Indicadores/ Índices de seca

Por definição, os indicadores/ índices têm como objectivo facilitar a avaliação e gestão de situações complexas, uma vez que permitem agregar/ representar, num só valor, um elevado volume de informação, assumindo um papel fundamental na Tomada de Decisão (Steinemann et al, 2005). Sendo bastante importante a facilidade e simplicidade dos respectivos processos de determinação e de avaliação, os seus resultados deverão manter um significado concreto sobre a realidade que se pretende representar, justificando-se um estudo detalhado dos indicadores/ índices mais apropriados à avaliação em causa.

Steinemann et al (2005) refere ainda que, no caso específico das secas, os indicadores/ índices de seca deverão permitir detectar não só o início e o fim deste tipo de situações, mas também a sua evolução. Deverão, ainda, facilitar a avaliação da duração e da abrangência espacial, bem como os potenciais efeitos de um episódio de seca. Por outro lado, é considerado que este tipo de ferramentas constitui o elemento base de ligação, para uma dada região, entre a avaliação do nível de severidade de uma situação de seca (integrando sistemas apropriados de avaliação e gestão) e as medidas correspondentes que devem ser adoptadas, ou até mesmo as entidades responsáveis a envolver na gestão destas situações, definidas na fase de planeamento e de estipulação dos procedimentos de contingência.

Convém, no entanto, distinguir que um indicador corresponde ao valor de uma variável (ex. precipitação, caudal) enquanto um índice resulta da compilação de dados de uma ou mais variáveis (ex. Percentagem da Precipitação Normal, Índice de Palmer50_{), estando normalmente} associados a uma classificação específica através da qual pode ser definida uma escala de severidade de seca (Steinemann et al, 2005). Nesse sentido, poderá considerar-se que, enquanto os indicadores correspondem a uma quantificação das variáveis monitorizadas, os índices de seca têm como objectivo uma maior homogeneização dos dados, com vista à comparação de diferentes situações de seca e de regiões distintas.

Assim, para a definição de indicadores/ índices de seca deverá ter-se em conta que, este tipo de situações tem início com a afectação das condições de precipitação face ao considerado normal para a região e para a época em causa, podendo conduzir a uma

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propagação do défice de humidade na sequência natural do ciclo hidrológico, caso este se verifique por um período de tempo suficientemente prolongado.

De facto, embora a avaliação de uma situação de seca deva partir sempre da avaliação da precipitação ocorrida numa dada região, a severidade da mesma será tanto mais significativa quanto os impactos causados nas diferentes utilizações existentes na região, tornando, assim, bastante relevante a avaliação de outros tipos de variáveis que permitem a aferição do estado dos recursos hídricos da região, nomeadamente:

 Teor de humidade do solo

 Escoamento superficial

 Volumes armazenados em albufeiras

 Níveis piezométricos (águas subterrâneas).

Assim, partindo das variáveis analisadas que, globalmente, permitem quantificar os diferentes elementos do ciclo hidrológico de uma determinada região, a definição de índices de seca terá como objectivo efectuar uma avaliação do estado dessas mesmas variáveis face às características consideradas “normais”. Para isso é necessária a existência de uma monitorização contínua e regular dessas variáveis, mas também de uma série de registos suficientemente longa para representar, com fiabilidade, o espectro de evolução correspondente. Além disso, esses índices podem ser determinados a partir de apenas uma variável, ou da agregação de diversas variáveis, desde a precipitação aos volumes armazenados em albufeiras.

Existindo alguma experiência na aplicação de índices de seca verifica-se, todavia, que nenhum é globalmente melhor do que os outros, embora existam alguns mais adaptados a certos tipos de situações e/ou regiões (Heim Jr, 2002; Steinemann et al, 2005, Wilhite, 2009). De facto, alguns destes índices são de determinação complexa, o seu significado nem sempre é facilmente compreensível e, globalmente, não permitem avaliar uma situação de seca segundo a sua evolução, de acordo com a própria afectação que este tipo de situações induz no ciclo hidrológico de uma dada região hidrográfica.

Como consequência, alguns decisores acabam por consultar vários índices para apoio das suas decisões, embora de forma desagregada, tal levando, muitas vezes, a dificuldades acrescidas, em especial: (i) na avaliação e adopção de medidas em regiões distintas, (ii) na discussão e justificação dos resultados entre as diferentes entidades envolvidas na gestão de secas e (iii) na divulgação de informação ao público em geral (Steinemann et al, 2005; Steinemann & Cavalcanti, 2006).

Para a selecção dos índices mais apropriados à avaliação de severidade de seca são indicados, em Tsakiris & Pangalou (2009), alguns dos principais aspectos a ter em conta:

 Simplicidade (facilidade de utilização e percepção por parte dos stakeholders);

 Racionalidade (suporte científico adequado e significado físico concreto);

 Sensibilidade (tanto mais elevada quanto maior a amplitude de variação dos valores);

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 Adaptabilidade (apropriado para utilização noutras regiões);

 Disponibilidade de dados de base (séries de longo prazo e dados de boa qualidade);

 Relação custo/ benefício (custo reduzido na obtenção dos dados necessários).

Assim, procurando caracterizar alguns dos principais índices já desenvolvidos para a avaliação de situações de seca, será apresentada uma revisão dos índices mais utilizados a nível mundial, segundo as definições originais, destacando, individualmente, as vantagens e desvantagens dessas ferramentas para apoio à decisão na gestão de secas. Não obstante, importa notar que as especificidades de cada local, nomeadamente no que diz respeito às vulnerabilidades existentes na satisfação das principais utilizações, tanto em termos de recursos disponíveis na região, como das características das infra-estruturas existentes, ou mesmo da capacidade de gestão por parte das instituições responsáveis, criam especiais dificuldades de adaptação de alguns destes instrumentos às diferentes regiões em análise. Este aspecto deverá ser tido em conta desde o processo de selecção de indicadores/ índices apropriados, à definição das escalas de classificação final, através das quais deverão ser estipulados os níveis de alerta e de intervenção, com medidas específicas associadas (Tsakiris & Pangalou, 2009).

Alguns dos índices de avaliação de secas mais habitualmente usados a nível mundial, e que, pelo âmbito da presente tese, irão ser analisados em mais detalhe, são (por ordem cronológica de desenvolvimento):

 Percentagem da Normal de Precipitação

 Palmer Drought Severity Index (PDSI)

 Decis de precipitação

 Crop Moisture Index (CMI)

 Surface Water Supply Index (SWSI)

 Standardized Precipitation Index (SPI)

 Reconnaissance Drought Index (RDI)

 Índice de Estado

 Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI) 2.2.3.1 Percentagem da Normal de Precipitação

Não se conhecendo a data original de início de utilização deste índice, a percentagem da normal constitui um dos índices mais simples e básicos, no conjunto de índices que têm por base apenas os valores de Precipitação.

Fontes bibliográficas consideradas: Hayes (2003). Indicador(es) de base: Precipitação.

Cálculo: O seu cálculo é efectuado por comparação do valor de precipitação em análise,

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_̅̅̅̅ ), [2.2] em que: Pi corresponde ao valor da precipitação em análise e P_n à média da precipitação da

série de registos.

Este índice poderá ser calculado tanto com base mensal (ou grupo de meses), como com base anual.

Vantagens: As avaliações da percentagem da Normal de Precipitação são bastante

eficazes quando utilizadas para uma única região ou época do ano.

Desvantagens: O facto de utilizar a média (dos valores de precipitação registados) e

não a mediana (atendendo à frequência dos registos) faz com que possa conduzir a alguns erros, em especial na comparação entre regiões. Este problema deve-se ao facto da precipitação não assumir, habitualmente, uma distribuição normal. Desta forma, torna-se difícil o estabelecimento de valores-limite (triggers) para a definição do tipo de medidas mitigadoras a aplicar. Além disso, a avaliação da componente de precipitação restringe a representatividade da avaliação de secas, sendo necessário adoptar diferentes escalas temporais dos valores de precipitação (acumulados a 3, 6, 12 meses) para se estimar a ocorrência de potenciais impactos nas diferentes origens e utilizações de uma dada região.

2.2.3.2 Palmer Drought Severity Index – PDSI

Desenvolvido por Wayne Palmer (Palmer, 1965), o PDSI foi dos primeiros índices de seca a serem utilizados e pressupõe uma avaliação das condições de humidade do solo, tendo por base o conceito de supply-and-demand da equação de balanço hídrico. O objectivo principal é o de permitir a comparação entre regiões e a análise da evolução temporal por reacção às condições meteorológicas, quer sejam anormalmente secas ou anormalmente húmidas. Para isso foi desenvolvido um procedimento que envolve o cálculo do deficit ou surplus das condições de humidade, sendo este valor devidamente ponderado de acordo com vários factores que descrevem o clima da região em causa.

Fontes bibliográficas consideradas: Palmer (1965); Alley (1984); NADSS (2002);

Hayes (2003); Tsakiris et al (2007).

Indicador(es) de base: Os principais inputs para o cálculo do PDSI são dados de

precipitação e temperatura. São ainda necessários dados característicos da região e estação de monitorização em causa, tais como a capacidade de armazenamento de água no solo, nessa região, e a latitude a que se encontra a estação que fornece os dados meteorológicos de base.

Cálculo: A partir dos dados de input, todos os elementos base da equação de balanço

hídrico poderão ser calculados, incluindo a evapotranspiração, a recarga das águas subterrâneas, o escoamento superficial, bem como a perda de teor de humidade da camada superficial de solo. Os impactos ou utilizações humanas não são consideradas para o cálculo deste índice.

O algoritmo de cálculo foi especialmente calibrado para regiões de características mais ou menos homogéneas, iniciando-se com um balanço hídrico, de base mensal ou mesmo

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semanal, utilizando registos históricos de precipitação e de temperatura. A capacidade de armazenamento de água no solo é habitualmente considerada com base na divisão do solo em duas camadas, assumindo que 25 mm de água podem ser armazenados na camada superficial. A camada inferior tem uma capacidade de armazenamento dependente das características de solo do local considerado. A evapotranspiração potencial, ou de referência, (ETo) é calculada pelo método de Thornthwaite-Mather (Thornthwaite & Mather, 1955), em que a evaporação dos solos apenas é considerada caso a ETo > P, sendo P a precipitação do período em causa (mês ou semana).

Sendo o índice PDSI de determinação complexa e pretendendo-se apenas avaliar, no presente capítulo, as potencialidades e desvantagens de utilização do mesmo, o processo de obtenção deste índice poderá ser simplificadamente resumido nos seguintes 5 passos principais: Passo 1: um primeiro balanço hidrológico, para quantificação dos valores potenciais de recarga (teor de água capaz de ser infiltrado até à saturação do solo), de perdas (parcela de humidade do solo que poderá ser perdida por evaporação quando a P é nula) e de escoamento (definido como a diferença entre a capacidade de armazenamento do solo e a recarga potencial); Passo 2: a determinação dos coeficientes caracterizadores do clima, com base nos valores potenciais determinados no passo anterior;

Passo 3: a obtenção da diferença entre a precipitação real, num dado mês, e os valores de precipitação CAFEC – Climatically Appropriate for Existing Conditions, obtidos com os valores dos parâmetros determinados no passo anterior;

Passo 4: o cálculo da anomalia de humidade (Z), com base no valor obtido no passo 3, expressando a diferença relativa entre a humidade do solo para um determinado mês e região em análise, com as respectivas condições médias;

Passo 5: a definição da severidade de seca final, sendo o PDSI (Xi) resultado de uma combinação do valor obtido para o mês anterior (Xi-1), com uma fracção de anomalia das condições de precipitação do mês actual (Zi). Apesar de Palmer (1965) ter definido uma proporção específica para estas parcelas, a mesma foi obtida para a região do Iowa e Kansas, a partir das quais o índice foi desenvolvido [2.3]. Idealmente esses coeficientes deverão ser determinados de acordo com as características da região em análise.

[2.3] Por fim, o valor final de PDSI, em cada mês, deverá ser calculado de acordo com o tipo de situação presente, i.e., de arranque de um acontecimento húmido (consideração apenas de valores não negativos), de arranque de um acontecimento seco (consideração apenas de valores não positivos), ou de continuidade de um acontecimento em curso, seco ou húmido. Os valores de PDSI que não cumprirem estes critérios deverão ser contabilizados como 0.

Este procedimento, detalhadamente descrito em Alley (1984), parte do pressuposto de que um mês especialmente húmido no seio de uma situação de seca não implica necessariamente o término dessa situação deficitária, sendo apenas possível determinar o final de um evento de seca com base nos valores obtidos para mais do que 1 mês. Contudo, este processo poderá levar a uma necessária reformulação dos valores calculados para o PDSI em

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meses anteriores (backtracking), o que apesar de apenas afectar os valores de transição (entre períodos secos e períodos húmidos e vice-versa), torna difícil a sua aplicação à gestão corrente de recursos hídricos.

A escala de classificação de severidade definida originalmente para este índice teve por base as características das situações de seca verificadas nas regiões analisadas (zona central de Iowa e zona oeste de Kansas), sendo apresentada na Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Escala de classificação de severidade do PDSI (Palmer, 1965)

Escala de classificação PDSI

> 4.0 Extremamente húmido

3.0 – 3.99 Bastante húmido

2.0 – 2.99 Moderadamente húmido

1.0 – 1.99 Ligeiramente húmido

0.5 – 0.99 Excesso de humidade incipiente

- 0.49 – 0.49 Normal

- 0.49 – - 0.99 Deficit de humidade incipiente

- 1.0 – - 1.99 Seca ligeira

- 2.0 – - 2.99 Seca moderada

- 3.0 – - 3.99 Seca severa

< - 4.0 Seca extrema

A grande experiência que existe na aplicação deste índice levou a que fosse utilizado para o estabelecimento de triggers de adopção de medidas em planos de contingência nos EUA, sendo continuamente calculado numa base mensal, não só nos EUA, onde inicialmente foi desenvolvido, mas também a nível mundial, incluindo Portugal Continental (através do Instituto de Meteorologia, I.P. (Pires, 2003; IM, 2008). Decorrente do processo de cálculo do PDSI, são muitas vezes considerados índices de seca, alguns dos auxiliares de cálculo tais como o Z- index, correspondente à anomalia mensal de humidade do solo – passo 4 do processo de obtenção do PDSI (Tsakiris et al, 2007). Este índice, também designado por Palmer Moisture Anomaly Index, quantifica o défice das condições de humidade no solo no mês corrente permitindo avaliar a afectação das principais culturas agrícolas, uma vez que responde de forma expedita a variações nas condições de humidade ao nível do solo. Por outro lado, o Palmer Hydrological Drought Severity Index (PHDI) é determinado de forma similar ao PDSI. A principal diferença reside na não distinção do despoletar de acontecimentos húmidos ou secos e na consideração de um critério mais restritivo para a determinação do final de uma situação de seca (i.e., apenas quando o deficit das condições de humidade é totalmente eliminado). Estas diferenças fazem com que o PHDI seja de evolução mais lenta e gradual do que o PDSI, sendo considerado representativo de impactos ao nível hidrológico, incluindo a variação de níveis de albufeiras ou de níveis piezométricos (águas subterrâneas) (Steinemann et al, 2005; Tsakiris et al, 2007).

Importa ainda referir que, procurando colmatar algumas das limitações do processo de cálculo do índice PDSI, foi desenvolvido o índice MedPDSI (Pereira & Rosa, 2010),

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especialmente adaptado à realidade mediterrânica e do Sul da Europa. Nesta modificação foi considerado que a evapotranspiração (ET) fosse determinada com base numa cultura típica da região, a oliveira de sequeiro, calculada pelo método dos coeficientes culturais Kc duais (Allen et al 2005), em lugar da aproximação de Thornthwaite do método original. Além dessa transformação, foi ainda considerada a substituição do cálculo do balanço hídrico por uma ferramenta de modelação numérica desenvolvida também especificamente para as características desta região – ISAREG (Teixeira e Pereira, 1992).

Não obstante, uma vez que os índices apresentados mantêm a estrutura de cálculo do PDSI, a escala de classificação de severidade de seca é igualmente dada pela Tabela 2.1.

Vantagens: As principais vantagens do PDSI e as razões para a sua ampla utilização e

vasto número de aplicações (é um dos índices mais utilizados a nível mundial) correspondem às três características positivas identificadas por Alley (1984):

 Permite uma medida standard da anormalidade das condições de humidade do solo, auxiliando o processo de tomada de decisão (comparação entre regiões e avaliação temporal);

 Possibilita a obtenção de uma perspectiva histórica das condições locais;

 Facilita a representação espacial e temporal das situações de seca.

As mesmas vantagens são reconhecidas em relação aos índices modificados, salientando-se, no caso do índice MedPDSI, a maior adaptabilidade às características da região mediterrânica, em especial da Península Ibérica (Pereira & Rosa, 2010).

Desvantagens: Apesar da popularidade deste índice são identificadas também

limitações ao mesmo, tal como é detalhadamente descrito em Alley (1984), destacando-se:

 Ser considerada uma simulação simplificada do solo, constituído por duas camadas, o que poderá não se adaptar a todas as situações;

 Existir uma considerável sensibilidade do processo de cálculo à definição da capacidade de armazenamento de água no solo (AWC), tornando grosseira uma generalização para uma região vasta;

 Existir uma subestimação do escoamento superficial devido à não consideração de escoamento até ser atingida a saturação do solo. Além disso, não é tido em conta o período de tempo entre o excesso de água à superfície e a geração de escoamento;

 Aproximação da evapotranspiração pelo método de Thornthwaite-Mather, que se demonstra, por vezes, pouco rigorosa;

 A necessária reformulação dos valores calculados quando se dá o término de um dado fenómeno, através do processo de backtracking, o que leva a que a aplicação deste índice à gestão corrente possa induzir em erro (esta desvantagem não se aplica aos casos do Z-index e do PDHI anteriormente descritos).

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 Os valores que quantificam os níveis de severidade de seca e detectam o início e término de uma dada situação de seca foram definidos de forma arbitrária e têm por base os estudos iniciais de Palmer (levados a cabo para as zonas do Iowa e do Kansas);

 As diferentes classes podem ter diferentes probabilidades de ocorrência, variando com as próprias características do clima.

Além destas limitações, foram identificadas outras como o facto de este índice ter sido especialmente concebido para a análise das condições de humidade do solo, logo mais orientado para a avaliação dos impactos na agricultura, tal como é também o caso dos índices Z- Index e MedPDSI. Importa referir que, mesmo o índice PHDI, de evolução mais gradual e lenta do que o PDSI, levando a uma indicação de duração de seca superior à deste, não entra em linha de conta com a avaliação dos impactos que se possam verificar a nível hidrológico (como p.e., redução do escoamento superficial, dos volumes armazenados em albufeiras ou sistemas aquíferos), pelo que, apesar do que sugere o nome, também não será o índice mais apropriado à avaliação desse tipo de impactos.

2.2.3.3 Decis

Os decis correspondem a uma técnica de avaliação de secas desenvolvida por Gibbs & Maher (1967), que se baseia na classificação de valores de precipitação de acordo com a distribuição de ocorrências de uma série longa de registos.

Fontes bibliográficas consideradas: Gibbs & Maher (1967); Keyantash & Dracup

(2002); Hayes (2003).

Indicador(es) de base: Precipitação.

Cálculo: A técnica desenvolvida passa por uma ordenação, de forma crescente, de

todos os valores de precipitação de uma série longa (mais de 30 anos de registos, podendo ser valores mensais, trimestrais, anuais, etc.). Para a série obtida é determinada a frequência de ocorrência, em percentagem, sendo feita a subdivisão em decis de modo a que, o primeiro decil, corresponda ao valor que apenas não é excedido em 10% das ocorrências, o segundo em que esse valor não é excedido em 20 % das ocorrências e assim sucessivamente até ao décimo e último decil, que corresponde ao valor mais elevado da série de registos (não é excedido em 100% das ocorrências). Por definição, o quinto decil corresponde à mediana, uma vez que é dado pelo valor que não é excedido em 50% das ocorrências. Este método, adoptado pelas autoridades australianas para a avaliação de secas, tem associada a classificação apresentada na Tabela 2.2 (definida de acordo com as características daquele país):

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Tabela 2.2: Classificação original dos decis de precipitação (Gibbs & Maher, 1967)

Classificação dos decis de precipitação

Decis 1 e 2

(20% de não excedência) Muito abaixo da normal (de precipitação) Decis 3 e 4

(entre 20% a 40% de não excedência) Abaixo da normal Decis 5 e 6

(entre 40% a 60% de não excedência) Próximo da normal Decis 7 e 8

(entre 60% a 80% de não excedência) Acima da normal Decis 9 e 10

(entre 80% a 100% de não excedência) Muito acima da normal

Vantagens: As principais vantagens deste índice correspondem, não só à sua facilidade

de cálculo, utilização e compreensão, existindo uma vasta experiência na sua aplicação, nomeadamente por parte das autoridades australianas, mas também à sua fiabilidade e significado estatístico, que será tanto melhor quanto maior o comprimento de registo da série analisada. Uma avaliação comparativa de vários índices de seca, segundo 6 critérios de performance (Keyantash & Dracup, 2002), destaca alguns pontos fortes dos Decis, em relação a outros índices, como o PDSI, nomeadamente a robustez de cálculo e o facto de ser extensível a longos períodos de avaliação, dependendo apenas da extensão de registos da precipitação.

Desvantagens: As principais desvantagens prendem-se com o facto de ser necessário

dispor de uma série de registos bastante longa para se obterem resultados mais precisos. Além disso, tal como no caso da percentagem da normal de precipitação, a avaliação apenas da componente de precipitação restringe a avaliação de secas, devendo a previsão de ocorrência

No documento Avaliação e gestão de situações de seca e escassez : Aplicação ao caso do Guadiana (páginas 129-149)