Blog do Tucci

Os modelos matemáticos hidrológicos representam uma classe de ferramentas criadas na hidrologia que se desenvolveram de forma significativa nos últimos 50 anos. A evolução dos modelos seguiu uma rota estreita com o desenvolvimento dos computadores, na sua primeira fase do main frame, quando os modelos eram de acesso restrito, juntamente com estas máquinas e, depois com o microcomputador que aumentou e redirecionou certos usos. No entanto, ficou marcante o avanço dos modelos com a entrada da fase do geoprocessamento e do sensoriamento remoto na evolução dos modelos distribuídos e a representação da diversidade física da bacia hidrográfica.
Olhando por outro ângulo, os modelos evoluíram também procurando atender a demanda da sociedade e dos próprios pesquisadores. Inicialmente o impulso veio dos engenheiros que necessitavam dimensionar obras para o desenvolvimento de uma infra-estrutura (abastecimento, drenagem, hidrelétricas, irrigação, navegação,etc). Depois nos anos 80 com a evolução do controle do impacto ambiental, quando era necessário avaliar o impacto sobre ambientes como banhados, desmatamento sobre bacias hidrográficas, erosão de áreas agrícolas transporte de pesticidas, qualidade do pluvial de áreas urbanas. O modelo deixou de ser quantitativo sobre apenas uma variável (a vazão), para representar outros processos que envolvem vários componentes inter-relacionados com o escoamento.
A natureza dentro de sua complexidade interativa mostra que todos os processos que ocorrem na bacia hidrográfica produzem alterações ou impactos na água que escoa nos rios e lagos. Compreender os processos na bacia hidrográfica é essencial para dar respostas aos diferentes usos e sustentabilidade da população.
Os modelos nasceram dentro da necessidade de dar resposta as diferentes questões práticas e científicas. Inicialmente explicando componentes da relação precipitação-vazão como a infiltração, o escoamento em rios, entre outros, para depois buscar integrar os diferentes componentes causais da natureza e dos fatores antrópicos.
Conceitualmente o desafio sempre foi muito grande devido a vários fatores como os seguintes:

(a) como representar um processo que observamos a nível pontual, para uma escala espacial de milhares de quilômetros quadrados?
(b) como representar a irregularidade da natureza na forma de variáveis e parâmetros que representem de forma adequada os principais processos quantitativos e qualitativos?
(c) como diminuir a incerteza das estimativas das variáveis hidrológicas e dos parâmetros de vários sub-modelos, quando existem apenas a variável observada de entrada (precipitação e evapotranspiração) e de saída (vazão ou nível) de uma bacia?
(d) como amostrar elementos da bacia que permita avaliar o comportamento hidrológico a partir de visita ao campo (como outras ciências fazem)?

Muitos destes desafios ficarão por muito tempo para serem decifrados, dentro da busca do hidrólogo de, a partir de observações das características físicas da bacia, poder responder seu funcionamento, conhecendo a sua entrada.

DOIS ANOS DE BLOG

Esta semana estamos completando dois anos de blog > 100 matérias e abaixo o gráfico de entradas deste ano, mostrando uma entrada de 1000 a 1500 por semana. Obrigado pela confiança. Mande seus comentários.

O entendimento do balanço hídrico é um dos fundamentos importantes para conhecer os efeitos antrópicos sobre o meio natural, disponibilidade hídrica e sustentabilidade ambiental.
O balanço hídrico pode ser realizado para uma camada de solo, para um trecho de rio ou por uma bacia hidrográfica. O entendimento destes componentes depende de vários fatores como: precipitação, evapotranspiração potencial (aqui embutidas outras variáveis climáticas), condições do solo e uso do solo, geologia subterrânea.
A bacia hidrográfica é o melhor espaço de avaliação do comportamento hídrico, pois tem definido o espaço de entrada, a bacia e o local de saída a seção de rio que define a bacia hidrográfica.
Numa bacia o balanço hídrico é determinado por

S (t+1) = S(t) + (P – E – Q). Dt

Onde S (t+1) e S(t) é a quantidade de água no tempo t+1 e t, P é a precipitação na área da bacia no intervalo, E é a evapotranspiração real no intervalo de tempo na bacia e Q é a vazão de saída no intervalo de tempo Dt.
Quando o período de avaliação (Dt) é muito longo a diferença de armazenamento (S) pode ser considerada desprezível e

P-E = Q

A vazão Q no tempo é o hidrograma de saída da bacia e representa o escoamento superficial (superfície das bacias) e subterrâneo (gerado pelos aquíferos) (veja figura abaixo). Dependendo da geologia da bacia, numa bacia natural o escoamento subterrâneo representa de 50 a 80% do total escoado num ano médio. Portanto se desmembrarmos a equação acima e colocarmos os termos em % da precipitação, resulta

100 = Qsup + Qsubt + E

Numa bacia rural típica da região do Sul e Sudeste do Brasil a chuva é da ordem de 1500 mm e o coeficiente de escoamento é de 0,32, resultando em 480 mm de escoamento e 1020 mm de evaporação real. Do escoamento total, estima-se que a parcela subterrânea varia entre os valores acima (50 a 80%) representando de 240 a 384 mm. As percentagens são: E = 68%, Qsup = 16% a 6,4% e Qsubt = 16 a 25,4% da chuva.
Este balanço hídrico pode ser alterado pela urbanização com redução da evapotranspiração real (retirada da vegetação), aumento do escoamento superficial, e redução do escoamento subterrâneo.
Considerando somente o efeito da impermeabilização sobre a infiltração, com 50% de áreas impermeáveis numa bacia urbana, o escoamento superficial aumenta 6,4 % para 19,2% do total e o escoamento subterrâneo diminui de 25,4 % para 12,8 %. Considerando uma redução de pelo menos 15% na evapotranspiração, o escoamento superficial sobre ainda mais para 29,4% do total e 441 mm.
Este mesmo efeito pode ser observado numa pequena bacia que altera sua cobertura. Uma área de mata é transformada em plantio anual aumenta o escoamento pela redução da evapotranspiração. No entanto, quando uma área de mata se transforma em água para um reservatório existem dois efeitos contrários, o aumento da evapotranspiração do lago devido ao albedo e efeito do vento e aumento do coeficiente de escoamento que dependem das condições climáticas.
Estes efeitos devem ser mais bem entendidos na gestão do espaço urbano e rural, já que existe ainda muito má informação sobre os efeitos de alteração do uso do solo.

Você sabe de onde vem a água? Sabemos hoje que a origem da vida ocorreu na água. Nas pesquisas relacionadas com o Universo e a vida em outros planetas, primeiro busca-se verificar se existe ou existiu água.

Esta semana passada, na sexta-feira a NASA fez uma experiência, onde dois módulos espaciais colidiram contra uma cratera permanentemente escura com o objetivo de encontrar gelo. Estudos anteriores indicam alguma evidência de que pode ter existido água na Lua. Este experimento busca comprovar isto, mas os dados necessitam ser avaliados para que seja possível provar ou não a sua existência na lua. A análise dos dados poderá durar vários dias ou várias semanas.

Existem várias hipóteses relacionadas com a origem da água na Terra, mas nenhuma certeza. Aliás, já se falou que o Planeta deveria se chamar Água, já que mais de 70% da sua superfície é de água. A Terra tem cerca de 4,6 bilhões de anos, apenas 1/3 da idade do nosso universo e possui uma expectativa de vida de mais 7,5 bilhões de anos antes do colapso do sol.

A água existe há cerca de 4 bilhões na Terra. Várias hipóteses têm sido apresentadas para sua origens, as principais são:

•Como origem na própria Terra e resultado do seu desenvolvimento ao longo do tempo : (a) Esfriamento da Terra onde os componentes voláteis mantidos na atmosfera se convertam em líquido; (b) Transformada de forma bioquímica pela mineralização e fotossíntese ; (c) água armazenada nos minerais das rochas da água.

•Com origem no espaço devido a meteoritos ou cometas que colidiram com a Terra e transportaram água. Físicos descobriram que os cometas possuem características específicas de água que relacionam deuterium e hidrogênio (d/h). Recentemente foram identificados que cometas tinham água como a mesma composição encontrada no oceano da Terra, o que parece ser um forte argumento da origem da água.

Algumas leituras adicionais podem ser obtidas em:

http://en.wikipedia.org/wiki/Origin_of_water_on_Earth#Role_of_organisms
http://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Oceanography/Water_-_origin_and_properties
http://waterindustry.org/Water-Facts/water-1.htm
http://www.brasilescola.com/geografia/origem-agua.htm
http://www.guia.heu.nom.br/origem_da_agua_na_terra.htm

Nas últimas semanas discutimos a metodologia de enquadramento de um rio, que tem seu padrão de qualidade da água associado a uma vazão de referência. Esta vazão de referência está relacionada com a chamada “vazão sanitária”, que é o critério de vazão mínima ou de estiagem que permita manter a qualidade da água adequada. Portanto, a concentração obtida na norma somente será rompida para vazões inferiores a de referência adotada.
O efeito ambiental sobre a variação da quantidade de água de um rio é tratado por diferentes denominações como: vazão remanescente, vazão ambiental, hidrograma ambiental ou ecológico. Quando é mencionado um valor de vazão pode passar a idéia que basta fixar uma vazão limite para dar sustentabilidade ambiental, enquanto quando se menciona o hidrograma, parte-se do princípio que o que se busca é um padrão de variabilidade temporal da vazão para permitir as condições desejadas. Os objetivos ambientais são de minimizar as alterações da quantidade de água no tempo e no espaço que afetem funcionamento dos ecossistemas.
O regime de vazões influencia diretamente a composição e integridade biótica de corpos d’água. A biodiversidade está diretamente atrelada à heterogeneidade de habitats, a qual depende da manutenção de padrões naturais de vazão. O regime hidrológico é caracterizado pelas variáveis hidrológicas como vazão, velocidade, profundidade do escoamento, e sua variabilidade expressa por: magnitude, freqüência, duração, previsibilidade e taxa de variação. Estas variáveis influenciam os elementos que compõem a integridade biótica representado pela: qualidade da água, suas fontes de energia, habitat físico e interações bióticas.
Na figura abaixo é representado o hidrograma e as partes do mesmo no qual são identificados os princípios esperados de sustentabilidade da integridade biótico dos corpos de água. No primeiro princípio são caracterizados as relações do canal de escoamento e o habitat e a diversidade biótica representada pelo hidrograma médio. O segundo princípio caracteriza os padrões de vida que necessita da variabilidade hidrológica sazonal e inter-anual. No terceiro princípio envolve a conectividade longitudinal e transversal dos fluxos e nutriente associados, o que está relacionado com as taxas de variação das vazões ao longo do ano e entre anos. O quarto princípio caracteriza o comportamento do regime natural que alterado pode inibir invasões.
Do conflito entre usos dos recursos hídricos e as alterações na variabilidade das vazões para a conservação do regime hidrológico, surge a necessidade de trabalhar regimes de vazões que mantenham aspectos-chave do regime natural, e não mais assumir a possibilidade de proteger completamente ecossistemas.
Para buscar este equilíbrio entre demandas de alocação de água e a conservação ambiental é necessário estabelecer metas que estão relacionadas diretamente com o ecossistema em estudo. Esta prática envolve a conservação e manutenção de bens e serviços ambientais considerados essenciais e a orientação para o desenvolvimento de atividades antrópicas em função da capacidade de suporte destes ambientes.
Para atingir estas metas é necessário responder algumas perguntas como:
• Quais os aspectos ambientais que dependem da distribuição temporal e espacial das variáveis hidrológicas?;
• Dentro destes aspectos quais as metas (o que desejamos conservar?) que devem ser atingidas quanto à conservação do sistema?
• Quais as principais ações antrópicas que ameaçam estas metas?
• Quais os indicadores que permitem avaliar as relações causas – efeito e quantifica a mitigação dos efeitos das ações antrópicas?
Portanto, em cada realidade ambiental devem-se identificar as metas ambientais de conservação os condicionantes sobre o hidrograma a ser mantido. O conhecimento eco-hidrológico é ainda limitado para dar respostas determinísticas a estas perguntas. Várias técnicas estatísticas têm sido usadas para buscar estas respostas, mas ainda não temos relações definidas que nos permita estabelecer metodologias indiscutíveis quanto a relação causa-efeito. Existe ainda um espaço muito grande de pesquisa dentro desta área, mas é necessário interligar conhecimentos biológicos e hidrológicos.

Figura Principíos do Hidrograma ecológico
Bunn, S. E.; Arthington, A. H. 2002 Basic principles and ecological consequences of altered flow regimes for aquatic biodiversity. Environmental Management Vol. 30 No. 4 pp. 492-507