Previsão de mudanças no uso e cobertura do solo para a sustentabilidade de aquíferos na bacia do Muvattupuzha usando CA-Markov (2033–2050)

Por que a mudança do uso do solo importa para a água escondida

Em muitas regiões tropicais, milhões de pessoas obtêm água potável do subsolo. Ainda assim, a forma como construímos cidades, desmatamos e cultivamos a terra remodela silenciosamente esse recurso oculto. Este estudo examina a bacia do rio Muvattupuzha, em Kerala, no sul da Índia, para responder a uma pergunta urgente: à medida que a paisagem se urbaniza, o que acontece com a qualidade e a confiabilidade da água subterrânea da qual os moradores dependem?

Uma bacia hidrográfica sob rápida transformação humana

A bacia do Muvattupuzha se estende desde encostas íngremes e florestadas nos Ghats Ocidentais até campos de arroz baixos e backwaters próximos ao Mar Árabe. Usando imagens de satélite de 2003, 2013 e 2023, os pesquisadores acompanharam como o uso e a cobertura do solo mudaram ao longo de duas décadas. Floresta e áreas agrícolas dominavam a bacia, mas as áreas construídas – cidades, vilas, estradas e outras superfícies pavimentadas – expandiram-se dramaticamente. A área construída cresceu de cerca de 12% da bacia em 2003 para mais de 44% em 2023, principalmente substituindo terras agrícolas e partes da vegetação. Ao mesmo tempo, a quantidade de terras verdadeiramente vazias ou estéreis diminuiu, e corpos d’água e zonas úmidas apresentaram apenas mudanças menores no conjunto, apesar de invasões e recuperação local.

Perscrutando o subsolo: como a química da água está mudando

Para ver como essas mudanças superficiais afetam o que ocorre abaixo do solo, a equipe analisou dados de água subterrânea de poços em toda a bacia para três anos de referência: 2003, 2013 e 2023. Mediram propriedades básicas como condutividade elétrica (um indicador do teor de sal ou minerais da água), sólidos dissolvidos, principais minerais dissolvidos como cálcio, magnésio e sódio, e nitrato, que frequentemente provém de fertilizantes e esgoto. Ao longo do tempo, muitos poços mostraram um aumento constante de minerais dissolvidos e dureza, indicando crescente mineralização do aquífero. Os níveis de nitrato também aumentaram em várias localidades, especialmente próximas a áreas urbanas e de agricultura intensiva, sinalizando maior influência de resíduos humanos e produtos agroquímicos. Embora muitos poços ainda se mantivessem dentro das diretrizes para água potável, emergiu um padrão de declínio gradual da qualidade geral.

De mapas e estatísticas a cenários futuros

Compreender tendências não basta; planejadores precisam saber o que pode acontecer a seguir. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada modelagem CA-Markov para projetar como o uso do solo pode evoluir de 2023 a 2050, com base nas mudanças observadas e em restrições físicas como declividade, altitude, solos e distância a estradas e rios. Suas simulações sugerem que as áreas construídas continuarão a se expandir até 2033 e 2043 antes que o crescimento diminua em direção a 2050, enquanto terras agrícolas e áreas de água superficial enfrentarão pressão contínua. Paralelamente, a equipe aplicou estatística multivariada aos dados de água subterrânea para separar duas forças principais que moldam a qualidade da água: processos naturais que dissolvem minerais das rochas e atividades humanas que adicionam poluentes na superfície. Essa análise mostrou que água salobra e rica em minerais e contaminação por nitrato frequentemente seguem padrões diferentes, apontando para causas subjacentes distintas.

Aprendizado de máquina para desvendar riscos invisíveis

O estudo foi além ao usar algoritmos de aprendizado de máquina para verificar se o nitrato – um poluente relevante para a saúde – poderia ser previsto a partir de outras propriedades da água, mais fáceis de medir. Modelos como Random Forest, Support Vector Regression e XGBoost foram treinados com os dados dos poços, e uma ferramenta de "IA explicável" chamada SHAP foi usada para revelar quais fatores eram mais importantes. Os modelos indicaram magnésio, cálcio e alcalinidade como influências-chave nos níveis de nitrato, refletindo provavelmente como reações de tamponamento naturais e condições de oxigênio no aquífero favorecem ou inibem o acúmulo de nitrato. Ao mesmo tempo, a previsibilidade limitada do nitrato apenas a partir da química geral da água ressaltou que usos locais do solo, saneamento e práticas agrícolas permanecem fatores cruciais que devem ser monitorados diretamente.

O que isso significa para as pessoas e para o planejamento

Para moradores e tomadores de decisão, a mensagem é clara: a forma como o solo é utilizado na bacia do Muvattupuzha molda fortemente a qualidade da água subterrânea abaixo. O rápido crescimento urbano, combinado com mudanças na agricultura, já aumentou o teor de minerais e de nitrato em muitos poços, e as tendências projetadas de uso do solo sugerem estresse contínuo se os padrões atuais persistirem. Ao combinar mapas de satélite, medições de campo e ferramentas de aprendizado de máquina transparentes, o estudo oferece um quadro prático para identificar "pontos quentes" emergentes da água subterrânea, orientar onde proteger áreas de recarga, melhorar o gerenciamento de esgotos e fertilizantes e direcionar o desenvolvimento futuro. Em termos simples, um planejamento do uso do solo inteligente hoje pode ajudar a manter os poços de amanhã mais limpos, seguros e confiáveis.

Citação: K, A., Gautam, S., Prince Arulraj, G. et al. Forecasting land-use and land-cover change for groundwater sustainability in the Muvattupuzha basin using CA-Markov (2033–2050). Sci Rep 16, 7462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38961-2

Palavras-chave: água subterrânea, urbanização, mudança no uso do solo, poluição por nitrato, Kerala