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Processos Hidrológicos
CST 318 / SER 456
Tema 9 – EcohidrologiaANO 2015
Laura De Simone BormaCamilo Daleles Rennóhttp://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
Evolução da hidrologia
Início do século 20: foco no entendimento de alguns processos do ciclo da água trabalhos de Horton em infiltração, Darcy na água subterrânea,
etc. evolução esparsa do conhecimento
Meados do século até a década de 70 preocupação em obter vazões para projetos de obras hidráulicas
– canaletas, tubulações, sistemas de drenagem e reservatóriosModelos de previsão chuva-vazão (tipo caixa-preta)Simplificações empíricas – o conhecimento do passado norteia as
ações do futuroDécadas de 80 e 90
passou-se a verificar grande antropismo nas bacias e como eles interferiam na hidrologia e no comportamento dos ecossistemas, necessitando melhor conhecimento para controle e mitigação.
Final do século Mudanças climáticas mostraram que o clima não é tão estável
quanto supúnhamos, e que entre uma década e outra muita coisa pode mudar
Ecohidrologia
Ciclo hidrológico – descreve o movimento contínuo da água tanto acima quanto abaixo da superfície terrestre
Esse fluxo é “mediado” pelos ecossistemas em inúmeros pontos. P.e.:
Transpiração da floresta fornece grande parte do fluxo de água para a atmosfera, que retorna sob a forma de chuva
A quantidade de água/sedimentos que atinge o lençol freático ou o corpo hídrico depende, dentre outros fatores, da cobertura vegetal
Matas ripárias, áreas alagáveis, charcos, pântanos e planícies de inundação são sistemas de amortização de água, sedimentos, nutrientes e contaminantes
EcohidrologiaBaseia-se no entendimento dos padrões espaciais e
temporais da dinâmica da biota e da água, na escala de baciaOtimização da capacidade de absorção dos ecossistemas
contra os impactos humanos
The Ecohydrology (EH) Concept developed within the framework of the UNESCOInternational Hydrological Programme IHP-V (Zalewski et ai, 1997) has been largelyinspired by conclusions from the International Conference on Water and Environment(ICWE) held in Dublin in 1992. This conference highlighted the inadequacy ofexisting solutions in water management practices to achieve sustainability of waterresources, as well as the need for new concepts and new solutions.
Enfoque Ecohidrológico da UNESCO
Enfoque Ecohidrológico da UNESCO
Restauração e manutenção dos padrões bem estabelecidos de circulação de água, nutrientes e energia em uma bacia - enfoque hidrológico
Aumento da capacidade dos ecossistemas contra os impactos humanos por meio do gerenciamento dessa capacidade de acordo com as propriedades do ecossistema – enfoque ecológico
Uso das propriedades dos ecossistemas como ferramenta de gestão de recursos hídricos – enfoque integrativo
Componente chave – foco na solução do problema
Resultados esperados• novo enfoque para a restauração das reservas hídricas e
desenvolvimento sustentável• ferramenta adicional para gerenciar a degradação da
paisagem
EcohidrologiaRedução das fontes pontuais de poluição
dependente da tecnologia, monitoramento e fortalecimento da legislação
Redução dos impactos das fontes difusas de contaminação dependente da complexidade hierárquica dos processos
ecológicos na bacia
Hidrologia
Zalewski, 2009
Biocenose
Zalewski, 2009
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
Regulação dual
Uso da biota para controle dos processos hidrológicos e vice-versaPrevê uma harmonização com as infraestruturas hídricas existentes e/ou planejadas
Zalewski, 2009
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)
Ecossistemas terrestres
Interação clima-solo-vegetação
• 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.
Zalewski, 2010
Biodiversidade e disponibilidade hídrica
clima
Disponibilidade hídrica – crescimento das plantas depende da disponibilidade de nutrientes
Escassez hídrica – crescimento das plantas depende da disponibilidade de água
Existem muitas evidências que indicam a forte relação entre clima e a distribuição de ecossistemas
Clima e ecossistemas
Biomes of tropical South America and precipitation seasonality
Sombroek 2001, Ambio
Number of consecutive months with less than 50 mm rainfall Annual Rainfall
Biomes of South America
The importance of rainfall seasonality (short dry season) for maintaining tropical forests all over Amazonia
Tropical Forest-SavannaBoundary
Tropical ForestShrubland
Savanna
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.
O equilíbrio dos ecossistemas
Tropical forest
Savanna state triggered by climate change or deforestation
Stability of savanna enhanced by increased droughts and fires
Tipping points: temperature, rainfall and deforestation area
Tipping points of the Earth System – Application to Amazônia
Cardoso and Borma, 2010
Land Use ChangeLogging/Deforest
Secondary Drivers
Primary Drivers
Environmental Drivers of ChangeClimate Change: CO2,temperature
, rainfall
Droughts Forest Fires
Forest Degradatio
nTree Mortality
Ecosystem Responses
Savannization/forest dieback
“Secondarization”Short term
Long term
What are the likely biome changes in Tropical South America due to Global Warming scenarios of climate change?
Borma and Nobre, 2010
Ecossistemas aquáticos
“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)
Hipóteseos ecossistemas aquáticos contém sistemas de purificação de
água intrínsecosProcessos físicos, biológicos e químicos interagem de forma a
manter a quantidade e qualidade da água dentro dos limites aceitáveis para a maioria dos organismos
Sistemas de purificação
Atuam ao longo de todo o canalSão mais acentuados:
Zonas ripáriasÁreas úmidas (wetlands) – swamps, marshes and bogs
(pântanos e charcos) – p.e. PantanalÁreas de alagamento (floodplains) – terreno plano, ou
aproximadamente plano, localizado às margens de um rio, altamente susceptível ao alagamento – p.e. planície de alagamento da Amazônia
Vegetação ripária em uma planície de alagamento
Matas ripárias
Áreas de alagamento
Floodplains - planícies de deposição ao longo das margens dos rios e canais que são sazonalmente ou esporadicamente alagáveis
Áreas úmidas, pântanos, charcos
Wetlands - Ficam saturadas praticamente o ano todo
Zonas ripárias, wetlands and floodplains - processos
Possuem condições hidroecológicas que são distintas dos rios e canais, cada uma exibindo uma certa capacidade de tamponamento da água do rio contra os efeitos da contaminação a montante e dos eventos de cheia remoção de sedimentos, nutrientes, acidez e substâncias tóxicas do runoff
Processos Sedimentação – diminuição da velocidade de escoamento
(retenção de fosfatos e outros nutrientes) – mecanismo de longo prazo mais efeiciente
Adsorção - nas partículas sólidas do solo Assimilação pelas plantasDesnitrificaçãoRetenção de pesticidas – poucos estudos foram feitos
Bacias naturais – esses sistemas estão localizados no caminho natural das águas
Bacias antropizadas – sistemas como esses necessitam ser restaurados ou mesmo construídos, para auxiliar na purificação da água que atinge o sistema fluvial
Ecohidrologia aquática
MJ Waterloo
Recuperação do funcionamento hidrológico:
ErosãoInfiltração
Ciclagem de nutrientes
NitrogênioFósforo
Capacidade intrínseca de regular o fluxo (quantidade) e a qualidade da água que passa através delesInterações delicadas (físicas, químicas e biológicas) entre os
organismos, a água e o solo (ou sedimentos);Fornecem resistência, resiliência e adaptabilidade ao
ecossistema “bacia hidrográfica”, tornando-o capaz de:suportar distúrbios de pequena magnitude –
tempestades, pequenos deslizamentosSe recuperar de eventos extremos menos freqüentes e de
maior magnitude – furacões, grandes escorregamentosConstantemente adaptar-se às mudanças de curto e
longo prazo das variáveis ambientaisCapacidade intrínseca – ou IPS (Intrinsic Purification System´s –
McLain, 200?) – “ferramentas” que podem ser utilizadas na gestão dos recursos hídricos, em junção com outras ferramentas tradionais
Incorporados aos sistemas de Gestão Integrada de bacias hidrográficas
Incorporados nas normas culturais e no “senso comum” da população
Capacidade intrínseca de purificação
Demonstração de projetos em Ecohidrologia
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
Lago Naivasha, Kenya
Degradação da baciaDesflorestamento nas cabeceirasErosão 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
Lago Naivasha, Kenya
Degradação do lagoCondições ecológicas tem se
deteriorado desde a década de 80Vegetação 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 econômicosValor econômico do lago é derivado
da horticultura, turismo e pesca
Lago Naivasha, Kenya
Ecohidrologia1) 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
Lago Naivasha, Kenya
Área alagável no Paraná, BrasilProblema 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
Área alagável no Paraná, BrasilEcohidrologia
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
Área alagável no Paraná, Brasil
Ecohidrologia no gerenciamento de água em grandes bacias tropicais
Problemas econômicos severos na maioria dos países tropicais dificultam a instalação de sistemas caros de fornecimento e tratamento de água
Prioridade – áreas urbanas e áreas de escassez hídricaDemais áreas – sistemas de gerenciamento hídrico de baixo
custoDevem fazer uso racional e complementar da capacidade de
assimilação inerente aos ecossistemasÁreas que mantém as suas características hidrológicas (ciclo
hidrológico natural) e geomorfológicas – mais apropriadas
The Ecohydrological Approach as a Tool forManaging Water Quality in Large Tropical Rivers (McLain, 2010)
Estudos dos processos tampão (buffering processes) nas zonas ripárias, zonas úmidas e áreas de alagamento nos trópicos são extremamente raros
Ainda que limitadas, as pesquisas na Amazônia fornecem um melhor entendimento dos processos que ocorrem dentro dos rios tropicais
Na bacia Amazônica, mais de 90% dos sedimentos transportados pelo rio se originam nos Andes.
De cerca de 1.400 Mtyr-1 que entra no rio, 200 Mtyr-1, ou 14% do total são depositados na área alagável e dentro do canal (Dunne et al., 1998)
Decréscimos dramáticos nas concentrações de nutrientes são observados nas regiões que atravessam a área alagável
Em adição ao efeito de “limpeza” do rio, a área alagável funciona como habitat para as centenas de espécies de peixes amazônicos (Goulding et al., 1996)
Aplicação nas regiões tropicais
Aplicação nas regiões tropicais
Williams et al. (1997) avaliaram, em uma pequena bacia da Amazônia central, os efeitos do
desflorestamento nos recursos hídricos próximosNO3
-, NH4+, Na+, Ca+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO4
2-, Al, Fe, Mn e COD (Carbono Orgânico Dissolvido) aumentaram em concentração na água do solo em uma parcela experimental derrubada e queimada
O fluxo superficial, assim como a água dos rios, apresentou concentrações elevadas desses mesmos íons e tb de fósforo total dissolvido e nitrogenio total dissolvido, carbono inorgânico dissolvido e Si
Reduções significativas de NO3- foram observadas nas águas
superficiais e subterrâneas que atravessaram a zona ripária – o sedimento foi completamente retido nas zonas ripárias e foi somente nas áreas sem as matas ripárias que essas concentrações aumentaram (William & Melack, 1997)
Ecohidrologia e mudanças globais
Água no século 21:
Fator primordial para o desenvolvimento sustentávelErradicação da pobrezaReversão da degradação dos ecossistemas
Abordagem sistêmica da Ecohidrologia, atua através dos seguintes passos e ações:
Diminuição da transferência de água da atmosfera para os oceanos – ação prioritária para reduzir a severidade das secas e enchentes – manutenção da cobertura vegetal
Redução da eutrofização e poluição dos sistemas aquáticos – reversão da degradação do ecossistema e melhoria do bem estar do ser humano
Harmonização do potencial dos ecossistemas com as necessidades da sociedade – Programa de Gestão Integrada dos Recursos Hídricos
Zalewski, 2010
Ecohidrologia e gestão de recursos hídricos
Enquanto intactos, esses componentes dos ecossistemas aumentam significativamente a tolerância do rio em relação aos distúrbios naturais e antrópicos
McClain (2010) – IPS – Intrinsec Purification Systems Mas, como esses componentes naturais podem ser integrados
oficialmente nas ações e políticas de gestão de recursos hidricos, e qual função realista eles deveriam ter nos planos de gestão?
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)
Novo conceito
A bacia não é Drainage basin, mas sim é Storage basin!
Reruralização• Convivência com plantas, terra e água de chuva• Recuperar a vegetação, a terra e a água e viver em harmonia com elas