Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 9 - ANO 2013

1. Processos HidrológicosCST 318 / SER 456Tema 9 - ANO 2013 Laura De Simone Borma Camilo DalelesRennó http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/

2. Evoluçãodahidrologia • Início do século 20: • foco no entendimento de algunsprocessos do ciclodaágua • trabalhos de Horton eminfiltração, Darcy naáguasubterrânea, etc. • evoluçãoesparsa do conhecimento • Meados do séculoaté a década de 70 • preocupaçãoemobtervazõesparaprojetos de obrashidráulicas – canaletas, tubulações, sistemas de drenagem e reservatórios • Modelos de previsãochuva-vazão (tipocaixa-preta) • Simplificaçõesempíricas – o conhecimento do passadonorteia as ações do futuro • Décadas de 80 e 90 • passou-se a verificargrandeantropismonasbacias e comoelesinterferiamnahidrologia e no comportamento dos ecossistemas, necessitandomelhorconhecimentoparacontrole e mitigação. • Final do século • Mudançasclimáticasmostraramque o climanão é tãoestávelquantosupunhámos, e que entre umadécada e outramuitacoisapodemudar

3. Ecohidrologia • Ciclohidrológico– descreve o movimentocontínuodaáguatantoacimaquantoabaixodasuperfícieterrestre • Essefluxo é “mediado” pelosecossistemaseminúmerospontos. P.e.: • Transpiraçãodaflorestafornecegrande parte do fluxo de águapara a atmosfera, queretorna sob a forma de chuva • A quantidade de água/sedimentosqueatinge o lençolfreáticoou o corpohídricodepende, dentreoutrosfatores, dacobertura vegetal • Matasripárias, áreasalagáveis, charcos, pântanos e planícies de inundaçãosãosistemas de amortização de água, sedimentos, nutrientes e contaminantes • Ecohidrologia • Baseia-se no entendimento dos padrõesespaciais e temporaisdadinâmicadabiota e daágua, naescala de bacia • Otimizaçãodacapacidade de absorção dos ecossistemascontra osimpactoshumanos

4. EnfoqueEcohidrológicoda UNESCO The Ecohydrology (EH) Concept developed within the framework of the UNESCO International Hydrological Programme IHP-V (Zalewski et ai, 1997) has been largely inspired by conclusions from the International Conference on Water and Environment (ICWE) held in Dublin in 1992. This conference highlighted the inadequacy of existing solutions in water management practices to achieve sustainability of water resources, as well as the need for new concepts and new solutions.

5. EnfoqueEcohidrológicoda UNESCO • Restauração e manutenção dos padrõesbemestabelecidos de circulação de água, nutrientes e energiaemumabacia - enfoquehidrológico • Aumentodacapacidade dos ecossistemas contra osimpactoshumanospormeio do gerenciamentodessacapacidade de acordo com as propriedades do ecossistema – enfoqueecológico • Uso das propriedades dos ecossistemascomoferramenta de gestão de recursoshídricos –enfoqueintegrativo • Componentechave– foconasolução do problema • Resultadosesperados • novo enfoquepara a restauração das reservashídricas e desenvolvimentosustentável • ferramentaadicionalparagerenciar a degradaçãodapaisagem

6. Ecohidrologia • Redução das fontespontuais de poluição • dependentedatecnologia, monitoramento e fortalecimentodalegislação • Redução dos impactos das fontesdifusas de contaminação • dependentedacomplexidadehierárquica dos processosecológicosnabacia

7. Hidrologia Zalewski, 2009

8. Biocenose Biocenose - conjunto de populações interdependentes de um mesmo ecossistema, que ocupam a mesma área natural durante um mesmo período de tempo e que dependem dos mesmos fatores ambientais Zalewski, 2009

9. Regulação dual Uso da biota para controle dos processos hidrológicos e vice-versa Prevê uma harmonização com as infraestruturas hídricas existentes e/ou planejadas Zalewski, 2009

10. Ecohidrologia • Ecohidrologia – estudo dos sistemas terrestres e aquáticos • Ecossistemas terrestres – florestas, desertos e savanas • Interações entre a vegetação, superfície do terreno, zona vadosa e água subterrânea • É necessário conhecer como a relação clima-solo-água-planta se relaciona em diferentes escalas de tempo e espaço, considerando a ação antrópica • Ecossistemas aquáticos– rios, canais, lagos e áreas úmidas • Como os aspectos hidrológicos, geomorfológicos e químicos afetam a estrutura e funcionamento dos ambientes aquáticos • De que forma a zona de interface entre os sistemas terrestres e aquáticos atuam na purificação dos sistemas aquáticos (retenção de sedimentos, nutrientes em excesso e contaminantes)

11. Ecossistemasterrestres • Clima e solo: geralmente considerados forçantes externas: • As características da precipitação afetam a umidade do solo. • Os parâmetros do solo afetam a umidade do solo. • Dinâmica de água no solo: elemento chave na relação entre o comportamento da vegetação e o estresse hídrico: • A resposta da vegetação inclui fisiologia, fenologia, características do dossel, arquitetura das raízes. • o estresse hídrico é um dos muitos fatores limitantes da fotossíntese. • Grande parte do foco da ecohidrologia: ecossistemas terrestres com restrições na disponibilidade hídrica. • Nestes ecossistemas luz, nutrientes e oxigênio não são considerados as principais limitantes se comparadas à água. Interação clima-solo-vegetação

12. Biodiversidade e disponibilidadehídrica Disponibilidade hídrica – crescimento das plantas depende da disponibilidade de nutrientes Escassez hídrica – crescimento das plantas depende da disponibilidade de água clima Zalewski, 2010

13. Clima e ecossistemas Existem muitas evidências que indicam a forte relação entre clima e a distribuição de ecossistemas

14. Biomes of tropical South America and precipitation seasonality Biomes of South America Tropical Forest-Savanna Boundary Tropical Forest Shrubland Savanna Number of consecutive months with less than 50 mm rainfall Annual Rainfall The importance of rainfall seasonality (short dry season) for maintaining tropical forests all over Amazonia Sombroek 2001, Ambio

15. O equilíbrio dos ecossistemas Em sistemas com múltiplos estados estáveis, mudanças graduais podem ter efeitos desprezíveis, mas podem reduzir o tamanho da área de equilíbrio. Mudanças na resiliência tornam o ecossistema mais frágil, no sentido que pode se deslocar para um estado diferente por causa de eventos estocásticos. Essas flutuações estocásticas podem ser externas ou podem ser o resultado da dinâmica interna do sistema.

16. TippingpointsoftheEarth System – Application to Amazônia Tropical forest Savanna state triggered by climate change or deforestation Tipping points: temperature, rainfall and deforestation area Stability of savanna enhanced by increased droughts and fires Cardoso and Borma, 2010

17. What are the likely biome changes in Tropical South America due to Global Warming scenarios of climate change? Environmental Drivers of Change Land Use Change Logging/Deforest Climate Change: CO2,temperature, rainfall Primary Drivers Secondary Drivers Forest Fires Droughts Ecosystem Responses “Secondarization” Tree Mortality Forest Degradation Short term Savannization/ forest dieback Long term Borma and Nobre, 2010

18. Ecossistemasaquáticos • “the ecohydrological approach can be a tool towards the sustainable use of aquatic resources by enhancement of the resistance, resilience and buffering capacity of fluvial corridors” (Zalewski et al. 1997) • Hipótese • osecossistemasaquáticoscontémsistemas de purificação de águaintrínsecos • Processosfísicos, biológicos e químicosinteragem de forma a manter a quantidade e qualidadedaáguadentro dos limitesaceitáveispara a maioria dos organismos

19. Sistemas de purificação • Atuamaolongo de todo o canal • São maisacentuados: • Zonasripárias • Áreasúmidas(wetlands) – swamps, marshes and bogs (pântanos e charcos) – p.e. Pantanal • Áreas de alagamento(floodplains) – terrenoplano, ouaproximadamenteplano, localizadoàsmargens de um rio, altamentesusceptívelaoalagamento – p.e. planície de alagamentodaAmazônia

20. Matasripárias Vegetação ripária em uma planície de alagamento

21. Áreas de alagamento Floodplains - planícies de deposição ao longo das margens dos rios e canais que são sazonalmente ou esporadicamente alagáveis

22. Áreasúmidas, pântanos, charcos Wetlands - Ficam saturadas praticamente o ano todo

23. Zonasripárias, wetlands and floodplains - processos • Possuemcondiçõeshidroecológicasquesãodistintas dos rios e canais, cadaumaexibindoumacertacapacidade de tamponamentodaágua do rio contra osefeitosdacontaminação a montante e dos eventos de cheia remoção de sedimentos, nutrientes, acidez e substânciastóxicas do runoff • Processos • Sedimentação – diminuiçãodavelocidade de escoamento (retenção de fosfatos e outrosnutrientes) – mecanismo de longoprazomaisefeiciente • Adsorção - naspartículassólidas do solo • Assimilaçãopelasplantas • Desnitrificação • Retenção de pesticidas – poucosestudosforamfeitos • Baciasnaturais– essessistemasestãolocalizados no caminho natural das águas • Baciasantropizadas– sistemascomoessesnecessitam ser restauradosoumesmoconstruídos, paraauxiliarnapurificaçãodaáguaqueatinge o sistema fluvial

24. Ecohidrologiaaquática • Recuperação do funcionamentohidrológico: • Erosão • Infiltração • Ciclagem de nutrientes • Nitrogênio • Fósforo MJ Waterloo

25. Capacidadeintrínseca de purificação • Capacidadeintrínsecade regular o fluxo (quantidade) e a qualidadedaáguaquepassaatravés deles • Interaçõesdelicadas (físicas, químicas e biológicas) entre osorganismos, a água e o solo (ousedimentos); • Fornecemresistência, resiliênciae adaptabilidadeaoecossistema “baciahidrográfica”, tornando-o capaz de: • suportardistúrbios de pequena magnitude – tempestades, pequenosdeslizamentos • Se recuperar de eventosextremosmenosfreqüentes e de maior magnitude – furacões, grandesescorregamentos • Constantementeadaptar-se àsmudanças de curto e longoprazo das variáveisambientais • Capacidadeintrínseca – ou IPS (Intrinsic Purification System´s – McLain, 200?) – “ferramentas” quepodem ser utilizadasnagestão dos recursoshídricos, emjunção com outrasferramentastradionais • Incorporadosaossistemas de GestãoIntegrada de baciashidrográficas • Incorporadosnasnormasculturais e no “sensocomum” dapopulação

26. Demonstração de projetosemEcohidrologia • São necessárias evidências para que a Ecohidrologia se configure como uma alternativa viável para a gestão dos recursos hídricos • Lago Naivasha, Kenya • Planície alagamento do alto rio Paraná • Potencialidade das regiões tropicais

27. LagoNaivasha, Kenya • Degradação da bacia • Desflorestamento nas cabeceiras • Erosão intensa dos taludes mais inclinados no curso médio da bacia e perda de matas ripárias • Retirada em excesso da água superficial e subterrânea • Desmatamento para implantação de horticulturas em escala industrial (produção de flores) • Destruição das margens pela população local – inchaço de cerca de 300 mil habitantes pela oferta de emprego na produção de flores – demanda excessiva por água para abastecimento e lançamento de esgotos NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS

28. LagoNaivasha, Kenya • Degradação do lago • Condições ecológicas tem se deteriorado desde a década de 80 • Vegetação ripária (Cyperus papyrus) que protegia lago da poluição difusa diminuiu de 60 km2 para menos de 10 km2 • A água do lago é turbida, devido ao aumento do nível de nutrientes e aumento do fitoplancton • Aspectos sócio econômicos • Valor econômico do lago é derivado da horticultura, turismo e pesca

29. LagoNaivasha, Kenya • Ecohidrologia • 1) reflorestamento das cabeceiras da bacia feito pela indústria da horticultura, para restaurar o runoff • 2) Re-criação das matas ripárias com o papyrus na região do delta, contemplando projeto de novas áreas alagáveis para captura de nutrientes e sedimentos em diferentes regimes de descarga • 3) Plantação de espécies nativas de crescimento rápido (Acácia) nas zonas ripárias para restauração da biodiversidade

30. LagoNaivasha, Kenya

31. Áreaalagável no Paraná, Brasil • Problema ambiental • Regime do rio alterado pela construção de 26 grandes reservatórios (> 100 km2) para produção de energia • Redução da variabilidade natural do rio • restrição da conectividade com a área alagável • diminuição das trocas de águas e nutrientes e eutroficação • Extração de areia e drenagem para plantio de arroz e pastos – degradação adicional da área alagável e instabilidade das margens

33. Áreaalagável no Paraná, Brasil • Ecohidrologia • Elaboração de planos operacionais para a infraestrutura hidrotécnica de forma a manter o pulso de inundação próximo do regime natural do rio e melhorar a conectividade entre rio e planície de alagamento a jusante do reservatório • Regime ótimo • Garantir a produção de energia elétrica, considerando o ciclo ecológico, aumentando a disponibilidade de peixes e preservando a biodiversidade • Serviços dos ecossistemas – garantem a obtenção de recursos por meio da pesca e do eco-turismo, restringindo as atividades danosas nas áreas alagáveis • Manutenção da biodiversidade contribui para a construção da reserva da biosfera (MAB) no último trecho da bacia fluvial do Alto Paraná, Brasil

34. Áreaalagável no Paraná, Brasil

35. Ecohidrologia no gerenciamento de águaemgrandesbaciastropicais • Problemaseconômicosseverosnamaioria dos paísestropicaisdificultam a instalação de sistemascaros de fornecimento e tratamento de água • Prioridade – áreasurbanas e áreas de escassezhídrica • Demaisáreas – sistemas de gerenciamentohídrico de baixocusto • Devemfazerusoracional e complementardacapacidade de assimilaçãoinerenteaosecossistemas • Áreasquemantém as suascaracterísticashidrológicas (ciclohidrológico natural) e geomorfológicas – maisapropriadas The Ecohydrological Approach as a Tool for Managing Water Quality in Large Tropical Rivers (McLain, 2010)

36. Aplicaçãonasregiõestropicais • Estudos dos processostampão (buffering processes) naszonasripárias, zonasúmidas e áreas de alagamentonostrópicossãoextremamenteraros • Aindaquelimitadas, as pesquisasnaAmazôniafornecem um melhorentendimento dos processosqueocorremdentro dos riostropicais • Na baciaAmazônica, mais de 90% dos sedimentostransportadospelorio se originamnos Andes. • De cerca de 1.400 Mtyr-1queentra no rio, 200 Mtyr-1, ou 14% do total sãodepositadosnaáreaalagável e dentro do canal (Dunne et al., 1998) • Decréscimosdramáticosnasconcentrações de nutrientessãoobservadosnasregiõesqueatravessam a áreaalagável • Emadiçãoaoefeito de “limpeza” do rio, a áreaalagávelfuncionacomo habitat para as centenas de espécies de peixesamazônicos (Goulding et al., 1996)

37. Aplicaçãonasregiõestropicais • Williams et al. (1997) • avaliaram, emumapequenabaciadaAmazônia central, osefeitos do desflorestamentonosrecursoshídricospróximos • NO3-, NH4+, Na+, Ca+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Al, Fe, Mn e COD (CarbonoOrgânicoDissolvido) aumentaramemconcentraçãonaágua do solo emumaparcela experimental derrubada e queimada • O fluxo superficial, assimcomo a água dos rios, apresentouconcentraçõeselevadasdessesmesmosíons e tb de fósforo total dissolvido e nitrogenio total dissolvido, carbonoinorgânicodissolvido e Si • Reduçõessignificativas de NO3- foramobservadasnaságuassuperficiais e subterrâneasqueatravessaram a zonaripária – o sedimentofoicompletamenteretidonaszonasripárias e foisomentenasáreassem as matasripáriasqueessasconcentraçõesaumentaram (William & Melack, 1997)

38. Ecohidrologia e mudançasglobais • Água no século 21: • Fator primordial para o desenvolvimentosustentável • Erradicaçãodapobreza • Reversãodadegradação dos ecossistemas • AbordagemsistêmicadaEcohidrologia, atuaatravés dos seguintespassos e ações: • Diminuiçãodatransferência de águadaatmosferaparaosoceanos – açãoprioritáriaparareduzir a severidade das secas e enchentes – manutençãodacobertura vegetal • Reduçãodaeutrofização e poluição dos sistemasaquáticos – reversãodadegradação do ecossistema e melhoria do bemestar do ser humano • Harmonização do potencial dos ecossistemas com as necessidadesdasociedade – Programa de GestãoIntegrada dos RecursosHídricos Zalewski, 2010

39. Ecohidrologia e gestão de recursoshídricos • Enquantointactos, essescomponentes dos ecossistemasaumentamsignificativamente a tolerância do rioemrelaçãoaosdistúrbiosnaturais e antrópicos • McClain (2010) – IPS – Intrinsec Purification Systems • Mas, comoessescomponentesnaturaispodem ser integradosoficialmentenasações e políticas de gestão de recursoshidricos, e qualfunçãorealistaelesdeveriamternosplanos de gestão?

40. Novo conceito • Bacia Hidrográfica: Sistema de infiltração e armazenamento de água da chuva • Quaisquer atividades devem manter a capacidade de armazenamento de água da chuva em bacias e solos. • Urbanização: • retirada de vegetação e do solo • revestimento do terreno com concreto e asfalto • Rejeição da água (escoar a água da chuva o mais rápido possível) • Reruralização • Convivência com plantas, terra e água de chuva • Recuperar a vegetação, a terra e a água e viver em harmonia com elas A bacia não é Drainage basin, mas sim é Storage basin!