Processos Hidrológicos CST 318 / SER 456 Tema 9 – Ecohidrologia ANO 2015 Laura De Simone Borma Camilo Daleles Rennó camilo/prochidr

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