Measurement and modelling of gullies in the Caatinga biome: A case of study of Madalena, CE.

In contrast with inter-rill erosion, gullies can cause fast and severe changing on the landscape of a region. In the Brazilian semiarid region (a one-million km² area that coincides with the Caatinga biome), due to the shallow soils gully erosion processes are limited to small dimensions, being less representatives than sheet erosion, concerning total sediment yield. Nevertheless, gullies, even with small sizes, have a high influence on sedimentological processes, changing the sediment dynamics inside de watershed. Due to the land use change in the Caatinga, agricultural automation, deforestation for extensive cattle rising and development of infrastructure, as construction of new roads, gully occurrence has been becoming more frequent. This study focuses on the Madalena representative basin (124 km2, state of Ceará, Brazil), a land-reform settlement with 20 inhabitants per km², whose main economic activities are agriculture (especially Zea mays), livestock and fishing. In the catchment area, where there are 12 dams (with storage capacity ranging from 6.104 to 2.107 m³). Topographic surveys were performed using Total Station and UAV (Unmanned Aerial Vehicle), to obtain digital terrain models and assess the volume of soil eroded in the channel. Soil samples were collected in order to estimate the rill erodibility and the critic shear stress. The studied gullies, classified as small classical (or permanent) gullies have the following dimensions (μ±σ): projection area (317±165 m²), length (38±6 m), volume (42±25 m³) and eroded mass (61±36 Mg). The modelling pointed out an estimative of soil loss at 5±3 Mg.ano-1 in the first decade of the gully process, and almost 16 Mg.ha-1.ano-1 on the sub-basins studied, which corresponds to more the thrice the average of laminar erosion production in the State of Ceará. We used the Foster and Lane model (1986) for ephemeral gullies. Due to limitations of the original model to tackle the slope of the channel walls we proposed a correction factor of the cross-section area in function of the watershed geometry, obtaining good positive responses from the modelling (NSE = 0.75; for the Cross-section area), implying that the model can be applied as tool of volume prediction of gully volume in the semiarid, even for small classical gullies, once the analyzed gullies began around 58 years ago, due to the construction of a new road. As secondary result we identified that the 30-minute intensity is the most representative for the gully process, the same for sheet erosion proposed by Wischmeier and Smith (1978).Em contraste com a erosão laminar, as voçorocas podem causar uma rápida e severa alteração da paisagem de uma região. No semiárido brasileiro, devido aos solos rasos, processos de voçorocamento são limitados a pequenas dimensões, sendo menos representativos em termos de produção de sedimento quando comparados com a erosão laminar. No entanto, voçorocas, ainda que de pequenas dimensões, exercem grande influência em processos sedimentológicos, alterando a dinâmica de sedimentos dentro da bacia. Devido a mudanças do uso de solo na Caatinga, com mecanização da agricultura, desmatamento para pastejo em pecuária extensiva e evolução da infraestrutura, como construção de novas estradas, a ocorrência de voçorocas vem tornando-se cada vez mais frequente. Este estudo tem como área de pesquisa a bacia representativa de Madalena (124 km², Ceará, Brasil), um assentamento de reforma agrária com população de 20 habitantes por km², cujas principais atividades econômicas são a agricultura (Zea mays), a pecuária extensiva (bovinos e ovinos) e a pesca. Na área da bacia existem 12 barragens com capacidade de armazenamento entre 6.104 e 2.107 m³. Foram realizados levantamentos topográficos de três voçorocas entre as oito identificadas no assentamento, utilizando-se Estação Total e VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado), para obtenção do modelo digital de terreno e do volume erodido nos canais. Foram ainda coletadas amostras de solo para estimativa de parâmetros como erodibilidade e tensão crítica de cisalhamento. As voçorocas estudadas, classificadas como pequenas voçorocas clássicas (ou permanentes) possuem as seguintes dimensões (μ±σ): área de projeção (317±165 m²), comprimento (38±6 m), volume (42±25 m³) e massa erodida (61±36 Mg). A modelagem também apontou uma estimativa de perda de solo da ordem de 5±3 Mg.ano-1 na primeira década, e quase 16 Mg.ha-1.ano-1 nas bacias estudadas, cerca de quatro vezes maior que a erosão laminar média no Ceará. Utilizou-se o Modelo de Foster e Lane (1986) para voçorocas efêmeras na modelagem. Devido a limitações do modelo original acerca da declividade das paredes do canal, foi proposto um fator de correção da área da seção em função da geometria da bacia. Obtiveram-se respostas positivas da qualidade do modelo (coeficiente de Nash e Sutcliffe NSE = 0,75; para a variável área da seção transversal), indicando que o modelo pode ser aplicado como ferramenta de predição do volume de voçorocas no semiárido, mesmo para pequenas voçorocas clássicas, uma vez que as analisadas iniciaram há aproximadamente 58 anos, quando ocorreu a construção de estradas vicinais. Identificou-se que a intensidade de chuva mais representativa para o processo de voçorocamento é a de 30 minutos, mesma da erosão laminar proposta por Wischmeier e Smith (1978)