XXII SÍMPOSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS 26 de novembro a 01 de dezembro de 2017
Florianópolis- SC
APLICAÇÃO DO MÉTODO DE BALANÇO HÍDRICO CLIMATOLÓGICO PARA AVALIAÇÃO DE RECARGA AO AQUÍFERO FLUVIODELTAICO NA
REGIÃO NORTE FLUMINENSE – RJ NO CLIMA PRESENTE
Mariana La Pasta1; Gerson Cardoso da Silva Junior2; Claudine Pereira Dereczynski3; Zelia Maria Peixoto Chrispim4
Resumo – Com o uso crescente das águas subterrâneas como alternativa para suprir o aumento da demanda hídrica, faz-se necessário o estudo da disponibilidade hídrica dos aquíferos e da variação da mesma em diferentes contextos climáticos com a finalidade de auxiliar no planejamento e na gestão desses recursos. O presente trabalho tem o objetivo de utilizar os dados climáticos (precipitação e temperatura do ar) para estimar a recarga a partir do método do Balanço Hídrico Climático de Thornthwaite-Mather (1955), através de simulações utilizando software para o cálculo de balanço hídrico e indicadores climáticos na região de Campos dos Goytacazes - RJ. Os resultados indicam a elevação de temperatura na região e diminuição da precipitação, estes indicadores apontam para uma diminuição na taxa de recarga ao aquífero Fluviodeltaico. Conclui-se que, ao longo do tempo, as alterações provocadas pelo aumento da temperatura e pela diminuição da precipitação estão reduzindo a quantidade de água que chega ao aquífero, reduzindo seu potencial hídrico.
Palavras-Chave – Recarga. Balanço Hídrico. Indicadores Climáticos.
APPLICATION OF THE CLIMATIC WATER BALANCE METHOD FOR RECHARGE EVALUATION OF THE FLUVIODELTAICO AQUIFER IN THE
NORTH FLUMINENSE REGION - RJ AT THE PRESENT CLIMATE
Abstract – The increasing use of groundwater as an alternative source to supply the water demand leads to the necessity of studies about availability of aquifers and the influence of climate variations to aquifer recharge in order to assist in the planning and management of these resources. The objective of the present work is to use climate data (precipitation and temperature) to estimate recharge using Thornthwaite-Mather (1955) method, through simulations with groundwater budget software and climate indices in the region of Campos dos Goytacazes, in Rio de Janeiro. Results indicate the elevation of temperature in the region and decrease of precipitation, these indicators point to a decrease in the recharge rate to the Fluviodeltaico aquifer. It is concluded that, over time, the changes caused by the increase in temperature and the decrease in precipitation are reducing the amount of water that reaches the aquifer, reducing its water potential.
Keywords – Groundwater recharge. Water budget. Climate Indices.
1 Programa de Pós Graduação em Geologia, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Instituto de Geociências – IGEO, mlpasta@hotmail.com
2Professor Associado Nivel III, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Instituto de Geociências – IGEO, gerson@geologia.ufrj.br
³ Professora Associada Nivel II, Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ, Instituto de Geociências – IGEO, claudinedereczynski@gmail.com
4 Doutora em Engenharia Civil, Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro – UENF, Centro de Ciências e Tecnologias, zeliachrispim.100@gmail.com
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Florianópolis- SC INTRODUÇÃO
A água é um recurso natural indispensável para a manutenção da vida. Temas relacionados aos recursos hídricos têm sido alvo de bastante interesse e estudos, não só do ponto de vista ambiental, mas também dos pontos de vista econômico e social. O aumento da demanda hídrica, aliado a fatores como a ocorrência de secas e o declínio da qualidade das águas superficiais, faz com que a utilização de água subterrânea no abastecimento das cidades cresça consideravelmente (MONTENEGRO &
RAGAB, 2012). As águas subterrâneas são uma parte essencial do ciclo hidrológico, e a sua crescente utilização implica na necessidade de estudar e compreender cada vez melhor os processos envolvidos na dinâmica dos reservatórios e as interações entre os diferentes componentes desse ciclo (TREIDEL et al., 2011).
A recarga subterrânea pode ser definida como a água que atinge o aquífero a partir de diversas origens, e muitas vezes é considerada uma parte residual ao balanço hídrico (SCANLON et al., 2002).
Esse parâmetro é uma informação básica quando se adota a abordagem científica no estudo desses corpos hídricos.
As mudanças climáticas têm o potencial de alterar o balanço hídrico, na medida em que influenciam as taxas anuais de precipitação (padrão de chuvas), evapotranspiração e as temperaturas médias.
Existem inúmeras metodologias para a estimativa do balanço de umidade no solo (empíricas, semi-empíricas, etc.). O método de Thornthwaite-Mather (1955) foi desenvolvido para determinar o regime hídrico de um local, sem necessidade de medidas diretas das condições do solo (PEREIRA, 2005). A partir do suprimento de água ao solo, via precipitação ou irrigação, da demanda atmosférica e da capacidade de água disponível, o balanço hídrico fornece estimativas da evapotranspiração real, da deficiência e/ou excedente hídrico e do armazenamento de água no solo. O balanço hídrico assim calculado torna-se um indicador climatológico da disponibilidade hídrica em uma região (PEREIRA et al., 1997).
A metodologia aplicada no presente trabalho vem sendo amplamente utilizada ao longo dos anos por diversos autores, como: Steenhuis & Van Der Molen (1986); Scanlon (2002); Casagrande et al. (2010), Moura et al., (2013), Vicente-Serrano et al., (2014), Chrispim, (2016). Contudo, em nenhum dos citados trabalhos há um foco na avaliação do impacto de mudanças climáticas sobre a recarga a aquíferos.
O presente trabalho tem, portanto, os seguintes objetivos: realizar a estimativa da recarga ao aquífero Fluviodeltaico na região de Campos dos Goytacazes, no Norte Fluminense, utilizando o método do balanço hídrico de Thornthwaite-Mather (1955) e analisar indicadores de extremos climáticos de precipitação e temperatura do ar no clima presente na área de Campos dos Goytacazes. Ao final, busca-se avaliar a possível correlação entre as estimativas de recarga aos aquíferos e os indicadores climáticos analisados na área de estudo.
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Florianópolis- SC Caracterização da área de estudo
Figura 1 - Localização da área de estudo com a representação da estação meteorológica de Campos dos
Goytacazes do INMET (ponto de cor laranja).
A área de estudo está inserida no município de Campos dos Goytacazes, situado na região Norte Fluminense do estado do Rio de Janeiro, entre os paralelos 21º30’ e 22º00’ de latitude sul e os meridianos 41º00’ e 41º30’ de longitude oeste, a aproximadamente 280 km da capital, no delta do rio Paraíba do Sul, porção continental da bacia sedimentar de Campos. A sua formação ocorreu sobre uma planície de inundação às margens do rio Paraíba do Sul, com relevos suaves e baixas declividades. A área é banhada pelo Oceano Atlântico, bem como por rios, lagoas, brejos e canais que fazem parte das bacias hidrográficas do rio Itabapoana e do rio Paraíba do Sul (Figura 1).
O clima da região é considerado tropical úmido, com período seco no inverno e chuvas de distribuição irregular, mais abundantes nos meses de novembro a janeiro, e umidade relativa do ar de 75%, com temperaturas medias de 23,9ºC. Segundo Mendonça e Sousa (2014), área de estudo tem índices pluviométricos, que variam de 750 mm a 1250 mm anuais.
Na área em que se encontra o aquífero Fluviodeltaico, é possível observar a presença de dois tipos de solo: cambissolos eutróficos e neossolos flúvicos (EMBRAPA, 2013).
Dados utilizados
No presente trabalho foram utilizados registros diários de precipitação e temperaturas máxima e mínima diárias obtidos junto à estação meteorológica do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) localizada na cidade de Campos dos Goytacazes – RJ. A altitude da estação (nº 83698) é de 11,2 m e localiza-se nas coordenadas -41,3ºS/-21,8ºO (Figura 1). As séries de dados estendem-se de 01/01/1961 até 31/12/2016, com algumas falhas. Na série de precipitação não existem dados no ano de 1991. Os valores de temperatura média compensada foram calculados através da média das temperaturas máxima e mínima diários.
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Cálculo da Recarga – Balanço Hidrometeorológico – Método Thornthwaite- Mather (1955)
A metodologia utilizada para obtenção do balanço hídrico climático foi proposta por Thornthwaite-Mather (1955). Para aplicação do método, foi utilizada como ferramenta a tabela Excel denominada Easybal 4.0 desenvolvida por Vázquez-Suñe e Castro (2002).
O método Thornthwaite-Mather é considerado um método simplificado, que consiste na obtenção do volume de recarga referente ao aquífero pelo processamento de dados climatológicos da área (precipitação, temperatura, horas de incidência solar), por meio da estimativa da evapotranspiração real. A determinação do cálculo do armazenamento é feita a partir da porcentagem de recarga anual e do volume precipitado segundo as Eqs. 1 e 2.
P = ESC + ETR + ARM + R (1) R = P – ESC – ETR – ARM (2)
Onde P = Precipitação (mm), ESC = Fluxos superficiais para fora da área de estudo (mm), ETR
= Evapotranspiração Real (mm), ARM = Variação do armazenamento de água na zona não saturada (mm) e R = Recarga.
Para calcular a recarga a partir do balanço hídrico climatológico pelo método Thornthwaite- Mather (1955), foi preciso determinar a evapotranspiração potencial. Para tal, foi utilizado o método de Thornthwaite (1948). Este método fundamenta-se em uma relação empírica entre a evapotranspiração potencial (ETo) e a temperatura média diária do ar, que representa à energia disponível no ambiente (Eq. 3).
ETP = 16* (10*Tméd/I)a (3)
Onde: ETP = Evapotranspiração potencial (mm/mês); T = Temperatura média do mês (°C); I = Índice que expressa o calor disponível da região; a = Índice térmico regional.
Segundo Pereira et al. (1997), o índice I depende da variabilidade anual da temperatura sendo obtido através da equação (Eq. 4)
(4) O expoente “a” é um índice térmico regional, função de I, calculado através da Eq. 5:
a = 6.75 x 10-7 I³ - 7.71 x 10-5 I² + 1.7912 x 10-2 I + 0.49239 (5)
Metodologia utilizada para Investigação da Mudança Climática na Área de Estudo
A investigação da mudança climática foi feita a partir de dados diários de precipitação, temperatura máxima e temperatura mínima da estação Campos dos Goytacazes do INMET.
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O software RClimDex (Zhang e Yang, 2004), desenvolvido pelo Serviço Meteorológico do Canadá foi utilizado para calcular os indicadores extremos climáticos recomendados pelo Expert Team for Climate Change Detection Monitoring and Indices (ETCCDMI) estabelecido pela Comissão de Climatologia da Organização Meteorológica Mundial (OMM). O RClimDex inclui um procedimento simples de controle de qualidade de dados. Neste trabalho foram utilizados 9 indicadores de extremos climáticos: a) precipitação total anual (PRCPTOT); b) totais pluviométricos dos dias de chuvas fortes, ou seja, aqueles dias em que a precipitação diária ultrapassa o percentil 95 (R95p); c) número máximo de dias secos consecutivos no ano (CDD); d) média anual das temperaturas máximas diárias (TMAXmean); e) média anual das temperaturas mínimas diárias (TMINmean); f) porcentagem dos dias no ano em que a temperatura máxima é maior do que o percentil 90 (TX90p); g) porcentagem dos dias no ano em que a temperatura mínima é maior do que o percentil 90 (TN90p); h) porcentagem dos dias no ano em que a temperatura máxima é menor do que o percentil 10 (TX10p) e i) porcentagem dos dias no ano em que a temperatura mínima é menor do que o percentil 10 (TN10p).
Para a avaliação de tendências climáticas foi utilizado o teste estatístico não paramétrico de Mann-Kendall (Sneyers, 1975). Esse teste considera que, na hipótese de estabilidade de uma série temporal, a sucessão de valores ocorre de forma independente e a distribuição de probabilidade deve permanecer sempre a mesma (série aleatória simples). O método não-paramétrico (assumindo uma tendência linear) utilizado para estimar a magnitude da tendência foi a Curvatura de Sen (Sen, 1968).
RESULTADOS
Análise da Mudança Climática em Campos dos Goytacazes
A climatologia de Campos dos Goytacazes para o período 1961-1990 (INMET, 2009) indica que o total pluviométrico anual é relativamente baixo (1055 mm), sendo esta a região mais seca na área da Bacia do Rio Paraíba do Sul. O período chuvoso vai de outubro a janeiro, quando concentra- se quase 64% do total pluviométrico anual (672 mm). O período mais seco é o inverno, apresentando médias mensais para junho, julho e agosto de respectivamente: 30, 47 e 33 mm. O número de dias chuvosos, ou seja aqueles em que o total pluviométrico diário é superior a 1 mm, oscila entre 4 dias em junho e agosto até 12 dias em dezembro.
A região é considerada a mais quente do Estado do Rio de Janeiro. A temperatura mínima (máxima) oscila entre 16,9°C (26,7°C) em julho e 22,7°C (32,5°C) em fevereiro. Com relação a temperatura média compensada, essa oscila entre 20,7°C em julho e 26,6°C em fevereiro, ou seja, uma amplitude térmica anual de 6°C, não muito elevada. Com relação aos dias secos consecutivos (CDD), a média fica em torno de 30 e 35 dias no ano, que provavelmente ocorre no período de inverno.
Os resultados da análise dos indicadores de extremos climáticos em Campos dos Goytacazes no clima presente (1961-2016) apontam para tendências estatisticamente significativas apenas para
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os índices relacionados à temperatura do ar que indicam aquecimento na região. Aumento na temperatura máxima média (TMAXmean: 0,02°C/ano), na temperatura mínima média (TMINmean:
0,03°C/ano), aumento no número de dias quentes no ano (TX90p: 0,06%dia/ano), aumento no número de noites quentes no ano (TN90P: 0,4%dia/ano), redução no número de dias frios (TN10p: - 0,3%dia/ano) e redução no número de dias frios no ano (TX10p: -0,1%dia/ano). Com relação à precipitação, observa-se redução no total pluviométrico anual (PRCPTOT: -4,5 mm/ano), no total pluviométrico associado às chuvas fortes (R95p: -2mm/ano) e aumento no número de dias secos consecutivos (CDD: 0,06 dia/ano). Contudo, as tendências de todos esses indicadores relacionados à precipitação não são estatisticamente significativas.
Portanto, a partir dos dados de Campos dos Goytacazes conclui-se que a região está se tornando mais quente e provavelmente mais seca.
Estimativa de Recarga da Precipitação Através do Balanço Hidrometeorológico
A estimativa de recarga através do Balanço Hidrometeorológico utilizando como ferramenta o Easybal 4.0, (VAZQUÉZ-SUÑE E CASTRO, 2002) durante o período de 01/01/1961 até 31/12/2016, forneceu resultados de precipitação anual média de 958,2 mm e recarga anual média de 232,32 mm.
Através desses resultados é possível dizer que aproximadamente 22 % da água que precipita na forma de chuva percola e chega ao aquífero recarregando-o.
Figura 2 - Gráfico relacionando recarga (mm/ano) e precipitação (mm/ano) ao longo do tempo (1961-2016), com as linhas de tendência pontilhadas.
Foi possível evidenciar uma alta correlação (0,93) entre os valores de recarga e precipitação na área de estudo, de forma que as variações da precipitação estão diretamente relacionadas às variações da recarga ao aquífero Fluviodeltaico.
Na Figura 2 é possível observar que tanto a linha de tendência de precipitação quanto a de recarga apresentam um comportamento que indica um declínio ao longo da série histórica de dados
0200 400600 8001000 1200 14001600 1800
0 100 200 300 400 500 600
1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Precipitação
Recarga
R (mm/ano) P (mm/ano) AnoLinear ( R (mm/ano)) Linear (P (mm/ano))
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utilizada no presente estudo, sugerindo uma possível diminuição do potencial hídrico do aquífero ao longo do tempo.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A interpretação dos indicadores de extremos climáticos em Campos dos Goytacazes no clima presente (1961-2016) indica uma tendência de aumento da temperatura e diminuição das chuvas na região que, portanto, está se tornando mais quente e mais seca ao longo do tempo. Os resultados obtidos através do cálculo da recarga ao aquífero Fluviodeltaico indicam uma forte correlação entre a precipitação e a recarga, além de uma tendência de diminuição de ambas ao longo do tempo.
Considerando as tendências climáticas observadas e os resultados do comportamento da recarga ao aquífero, é possível dizer que o potencial hídrico do aquífero está diminuindo ao longo do tempo, e as mudanças climáticas na região tendem a acelerar esse processo.
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