ANÁLISE HIDROLÓGICA DOS SISTEMAS PRODUTORES DE ÁGUA DA
REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO
Arisvaldo Vieira Méllo Júnior 1* & Gustavo de Almeida Coelho 2& João Rafael Bergamaschi. Tercini 3
Resumo – Nos anos de 2013/2015 a Região Metropolitana de São Paulo tem enfrentado grave crise
de abastecimento hídrico causado pela depleção dos reservatórios dos sistemas produtores de água. A fim de avaliar o efeito das vazões afluentes nos sistemas foi realizada uma análise hidrológica de tendências de estacionariedade temporais das séries históricas e uma análise das vazões médias mensais de dois anos consecutivos, a fim de fornecer indicadores para operação dos reservatórios, medidas de contingências e métodos de gestão da demanda em situações de escassez hídrica. Os sistemas Cantareira e Alto Tietê apresentaram tendência de redução estatisticamente significativa dos volumes afluentes anuais. Os sistemas Guarapiranga e Rio Grande apresentaram comportamento estacionário da série histórica. O sistema Cotia apresentou redução significativa das vazões a partir de 2001 e o sistema Rio Claro houve uma tendência de elevação das vazões a partir de 2000. A análise das vazões mensais bianuais mostrou que o período 2013/2015 foi o mais seco da história no sistema Cantareira com vazões mensais muito abaixo que o primeiro quartil da série. Os sistemas Alto Tietê, Guarapiranga, Cotia e Rio Grande apresentaram médias pouco inferiores às respectivas médias históricas sendo que em muitos meses as vazões ficaram dentro do intervalo interquartil.
Palavras-Chave – Abastecimento de água, série temporal de vazões, crise de abastecimento
ANALYSIS HYDROLOGIC OF THE WATER RESOURCES SYSTEMS IN
THE METROPOLITAN REGION OF SÃO PAULO
Abstract – In the years 2013/2015 the Metropolitan Region of São Paulo has faced severe water supply crisis caused by the depletion of reservoirs of water producing systems. In order to evaluate the effect of inflows was carried out times series hydrological analysis to verify trends stationary of historical data and an analysis of monthly average flow rates of two consecutive years in order to provide indicators for the operation of reservoirs, contingency measures and demand management in situations of water scarcity. The Cantareira and Alto Tietê systems showed statistically significant downward trend of annual volumes tributaries. The Guarapiranga and Rio Grande systems presented stationary behavior of the series. The Cotia system showed significant reduction in discharges since 2001 and the Rio Claro system there was a trend of increase in flows from 2000. The analysis of biennial monthly flows showed that the 2013/2015 period was the driest in history in Cantareira system with monthly flows far below the first quartile of the series. The systems Alto Tietê, Guarapiranga, Cotia and Rio Grande showed little lower averages than historical averages and in many months the flows were within the interquartile range.
Keywords – Water supply, time series analysis, supply crisis
*1 Prof. Dr. Departamento Engenharia Hidráulica e Ambiental, EPUSP, arisvaldo@usp.br.
2 Mestre em Recursos Hídricos pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, coelho_gustavo@yahoo.com. 3 Mestre em Recursos Hídricos pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, joao.tercini@usp.br.
INTRODUÇÃO
A Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) abrange uma área de 7947 km², abriga uma população estimada para 2014 de mais de 20,2 milhões de habitantes, apresenta um grau de urbanização de 98,9% e é a mais importante área produtora de bens industriais, comercial e de serviços do Estado e do país participando com 55,8% do PIB do Estado de São Paulo no ano de 2012 (SEADE, 2015). Embora seja uma região muito desenvolvida, a mesma apresenta uma grande vulnerabilidade em relação à escassez de água. O consumo total de água da bacia excede, em muito, sua própria produção hídrica. A produção nominal de água para abastecimento público atualmente é de 63,1 m³/s, dos quais 31 m³/s são importados da Bacia do rio Piracicaba, 2 m³/s de outras reversões menores dos rios Capivari e Guaratuba. A Bacia consome ainda 2,6 m3/s para irrigação e a demanda industrial é parcialmente atendida pela rede pública (15% do total distribuído) e parte por abastecimento próprio através de captações e extração de água subterrânea (COMITÊ ALTO TIETÊ, 2009).
A RMSP é atendida por seis sistemas produtores de água, o Cantareira, o Alto Tietê, o Guarapiranga, o Cotia (Alto Cotia e Baixo Cotia), o Rio Grande e o Rio Claro. No ano hidrológico de 2013-2014 o abastecimento de água da RMSP entrou em colapso, as vazões foram sendo reduzidas até que os sistemas produtores de água se esgotassem. Os Sistemas Cantareira e Alto Tietê, os principais, foram esvaziados e parte do volume morto do Cantareira foi utilizado, conforme mostra a Figura 1. A hidrologia desfavorável aliada ao descontrole de consumo e a falta regras operacionais eficazes expuseram a população ao risco de desabastecimento.
Este artigo tem o objetivo de fazer uma análise hidrológica dos mananciais superficiais dos sistemas produtores de água que suprem a RMSP, avaliando tendências de estacionariedades temporais das séries históricas e uma análise das vazões médias mensais de dois anos consecutivos, a fim de fornecer indicadores para operação dos reservatórios, medidas de contingências e métodos de gestão da demanda em situações de escassez hídrica.
Figura 1 – Volumes operacionais (%) dos reservatórios equivalentes dos sistemas produtores de água da RMSP, no período de novembro de 2012 a dezembro de 2014.
METODOLOGIA Levantamento de Dados
As características dos sistemas produtores que abastecem a RMSP estão detalhadas na Tabela 1. As séries históricas de vazões cobriu o período de janeiro de 1930 a fevereiro de 2015 (COMITÊ ALTO TIETÊ, 2009 e SABESP, 2015).
Tabela 1 – Volumes úteis, capacidade de produção, % da vazão total e população abastecida pelos sistemas produtores de água da RMSP.
Sistema Volume útil (106 m³) Vazão (m³/s) % Vazão total População1 (106 hab.)
Cantareira 985,5 33,0 48,82 9,95 Alto Tietê 525,0 10,0 14,79 2,98 Guarapiranga 182,2 14,0 20,71 4,42 R. Grande 123,4 4,2 6,21 1,22 R. Claro 13,9 4,0 5,92 1,11 Alto Cotia 15,4 1,3 1,92 0,54 Baixo Cotia - 1,1 1,63 0,37 Total 1845,4 67,6 100 20,21
1 – Projeção com taxa de crescimento média de 1,105 a partir de 2000 para 2014. Fonte: Adaptado de SABESP (2004)
Análise da estacionariedade das séries de vazões
O termo “estacionariedade” em séries de dados hidrológicos refere-se ao fato que, excluídas as flutuações aleatórias provenientes da sua variabilidade natural, as observações amostrais são invariantes com relação à cronologia de suas ocorrências (Naghettini e Pinto, 2007). A não estacionariedade pode estar relacionada a tendências graduais, a alterações bruscas e a ciclos caracterizados por flutuações climáticas. A detecção de mudanças em séries estacionárias pode ser realizada por meio de diferentes testes estatísticos que devem ser selecionados com critério e cautela de acordo com o tipo de mudança que se busca identificar. Devido à natureza incerta das possíveis mudanças nas séries de vazões dos sistemas produtores de água analisados, foram aplicados os testes não paramétricos de Mann-Kendall (Mann, 1947; Kendall, 1975) para a detecção de tendências graduais, frequentemente utilizados para este fim (Yue, Pilon e Cavadias, 2002), e de
Mann-Whitney (1947) para a detecção de pontos de mudança.
A análise de tendências graduais é realizada a partir do teste de correlação de Kendall (1975), que se constitui numa aplicação particular do teste de Mann-Kendall, onde é calculado o valor do “tau” de Kendall (τ) associado à probabilidade estimada de rejeição de Ho de acordo com um nível de significância (α). Nesta aplicação, a hipótese nula (Ho) aceita que as vazões totais anuais (xi) são uma amostra de “n” variáveis aleatórias independente e identicamente distribuídas (-0,05 ≤ τ ≤ 0,05). Na hipótese alternativa (H1), aceita-se que as distribuições de xi e xk não são idênticas para todo “k”, ou seja, que existe uma tendência crescente (τ > 0,05) ou decrescente (τ < -0,05) na distribuição de xi e xk. O teste de Mann-Whitney (Mann e Whitney, 1947) é um teste não paramétrico para a identificação de diferenças na média ou na mediana entre duas amostras. Sob a hipótese nula (Ho), o teste indica que as médias de ambas as amostras são equivalentes. Na hipótese alternativa (H1), confirma-se que as duas amostras não possuem médias equivalentes (Yue e Wang, 2002). As análises estatísticas foram realizadas com o auxílio do software “R” (R Development Core Team, 2011). O teste não paramétrico de Mann-Kendall foi aplicado por meio do pacote “Kendall” (McLeod, 2011) e o teste não paramétrico de Mann-Whitney com o auxílio do pacote “cpm” (Ross, 2013), ambos disponíveis no software “R”.
Análise de vazões médias mensais
Para avaliar o impacto das vazões nos sistemas no curto prazo, utilizou-se a análise interquartil de dois anos consecutivos, iniciando em março e terminando em fevereiro, além das vazões de dois períodos secos consecutivos. A análise é composta por três informações: a) o diagrama de caixas com 50% dos dados de vazão natural média mensal, representado pela área cinza no gráfico, ou seja, a parte inferior indica o primeiro quartil e a parte superior o terceiro quartil; b) a série de vazões naturais médias mensais no período de março de 2013 a fevereiro de 2015; e c) a série histórica de menor vazão de dois períodos secos até 2013.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 2 apresenta a série histórica em volumes totais anuais afluentes aos sistemas produtores de água. A análise da série de vazões afluentes ao Sistema Cantareira mostra claramente a queda sofrida nos últimos três anos, onde o ano hidrológico mais crítico da série registrada foi em 2014. A análise da estacionariedade da série identificou tendências negativas nos períodos de 1931-2007, 1931-2008 e 1931-2014, com nível de significância de 10%, devido às quedas nas vazões nos últimos anos destes períodos. Entretanto, nos períodos restantes, as análises confirmaram a estacionariedade da série de vazões evidenciando a dificuldade em prever períodos críticos de estiagem.
A análise do Sistema Alto Tietê identificou um ponto de mudança no ano de 1952, onde ocorreu uma queda na média da série. Ao observar o gráfico da série, nota-se que a linha das médias móveis apresenta um padrão diferente após 1952. Ao aplicar o teste de Mann-Kendall nos períodos de 1931-2014 e 1931-2004, identificou-se a existência de tendência negativa em ambas as séries, provavelmente, devido à presença deste ponto de mudança. Ao excluir o período de 1931-1951 da série, constatou-se que a série mantém o seu comportamento estacionário.
A análise dos Sistemas Guarapiranga e Rio Grande mostrou que a série possui um comportamento estacionário, sem a presença de pontos de mudança ou tendências significativas. No Sistema Rio Claro identificou-se um ponto de mudança no ano hidrológico de 1993 onde a partir deste ano até o ano hidrológico de 2014, a série apresenta tendência negativa com nível de significância de 10% nos períodos de 1931-1993 e 1931-1996, de 5% até 2000 e de 1% após 2000. O estudo mostra que houve um período de intensificação da tendência negativa entre 1993 e 2000 e uma estabilização da tendência após 2000 devido à ocorrência de anos com vazões maiores durante este período.
A análise do Sistema Cotia identificou um ponto de mudança no ano hidrológico de 2001 onde a partir deste ano até o ano hidrológico de 2014, a série apresenta tendência negativa com nível de significância de 10% nos períodos 1931-2001 e 1931-2002 e de 5% de 2002 em diante. Deve-se notar que no período de 1931-2008 e 1931-2009 a tendência negativa é identificada com nível de significância de 1%. Esta análise mostra que a partir de 2001 há uma queda significativa da média da série e a existência de um novo regime de vazões.
A Figura 3 apresenta os intervalos interquartis, e as duas séries mensais de menores valores de dois anos consecutivos. O Sistema Cantareira apresenta vazão média da séria histórica (1930 a 2015) de 44,2 m³/s. Este sistema teve a pior série de afluências naturais já registradas no período analisado de março de 2013 a fevereiro de 2015 com média de 20,8 m³/s, com o último ano (de março de 2014 a fevereiro de 2015) ainda mais seco com média de 14,8 m³/s.
O Sistema Alto Tietê não sofreu tanto impacto nesses dois últimos anos sendo que a média para o período de março de 2013 a fevereiro de 2015 é de 17 m³/s comparada com a média histórica
de 19,9 m³/s. As piores secas que incidiram nesse sistema foram a dos anos de 1963/1965 e 2001/2003, com médias de 12,9 e 13,6 m³/s, respectivamente. O Sistema Guarapiranga também não sofreu tanto impacto nesses dois últimos anos sendo que a média para o período de março de 2013 a fevereiro de 2015 é de 11,2 m³/s comparada com a média histórica de 12,5 m³/s. As piores secas que incidiram nesse sistema foram a dos anos de 1963/1965 e 1954/1956, com médias de 7,3 e 7,7 m³/s, respectivamente.
O Sistema Cotia também não sofreu tanto impacto nesses dois últimos anos sendo que a média para o período de março de 2013 a fevereiro de 2015 é de 2,4 m³/s comparada com a média histórica de 2,9 m³/s. As piores secas que incidiram nesse sistemas foram a dos anos de 1963/1965 e 2000/2002, com médias de 1,8 e 1,9 m³/s, respectivamente. O Sistema Rio Grande também não sofreu tanto impacto nesses dois últimos anos sendo que a média para o período de março de 2013 a fevereiro de 2015 é de 6,1 m³/s comparada com a média histórica de 6,8 m³/s. As piores secas que incidiram nesse sistema foram a dos anos de 1963/1965 e 1954/1956, com médias de 4,7 e 4,8 m³/s, respectivamente.
O Sistema Rio Claro também não sofreu tanto impacto nesses dois últimos anos sendo que a média para o período de março de 2013 a fevereiro de 2015 é de 5,5 m³/s é igual a média histórica, as piores secas que incidiram nesse sistema foram a dos anos de 2000/2002, 2001/2003 e 1954/1956, com médias de 3,8; 3,9 e 3,9 m³/s, respectivamente.
As vazões afluentes ao sistema Cantareira no período de 2013/2014 determinaram a rápida depleção do reservatório. Como este sistema representa 48,8% do abastecimento da RMSP os outros sistemas foram exigidos para suprir o déficit. Isso provocou dificuldades na distribuição de grande parte da população dado que os sistemas também apresentaram médias bianuais mais baixas que o normal. A análise hidrológica mostrou que a infraestrutura de armazenamento de água para abastecimento da RMSP apresenta uma capacidade limitada para enfrentar períodos críticos prolongados de baixas vazões. Dois anos consecutivos são suficientes para desestabilizar o abastecimento. Neste caso é preciso definir regras operacionais específicas para os reservatórios que compõem os sistemas produtores de água. Com a demanda crescente torna-se prioritário aumentar a garantia no fornecimento de água aumentando a disponibilidade hídrica por meio de transferência de água de outras bacias uma vez que os mananciais da região estão esgotados.
CONCLUSÕES
A análise da estacionariedade das vazões anuais mostrou tendência de redução nos sistemas Cantareira e Alto Tietê devido às baixas vazões ocorridas nos últimos três anos no Cantareira e devido ao ponto de mudança no ano de 1952 respectivamente. Os sistemas Guarapiranga e Rio Grande apresentaram comportamento estacionário da série, sem a presença de pontos de mudança ou tendências significativas. No sistema Rio Claro houve ponto de mudança no ano hidrológico de 1993 e a partir deste ano até o ano 2000 e depois a tendência volta a se elevar. No sistema Cotia houve uma queda significativa da média da série de vazões a partir de 2001.
A análise das vazões mensais bianuais mostrou que o período 2013/2015 foi o mais seco da história no sistema Cantareira com vazões mensais muito abaixo que o primeiro quartil da série. Os sistemas Alto Tietê, Guarapiranga, Cotia e Rio Grande apresentaram médias pouco inferiores às respectivas médias históricas sendo que em muitos meses as vazões ficaram dentro do intervalo interquartil.
A análise hidrológica mostrou que a infraestrutura de armazenamento de água para abastecimento da RMSP apresenta uma capacidade limitada para enfrentar períodos críticos prolongados de baixas vazões. Dois anos consecutivos são suficientes para desestabilizar o abastecimento e causar um grande prejuízo à população.
Figura 2. Volumes totais anuais da série histórica afluentes aos sistemas produtores da RMSP, no período de 1931 a 2014.
REFERÊNCIAS
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