informativa e útil, cujas classes têm reconhecida relevância global. Ao longo dos 10 anos de desenvolvimento inicial (2001 a 2011) logramos demonstrar que a antiga classificação semântica, baseada em percepções intuitivas do regime de água subterrânea e posição relativa no relevo, pode finalmente adquirir capacidade quantitativa e preditiva através do modelo HAND. A normalização do relevo via topologia HAND, e a classificação dos terrenos derivada dela, permitiram um olhar hidrológico inteiramente novo e revolucionário sobre a paisagem.

Referências

Chauvel, A., Lucas, Y., and Boulet, R., 1987 On the genesis of the soil mantle of the region of Manaus, Central Amazonia, Brazil. Experientia 43, 234-240.

Cuartas, L. A., Tomasella, J., Nobre, A. D., Hodnett, M. G., Waterloo, M. J., Múnera, J. C., 2007. Interception water-partitioning dynamics for a pristine rainforest in Central Amazonia: marked differences between normal and dry years. Agricultural and Forest Meteorology 145 (1–2), 69–83.

Nobre, A. D., Cuartas, L. A., Hodnett, M. et al 2011a. Height Above the Nearest Drainage – a hydrologically relevant new terrain model. Journal of Hydrology 404, 13–29.

Nobre, A. D.; Silveira, A … Cuartas, L.A., 2011b. Aspectos físicos e geográficos das áreas ripárias no Brasil: análise preliminar da legislação. Ciência para o Código Florestal. São José dos Campos: Centro de Ciência para o Sistema Terrestre – INPE, 110 p. Relatório Cientifico.

Sioli, H., 1984. The Amazon: limnology and landscape ecology of a mighty tropical river and its basin. W. Junk, 763 p.

Waterloo, M. J., Oliveira, S. M., Drucker, D. P., Nobre, A. D., Cuartas, L. A., Hodnett, M. G., Wilma, I. L., Jans, W. P., Tomasella, J., Araujo, A. C., Pimentel, T. P., Munera Estrada, J. C., 2006. Export of organic carbon in run-off from an Amazonian rainforest black water catchment. Hydrological Processes 20, 2581–2597.