Blog do Tucci

Numa seqüência de artigos estamos analisados os três principais efeitos que tornam as séries não-estacionárias: mudança climática, variabilidade climática e uso do solo. Nos três artigos anteriores discutimos os dois primeiros efeitos e neste iniciaremos é inicialmente analisando o uso do solo num dos seus efeitos principais, o desmatamento.
A alteração sobre o uso e manejo dos solos da bacia pode ser classificada quanto ao
(a) tipo de mudança: desmatamento, reflorestamento ou impermeabilização; (a) uso da superfície após o desmatamento: agricultura, pasto, urbanização, reflorestamento e extração seletiva de madeira; (c) método de alteração: manual, mecanizado, queimada. Qualquer que seja a alteração poderá produzir modificações na distribuição temporal e espacial das vazões dos rios, dos sedimentos e da qualidade da água. Quando esta água é utilizada num determinado local da bacia o usuário poderá estar em risco quanto a qualidade e quantidade da água disponível.
A seguir vamos analisar cada um destes efeitos sobre a vazão neste e, em outros artigos semanais. O primeiro dos efeitos será o desmatamento.
Quando ocorre o desmatamento sobre uma determinada área, a mesma tende a recuperar a sua cobertura, o impacto sobre o balanço hídrico da área apresenta um comportamento como o apresentado na figura 1. Num primeiro estágio ocorre aumento na vazão média, com redução da evapotranspiração, devido a retirada da cobertura. Com o crescimento da vegetação (cerca de 20 anos) o balanço tende a voltar as condições iniciais devido as recuperação das suas condições prévias. Este é o cenário que o solo não é explorado sistematicamente ao longo do tempo e a natureza recupera as suas funções. Isto ocorre com plantio de subsistência.
Quando o solo é explorado para pasto ou agricultura com cultura anual como o soja o cenário após o desmatamento se mantém no tempo, com maior agravamento dos seus efeitos se não ocorre conservação do solo.
Grande parte das pessoas relaciona o desmatamento a diminuição da chuva, no entanto, isto somente ocorre quando a floresta tem capacidade de interferir nos processos de climáticos regionais. Isto geralmente não ocorre quando a área desmatada tem pouca abrangência e mesmo em grandes áreas o seu efeito pode ser insignificante.
Os principais efeitos na vazão média são: a redução da cobertura de floresta aumenta a vazão média; o estabelecimento de cobertura florestal em áreas de vegetação esparsa diminui a vazão média; a resposta a mudança é muito variável.
É possível encontrar na literatura experimentos que mostram aumento ou diminuição da vazão mínima depois do desmatamento. O que pode caracterizar um caso ou outro depende das características do solo após o desmatamento. Quando as condições de infiltração após o desmatamento ficam deterioradas, por exemplo o solo fica compactado pela energia da chuva, a capacidade de infiltração pode ficar reduzida e aumentar o escoamento superficial, com redução da alimentação do aqüífero. De outro lado, se a água que não é perdida pela floresta, atinge o solo e infiltra, o aqüífero tem uma maior recarga, aumentando as vazões mínimas.
A inundação de pequeno e médio tempo de retorno tende a aumentar com o desmatamento, enquanto que nas cheias de maior magnitude, as diferenças na proporção do aumento é menor.
A vazão média no rio Paraná em diferentes locais (do rio Grande até no trecho argentino) mostrou aumentos de pois de 1970 da ordem de 30% ba vazão. Este efeito teve dois componentes a variabilidade climática e o uso do solo. A bacia incremental de Itaipu (entre Rosana e Itaipu) sofreu importante desmatamento, além da substituição do café principalmente pelo soja no Norte do Paraná. O aumento da precipitação nesta bacia incremental foi de 10% e aumento de vazão de 44 %. Para bacias consolidadas em termos de alteração do uso do solo como a bacia do Rio Grande, observou-se que as alterações da chuva explicam a alteração da vazão, sem maior efeito da alteração do solo que já tinha ocorrido.
Na figura 2 abaixo se pode observar claramente a alteração da relação precipitação x vazão entre os períodos para a incremental de Itaipu, o que produz parte importante da alteração da vazão.
Nesta bacia também se observou aumento da vazão mínima em diferentes sub-bacias, o que também combina os dois efeitos mencionados.

Figura 1 - Modificações no escoamento e evapotranspiração devido ao desmatamento numa bacia no Sul da África (VÖRÖSMARTY, C.J. ; MOORE, B.; GRACE, A.; PETERSON, B.J.;RSTETTER, E.B.; MELILLO, J. 1991. Distributed parameter models to analyse the impact of human disturbance of the surface hydrology of a large tropical drainage basin in southern Africa, in: Hydrology for the Water Management of Large River Basins F.H.M. Van de Ven, D. Gutnecht, D. P. Loucks and K.A. Salewicz (eds), IAHS Publ. 201.

Figura 2 Relação entre escoamento e precipitação na bacia incremental de Itaipu

As séries hidrológicas têm mostrado características não-estacionárias (quando as estatísticas da série, como média e desvio padrão, mudam com o tempo). Isto ocorre por um ou mais dos seguintes fatores:: (a) mudança climática; (b) variabilidade climática; (c) uso do solo.
Nos últimos dois artigos discutimos a mudança climática, identificando as suas causas e avaliações. A variabilidade climática é entendida aqui como o efeito de variações de longo prazo do clima devido a efeitos pouco conhecidos e da forte não-linearidade de comportamento.
Antes de analisar a variabilidade climática é necessário entender o efeito da elasticidade hidrológica. A alteração da precipitação apresenta impacto diferenciado sobre a vazão da bacia hidrográfica. Nos anos com valores extremos (inundações e secas) a resposta da bacia se amplifica com relação a variação adimensional da precipitação (elasticidade da vazão). Nos anos mais úmidos o aumento de precipitação produz maior aumento da vazão já que a infiltração aumenta pouco e a evapotranspiração potencial diminui pelo aumento da chuva, o que aumenta proporcionalmente mais a vazão. No sentido contrário, nos anos secos, a redução de precipitação, aumento da evapotranspiração reduz em maior magnitude a vazão. Portanto, a anomalia da vazão (resposta da bacia hidrográfica) amplifica os efeitos na precipitação, se considerarmos apenas o efeito da anomalia da precipitação (figura 1).
Existem vários exemplos de variabilidade climática nas séries de diferentes rios. A bacia do rio Paraguai mostrou ao longo do século vinte, significativa variabilidade hidrológica. Na figura 2 são apresentados os níveis máximos anuais em Ladário para o todo o período de registro. Pode-se observar que entre 1900 e 1960 os níveis máximos ficaram, em média da ordem de 4,00 m, enquanto que entre 1960 e 1972 da ordem de 2,00 m. Já entre 1973 e 1995 variou em cerca de 5,0 m. No rio Uruguai, a década de 1942 a 1951 apresentou uma seca em que as precipitações anuais ficaram muito abaixo da média de longo período pelos 10 anos. Quando se projeta um reservatório neste rio, com dados depois de 51, o volume do reservatório é metade do que é obtido com a série a partir de 1942. O rio Paraná no período posterior a 1970 tem apresentado vazões da ordem de 30% maiores que o período anterior.
A questão fundamental em hidrologia, quando se projetam os usos dos recursos hídricos para o futuro é verificar qual o risco de períodos anômalos se repetirem no futuro e comprometer os usos da água (demanda de água, navegação, produção de energia, etc). Estes impactos podem ser benéficos, como aconteceu para energia no Brasil depois de 1970, com o aumento das vazões. Foi possível gerar mais energia e adiar o racionamento que acabou acontecendo em 2001.
Uma área de conhecimento que se desenvolve atualmente é buscar relações que permita entender estes processos e obter prognóstico que diminua o risco para a sociedade. Isto envolve os estudos de processos climáticos interdecadais. Observa-se das correlações que o comportamento dos oceanos permite obter indicações de tendências de longo prazo, mas ainda são apenas relações lineares de processos fortemente não-lineares.
No próximo artigo analisaremos o terceiro item que altera as séries hidrológicas, o uso solo. Como a sua alteração pode criar alterações na resposta das bacias.

No artigo anterior apresentamos o que é a mudança climática, como se diferencia da variabilidade natural climática, os principais gases identificados e a gestão reduzir as emissões. Neste artigo estamos discutindo o que tem sido considerado como evidências e as características dos modelos matemáticos utilizados na análise.
A principal evidência apresentada sobre mudança climática tem sido o seguinte: (a) alta correlação entre CO2 e temperatura estimado com dados do passado e amostras de gelo; (b) Grande aumento de CO2 na atmosfera (figura 1) juntamente com aumento de temperatura também nas últimas décadas 70 (figura 2); (c) O aumento do CO2 e de outros gases tem sido identificado como sendo provocado pelas ações antrópicas. Isto foi bastante ilustrado no filme do Gore “ Verdade inconveniente”.
Aparentemente não existe questionamento que a temperatura está aumentando, no entanto os questionamentos ocorrem que no passado a terra também se aqueceu, com aumento do CO2, porque então agora seria devido às emissões? Os cientistas nos quais o IPCC baseia suas conclusões têm utilizado modelos matemáticos para representar o clima do globo atual e futuro. Estruturas semelhantes destes modelos são utilizadas para analisar o clima do globo com estes modelos. O relatório do IPCC mostra resultados de um modelo climático para ajustar o cenário atual da temperatura do globo. Este modelo utiliza “ forçantes” (que são processos que atuam na definição do clima) naturais e antrópicas (como os gases). O relatório do IPCC mostra que utilizando um modelo climático é possível obter bons resultados do ajuste do clima atual somente quando são introduzidas as forças naturais e antrópicas.
Os modelos matemáticos climáticos resolvem equações diferenciais que representam os processos na atmosfera, no solo e no oceano. Os chamados GCMs (Global Climate Models) discretizam o globo terrestre em malhas (quadrículas atualmente da ordem de 100 km de lado) e várias camadas na atmosfera, além de algumas camadas no solo. Toda solução de equações diferenciais por métodos numéricos envolve erros de discretização que podem ser minimizados e dependem como são inseridas as características dos sistemas naturais. Por exemplo, uma montanha dentro de uma quadrícula de 100km é filtrada. Devido a isto a representação da precipitação apresenta problemas, principalmente as chuvas que possuem abrangência espacial pequena.
Com o objetivo de melhorar o problema de discretização foram propostos os modelos chamados “ Regionais” . Estes modelos representam parte do globo e usam malha menor, geralmente de 20 a 25 km, podendo chegar até 1 km. Estes modelos utilizam as condições limites (contorno) dos modelos globais e simulam somente a região em estudo. Este processo é chamado de “ downscale” (redução de escala). Os resultados não melhoram necessariamente, mas é possível melhor retratar processos de menor escala. A tendência atual é dos modelos globais utilizarem malhas “não-estruturada”, ou seja mudar a discretização onde interessa para um maior detalhe, mantendo o restante com malha maior, evitando a necessidade de uso de modelo regional e o downscale. No entanto este tipo de modelo utiliza muito tempo de máquina, com altos custos.
Como se observa, estes modelos são complexos e possuem grandes incertezas devido a natural dificuldade em representar o clima em que os processos são fortemente não-lineares (quando um processo depende e outro e vice-versa). Pequenos erros nos dados no início da simulação pode levar a resultados completamente diferente depois de vários intervalos de tempo. Para minimizar estes problemas os cientistas introduziram a análise de incerteza. A incerteza existe nos dados de entrada, na amostra de dados e no próprio modelo, por não representar bem a realidade. Inicialmente os modelos usaram “ ensemble” de condições iniciais, para introduzir a incerteza do erro da condição inicial. Isto é feito mudando as condições iniciais e simulando no futuro, desta forma são obtidas várias saídas para o clima futuro. Analisam-se os resultados e escolhe-se um valor médio entre previsões consideradas confiáveis. A etapa seguinte e atual foi de utilizar vários modelos e obter um resultado médio dos modelos, ou seja “ensemble de modelos “. Portanto, em muitos sites obtém-se a previsão de um conjunto de modelos. Muitas vezes a variabilidade dos resultados dos modelos é maior que a própria variabilidade do clima. Ou seja, existem incertezas que puderam ainda ser resolvida.
Deve-se considerar que estes modelos e a previsão é um processo em evolução científica e o uso do mesmo está melhorando para previsão de tempo e para previsão climática, mostrando as principais tendências futuras.
Nos artigos seguintes sobre assunto vamos discutir este tema dentro do contexto do impacto sobre os recursos hídricos dentro da realidade atual.
Estou viajando hoje para Jacarta e espero no futuro comentar sobre a cidade e seus aspectos técnicos interessantes. Estarei de volta dia 28, mas o blog continuará recebendo artigos e entrevistas semanalmente.

FIGURA 1

FIGURA 2

Neste espaço foram apresentadas várias entrevistas sobre mudança climática e todos os dias são discutidos nos jornais e tv o tema de mudança climática. Recebi um questionamento de que como o assunto tem aspectos científicos, grande parte das pessoas desconhece os fundamentos da mudança climática e como este assunto se diferencia do clima natural.
Para procurar orientar sobre o assunto vamos apresentar aqui uma seqüência de textos com conceitos sobre o assunto.
O IPCC (Comitê internacional sobre mudança climática) define Modificação Climática como as mudanças de clima no tempo devido a variabilidade natural e das atividades humanas (ações antrópicas). Já o Framework Convention on Climate Change (outro grupo também relacionado com as Nações Unidas) adota para o mesmo termo a definição de mudanças associadas direta ou indiretamente a atividade humana que alterem a variabilidade climática natural observada num determinado período. A separação dos dois efeitos é uma tarefa difícil e tem sido realizada apenas com o auxílio de modelos matemáticos e, portanto, com um certo grau de incerteza. Por uma questão de precisão, sempre que abordamos apenas o efeito natural do clima, vamos utilizar o termo variabilidade climática natural.
Para iniciar é importante entender o que é a mudança climática e o efeito estufa e a parcela natural a devido ao efeito do homem.
A radiação solar de onda curta penetra a atmosfera, aquecendo a superfície da terra. Parte desta radiação é absorvida e parte é refletida de volta para a atmosfera (albedo). A parcela absorvida produz aquecimento na superfície que emite radiação de onda longa (radiação térmica) que pode ser absorvida pelos gases encontrados na atmosfera, como o vapor d’água e o dióxido de carbono (CO2). A absorção desta radiação de onda longa aquece a atmosfera, aumentando a temperatura da superfície. Este é o denominado efeito estufa.
O efeito estufa é um processo natural no globo produzido principalmente pelo vapor de água, além de outros gases. Se não houvesse este efeito na atmosfera da Terra, a temperatura da superfície resultante do balanço de energia seria 33 C mais fria. A falta de efeito estufa, caracteriza, por exemplo, climas desérticos onde o dia é muito quente a noite muito fria.
A modificação climática como efeito antrópico, é resultante do aquecimento adicional da atmosfera devido ao aumento da emissão de gases produzido pelas atividades humanas e animal na Terra. Este aumento de gases aumenta o efeito estufa, aquecendo ainda mais a temperatura.
Os principais gases que contribuem para este processo são : o dióxido de carbono CO2, metano (CH4) , óxido de nitrogênio e CFC (clorofluor-carbono). O CO2 é produzido pela queima de combustíveis fósseis e produção de biomassa.
O CO2 de combustíveis fósseis representam 56,6 % das emissões, N2O da agricultura representa 7,9 %, CO2 do desmatamento e turfa, 17,3 %, Metano (CH4) de efluentes da agricultura e energia representam 14,3%. O Dióxido de carbono (CO2) é o mais importante gás de efeito estufa (GHG). Em 2004 representava 77% do total e cresceu 80% no período de 1970 a 2004.
Para avaliar os impactos deste processo a ciência desenvolveu modelos matemáticos climáticos que procuram representar a atmosfera, os processos na terra e no oceano, além da própria interação nos processos terrestres que afetam o clima, como a interação água-solo-planta. Estes modelos são chamados de Modelos Globais climáticos (GCM) e representam o globo com malhas da ordem de 100 km em vários níveis na atmosfera. Os modelos têm previsto vários cenários futuros e suas conseqüências sobre a terra (aumento da temperatura, variação da chuva e vazão dos rios e aumento do nível dos mares), com grande variação entre si (num texto futuro vamos explicar as principais características destes modelos e resultados).
A forma encontrada para minimizar o efeito dos gases é o de reduzir as emissões, apesar do efeito dos gases já emitidos perdurar por muito tempo. Para reduzir as emissões foi realizado o acordo de Kyoto que alguns países, que são grandes emissores, não assinaram, como os Estados Unidos. Atualmente a maioria dos países procura manter um balanço de emissões de acordo com as suas atividades, da mesma forma que as empresas buscam estar ambientalmente neutra quanto a emissão de gases, compensando os seus efeitos com plantios de árvore ou compra de créditos de carbono (entre outros) para que possam desenvolver suas atividades. Isto criou nos últimos anos um mercado de crédito de carbono, além do desenvolvimento de ações eficientes que reduzam as emissões.
Nos próximos artigos iremos discutir em maior detalhe cada um dos itens, entre os quais as evidências, modelos climáticos e seu uso, variabilidade climática natural, entre outros. Para os interessados em leitura entre no site do IPCC onde existem os relatórios sínteses e completos da última avaliação de 2007. Sugiro o relatório síntese.

Informações:
(a) Site do IPCC: www.ipcc.ch

(b) Sobre clima e recursos hídricos, o IPCC apresenta um relatório recente que pode ser obtido em : http://www.ipcc.ch/pdf/technical-papers/climate-change-water-en.pdf

(c) na semana de 4 a 8 de agosto participei como professor do curso sobre Mudanças Climáticas e Recursos Hídricos na Cidade do Panamá produzido pela Capnet- Rede de Capacitação de Recursos Hídricos. Os textos e das apresentações que realizei para o curso serão disponibilizadas no início da semana no site da rhama. A chamada será na página principal.

A construção de uma barragem num rio envolve sempre o risco de colapso, mesmo que a mesma tenha sido construída com o melhor conhecimento técnico. Este risco pode ser minimizado quando existe um programa preventivo de segurança de barragem, mas nunca eliminado. A chance de rompimento é pequena, da ordem 1 para 1 milhão para bons projetos (um pouco inferior ao risco de queda de um avião), mas não é nulo. Este risco aumenta quando procedimentos preventivos não são rotineiros e varia com o tipo de barragem, altura, características do vertedor, entre outros.
Três processos são fundamentais na análise do rompimento de uma barragem: (a) formação da brecha (no tempo) e o hidrograma correspondente para jusante; (b) propagação do escoamento pelo vale de inundação e estimativa dos impactos; e (c) a onda negativa para montante e seu efeito (geralmente pequeno).
Sobre os impactos a jusante no vale de inundação deve-se estimar a velocidade e o nível do escoamento, a ação sobre a população e infra-estrutura e desenvolver um plano de zoneamento preventivo e um sistema de alerta para sua eventual ocorrência. O dimensionamento dos dispositivos de segurança como o vertedor deve considerar a análise de risco do rompimento e os padrões de dimensionamento devem ser rigorosos quando envolvem riscos a vidas humanas.
As principais causas de rompimentos de barragens baseados em estatísticas mundiais são: 34% devido a falta de capacidade dos vertedores; 30% devido a problemas de fundação e 28% devido a percolação do maciço. Foram estimados que 60% das quase 12 mil mortes que ocorreram em grandes eventos a nível mundial são resultados de apenas três eventos em países diferentes: Itália, Estados Unidos e Índia.
Geralmente estes elementos são regulados por legislação e normas específicas. Nos Estados Unidos na década de 70 ocorreram vários eventos de rompimento como Tenton Dam em Idaho, o que motivou a regulação sobre o assunto. Atualmente todos os Estados americanos possuem regulação sobre o assunto. Na França isto também ocorreu depois de um grande evento da década de 60 e na Argentina, depois da privatização dos anos 90.
Infelizmente não existe no Brasil nenhuma regulação ou prevenção sobre o assunto. Muitas vezes este assunto é confundido com a segurança de barragem. O tema de segurança procura evitar o rompimento e a análise do rompimento procura mitigar os efeitos da efetiva ocorrência do colapso, planejando o operador para sua mitigação. Estima-se que um programa preventivo pode-se evitar pelo menos 30% das mortes.
Apesar do baixo risco de rompimento de uma barragem, a grande quantidade das mesmas mostra que a sua ocorrência não é trivial. Vários rompimentos ocorreram ao longo do tempo no Brasil. Um dos principais casos ocorreu no rio Pardo, São Paulo em 20/01/1977, quando a barragem da Usina Armando Salles de Oliveira rompeu, produzindo uma onda de cheia que rompeu a barragem de Euclides da Cunha. No último ano, com base no noticiário identificamos pelo menos seis rompimentos de barragem de pequeno porte.(4 em 2008). Estes dados podem estar incompletos, pois foram obtidos de uma rápida pesquisa na Internet. Estes eventos ocorreram em açudes e PCHs em pequenas bacias, onde existem dados precários e projeto de qualidade duvidosa.
O potencial impacto deveria fazer parte do termo de referência de um EIA Estudos de Impactos Ambientais, mas por falta de desconhecimento as entidades ambientais não exigem este estudo, apesar do risco e das implicações que envolvem.
Imagine-se como um operador de uma barragem que fica sabendo da meteotorologia que pode estar chegando o hidrograma de projeto ou superior. Você saberia quem evacuar? Quais os danos que seriam produzidos para prevenir, para bloquear estradas, retirar pessoas, etc, ou seja atitudes de um país civilizado. Será que estamos esperando um desastre de grandes proporções para termos uma regulação sobre o assunto? Já fazem pelo menos 15 que venho tentanto alertar para o assunto em palestras e cursos. esta é mais uma tentativa.