Blog do Tucci

Escolhemos esta semana um tema pouco conhecido que reúne o entendimento dos processos hidrológicos e ecológicos que ocorrem na água, chamado ecohidrologia. Estas duas áreas que são frequentemente pesquisadas de forma fragmentada, na realidade possuem forte inter-relação não-linear, pois de acordo como as variáveis hidrológicas como a precipitação, evapotranspiração e vazão (entre outras) influenciam os processos ecológicos nos sistemas aquáticos e terrestres, da mesma os processos ecológicos podem alterar o ciclo hidrológico.
O clima de uma região depende da umidade do solo, que é resultado da combinação do tipo de solo, vegetação, infiltração e da própria precipitação, quando qualquer um dos componentes dos sistemas que interagem se altera, o ciclo muda para outro estágio dinâmico. Por exemplo, a redução interanual de precipitação, pode reduzir o nível dos rios e o lençol freático, alterando a vegetação, que mudará no final o clima regional.
A principal externalidade é o homem, com sua ação antrópica. O conhecimento destes processos e a sua capacidade de predizer efeitos são ferramentas fundamentais da gestão moderna dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica. Portanto, o desenvolvimento sustentável dos recursos hídricos depende da habilidade em manter os processos de circulação da água e nutriente juntamente com o fluxo de energia na escala da bacia. Existem duas escalas principais que são a temporal e a espacial.
Os conceitos da ecohidrologia se baseiam em três princípios (1):
(a) Estrutura: integração da bacia, sua biota em uma entidade – superorganismo
(b) Foco: entender a evolução da resistência e recuperação do stress dos ecossistemas: entender com os ecossistemas podem resistir ao antropismo;
(c) Metodologia: uso da propriedade dos ecossistemas como ferramenta de gestão pelo uso da biota para controle dos processos hidrológicos e vice-versa, pelo uso de hidrologia para controlar a biota.
A UNESCO no seu Programa Hidrológico Internacional (PHI) e do Homem e Biosfera (MAB) definiu os conceitos de ecohidrologia. Em 2006 o Comitê Científico propôs seis grupos de trabalho nas seguintes áreas:
• Zonas costeiras;
• Avaliação dos impactos das mudanças globais nos sistemas aquáticos;
• Ciências sociais;
• Educação e capacitação;
• Estudos de casos.
A figura abaixo mostra o exemplo do controle de eutropfização num reservatório de clima temperado por meio da aplicação de diferentes medidas ecológicas focadas na redução de fósforo (fonte da referência 1).

(1) http://www.biol.uni.lodz.pl/demosite/pilica/en/main/concept/ecohydrology.html

(*) No Jornal valor de 18 de fevereiro passado pg. B9 foi apresentado um artigo traduzido do Wall Street Journal sobre “Ägua Virtual”, mas enfatizado como “pegadas d’água”. No entanto, trata do assunto da semana passada deste blog sobre água virtual.

Um conceito recente apresentado pelo prof. John Anthony Allan do King’s College de Londres, muda a forma como contabilizamos o consumo humano da água. A forma usual de contabilizar o consumo é o uso direto da água que é distribuído nas residências e utilizado para beber, limpeza e higiene pessoal, entre outros. Este consumo direto pode variar de 150 a 700 L/dia/pessoa dependendo de vários fatores. No Brasil este consumo varia de 200 a 300/L/dia/pessoa e nos Estados Unidos chega aos 700 L/dia/pessoa
A água denominada de virtual é aquela que foi utilizada na elaboração dos produtos que utilizamos nas atividades da nossa vida. Ao consumir uma xícara de café estamos usando 140 litros de água para plantar, produzir, empacotar e despachar o café, além da quantidade usada na mistura da sua produção final. Da mesma forma, quando utilizamos o carro e consumimos álcool ou gasolina estamos consumindo água virtual que foi utilizada na produção dos combustíveis e do próprio automóvel. Esta forma de contabilizar a água indica que a água virtual nada mais é do que o consumo indireto que fazemos deste recurso.
De acordo com a nossa dieta, podemos influenciar o consumo de água virtual. Por exemplo, uma pessoa com uma dieta de sobrevivência utiliza 1000 L/dia, com dieta vegetariana consome 2630 L/dia e uma dieta baseada em carne pode chegar a 5000 L/dia. Isto não significa que todos devemos passar a ser vegetariano, mas é importante o balanço destes valores.
O consumo global médio considerando a água virtual é estimado em 3400 L/dia/pessoa, com grande variação entre países. Um dos países de grande consumo é o EUA com o dobro da média mundial de 6800 L/dia/pessoa. O Brasil tem um valor próximo da média 3370 L/dia/pessoa. Estes valores evidentemente são estimativas, que podem variar muito em função dos critérios utilizados, no entanto permitem uma avaliação global destes valores.
Na estimativa destes valores são utilizados três tipos de água (conceitual) “verde”, “azul”e “cinza”. A verde é a água originada na chuva captada que evapora no processo. A azul é a água extraída dos rios e dos aqüíferos, enquanto que a cinza é a água poluída (reutilizada ou não).
A água tem sido vista como um importante recurso natural, mas sempre como uso local/regional, devido aos custos evidentes de transporte. Sabe-se que é impossível de exportar a água devido ao alto custo de transporte. No entanto, com esta concepção da água virtual, podemos observar que alguns países estão exportando água embutida nos produtos de exportação e outros importando, gerando um balanço de água virtual entre os países. Como o maior consumo de água ocorre na produção agrícola, é de se esperar que os países grandes importadores de “commodities” agrícolas sejam os maiores importadores de água e os grandes produtores, os exportadores. O Brasil é o sétimo maior exportador de água virtual com 186 milhões de m3/dia. Utilizando a mesma medida do barril de petróleo seriam 1,16 bilhões de barris por dia. Na unidade dos hidrólogos seria 2.152 m3/s, que representa a vazão média de uma bacia da ordem de 100 mil km2, na região Sul e Sudeste do Brasil.
Este é um tema importante a ser explorado no contexto econômico brasileiro, na media que o usuário da água ainda não atribuiu valor a este recurso natural. Como você acha que deveria ser a estratégia brasileira? Como introduzir a conservação e a eficiência na exportação deste recurso? Como poderia ficar a valoração da água embutida nos produtos no comércio exterior? São perguntas interessantes que necessitam reflexão.
Existe já uma extensa bibliografia sobre o assunto e o material acima foi obtido de fontes existentes na internet (procure no Google com o termo “virtual water”). Um dos artigos principais com esta contabilização é o seguinte:
Chapagain, A.K. and Hoekstra, A.Y. (2004) Water footprints of nations Value of Water Research Report Series, No.6, UNESCO-IHE.
Está para download em http://www.waterfootprint.org/Reports/Report16Vol1.pdf

O uso de indicadores em Hidrologia é fundamental para estudar os recursos hídricos e permite uma primeira aproximação dos problemas. Podem ser usados para: verificar erros nos dados hidrológicos, avaliar a disponibilidade hídrica de uma bacia hidrográfica, analisar as áreas de inundação, desenvolver o planejamento de alternativas, entre outros.
Nesta semana vamos apresentar alguns indicadores que podem ser utilizados para os objetivos mencionados acima:
A - Verificação dos dados hidrológicos: Para uma análise global, se dados de fontes diferentes são compatíveis entre si, pode-se utilizar os totais anuais de Precipitação, Vazão média anual e Evaporação anual medida e estimada (se houver). Esta última variável apresenta grande quantidade de erros devido a dificuldade de medir o valor real. Os seus dados disponíveis geralmente não são muito confiáveis.
A precipitação anual (P) é dada em mm, a vazão (Q) em m3/s e a evaporação (E) em mm. Transforme a vazão em mm, dividindo pela sua área (A em km2), usando um fator de conversão, ficando

Q (mm) = 31536 Q (m3/s)/A

Desta forma as variáveis ficam comparáveis, pois representam totais anuais. A primeira verificação é se o balanço anual (valores para anuais de P, Q e E). Verifique o seguinte:

a.1 - P – Q > E, já que E é a Evapotranspiração potencial. Caso ocorra ao contrário, os dados são incoerentes entre si. Isto ocorre geralmente porque E tende a ser subestimado, principalmente pela equação de Thorntwaite (é a pior estimativa) e por dados de Evaporímetros (que subestimam).
a. 2 - Verifique se o Coeficiente de escoamento é coerente com a região, ou seja C = Q/P. Normalmente este coeficiente varia de uma média anual de 0,25 a 0,45 para as regiões úmidas brasileiras. Caindo para valores de 0,10 a 0,2 no semi-árido. Quando você encontrar valores muito baixo < 0,1 ou muito alto > 0,6 algo pode estar errado nos dados. Isto quando a bacia é rural, os indicadores acima não são válidos para bacias urbanas.
B – Indicadores de balanço e disponibilidade: A precipitação total anual no Brasil no Sul, Sudeste e Centro Oeste tende a ficar entre 1200 a 1800 mm com valor freqüente em cerca de 1500 mm. A vazão média anual esperada corresponde a 0,3 a 0,35, ou seja, valores na vizinhança de 500 mm. Em termos de vazão específica os valores ficam entre 15 e 25 l/(s.km2). A vazão em mm é convertida em l/(s.km2) dividindo por 31,536. Neste caso a evaporação real é da ordem de 1000 mm.

C – Indicador de Regularização e disponibilizada hídrica: A disponibilidade hídrica depende da capacidade de regularização natural de um rio ou de seu potencial de regularização artificial. A vazão média é o máximo que pode ser regularizado numa bacia hidrográfica. Na realidade uma parcela desta vazão poderá ser regularizada. Em áreas úmidas do Sul, Sudeste e Centro Oeste é possível de regularizar da ordem de 60 a 80% da média, representando o máximo que uma bacia pode contribuir. Considerando as condições naturais, sem reservatório, a regularização depende da vazão mínima, que depende da sua geologia. Em regiões com pequena profundidade de solo e muita rocha o valor é da ordem de 3 a 8% da vazão média, enquanto que em rios com maior regularização natural como em bacias sedimentares este valor sobe para 10 a 30 % da vazão média. Estes valores estão próximos da Q7,10 (vazão mínima de 7 dias e 10 anos) utilizada para qualidade da água e regulação.
Estes indicadores auxiliam a achar erros nos estudos. Por exemplo, quando se utiliza modelos matemáticos é fundamental esta análise preliminar, pois caso contrário o usuário do modelo tenderá a forçar os parâmetros para ajustar o erro de compatibilidade dos dados.
A magnitude de um projeto pode ser rapidamente definida somente com indicadores. Por exemplo, deseja-se atender o abastecimento de uma cidade de 50 mil habitantes com uma bacia de 20 km2. A demanda atual é da ordem de 200 l/(hab. dia), portanto = 200 x 200.000/86400 = 163 L/s ou 0,163 m3/s. A disponibilidade média específica é da ordem de 20 l/(s.km2) para grande parte das bacias do Sul e Sudeste (se não souber basta verificar com dados da região). A disponibilidade média na bacia de 20 km2 é 20 x20 = 400 L/s ou 0,4 m3/s. Observa-se que é possível utilizar a bacia, mas necessita de regularização, pois a vazão mínima deve ser menor que a demanda. Com a regularização de 60% da média a vazão disponível é 0,24 m3/s, o que viabiliza o atendimento se houver reservatório.

A elasticidade da vazão é um conceito pouco conhecido em Hidrologia. A anomalia da vazão amplifica sua variação com relação a anomalia da precipitação. Anomalia é entendida como a variação do valor com relação a sua média.
O que se observa é que a vazão aumenta ou diminui proporcionalmente mais com relação a chuva da bacia em termos anuais (ou um período longo como alguns meses). Isto tem sido chamado de elasticidade. Na prática significa, que quando a chuva aumenta 5% com relação a média a tendência é da vazão aumentar mais do que 5% e de outro lado se a chuva diminui os mesmos 5% a chuva tende a diminuir mais do que os 5% (veja a figura 1).
Isto ocorre porque quando a chuva diminui, geralmente também diminui o período de chuva (dentro do dia ou no número de dias). Num dia com chuva num clima sub-tropical brasileiro a evaporação potencial pode ser da ordem 2 -3 mm, enquanto que num dia sem chuva ela pode chegar a valores iguais ou maiores a 10 mm. Considerando que num período longo numa bacia o efeito do armazenamento é desprezível a vazão é

Q = P – E

Onde P é a chuva e E a evaporação real. Quando P diminui, E aumenta, aumentando mais Q, de acordo com explicação acima. Quando P aumenta, E diminui devido ao período chuvoso, diminui mais Q. Portanto, não existe uma linearidade entre a proporção de aumenta da chuva e da vazão.
Este processo é mais importante em climas tropicais, onde a predominância da chuva ocorre no verão e o efeito da Evaporação é maior. Num clima temperado ou frio o efeito é mínimo, pois a evaporação não muda muito devido ao período chuvoso e a chuva ocorre mais no inverno.
A importância desta relação está na identificação do efeito da alteração que ocorre na chuva e sua conseqüência sobre a vazão nos rios. É uma interpretação sobre a variabilidade ou mudança climática ser realizada sobre os valores de chuva. Neste caso, pode-se concluir que não existe variabilidade com base nos testes estatísticos. No entanto, estas mesmas chuvas podem produzir resultados estatisticamente significantes na vazão.
Na figura 2 abaixo é possível observar a magnitude da elasticidade na Austrália. Colocamos a ordem de grandeza dos coeficientes de escoamento no Brasil para ilustrar. Praticamente não existem informações ou pesquisa sobre este assunto na literatura e mesmo este termo é pouco identificado, no entanto pode ser um tema interessante para desenvolver nas pesquisas no Brasil onde as relações chuva x vazão possuem este efeito.

Figura 1 relações das anomalias de P, E e Q numa bacia brasileira

Figura 2 - Chiew (2006): Estimation of rainfall elasticity of streamflow in Australia no Hydrological Sciences Journal