MODELO RR4_ISLANDS (RUNOFF RECHARGE) Uma aproximação à Infiltração e ao Escoamento em pequenas Ilhas Vulcânicas

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RR4_I

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)

Uma aproximação à Infiltração e ao Escoamento em pequenas Ilhas Vulcânicas

Azevedo, E.B. * ; Rodrigues, M.C.

Centro do Clima, Meteorologia e Mudanças Globais da Universidade dos Açores

CLIMARCOST (FEDER - PIC – Interreg_IIIB, Açores Madeira e Canárias – 05/MAC/2.3/A1)

RESUMO

Por razões relacionadas com a sua génese, as ilhas vulcânicas do Açores são, na sua generalidade, parcelas de pequena dimensão e com forte desenvolvimento em altitude pelo que a variação espacial das condições climáticas é mais acentuada e mais rápida do que em outras regiões mais aplanadas. De uma forma bem evidente verificam-se fortes incrementos da precipitação com a altitude. A característica heterogeneidade geológica das formações estruturantes, bem como os depósitos vulcânicos decorrentes de diferentes erupções, determinam um substracto de solos diferenciado que, associado à tectónica e à fisiografia das formações, condiciona, de uma forma muito fragmentada, o uso e a ocupação do território. A hidrologia de superfície caracteriza-se, assim, por se desenvolver em pequenas bacias de drenagem muito heterogéneas e em que prevalece o regime de escoamento torrencial. Os registos de hidrometria existentes, nomeadamente, a determinação dos escoamentos e da infiltração, estão associados às linhas de água de regime permanente, estando estas, frequentemente, associadas a descargas profundas de lagoas ou a aquíferos suspensos localizados. Deste modo torna-se difícil generalizar esta informação a grande parte do território. No presente trabalho é apresentada uma metodologia genérica, de resolução mensal, de estima das componentes infiltração e escoamento em ilhas vulcânicas a partir dos valores de superavit hídrico (Sav) resultante do balanço: precipitação (R), evapotranspiração real (ETr), variação da reserva de água no solo (∆Ras). Como factor de ponderação é utilizada a densidade de drenagem (Dr) das unidades espaciais em apreciação. Os valores obtidos para as ilhas dos Açores são apresentados e comparados com os de outras ilhas vulcânicas, nomeadamente, os apresentados por FALKLAND E

CUSTÓDIO no Guia da Unesco “ HYDROLOGY AND WATER RESOURCES OF SMALL ISLANDS” (1991).

1 INTRODUÇÃO

Nos Açores, muito embora se reconheça que o regime pluviométrico das ilhas seja favorável a uma regularidade da recarga aquífera o facto é que, dada a exiguidade territorial e estrutura geológica da generalidade das ilhas, a recarga proveniente dessa regularidade não pode ser entendida como sinónimo de reserva disponível. O rápido e permanente rebatimento (descarga natural) dos níveis freáticos, as descargas laterais dos aquíferos através das estruturas fissuradas subsuperficiais (típicas de ambientes vulcânicos), bem como as condições circundantes de apertada fronteira com a água salgada do mar, conduzem a que as reservas em água doce tenham um tempo de residência curto, quando comparado com a generalidade das situações continentais, bem como um decaimento muito acelerado da qualidade da água concentrada nos aquíferos basais. Estes aspectos são particularmente importantes nas ilhas mais pequenas ou em unidades geológicas mais recentes. De facto, dadas as características específicas das ilhas, em anos secos, ou mesmo em anos normais (em termos do total anual da precipitação) em circunstâncias de ocorrência de acentuada sazonalidade, podem ser observadas situações graves de seca principalmente nas ilhas de menor capacidade de reserva aquífera ou de dificuldade da sua exploração (Sta. Maria, Graciosa, Pico, S. Jorge).

A hidrologia de superfície das ilhas dos Açores caracteriza-se por se desenvolver em pequenas bacias de drenagem muito heterogéneas e em que prevalece o regime de escoamento torrencial. Os registos de hidrometria existentes, nomeadamente, a determinação dos escoamentos e da infiltração, estão associados às linhas de água de regime permanente, estando estas, frequentemente, associadas a descargas profundas de lagoas ou a aquíferos suspensos localizados. Deste modo torna-se difícil generalizar esta informação a grande parte do território.

O principal objectivo do modelo que a seguir se apresenta foi o de dispor de uma metodologia que permitisse diferenciar, como primeira aproximação, e com o mesmo grau de detalhe para todas as ilhas dos Açores, as componentes escoamento e recarga aquífera correspondentes a cada uma das bacias hidrográficas das diferentes ilhas do Arquipélago.

O modelo aqui sugerido foi desenvolvido para uma resolução mensal e estima as componentes escoamento e recarga aquífera a partir dos valores do superavit hídrico ao contrário da generalidade dos modelos empíricos que, com base na precipitação, calculam aquelas duas componentes. A vantagem da aplicação de uma metodologia a partir do superavit hídrico, em detrimento das que se baseiam em modelos de regressão com base na precipitação, resulta de, assim, ser possível um acompanhamento mais detalhado do balanço hidrológico. De facto, em muitas circunstâncias,

nomeadamente, no período estival, pode ocorrer precipitação sem que desta resulte escoamento ou recarga pelo facto de não estar satisfeita a capacidade plena da reserva dos solos.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia genérica ora apresentada, de resolução mensal, estima as componentes recarga (Rec) e escoamento (Esc) em ilhas vulcânicas a partir dos valores de superavit hídrico (Sav) resultante do balanço hidrológico sequencial que envolve as variáveis precipitação (R), evapotranspiração real (ETr) e variação da reserva de água no solo (∆Ras). Como factor de ponderação é utilizada a densidade de drenagem (Dr) das unidades espaciais em apreciação. As variáveis climatológicas utilizadas no balanço, nomeadamente, os valores da precipitação e da evapotranspiração são estimados a partir do modelo CIELO (CLIMA INSULAR À ESCALA LOCAL) (AZEVEDO,

1996; AZEVEDO et. al.,1999).

A metodologia ora proposta foi aplicada a todas as ilhas do arquipélago dos Açores, no âmbito do respectivo plano da água (PRA) (DROTRH/SRA/INAG,2001), e teve como domínio virtual de aplicação a configuração das bacias hidrográficas de cada ilha. A delimitação das bacias hidrográficas foi feita com base na coberturas digitais das cartas topográficas dos Serviços Cartográficos do Exército à escala 1:25000. Toda a informação espacialmente distribuída, nomeadamente, os parâmetros relevantes dos modelos envolvidos, fazem parte de um Sistema de informação Geográfica (SIG), tendo sido, para efeito de cálculo numérico, convertida em diferentes coberturas de formato “raster” (100X100m). A aplicação do modelo CIELO teve como base de aplicação os modelos digitais do terreno das diferentes ilhas bem como valores climáticos de calibração correspondentes a observações efectuadas em estações de referência

3 O MODELO DE ESCOAMENTO / RECARGA

O modelo de escoamento ora proposto assenta na afectação do superavit hídrico (Sav) que resulta do balanço hídrico sequencial à escala mensal, à relação observada entre a densidade de drenagem da bacia (Dd) e a densidade de drenagem máxima observada na ilha (Ddmax). Assim:

Sav Dd Dd b a Esc ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = max (1)

Com base na interpretação dos valores de escoamento registados por AZEVEDO (1998) em

drenagem, foi feita a respectiva calibração dos coeficientes a e b tendo-lhes sido atribuído os valores de 0.06 e 0.70. Na impossibilidade de calibração ilha a ilha assumem-se aqueles valores como representativos de todo o arquipélago.

Nesta expressão Esc representa o escoamento mensal em m3, Sav o superavit hídrico, também expresso em m3, Dd a densidade de drenagem da bacia, e Ddmax densidade máxima de drenagem observada no conjunto das diferentes bacias drenantes. A recarga (Rec) resulta do diferencial entre as variáveis superavit (Sav) e (Esc).

Rec = Sav – Esc (2)

Esta expressão empírica tem como fundamento conceptual a convicção clássica de que a densidade de drenagem de alguma forma reflecte os diferentes condicionalismos, nomeadamente, os geomorfológicos e geológicos que determinam o escoamento superficial e a infiltração. Assim, da sua aplicação resulta o seguinte comportamento:

a) sempre que existe superávit (Sav) decorrente do balanço de superfície (clima e reserva útil do solo) está garantido um escoamento que, no mínimo (densidade de drenagem =0) corresponde a 6% do Sav;

b) quando a densidade de drenagem é igual à máxima observada (Ddmax) o escoamento atinge 76% de Sav;

c) entre esses dois limites a fracção do Sav que escoa é condicionada pela relação Dd/Ddmax; d) quando Sav é nulo não existe escoamento.

4 VALIDAÇÃO DO MODELO E CONSIDERAÇÕES SOBRE A SUA APLICABILIDADE

Muito embora o modelo desenvolvido de destine à determinação dos escoamentos resultantes do regime de drenagem superficial predominante na região dos Açores em que a maioria dos cursos de água apresentam regime torrencial, a sua aplicabilidade assegura-se-nos legítima para a determinação da fracção de escoamento nos cursos de água permanente que não resulte de transferências profundas entre bacias ou de regimes de regularização estabelecidos pela drenagem das lagoas situadas noutras bacias de recepção.

Na impossibilidade de validação do modelo com base nos caudais de regime torrencial, pela inexistência de séries hidrológicas que o permitissem, recorre-se, para o efeito, aos valores de escoamento de 15 ribeiras de S. Miguel constantes no relatório “UMA CONTRIBUIÇÃO PARA A DEFINIÇÃO DE ZONAS DE PROTECÇÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS DE SUPERFÍCIE NA ILHA DE S. MIGUEL” (COBA,1998),

efectuado no âmbito dos estudos de levantamento do potencial hidroenergético da Ilha de S. Miguel promovidos pela Empresa de Electricidade dos Açores, EDA. Na figura 1 são comparados os valores observados com os valores gerados pelo modelo para as mesmas bacias.

Muito embora a comparação dos valores seja feita com recurso a um conjunto de valores provenientes de uma zona de hidrologia complexa, nomeadamente, pelo facto de os cursos de água de regime permanente beneficiarem das transferências e do efeito regulador de duas das grandes lagoas da ilha, a Lagoa do Fogo e a Lagoa das Furnas, a correlação entre os valores em comparação é elevada (R2=0,94). Por outro lado, o desfasamento do declive da recta de regressão, em relação ao declive da recta 1/1 é perfeitamente explicado pelo facto de o referido estudo incidir, predominantemente, sobre cursos de água permanente. Assim, o desvio observado é, em larga medida, explicado pelas transferências hídricas subterrâneas entre bacias, algumas delas ocupadas por lagoas de alguma dimensão. Aliás, só este aspecto, já referido por diferentes autores (cf. LNEC,1992), nomeadamente, no referido relatório, é que justifica a manutenção do regime permanente em bacias de tão pequena dimensão.

Figura 1 – Comparação entre os valores observados (em COBA, 1998) e os valores produzidos pelo modelo para o escoamento de 15 bacias de drenagem na Ilha de S. Miguel.

modelo/observado y = 1.2303x R2 = 0.9397 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 escoamento modelo (hm3) e s c oam e n to obs er v a do ( h m 3 )

5 RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO MODELO A TODAS AS ILHAS DO ARQUIPÉLAGO DOS AÇORES

A partir da aplicação do modelo a todas as ilhas do arquipélago dos Açores foi possível comparar o seu comportamento genérico com base nos valores observados em outras ilhas vulcânicas, nomeadamente, através de uma adaptação do diagrama de FALKLAND E CUSTÓDIO, em "HYDROLOGY AND

WATER RESOURCES OF SMALL ISLANDS: A PRACTICAL GUIDE" (1991). No diagrama da figura 2 são incluídas

as ilhas Açorianas em comparação com outras localizadas em diferentes enquadramentos climáticos.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Precipitação média anual (mm)

R ecar g a m é d ia an u a l ( m m ) Pico Flores Corvo Faial Graciosa S. Miguel Terceira S. Jorge Oahu Sta Maria Kahoolaw e Niihau Lanai Grand Cayman Molokai Tongatapu Maui N. Guam

Figura 2 – Comparação entre os valores da precipitação e os valores de recarga aquífera em diferentes pequenas ilhas onde se incluem as dos Açores (adaptado de FALKLAND E CUSTÓDIO, 1991).

Figura 3 – Componentes do balanço Hídrico sequencial

6 Conclusões.

Face à comparação com outras situações insulares apresentadas em FALKLAND E CUSTÓDIO

(1991), os resultados da aplicação do modelo aqui sugerido revelam-se consistentes e integrados na mancha de representação de outras situações melhor estudadas (vd. Figura 2).

Os valores obtidos a partir do modelo revelam-se, da mesma forma, consistentes com a realidade conhecida das diferentes ilhas, revelando-se aquelas que apresentam cursos de água mais regulares como aquelas em que o modelo reproduz um maior escoamento superficial. Este facto é bem evidente no caso da ilha das Flores, S. Miguel e S. Jorge com taxas de escoamento total em relação à precipitação respectivamente de 52%, 40% e 42%. No extremo oposto o modelo reproduz o escoamentos mais baixo (14% da precipitação) na ilha Graciosa, precisamente aquela que, de facto, não revela escoamentos superficiais significativos. Da mesma forma o valor estimado para o escoamento superficial para a ilha do Pico é baixo (25% da precipitação), valor consentâneo com a realidade conhecida onde o escoamento superficial visível é muito localizado no tempo e no espaço, podendo, no entanto, assumir caracter torrencial violento num número restrito de linhas de água.

Não obstante a validade e aplicabilidade do modelo demonstrados, chama-se particular atenção para o facto de, de acordo com as limitações já descritas, este dever ser entendido como uma primeira abordagem ao problema da avaliação de recursos hídricos em situações insulares onde a informação hidrológica seja escassa. Assim, e com as devidas reservas, a metodologia tem vindo a ser aplicada às ilhas dos Açores no contexto de alguns projectos de natureza climatológica e hidrológica, designadamente nos projectos CLIMAAT e CLIMARCOST desenvolvidos no âmbito da Iniciativa Comunitária INTERRE_IIIB, Açores, Madeira e Canárias (MAC/2.3/A3-MAC/2.3/A5-05/MAC/2.3/A1) Bibliografia citada

AZEVEDO, E. B.; Pereira, L. S.(2003) – CIELO – A GIS Integrated Model For Climatic And Water Balance Simulation In

Islands Environments – Geophysical Research Abstracts, Vol.5, 02331. European Geophysical Society.;

AZEVEDO, E.B; Pereira, L. S.; ITIER, B. (1999) – “MODELLING THE LOCAL CLIMATE IN ISLAND ENVIRONMENTS: WATER BALANCE APPLICATIONS – Elsevier- Agricultural Water Management 40 (1999) 393-403.

AZEVEDO, J.M.M. (1998) – “GEOLOGIA E HIDROGEOLOGIA DA ILHA DAS FLORES (AÇORES -PORTUGAL)”. Dissertação para a

obtenção do grau de Doutor em Geologia, D. de Ciências da Terra, Universidade de Coimbra, 2 Vol., Coimbra, 403 p. AZEVEDO, E.M.V.B. (1996) - MODELAÇÃO DO CLIMA INSULAR À ESCALA LOCAL – Tese de Doutoramento, Departamento de

Ciências Agrárias da Universidade dos Açores, Angra do Heroísmo, 247p..

COBA, 1998 – “UMA CONTRIBUIÇÃO PARA A DEFINIÇÃO DE ZONAS DE PROTECÇÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS DE SUPERFÍCIE NA ILHA DE S.MIGUEL”. Empresa de Electricidade dos Açores EDA.

DROTRH/SRA;INAG, 2001 – “PLANO REGIONAL DA ÁGUA” – Direcção Regional do Ordenamento do Territórioe Recursos

Hídricos, Secretaria Regional do Ambiente, Instituto Nacional da Água.

FALKLAND, A.; CUSTODIO, E. (1991) – "Hydrology and Water Resources of Small Islands: a Practical Guide", International Hydrological Programme, IHP-III, Project 4.6, UNESCO, Paris.

LNEC, 1992 – "Avaliação das Disponibilidades Hídricas da Ilha de S. Miguel (Açores)". Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Relatório 217/92-NHHF, Lisboa.