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XXIV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HIDRÍCOS
PERDAS D’ÁGUA POR EVAPOTRANSPIRAÇÃO NA MATA CILIAR AO LONGO DO RIO PIRANHAS-AÇÚ: VARIAÇÃO ESPACIAL E TEMPORAL
Morris Scherer-Warren 1 1 ; Alan Vaz Lopes 2& Eduardo Passeto 3
Palavras-Chave – perda de água, evapotranspiração, mata ciliar, gestão de secas
INTRODUÇÃO
A quantificação de perdas de água ao longo de trechos de rio perenizados por açudes é importante para o gerenciamento das bacias do semiárido brasileiro. Mais especificamente, a estimativa de perdas é essencial para melhorar a avaliação das disponibilidades hídricas, monitorar e fiscalizar usuários dessas bacias críticas, pois permite a identificação das causas de alterações quantitativas da vazão dos rios, que podem ser decorrentes de usos consuntivos ou de perdas por infiltração no leito dos rios durante os períodos secos.
Algumas estimativas sobre perdas de água por infiltração ao longo de rios perenizados foram realizados no âmbito dos Estudos de Inserção Regional do Projeto de Transposição do Rio São Francisco – EIR/PISF (Ministério da Integração, 2000). Essas estimativas buscaram quantificar a recarga de aquíferos profundos e rasos a partir da percolação ao longo do leito dos rios, aplicando-se as soluções analíticas, como as desenvolvidas por Hantush (1967) e descritas por Carleton (2010).
As estimativas teóricas do EIR/PISF (Ministério da Integração, 2000) incluem as perdas por percolação profunda e lateral, por evaporação dos espelhos d’água e por usos consuntivos não previstos nos trechos de rios que receberão águas do PISF, para os casos de aluviões, bacias sedimentares e cristalino. Os cálculos foram feitos com base em características dos aquíferos e dos rios levantadas em campo e reportadas em outros estudos, mas os resultados não foram objeto de verificações em campo.
Para estimativa de perdas ao longo do PISF, a ANA (2016) passou a adotar esses valores reportados no EIR/PISF para as perdas totais, estimadas em 4,32 L/s/km para o rio do Peixe até a confluência com o rio Piranhas (sendo 0,9 L/s/Km por evaporação, 0,07 L/s/km por infiltração, e 3,35 L/s/km por usos consuntivos não previstos), e em 6,54 L/s/km para o rio Piranhas no trecho desde essa confluência até a divisa entre Paraíba e Rio Grande do Norte (sendo 3,16 L/s/Km por evaporação, 0,02 L/s/km por infiltração, e 3,35 L/s/km por usos consuntivos não previstos).
Entretanto, as metodologias usadas nessas estimativas não consideram perdas de água por evapotranspiração na mata ciliar existente ao longo de trechos perenizados, como é o caso do rio Piranhas a jusante do Açude Curema. Essa perda de água via mata ciliar pode ser significativa, uma vez que o suprimento de água para a demanda evapotranspiromética pode ter origem na percolação
1) Agência Nacional de Águas, Brasília – DF, Setor Policial, área 5, Quadra 3, bloco N, sala 105, 61-21095602, morris@ana.gov.br 2) Agência Nacional de Águas, Brasília – DF, Setor Policial, área 5, Quadra 3, bloco N, vazlopes@ana.gov.br
3) Agência Nacional de Águas, Brasília – DF, Setor Policial, área 5, Quadra 3, bloco N, epasseto@ana.gov.br
do leito do rio para o aluvião. Isso porque, em muitos trechos de rio perenizados, o aquífero existente é aluvionar, raso e pouco espesso, em razão da pequena profundidade da superfície impermeável.
Adicionalmente, dada a pequena espessura dos aluviões e a ausência de chuvas durante os períodos secos, de julho a dezembro, é possível que essa perda por evapotranspiração, somada à evaporação no espelho d’água, corresponda à quase totalidade das perdas naturais ao longo dos rios perenizados durante o período seco. Essas hipóteses são estudadas no presente artigo, por meio de estimativas de perdas por evapotranspiração usando técnicas de sensoriamento remoto e geoprocessamento,
Assim, este artigo tem como objetivo apresentar metodologia para a estimativa e perdas de água por evapotranspiração da mata ciliar ao longo de rios perenizados, tendo como exemplo de aplicação o rio Piranhas-Açú, bem como apresentar os resultados mensais em diferentes trechos do rio ao longo do ano de 2019. A evapotranspiração da mata ciliar está relacionada às perdas de água observadas no leito do curso d’água durante o período seco da bacia, notadamente entre os meses de maio e dezembro, em um processo que ocorre por meio do deplecionamento do nível do lençol freático adjacente ao leito do rio.
METODOLOGIA
Para a estimativa mensal dos volumes de evapotranspiração da mata ciliar as seguintes etapas foram executadas (Figura 1): I. mapeamento da área de mata ciliar entre os reservatórios Curema- Mãe d’Água e Jardim de Piranhas; II. estimativa da fração da evapotranspiração de referência – ETrF usando o modelo EEFLUX; III. correlação da ETrF com o Índice de Vegetação por Diferença Normalizada – NDVI; IV. cálculo da evapotranspiração real da mata ciliar usando a ETrF mensal e dados derivados de estações meteorológicas de referência. A seguir descreveremos em maiores detalhes cada etapa.
Figura 1: Fluxograma de processamento para a estimativa dos volumes mensais de evapotranspiração da mata ciliar
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Modelo conceitual
Seguindo a concepção de perdas de água por percolação do EIR/PISF, no caso de aquíferos cristalinos, a percolação de água através do leito dos rios resulta na formação de um domo potenciométrico sobre a superfície de aquíferos profundos (Figura 2a). Quanto maior a profundidade do aquífero, maior o tempo para o domo ser formado; e quanto maior a espessura do aquífero, menor a altura máxima do domo, de modo que em aquíferos profundos e espessos, o domo nunca alcança o fundo do leito do rio. Nesses casos, a perda de água continua ocorrendo por meio de fluxo não saturado, vertical, enquanto houver vazão no rio para alimentá-la.
Já no caso de aquíferos em aluvião (Figura 2b), notadamente os pouco espessos e pouco profundos, o domo potenciométrico atinge o fundo do canal natural alguns dias após o início da percolação. Dessa forma, como a vazão no rio é mantida pela defluência de açudes, um regime permanente de perda de água é atingido com fluxo em meio saturado, praticamente horizontal. A presença de água de forma permanente no aluvião favorece o surgimento e manutenção da mata ciliar, cuja evapotranspiração é suprida pela infiltração de água do leito do rio para o aluvião. Assim, a vazão no rio tende a diminuir ao longo do tempo, mesmo mantendo-se constante a defluência do açude a montante, e essa perda de água pode ser quantificada pela estimativa da evapotranspiração na mata ciliar.
Figura 2. Ilustração do modelo conceitual de perda natural de água em rios perenizados durante período seco por (a) percolação profunda para aquífero sobre cristalino distante do leito natural; e (b) por infiltração e evapotranspiração em aquífero de aluvião raso próximo ao leito natural (caso do rio Piranhas).
Mapa de mata ciliar
O mapa de mata ciliar foi confeccionado por meio de interpretação visual (digitalização em tela) de imagens de altíssima resolução espacial (0,7 m) dos satélites Orbview obtidas em 2018 e 2019. A área abrange todo o curso d’água do Piranhas-Açú, em uma extensão de 120 km, entre os reservatórios Curema-Mãe d’Água, na Paraíba, até o município de Jardim de Piranhas, no Rio Grande do Norte.
Evapotranspiração por satélite
Os dados de evapotranspiração (ETrF - fração da evapotranspiração de referência) e do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada – NDVI em diferentes datas em 2019, utilizados no presente
percolação
profunda domo
potenciométrico
rio perenizado mata ciliar
cristalino aquífero
aquífero aluvião cristalino
rio perenizado evapotranspiração
infiltração infiltração
evapotranspiração (b) Aquífero em aluvião raso
(a) Aquífero sobre cristalino profundo
trabalho, derivam do modelo EEFLUX (Earth Engine Evapotranspiration Flux), descrito por Ayse et al. (2012). O EEFLUX foi desenvolvido por um consórcio da Universidade de Nebraska-Lincoln, Desert Research Institute, e Universidade de Idaho, como apoio da Google, e constitui uma adaptação do consagrado modelo METRIC – Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration (Allen et al. 2007a e 2007b) executado a partir da plataforma Google Earth Engine (https://eeflux-level1.appspot.com/), na qual é possível visualizar e fazer o download de produtos derivados do EEFLUX para todo o acervo de imagens da série LANDSAT-5, 7 e 8.
Correlação ETrF x NDVI
A obtenção da evapotranspiração por satélite resultante de modelos fisicamente embasados é realizada por meio da utilização da equação 1, de balanço de energia:
λE = Rn – G – H (1)
onde λE é o fluxo de calor latente [W m-2], Rn é o saldo de radiação [W m-2], G é o fluxo de calor no solo [W m-2], e H é fluxo de calor sensível [W m-2].
Entre as variáveis satelitais necessárias para o cálculo dos componentes do balanço de energia estão a temperatura radiométrica da superfície – Tsup e o albedo – 𝛼. A banda termal a bordo de sensores orbitais, a partir do qual é calculada a Tsup, possui limitada resolução espacial comparativamente às bandas do visível e do infravermelho. Atualmente os satélites LANDSAT-7 e 8 são os que apresentam, mesmo considerando os satélites comerciais, a melhor resolução espacial da banda termal (90 metros de GIFOV – Ground Instantaneous Field of View). Entretanto, esta resolução não é adequada para a maioria das áreas de mata ciliar ou irrigadas do semiárido brasileiro, pois estas são pequenas comparativamente ao tamanho do pixel derivado da banda termal.
Para contornar essa limitação, a estratégia utilizada tem sido a calibração de equação de regressão linear entre a ETrF, obtido do EEFLUX usando imagens LANDSAT, e o NDVI, também obtido da imagem LANDSAT (equação 2), usando todas as imagens disponíveis no ano de 2019 ao longo do trecho em estudo no rio Piranhas-Açu:
ETrF = a + b NDVI (2)
onde “a” e “b” são o intercepto e o coeficiente angular da correlação entre a ETrF e o NDVI.
A regressão é realizada a partir da ETrF e do NDVI do EEFLUX, considerando apenas pixels puros, ou seja, integralmente inseridos dentro dos polígonos de interesse (ex. mata ciliar ou área irrigada). A partir dos parâmetros da regressão obtidos, pode-se aplicar a equação 2 usando-se o NDVI extraído de imagens de satélites que possuem melhor resolução espacial e temporal, como é o caso dos satélites Sentinel-2, para se obter as respectivas estimativas da ETrF em trechos de interesse ao longo do rio.
ETrF Mensal
A ETrF do modelo EEFLUX representa o valor da fração evapotranspirativa no dia do imageamento, para cada pixel da imagem LANDSAT. Para a obtenção da ETrF total mensal, os valores obtidos entre duas passagens sucessivas do satélite (a cada 16 dias) foram interpolados linearmente na escala diária e, posteriormente, a média mensal foi calculada.
ETref – Evapotranspiração de Referência
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A evapotranspiração de referência – ETref foi calculada usando dados meteorológicos das estações do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) em Caicó/RN e em Souza/PB (disponíveis em https://portal.inmet.gov.br/), situadas na bacia do rio Piranhas-Açu, e distantes 30km e 35km do trecho do rio Piranhas em estudo, respectivamente. A equação FAO Penman-Monteith (equação 3) foi utilizada para calcular a ETref total diária (Allen et al., 1998). Os valores totais mensais foram obtidos pela média dos valores totais diários.
𝐸𝑇𝑟𝑒𝑓=0.408(𝑅𝑛−𝐺)+𝛾 900
𝑇𝑎+273𝑢2(𝑒𝑠−𝑒𝑎)
∆+(1+0.34𝑢2) (3)
onde ETref é a evapotranspiração de referência [mm d-1], Ta é a temperatura média do ar à 2 metros [°C], u2 é a velocidade média do vento a 2 metros do nível do solo [m s-1]; Rn é o saldo de radiação [W m-2], G é o fluxo de calor no solo [W m-2], ∆ é a declividade da curva de pressão do vapor [kPa °C-1], γ é a constante psicométrica [kPa °C-1]es é a pressão de vapor saturado [kPa], ea é a pressão de vapor atual [kPa].
Evapotranspiração da mata ciliar
A evapotranspiração total mensal da mata ciliar (ET_Ciliar) foi calculada pela multiplicação da ETrF total mensal pela ETref total mensal (equação 4):
ET_Ciliar = ETrF_mensal x ETref_mensal (4)
Evapotranspiração ajustada da mata ciliar
A fim de definir a parcela da evapotranspiração da mata ciliar resultante da contribuição da chuva ou derivada da contribuição do lençol freático suprida pela chuva, os valores totais mensais de precipitação foram subtraídos dos valores totais de “ET_Ciliar”. Os dados de precipitação foram oriundos das seguintes estações de monitoramento pluviométrico da ANA: Pau Ferrado, Vasssouras,
Curralinho, Divisa PB/RN e Piranhas (disponíveis em
https://www.snirh.gov.br/hidroweb/apresentacao).
RESULTADOS Área de Mata Ciliar
A área total de mata ciliar entre os reservatórios de Curema-Mãe d’Água e a estação de Jardim de Piranhas é de 2270 hectares, sendo 163 hectares relativos à área de “espelho d’agua” do rio Piranhas-Açú. As áreas de mata ciliar nos diferentes trechos de monitoramento hidrológico são respectivamente: 239 hectares entre Curema e Pau Ferrado; 672 hectares entre Pau Ferrado e Vassouras; 542 hectares entre Vasssouras e Curralinho; 509 hectares entre Curralinho e a divisa PB- RN; e 145 hectares entre a divisa PB-RN e a estação de Jardim de Piranhas.
Correlação NDVI x ETrF
A ETrF é equivalente à fração conjugada dos coeficientes de cultura (Kc) e de estresse hídrico (Ks), ou seja, ETrF = Kc x Ks. Para a mata ciliar, o Kc está relacionado com a resistência superficial e aerodinâmica do conjunto de plantas que compõem a vegetação ripária. Para a mata ciliar no trecho Curema-Mae d’Água até Jardim de Piranhas, a equação da regressão linear que correlaciona NDVI e ETrf, obtida a partir do EEFLUX, é apresentada na Figura 3.
A dispersão de pontos em torno da reta representa erros de estimativa, em última instância associados às limitações da utilização do índice de vegetação para representar a ETrF. Essas discrepâncias não são tão significativas em áreas de mata ciliar ou irrigadas comparativamente a outras áreas com grande flutuação da disponibilidade hídrica no solo. Desta forma, a utilização de uma amostra pontual de NDVI para estimativa da ETrF pode levar a divergências em relação aos valores reais, mas as estimativas médias de ETRf em maiores áreas (trecho do rio) ou ao longo do tempo (múltiplas datas) tendem a convergir em relação aos valores reais de ETrF.
Figura 3: correlação entre valores diários de NDVI e ETrF para a mata ciliar na bacia do Piranhas-Açú, no ano de 2019.
NDVI e ETrF mensais
Os valores totais mensais de NDVI e ETrF nos diferentes trechos do Piranhas-Açú são apresentados, respectivamente, nas Tabelas 1 e 2. Interessante notar que existe uma tendência de diminuição dos valores de NDVI da mata ciliar de montante para jusante no rio Piranhas-Açu (da coluna 6 para a coluna 2), o que também ocorre para os valores da ETrF. A ETrF varia ao longo do ano, sendo maior (ETrF ≥ 0,85) ao final do período de chuvas, por volta de março e abril, e menor (ETrF ≤ 0,76) entre os meses mais secos, de agosto e dezembro. Destaca-se que esses valores de ETrF representam a média de toda a área identificada como mata ciliar, incluindo a área arbórea bem desenvolvida até a vegetação arbustiva pouco densa e eventualmente intercalada com talhões de solo exposto.
Tabela 1: Valores totais mensais de NDVI em diferentes trechos do rio Piranhas-Açú.
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Tabela 2: Valores médios mensais de ETrF em diferentes trechos do rio Piranhas-Açú (m³s-1)
Evapotranspiração da mata ciliar
Os valores ajustados da evapotranspiração da mata ciliar, obtidos subtraindo-se a precipitação total mensal da ETrF (ETrF – P) e adequando-se unidades para m³s-1, em diferentes trechos do rio Piranhas-Açú estão representados na Figura 4. Para os meses mais úmidos, de janeiro à março, existe tendência da evapotranspiração ajustada (ET- P) ser negativa. Isto significa que a demanda evapotranspirativa da mata ciliar é suprida em sua totalidade pela água da chuva. Esta tendência se inverte a partir de abril, ou seja, a evapotranspiração passa a ser maior que o aporte da chuva. Neste caso, a evapotranspiração da mata ciliar é mantida pela água disponível no lençol freático, que é alimentada pelo rio durante o período seco. Isso porque, ao longo dos meses secos, o rebaixamento do nível do lençol freático abaixo da cota altimétrica do rio ocasiona “perdas” de água do rio em direção ao lençol freático (Figura 2b).
Figura 4: Valores ajustados da evapotranspiração média mensal da mata ciliar em diferentes trechos do rio Piranhas- Açú, no período de dezembro /2018 a dezembro/2019.
Considerando a totalidade do rio Piranhas-Açú, no trecho entre o Açude Curema-Mãe d’Água e Jardim de Piranhas, a evapotranspiração ajustada variou entre 0,26 e 0,9 m3s-1 entre abril e julho de
2019. A partir de agosto até dezembro de 2019 foi observado valores superiores a 1 m3s-1, sendo o mês de outubro que apresentou maior perda (1,52 m3s-1), como apresentado na Figura 5.
Figura 5: Valores ajustados da evapotranspiração média mensal da mata ciliar ao longo do rio Piranhas-Açu, no trecho entre o Açude Curema-Mãe d’Água até Jardim de Piranhas.
Destaca-se que estes valores são referentes à evapotranspiração ajustada da mata ciliar, indiretamente ligado às “perdas” por infiltração do rio para o lençol freático. Durante o período úmido, há significativa contribuição lateral e a variação de armazenamento no lençol freático tende a ser positiva. Já no período seco, praticamente não há chuva ou contribuição lateral e a variação de armazenamento tende a ser negativa ou nula, se mantido o suprimento por liberações de água do açude a montante, de modo que a evapotranspiração ajustada da mata ciliar equivale às perdas por infiltração. Na escala anual, assumindo-se que a variação do armazenamento de água no lençol freático é nula (ΔS = 0), o valor médio anual de perdas é de 0,76 m3s-1. Contudo, essa hipótese de variação nula do armazenamento somente deve ser usada a patir de extensa série histórica.
Ao analisar a taxa de perdas por evapotranspiração, expressa pelo volume por extensão de rio [m3s-1Km-1], se observa uma tendência declinante de montante para jusante. Esta tendência está em acordo com as vazões declinantes e a diminuição da ETrF ao longo do rio. A evapotranspiração média anual em cada trecho foi: 0,08 m3s-1 entre Curema e Pau Ferrado; 0,27 m3s-1 entre Pau Ferrado e Vassouras; 0,20 m3s-1 entre Vassouras e Curralinho; 0,15 m3s-1 entre Curralinho e Divisa PB/RN; e 0,05 m3s-1 entre Divisa PB/RN e Jardim de Piranhas (Tabela 3).
Tabela 3: Perda média mensal por evapotranspiração da mata ciliar em diferentes trechos do rio Piranhas-Açú (m³s-1).
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Observa-se que a média anual da evapotranspiração da mata ciliar ajustada, de 0,76 m³/s, equivale à perda de 6,33 L/s/Km (considerando a extensão total de 120 km). A vazão média defluente do açude Curema no período de dezembro/2018 a dezembro 2019, descontadas as captações para abastecimento público foi de 1,6 m³/s (ANA, 2019; 2020). Assim, a vazão anual correspondente a outras perdas e consumo de água para irrigação pode ser estimado em 0,84 m³/s (= 1,6 m³/s – 0,76 m³/s). Considerando-se que a área irrigada identificada por imagens de satélite ao longo do trecho variou de 901 ha a 1047 ha no mesmo período (com consumo anual de 0,63 m³/s a 0,73 m³/s admitindo-se 0,7 L/s/ha), pode-se concluir que a estimativa de perda por evapotranspiração na mata ciliar é compatível com o balanço hídrico do trecho, e corresponde a 78% a 87% das perdas totais anuais (= 1,6 m³/s – 0,63 m³/s ou = 1,6 m³/s – 0,73 m³/s).
A perda total estimada pelo EIR/PISF entre a confluência com o rio do Peixe e a divisa RN/PB foi de 6,54 L/s/km, incluindo não apenas perdas naturais mas também usos da água não previstos.
Considerando-se apenas esse trecho coincidente nos dois estudos (correspondente aos trechos Vassouras-Curralinho e Curralinho-Divisa somados, na Tabela 5), a perda natural estimada pelo EIR/PISF por infiltração e evaporação totaliza apenas 0,166 m³/s (ou 3,19 L/s/km), enquanto que este estudo estima perda por evapotranspiração na mata ciliar de 0,35 m³/s (ou 6,73 L/s/km).
Além disso, observa-se que há uma grande variação mensal e ao longo de todo o trecho, apresentada na Tabela 5, sendo que o valor máximo de 1,52 m³/s (em outubro) equivale a 12,67 L/s/km, valor quatro vezes superior aos 3,19 L/s/km estimado no EIR/PISF e três vezes superior ao valor usado nos termos de alocação de água, de 0,5 m³/s ou 4,2 L/s/km (ANA, 2019; ANA, 2020).
CONCLUSÕES
Este estudo apresenta metodologia para estimativa de evapotranspiração na mata ciliar ao longo de rios perenizados, que busca refletir as condições reais de perdas de água e melhor separar as perdas de água naturais das decorrentes de captações de água ao longo do rio.
Os resultados encontrados mostram que há grande variação sazonal das perdas naturais: nos meses mais secos, as perdas podem chegar o dobro do valor médio anual. Essas perdas também diminuem significativamente de montante para jusante, refletindo a menor disponibilidade de água ao longo do rio. As perdas na mata ciliar encontradas podem corresponder até a 87% das perdas naturais totais, o que indica a utilidade e importância de sua quantificação. Por fim, os valores médios anuais encontrados correspondem ao dobro de estimativas de estudos anteriores e, nos meses secos, são até três vezes superiores aos usados em termos de alocação de água.
De forma complementar, sugere-se, em trabalhos futuros, que as perdas sejam estimadas por meio do balanço hídrico do rio, considerando a variação da vazão entre as estações de monitoramento,
as retiradas para abastecimento urbano e irrigação. O total de irrigação poderá ser estimado usando outras metodolgias, como dados de energia elétrica ou estimados por sensoriamento remoto.
REFERÊNCIAS
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