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Aplicação do modelo VIC na avaliação dos impactos hidrológicos das
mudanças de uso de terra no Baixo Zambeze
Maria João Calejo
1, Dinis Juizo
2, Francisco Saimone
3e Alfredo Zunguze
41 Engª Agrónoma (Ph. D), Coordenadora de Projecto da COBA, SA, Av. 5 de Outubro, 323, 1649-011 Lisboa, Portugal,
coba@coba.pt
2 Eng. Civil (Ph. D), Salomon, Lda, Av. Olof Palme, 378, Maputo, Moçambique, juizo@hotmail.com 3 Eng Agrónomo da Salomon, Lda, Av. Olof Palme, 378, Maputo, Moçambique, francisco.saimone@gmail.com 4 Eng. Geógrafo, Direcção Nacional para Promoção do Desenvolvimento Rural, Moçambique, alfredoricardoz@gmail.com
Palavras-chave: VIC-3L, ROUTING, bacia hidrográfica, cobertura e uso da terra, escoamento, caudais Tema: Investigação hidráulica e hidrológica e suas aplicações no desenvolvimento de infraestruturas
necessárias às sociedades
Tipo de comunicação: Oral
Corpo do resumo
A alteração dos usos de terra e coberto vegetal pode ter uma contribuição significativa na alteração do regime de escoamento numa bacia hidrográfica. As alterações dos usos de terra e coberto vegetal estão muitas vezes associadas a necessidade de satisfação das necessidades cada vez mais crescentes da população mundial principalmente a urbanização intensiva e o aumento da área de cultivo em substituição da vegetação nativa. A modelação hidrológica é uma ferramenta determinante na quantificação dos impactos dessas alterações e dessa forma uma base para o estabelecimento de conhecimentos sólidos dos impactos ambientais das alterações do uso de terra e coberto vegetal ao nível da bacia. O modelo hidrológico VIC que na sua concepção valoriza como dados de entrada do modelo, a cobertura vegetal e o uso da terra foi usado para quantificar os impactos decorrentes das alterações do uso da terra no Baixo Zambeze sobre o balanço de água. O VIC usa como base informação disponibilizada pelos recursos modernos associados a tecnologia da observação remota onde ainda há ainda várias áreas em investigação e aprimoramento contínuo. Um dos aspectos de debate neste trabalho foi a escolha da fonte de dados de precipitação a ser usada no modelo tendo-se optado numa primeira fase em usar o sub-produto PRP do TRMM em detrimento do PCP escolha que será posteriormente validada no decurso do estudo.
A ocupação actual do uso e cobertura da terra foi comparado com três cenários futuros. Os cenários 01 e 02 traduzem um agravamento da redução da área florestal e um aumento das classes de campos agrícola, áreas arbustivas e mato. O cenário 03 procura representar a ocupação vegetal de há 10 anos atrás do Baixo Zambeze, onde a floresta densa decídua era classe predominante.
O regime hidrológico simulado dos cenários 01 e 02 comparativamente com o cenário base é caracterizado por uma diminuição da evapotranspiração e um aumento do escoamento superficial e de base. Nos cenários 01 e 02 observa-se ainda um aumento dos caudais máximos e mínimos. No cenário 03 observa-se a inversão dos impactos hidrológicos identificados nos cenários 01 e 02. O aumento generalizado da área florestal em toda a área de estudo tem como consequência directa uma diminuição dos caudais máximos e mínimos em resultado da menor produção de escoamento superficial e de base e um aumento da evapotranspiração.
Os resultados do estudo corroboram a ideia de que o uso e ocupação da bacia hidrográfica produzem impactos sobre o regime de escoamento do rio. O modelo VIC mostrou ser uma ferramenta útil para o planeamento do uso do solo permitindo antever os impactos dos diferentes cenários de desenvolvimento da bacia sobre o seu regime hidrológico.
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1. INTRODUÇÃO
O uso e coberto da terra encarado, geralmente, como uma questão ambiental local/regional, tem vindo a tornar-se uma questão de importância global. Devido ao crescimento da população mundial, que determina uma necessidade de produção cada vez maior de alimentos, fibras, água e de alojamento, verifica-se, em todo o planeta, uma conversão generalizada de áreas florestais em áreas agrícolas e de áreas agrícolas em áreas urbanas (FOLEY et al., 2005). As alterações no uso da terra têm consequências directas quer no clima quer nos fluxos de água e de energia (STOHLGREN et al., 1998; CHASE et al., 1999; STEYAERT e KNOX, 2008; MAHMOOD et al., 2010).
Presentemente, existem diversos modelos de superfície terrestre e modelos atmosféricos que têm sido utilizados para avaliar os impactos decorrentes das alterações do coberto vegetal sobre os processos biofísicos na superfície terreste, sobre o regime hidrológico, sobre o estado da camada mais baixa da atmosfera e sobre a alterabilidade climática (STRACK et al., 2008). Reconhecendo o potencial dos modelos existentes, MAHMOOD
et al. (2010) ressalvam a necessidade de aprofundar a investigação quer ao nível da representação das dinâmicas
da vegetação, quer ao nível dos parâmetros requeridos pelos modelos para representar os tipos de uso da terra (STRACK et al., 2008; STEYAERT e KNOX, 2008).
O presente estudo faz parte das acções do “Projecto de Apoio aos Pequenos Produtores Orientado para o Mercado no Vale do Zambeze” (da Direcção Nacional de Promoção do Desenvolvimento Rural - DNPDR), que previa a avaliação e monitorização do impacto das actividades do projecto na perda dos serviços ecossistémicos. A razão do estudo surge do reconhecimento do potencial que o seu sucesso teria sobre a alteração do padrão do uso e cobertura vegetal da região de interesse tendo em conta o grande objectivo da intensificação da produção agrícola como base para o desenvolvimento das comunidades do vale do Zambeze.
O objectivo principal deste estudo é avaliar os impactos no regime hidrológico de diferentes cenários de uso de terra e da cobertura vegetal, que poderão resultar do desenvolvimento das actividades do projecto e de outros planos governamentais em carteira para região do Vale do Zambeze.
2. METODOLOGIA
2.1.
Área de Estudo
A área de estudo inclui os distritos de Chemba, Maringué e Caia da província de Sofala, o distrito de Mutarara da província de Tete e os distritos de Mopeia e Morrumbala da província da Zambézia. Os seis distritos têm uma área total de 40 500 km2. Como a análise das alterações do uso da terra é efectuada através de um modelo
hidrológico aplicado aos seis distritos, a área de estudo foi redefinida de modo a incluir as bacias hidrográficas que drenam os distritos perfazendo uma área de estudo de aproximadamente 61 800 km2.
A área de estudo enquadra-se no contexto mais amplo da bacia hidrográfica do rio Zambeze, dando particular atenção aos rios Chire e Cuácua, que se localizam na área de estudo. Do ponto de vista hidrológico a área não representa uma bacia hidrográfica fechada pelo que nos seus limites existem fluxos de entrada que são representados pelos caudais do Chire em Chilomo e do Zambeze em Lupata.
A população residente em 2007 nos seis distritos da área de estudo era de cerca de 940 000 habitantes, que representa cerca de 4,5% da população total do País.
3 Figura 1 Área de estudo, distritos e bacias hidrográficas envolvidas.
2.2.
Modelo VIC
O modelo hidrológico VIC (Variable Infiltration Capacity, LIANG et al., 1994, 1996) que na sua concepção valoriza como dados de entrada do modelo, a cobertura vegetal e o uso da terra foi usado para quantificar os impactos decorrentes das alterações do uso da terra sobre o balanço de água.
O modelo VIC é um modelo hidrológico de macro-escala semi-distribuído que permite simular o balanço da água e o balanço energético. No modelo VIC, a superfície da bacia é representada como uma grelha de células (de dimensão > 1 km) planas e uniformes. Em cada célula, o solo é subdivido em três camadas, sendo que, o escoamento superficial é gerado a partir das duas camadas superiores. A ocupação/uso da terra é descrita por N+1 tipos/classes de vegetação, sendo que a n-ésima classe representa o solo nu. As várias coberturas e tipos de uso da terra são tratados pelo modelo ao nível das células através de distribuições estatísticas.
Para ter em conta a variabilidade espacial dos parâmetros hidráulicos e hidrológicos ao nível das células da grelha que definem a bacia, o modelo VIC-3L adopta o esquema da capacidade de infiltração variável baseado no modelo Xinanjiang (ZHAO et al., 1980). O escoamento de base é gerado na camada inferior do solo, de acordo com o modelo conceptual de Arno (FRANCHINI e PACCIANI, 1991; TODINI, 1996).
A geração dos hidrogramas de caudais requer que o escoamento resultante em cada célula seja propagado ao longo da bacia em direcção à secção de saída. A propagação do escoamento superficial e do escoamento de base é feita através do modelo ROUTING, descrito em detalhe em LOHMANN et al. (1996, 1998a, 1998b). Este modelo calcula o tempo necessário para que o escoamento gerado numa célula chegue à secção de saída e modela também a propagação do escoamento em canais. O modelo assume que todo o escoamento horizontal dentro duma célula da grelha atinge a rede de canais dentro da célula antes de cruzar a fronteira com outra célula vizinha. O escoamento pode sair de uma célula em oito direcções possíveis, mas todo o escoamento tem de sair numa única direcção. Uma célula pode também receber o escoamento gerado a montante. Ambos os processos (propagação no interior da célula e propagação em canais) são modelados pelo modelo ROUTING, adoptando modelos lineares, causais e invariantes no tempo.
Para aplicar o modelo VIC á área de estudo foi definida uma grelha de células com dimensão de 0,25º (15’ de arco). A escolha da dimensão da célula teve em conta as características dos dados de entrada do modelo VIC, principalmente os dados baseados em imagens de satélite, em especial a precipitação, e a dimensão da área de estudo. O modo de simulação seleccionado foi o balanço da água, sendo a evapotranspiração calculada de acordo
4 com a equação de Penman-Monteith em função da quantidade de energia disponível e do défice de pressão de vapor.
2.3.
Dados
A precipitação, a temperatura máxima e mínima do ar e a velocidade média do vento constitui o conjunto mínimo de dados meteorológicos necessários para correr o modelo. São usados dados de precipitação obtidos via sensoramento remoto em alternativa aos dados da rede udométrica terrena, devido às deficiências destes do ponto de vista de cobertura espacial e continuidade das séries existentes. A qualidade dos dados gerados por esta via de observação indirecta tem sido objecto de escrutínio contínuo dos meteorologistas de todo o mundo com o objectivo de melhorar a sua fiabilidade. No presente estudo e como sugerido em COHEN e LEICHTI et al. (2011) são utilizados os dados tri-horários do Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) com uma resolução espacial de 0,25 graus. Os dados de precipitação do TRMM são resultado da combinação de três sub-produtos de observação remota um que é o Infravermelho Visível, segundo que é Imagem de Microondas e outro que é Precipitação Radar. A precipitação calibrada final PCP no TRMM resulta da combinação dos valores calibrados dos vários instrumentos de observação. Resulta por isso que por vezes o sub-produto High Quality (HQ) Precipitation derivado do microondas tem boa correlação com os dados observados em terra. A escolha final do produto que a adoptar para este estudo não é tarefa fácil, assim depois de verificações preliminares sobre o comportamento dos dados de satélite do HQ e do produto final do TRMM PCP optou-se por fazerem-se os primeiros estudos com recurso ao HQ onde este existe e preencher as falhas com os dados do PCP para ter séries completas. Os autores estão conscientes de que esta escolha deverá ser validada no futuro com base num trabalho mais exaustivo sobre os dados mais fiáveis entre os diversos sub-produtos do TRMM. Tal como acontece com a rede udométrica, actualmente a grande maioria das estações climatológicas não está operacional, verificando-se ainda um elevado número de falhas que restringem fortemente a sua utilização. Para contornar as deficiências relacionadas com a disponibilidade de dados para o modelo foi adoptada a mesma estratégia seguida para os dados de precipitação. Assim, os dados diários da temperatura máxima e mínima do ar assim como da velocidade média do vento a partir da base de dados ERA Interim do European Centre for Medium Range Weather Forecast (ECMRF), numa resolução de 0,70 graus com uma re-amostragem a 0,25 grau para coincidir com a dimensão da grelha do modelo.
As séries temporais dos dados meteorológicos introduzidos no modelo respeitam o período de 1 de Janeiro de 2005 a 30 de Novembro de 2012.
O solo constitui uma das principais componentes do modelo VIC. O modelo possibilita a utilização de diversas camadas de solo, mas normalmente utilizam-se apenas 3. A espessura das camadas pode variar de célula para célula, com excepção da camada superficial que normalmente se adopta como tendo 5 a 10 cm de espessura. Para os parâmetros-solo, foi necessário identificar os tipos de solos existentes e quantificar as características (RAPOSO, 2012) que possam ser utilizadas na obtenção directa ou indirecta dos parâmetros de entrada do modelo: densidade aparente (Dap), capacidade de campo (CC), coeficiente de emurchecimento (CE), porosidade e índice de distribuição de poros (). Os valores desses parâmetros podem resultar de medições directas no terreno, mas normalmente são deduzidos com base na diferenciação pedogenética, estrutura, composição granulométrica e outras características morfo-físico-químicas de cada uma das unidades-solo. No Quadro 1 apresentam-se os intervalos de valores dos parâmetros do solo deduzidos para cada classe textural (RAPOSO, 2013).
A descrição do coberto vegetal das células da grelha teve por base os mapas de uso e cobertura da terra à escala 1:250.000 das províncias da Zambézia e Sofala (RURAL CONSULT, IUCN e RMSI, 2011), para os quais foram utilizadas imagens de satélite LANDSAT TM 4 e 5 com uma resolução espacial de 30m. A classificação de cobertura foi feita à categoria de UCT de nível III, tenso sido identificadas 33 classes. As classes presentes na área de estudo foram agrupadas em 14 classes (Figura 2 e Quadro 2). No Quadro 2 indicam-se os parâmetros do coberto vegetal que foram introduzidos no modelo.
5 Quadro 1 Descrição dos parâmetros do solo
Classe de textura Dap
(-) CC (cm3 cm-3) (cmCE 3 cm-3) Porosidade (cm3 cm-3) (cm hKs -1) (-) Arenoso grosseiro 1,45-1,57 0,034-0,098 0,000-0,056 0,407-0,452 20,53-117,4 0,23-0,34 Arenoso fino 1,31-1,50 0,077-0,125 0,037-0,073 0,431-0,504 19,38-22,88 0,26-0,27 Arenoso-franco 1,49-1,61 0,074-0,124 0,029-0,072 0,391-0,437 9,325-26,47 0,20-0,28 Argilo-arenoso 1,52 0,333-0,347 0,227-0,240 0,424-0,425 1,279-2,084 0,10-0,11 Argilo-limoso 1,20-1,36 0,383-0,451 0,251-0,341 0,486-0,544 0,218-0,970 0,08-0,10 Argiloso* 1,11-1,46 0,388-0,507 0,272-0,417 0,449-0,580 0,106-0,606 0,06-0,09 Argiloso** 1,37-1,51 0,353-0,443 0,243-0,321 0,427-0,480 0,352-2,687 0,08-0,10 Argiloso*** 1,17-1,48 0,372-0,445 0,257-0,353 0,438-0,556 0,461-2,371 0,07-0,10 Franco 1,46-1,58 0,220-0,244 0,127-0,146 0,402-0,448 3,224-6,486 0,15-0,16 Franco-arenoso 1,39-1,62 0,115-0,238 0,054-0,145 0,386-0,473 4,199-20,83 0,16-0,25 Franco-argilo-arenoso 1,46-1,62 0,209-0,320 0,131-0,215 0,387-0,447 0,499-3,015 0,11-0,16
Franco argilo limoso 1,33-1,37 0,355-0,373 0,222-0,244 0,479-0,494 1,224-2,283 0,11-0,12
Franco argiloso 1,41-1,51 0,306-0,365 0,194-0,242 0,429-0,465 0,843-3,858 0,10-0,13
* Fracção argilosa constituída dominantemente por minerais do de argila do tipo 2:1, com propriedades vérticas
** Fracção argilosa dominantemente constituída por minerais do tipo caulinite e/ou por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio *** Fracção argilosa de características intermédias entre as referidas em * e **
Figura 2 Mapa do uso e cobertura da terra da área de estudo.
A área de estudo é maioritariamente dominada pelas classes floresta aberta (semi-) decídua (15-65% da cobertura) e floresta densa decídua que ocupam 25,2% e 16,2% da área total. As classes áreas arbustivas (11,9% da área) e pradaria (10% da área) têm também uma representação significativa na área de estudo.
Os campos agrícolas ocupam cerca 9% da área de estudo concentrando-se predominantemente no Distrito de Morrumbala. Na contabilização da área agrícola total incluíram-se as áreas correspondentes à agricultura dentro das classes agricultura itinerante/floresta e floresta com agricultura itinerante.
6 Quadro 2 Descrição dos parâmetros da vegetação usados neste estudo
Classe de uso e cobertura da terra Resistência
da arquitectura (s m-1) Albedo Resistência mínima estomática (s m-1) Índice de área foliar (IAF) Rugosidade característica (m) Plano deslocamento nulo (m) Componente agrícola dos mosaicos de agricultura
itinerante com floresta fechada a aberta 25 0,10-0,20 100 0,1-5,0 0,006-0,215 0,03-1,17
Campos cultivados 25 0,10-0,20 100 0,1-0,50 0,006-0,215 0,03-1,17
Cultivos Arbóreas/Plantações Florestais 60 0,18 200 1,5-5,0 1,230 7,80
Floresta decídua 60 0,18 200 1,5-5,0 1,230 9,36
Floresta sempre verde 60 0,12 250 3,4-4,4 1,476 9,36
Floresta aberta (Semi-) Decídua (15-65% cobertura) 60 0,18 150 1,5-4,1 1,133 7,49
Floresta aberta sempre verde (15-65% cobertura) 60 0,18 200 2,3-3,9 1,133 7,49
Componente florestal dos mosaicos de agricultura
itinerante com floresta fechada a aberta 60 0,18 200 1,5-5,0 1,230 9,36
Matagal (2 a 5 m) 60 0,19 135 2,0-3,5 0,495 3,35
Áreas arbustivas 50 0,19 135 1,5-3,5 0,495 2,01
Pradaria 25 0,20 120 1,5-3,5 0,0738 1,01
Vegetação herbácea regularmente inundada 25 0,19 135 1,5-3,5 0,495 2,01
Arbustos em áreas regularmente inundadas 50 0,19 135 1,5-3,5 0,495 2,01
Floresta aberta em áreas regularmente inundadas
(15-65% de cobertura) 60 0,18 150 2,0-3,7 1,152 7,49
2.4.
Calibração e avaliação do modelo
O processo de aplicação do modelo VIC passa inicialmente pela calibração e validação do modelo. Face às características da área em estudo e aos dados de caudais existentes, a calibração do modelo foi realizada para as bacias hidrográficas do rio Lualua tendo por base as altura de água observadas nas estações E101 – Derre e E480 – EN1 e as respectivas curvas de vazão.
Na estação E101-Derre os registos passíveis de serrem utilizados dizem respeito ao período 2006 a 2007 e ao ano de 2012. Os registos da estação E480-EN1 dizem respeito ao período 2006 a 2009.
Os caudais medidos na estação E291-Caia entre 2006 e 2012 foram também comparados com os caudais simulados. Esta análise foi feita adicionando aos caudais mensais simulados os caudais mensais em Lupata e em Chilomo, que representam as condições de fronteira da área de estudo.
A calibração do modelo foi efectuada iterativamente, procedendo-se à alteração dos valores dos seguintes parâmetros:
b_infilt que representa a forma da curva variável de infiltração;
Ds, é a fracção de Dsmax para a qual se inicia o escoamento de base não linear;
Ws, é a fracção do teor máximo de água da camada inferior do solo, a partir da qual se inicia o escoamento de base não linear; e
Dsmax (mm dia-1), é o fluxo máximo de base que pode ocorrer a partir da camada inferior do solo,
depende sobretudo da condutividade hidráulica do solo.
A avaliação da eficiência do modelo foi feita comparando os resultados da simulação com os valores observados através da estimação do erro médio absoluto (EMA), do coeficiente de regressão (b) e do critério de eficiência de Nash e Sutcliffe (E).
Na Figura 3 comparam-se os hidrogramas observados com os hidrograma simulados e na Figura 4 apresentam-se os gráficos de regressão entre os valores obapresentam-servados e simulados. No Quadro 3 indicam-apresentam-se os valores das estatísticas de ajustamento.
A Figura 3 mostra que o hidrograma simulado tende a reproduzir os picos de cheias observados assim como as vazões mínimas. A eficiência de Nash e Sutcliffe é superior a 0,70 nas estações E480-EN1 e E291, o que significa que o erro médio quadrático do modelo é muito menor que a variância dos valores observados. Apenas na estação
7 E101, o valor obtido para o critério de eficiência de Nash e Sutcliff foi ligeiramente inferior a 0,4, sendo, no entanto, este valor considerado satisfatório na avaliação dos resultados de um modelo hidrológico (WENGER et al., 2010). Quando se compara a média dos valores simulados com a dos valores observados, verifica-se que esta é maior em todas as estações utilizadas na calibração. Contudo a análise gráfica e os valores obtidos para conjunto parâmetros utilizados na avaliação do modelo permite concluir que o modelo reproduz com uma aproximação adequada o regime hidrológico do Baixo Zambeze.
Quadro 3 Parâmetros estatísticos de ajustamento
Estatística de ajustamento E101 E480 E291
Erro médio absoluto, EMAS (m3 s-1) 6,9 14,2 383,6
Coeficiente de regressão, b 1,3 0,97 1,08
Critério de eficiência de Nash e Sutcliffe 0,38 0,72 0,75
Média dos valores observados (m3 s-1) 12,0 31,8 2746
Média dos valores simulados (m3 s-1) 15,9 37,7 2923
8 Figura 4 Regressão entre os caudais observados e simulados no rio Lualua
Figura 5 Regressão entre os caudais observados e simulados no rio Zambeze
As séries de registos disponíveis das estações E101-Derre e E480-Derre não dispunham de valores suficientes para se proceder nesta fase à validação dos parâmetros calibrados. Assim, esta deverá ser feita na continuidade deste trabalho com os registos a obter durante os anos de 2013 e 2014.
2.5.
Cenários de uso e cobertura da terra
Após o processo de calibração, foram definidos os cenários de uso da terra cujas implicações no regime hidrológico se procuram identificar. A agricultura é reconhecida como fundamental para o desenvolvimento sócio-económico da região do Baixo Zambeze, o que se tem reflectido nos vários estudos que tem sido promovidos em torno da agricultura (MUNGUAMBE et al., 2009).
Os dados obtidos junto dos Distritos, nomeadamente nos Planos de Desenvolvimento, mostram que na última década verifica-se uma tendência de crescimento da área agrícola, que passou de cerca de 5%, no início da década, para cerca de 9 a 10% da área total de estudo.
Por outro lado, a análise comparativa do coberto actual com os dados do mapa da cobertura vegetal segundo o Inventário Florestal Nacional (MARZOLI, 2007), evidencia para além do crescimento da área agrícola, um aumento significativo das classes arbustivas (de cerca de 4% para 12% da área total) e matagal (de cerca de 0% para 5% da área total) e uma diminuição da área de floresta densa (de cerca de 27% para 16% da área total). Embora as cartas de coberto possuam uma escala diferente que poderá justificar algumas discrepâncias, pensa-se que as queimadas são a principal explicação para as diferenças significativas entre as cartas actuais de uso e coberto da terra e as cartas elaboradas aquando do Inventário Florestal Nacional em 2004-2005.
9 Com base nesta informação foram definidos três cenários (Quadro 4). Os cenários 01 e 02 reflectem as tendências actuais de alteração do uso e cobertura da terra, isto é um crescimento da área agrícola, das áreas arbustivas e do matagal e uma diminuição da floresta densa decídua e da floresta aberta (semi-) decídua (15-65% da cobertura). O cenário 03 corresponde à ocupação do solo segundo o Inventário Florestal Nacional, onde as classes florestais dominavam em todo o Baixo Zambeze.
Os três cenários de uso e cobertura da terra identificados e o cenário base foram modelados com o mesmo conjunto de dados de entrada deferindo apenas quanto à representatividade de cada uma das classes (Quadro 4).
Quadro 4 – Representatividade das classes de uso e cobertura em % dos cenários
Classes de uso de cobertura da terra Cenário Base Cenário 01 Cenário 02 Cenário 03
Fracção da área agrícola dos mosaicos de agricultura itinerante com floresta
fechada a aberta 2,7% 2,7% 2,7% 4,3%
Campos cultivados 9,0% 12,4% 17,2% 4,2%
Cultivos Arbóreos/Plantações Florestais 0,1% 0,1% 0,1% 0,0%
Floresta densa decídua 16,3% 10,0% 10,0% 27,3%
Floresta densa sempre verde 4,0% 4,0% 4,0% 5,2%
Fracção da área florestal dos mosaicos de agricultura itinerante com floresta
fechada a aberta 5,5% 5,6% 5,6% 4,7%
Pradaria 10,0% 10,2% 10,3% 12,5%
Áreas arbustivas 11,9% 12,9% 14,9% 4,2%
Matagal (2 a 5 m) 5,5% 7,6% 10,5% 0,0%
Floresta aberta (Semi-) Decídua (15-65% cobertura) 25,2% 24,6% 14,8% 25,1%
Floresta aberta sempre verde (15-65% cobertura) 2,4% 2,4% 2,4% 2,7%
Vegetação herbácea regularmente inundada 2,7% 2,8% 2,8% 5,0%
Arbustos em áreas regularmente inundadas 3,4% 3,3% 3,3% 3,7%
Floresta aberta em áreas regularmente inundadas (15-65% de cobertura) 1,3% 1,3% 1,3% 1,1%
Total 100% 100% 100% 100%
3. PRINCIPAIS RESULTADOS
A resposta hidrológica às alterações do uso e cobertura da terra foram avaliadas em quatro secções da área de estudo: a montante das confluências dos rios Zangué e Sangadeze com rio Zambeze (CEL60 e CEL96, respectivamente), no rio Zambeze a jusante da confluência do rio Zangué (CEL59) e na secção final do rio Cuácua (CEL53). A avaliação foi feita em dois passos: 1) modelação do processo hidrológico no Baixo Zambeze para cada um dos cenários de uso e cobertura da terra identificados no Quadro 4; e 2) análise dos impactos mediante a comparação da evapotranspiração (Figura 6) e do escoamento (Figura 7) simulados pelo modelo VIC ao nível de cada uma das células da grelha da área de estudo e dos hidrogramas gerados pelo modelo routing (Quadro 5). Nesta avaliação não se entrou com os caudais em Lupata e em Chilomo, uma vez que a inclusão destas duas condições fronteira iria mascarar quaisquer alterações produzidas no escoamento devidas às alterações do uso da terra no Baixo Zambeze.
Os resultados da modelação hidrológica dos cenários do uso e cobertura da terra mostram que no cenário 01 e 02 há uma diminuição da evapotranspiração e um aumento do escoamento produzido comparativamente com o cenário base. No cenário 01 as alterações do uso e cobertura da terra concentram-se fundamentalmente na margem esquerda do rio Zambeze (Figuras 6 e 7). Junto à foz do rio Cuácua (CEL53), o cenário 01 produz um aumento do caudal máximo de cerca de 12%, passando de 514,2 para 575,4 m3 s-1. (Quadro 5). Verificando-se
também um aumento dos caudais mínimos uma vez que, devido ao menor índice de área foliar das espécies agrícolas na estação seca e das espécies arbustivas e à menor profundidade de solo que é explorada pelas raízes, o escoamento de base produzido é maior.
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Cenário base Cenário 01
Cenário 02 Cenário 03
Figura 6 Evapotranspiração média anual (mm) simulada (2006-2011)
Cenário base Cenário 01
Cenário 02 Cenário 03
11 Quadro 5 – Caudal médio, máximo e mínimo simulados para diferentes cenários de uso e cobertura da terra
Cenários de uso e cobertura da terra Ciclo hidrológico (2006-2011) Caudal médio (m3/s) Caudal máximo (m3/s) Caudal mínimo (m3/s) Precipitação média anual (mm) Evapotranspiração média anual (mm) Escoamento médio anual (mm) Razão de escoamento CEL96 (rio Sangadeze) Cenário base 6,5 32,2 0,0 595 551 68 0,11 Cenário 01 6,6 32,9 0,0 549 70 0,12 Cenário 02 7,2 36,8 0,0 543 76 0,13 Cenário 03 5,7 28,9 0,0 559 60 0,10 CEL60 (rio Zangué) Cenário base 35,7 231,0 0,3 691 593 119 0,17 Cenário 01 37,3 238,4 0,3 587 124 0,18 Cenário 02 39,0 250,0 0,4 581 129 0,19 Cenário 03 33,3 211,7 0,2 603 109 0,16 CEL59 (rio Zambeze) Cenário base 148,7 924,4 1,2 685 585 127 0,19 Cenário 01 155,6 972,6 1,3 579 132 0,19 Cenário 02 161,1 991,6 1,5 574 137 0,20 Cenário 03 136,4 826,5 1,1 598 114 0,17 CEL53 (rio Cuácua) Cenário base 111,7 514,2 2,8 878 699 210 0,24 Cenário 01 121,5 575,4 3,0 678 230 0,26 Cenário 02 123,1 581,1 3,1 676 231 0,26 Cenário 03 92,4 421,7 2,3 738 173 0,20
No cenário 02 para além duma diminuição da área florestal decídua há uma diminuição da floresta aberta (semi-) decídua, que gera um aumento generalizado dos caudais simulados comparativamente com o cenário base e com o cenário 01. No rio Zangué (CEL60) o caudal máximo simulado passa de 231 para 250 m3 s-1. No rio
Zambeze o caudal máximo simulado (não considerando os caudais que entram em Lupata e Chilomo) passa de 924 para 992 m3 s-1. Na margem esquerda do Zambeze o regime hidrológico simulado para o cenário 02 é
semelhante ao do cenário 01 (Figuras 6 e 7).
No cenário 03 a área florestal em toda a área de estudo é significativamente maior do que no cenário base o que se traduziu num aumento significativo da evapotranspiração (Figura 6) e numa diminuição do escoamento (Figura 7) em toda a área de estudo.
4. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
O modelo VIC depois de calibrado permitiu modelar com suficiente exactidão o processo hidrológico para as condições actuais de uso e coberto da terra. O desenvolvimento sócio-económico da região do Baixo Zambeze e em conjunto com a prática das queimadas tem-se traduzido numa mudança do coberto vegetal onde se verifica uma tendência para a diminuição das áreas florestais e um aumento da área agrícola e das áreas arbustivas e mato. A avaliação dos impactos no regime hidrológico decorrentes das mudanças no uso e cobertura da terra foi efectuada através da modelação do ciclo hidrológico com o modelo VIC cuja concepção permite a descrição do coberto vegetal. Todas as simulações foram feitas com o mesmo conjunto de dados de entrada fazendo variar unicamente as fracções de cada classe de coberto vegetal. A situação actual foi comparada com três cenários. Os cenários 01 e 02 traduzem um agravamento da redução da área florestal e um aumento das classes de campos agrícola, áreas arbustivas e mato. O cenário 03 procura representar a ocupação de há 10 anos atrás do Baixo Zambeze, onde a floresta densa decídua era classe predominante.
Os regimes hidrológicos simulados para os cenários 01 e 02 comparativamente com o cenário base caracterizam-se por uma diminuição da evapotranspiração e um aumento do escoamento superficial e de bacaracterizam-se. As mudanças de coberto projectadas exprimem-se numa diminuição do índice de área foliar na estação seca e
12 consequentemente na diminuição da evapotranspiração que associada à menor profundidade de solo explorada pelas raízes resulta na extracção de menos água do solo. A consequência directa disto é o aumento do escoamento de base e dos caudais mínimos.
Nos cenários 01 e 02 observa-se ainda um aumento dos caudais máximos que se deve sobretudo à menor capacidade do reservatório do coberto vegetal. O incremento percentual nos caudais máximos tende a ser inferior do que o obtido para os caudais mínimos.
No cenário 03 observa-se a inversão dos impactos hidrológicos identificados nos cenários 01 e 02. O aumento generalizado da área florestal em toda a área de estudo tem como consequências directas uma diminuição dos caudais máximos e mínimos em resultado da menor produção de escoamento superficial e de base e um aumento da evapotranspiração.
O trabalho da calibração do modelo do VIC no Zambeze prossegue com a validação dos pressupostos de modelação em outras áreas com características biofísicas distintas das encontradas na zona estudada por forma a validarem-se as hipótese de estudo.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem às autoridades provinciais de Tete, Sofala e Zambézia, às autoridades distritais de Mutarara, Chemba, Maringue, Caia, Mopeia e Morrumbala, à Direcção Nacional de Águas (DNA), à ARA-Zambeze, tal como as ONGs e outras organizações trabalhando nestas áreas, que apoiaram o trabalho desenvolvido pela equipa do Projecto e partilharam experiências e conhecimentos.
Os autores agradecem ainda à toda equipa do projecto que participou nos trabalhos de compilação, tratamento e análise dos dados.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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