ANÁLISE DO IMPACTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS NAS CHUVAS INTENSAS DA CIDADE DE FORTALEZA, CEARÁ

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

ANÁLISE DO IMPACTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS NAS CHUVAS

INTENSAS DA CIDADE DE FORTALEZA, CEARÁ

Marcos Abílio Medeiros de Sabóia; Cleiton da Silva Silveira; Luiz Martins de Araújo Júnior & Francisco de Assis de Souza Filho

RESUMO

O Artigo apresenta uma nova equação IDF para Fortaleza obtida a partir de 30 anos (1970 – 1999) da série histórica gerada pelo modelo de circulação global (GCM) CESM1 CAM 5. Os dados foram ajustados a uma distribuição de probabilidade Gumbel. Foram avaliadas séries anuais de eventos de intensidades médias máximas de chuvas para durações de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 60 e 120 minutos e os parâmetros da equação de chuva foram encontrados utilizando-se o método dos mínimos quadrados. Os resultados obtidos foram comparados a outras equações de chuva propostas para cidade de Fortaleza para verificar a acurácia dos dados do modelo. Em seguida, utilizou-se os dados obtidos pelo modelo GCM para o período de 2070 a 2099 com o intuito de analisar o impacto das mudanças climáticas nos períodos de retorno de chuvas máximas.

Palavras-chave: Equação IDF, mudanças climáticas, modelo GCM.

ABSTRACT

The article presents a new IDF equation for Fortaleza obtained from 30 years (1970-1999) of the series generated by the global circulation model (GCM) CESM1 CAM 5. The data were adjusted to a distribution Gumbel probability. Were evaluated annual series of events maximum mean intensities of rainfall for durations 5, 10, 15, 20, 25, 30, 60 and 120 minutes and rainfall equation parameters were found using the least squares method. The results were compared to other rain equations for Fortaleza to verify the accuracy of the model data. Then, the data obtained by the GCM model was used for the period from 2070 to 2099 in order to analyze the impact of climate change on return periods of maximum rainfall.

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INTRODUÇÃO

Na hidrologia é sabido que uma das relações mais utilizadas para a determinação das chuvas máximas em um ponto da bacia hidrográfica é a chamada equação de intensidade-duração-frequência (IDF). Tal equação relaciona a intensidade máxima da chuva (mm/h), a sua duração no tempo (minutos) e o seu tempo de retorno (anos). Nas bacias urbanas, em geral, adotam-se as premissas de bacias pequenas e médias, sendo assim a equação IDF é de extrema utilidade para o conhecimento da chuva de projeto.

Atualmente, em Fortaleza, a Secretaria de Infraestrutura Municipal ainda utiliza a equação IDF desenvolvida em 1978 no Plano Diretor de Drenagem Urbana de Fortaleza (CEARÁ, 1978 apud Silva et. al) nos projetos de Drenagem Urbana.

Este estudo tem por objetivo propor uma nova equação IDF para a cidade de Fortaleza, capital do estado do Ceará, utilizando o CESM1 CAM 5 que é um tipo de modelo de circulação global (GCM). Além disso, será realizada uma comparação entre essa equação e algumas já existentes para a cidade, discutindo as variações encontradas.

Os modelos de circulação global (GCMs) incorporam expectativas de mudança na precipitação a partir de alterações no clima. Esses modelos são capazes de modelar numericamente os processos físicos da atmosfera, oceano, criosfera e superfície terrestre. Pode-se afirmar que são importantes ferramentas disponíveis para simular a resposta do sistema climático global ao aumento das concentrações dos gases responsáveis pelo efeito estufa.

As curvas (equações) IDF são obtidas através de registros de chuvas intensas em um dado período de tempo relevante dos eventos máximos da localidade em estudo. As três grandezas (intensidade, duração e frequência) referentes às precipitações máximas da região são de essencial importância para o dimensionamento de projetos hidráulicos. (Tucci, 1993)

Essas equações podem ser expressas por formulações genéricas da seguinte forma:

. (1)

Onde i = intensidade média da chuva (mm/h) em uma dada duração t (minutos) relativo a um período de retorno T (anos); B, d, c e b são parâmetros que devem ser determinados para cada região a ser estudada.

Essas equações são provenientes do ajuste de uma função de probabilidade de chuvas máximas. Normalmente, o ajuste é feito com base nos valores referentes às máximas chuvas anuais baseados em diferentes durações de precipitação. (Schardong et al.,2014b)

Sabendo que os eventos extremos de precipitação sofrerão alteração no futuro, as curvas IDF sofrerão fortes impactos e precisarão ser atualizadas de acordo com os cenários projetados para o futuro. (Schardong et al.,2014b)

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3 Diante do exposto, após a obtenção da nova curva IDF para a cidade de Fortaleza (baseada nos dados do modelo GCM) e verificada a sua acurácia, será realizada uma análise da mudança do período de retorno das chuvas máximas diárias anuais, baseada nas projeções futuras do modelo.

Utilizou-se duas projeções futuras do modelo para comparação, que são: RCP 4,5 e RCP 8,5. Os RCP (Representative concentration pathways) representam uma espécie de cenário de emissão de poluentes projetados para o futuro. O número associado ao RCP representa o fluxo de calor ao final de 2100 medido em Watts/m2, o que representa um nível de emissão de CO2 na atmosfera de

650 p.p.m (partes por milhão), no caso do RCP 4,5 e de 1370 p.p.m no caso do RCP 8,5. (Vuuren et al., 2011)

Pode-se dizer que o cenário RCP 4.5 configura-se como o mais desejado, seria um cenário hipotético onde a maioria das nações conseguiriam controlar os seus níveis de emissões. Dessa forma, o nível de CO2 na atmosfera terrestre estaria estável ao final do século XXI. Contudo, o

cenário RCP 8,5 é o que possui a maior probabilidade de ocorrência. (Schardong et al.,2014a)

METODOLOGIA E DADOS

Inicialmente, foram extraídos os valores máximos diários do GCM referente ao período de 1970 a 1999. Realizou-se um ajustamento à distribuição de Gumbel para determinar as alturas de chuvas dos seguintes períodos de retorno: 5, 10, 15, 20, 25, 50 e 100 anos.

Em seguida, esses valores foram desagregados através do método das relações de durações descrito por Bertoni & Tucci (1993). Essa desagregação resultou em precipitações de durações de 2 horas, 1 hora, 30 minutos, 25 minutos, 20 minutos, 15 minutos, 10 minutos e 5 minutos.

A tabela 1 demonstra as intensidades médias de chuvas máximas referentes a cada período de retorno e duração.

Tabela 1 - Intensidades máximas médias de chuva para diferentes períodos de retorno e durações Duração

(min)

Intensidade Máxima Provável (mm/hora) Período de Retorno (anos)

5 10 15 20 25 50 100 5 123,19 157,00 176,08 189,44 199,72 231,42 262,88 10 97,83 124,68 139,83 150,43 158,60 183,77 208,76 15 84,54 107,75 120,84 130,00 137,07 158,82 180,41 20 73,37 93,51 104,87 112,83 118,95 137,83 156,57 25 65,94 21,67 94,25 26,14 106,91 31,94 140,72 30 60,39 76,96 86,31 92,86 97,90 113,44 128,86 60 40,80 52,00 58,32 62,74 66,15 76,65 87,07 120 25,26 32,19 36,10 38,84 40,95 47,45 53,90

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RESULTADOS

Para calcular a equação IDF é necessário a obtenção dos parâmetros genéricos da expressão geral, que são as variáveis B, d, c e b.

O valor da variável c foi estimado numericamente, de modo a linearizar o gráfico bilogarítmico relativo a log (i) x log (t+c), onde i representa o valor da intensidade máxima de chuva referente a um período de retorno de 5 anos e t representa a duração da chuva.

Após a realização da otimização numérica, o valor encontrado para c foi de 5,13. Os parâmetros B, b e d foram calculados através da aplicação do método dos mínimos quadrados, o qual gerou os seguintes resultados:

Tabela 2 – Parâmetros da equação IDF Variável Valor encontrado

B 372,75

b 0,6268

d 0,2473

A equação 2 (representada pela figura 1) expressa a equação de chuvas intensas para a cidade de Fortaleza baseada nos dados históricos gerados pelo modelo CESM1 CAM5 no período de 1970 a 1999 (30 anos).

372,75 . ,

5,13 , (2)

Onde i exprime a intensidade média da chuva (mm/h) em uma dada duração t (minutos) relativo a um período de retorno T (anos).

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Figura 1 - Gráfico correspondente à curva IDF da cidade de Fortaleza utilizando os dados do modelo

Com o objetivo de avaliarmos a qualidade dos dados obtidos pelo modelo, foram comparados seus resultados com outras equações IDF utilizadas para a localidade de Fortaleza, são elas: a equação utilizada pela autarquia metropolitana de Fortaleza (AUMEF); a desenvolvida por Matos Neto & Fraga e a equação formulada por Silva et al (2013).

Tabela 3 – Equações de chuva existentes para a cidade de Fortaleza (Adaptado de Silva et al., 2013)

AUMEF (1978) 528,076.

, 6 ,

Matos Neto & Fraga (1983) 506,99.

, 8 , Silva et al. (2013) 2345,29. , 28,31 ,! 0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 120 140 In te n si d a d e ( m m /h ) Duração (min) 5 ANOS 10 ANOS 15 ANOS 20 ANOS 25 ANOS 50 ANOS 100 ANOS

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Figura 2 - Curvas IDF das 3 equações de Fortaleza e a gerada pelo modelo GCM referente ao período de retorno de 25 anos.

Figura 3 - Curvas IDF das 3 equações de Fortaleza e a gerada pelo modelo GCM referente ao período de retorno de 50 anos. 0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100 120 140 In te n si d a d e ( m m /h ) Duração (min) CESM1 CAM5 AUMEF Matos Neto & Fraga Silva et. Al 0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100 120 140 In te n si d a d e ( m m /h ) Duração (min) CESM1 CAM5 AUMEF Matos Neto & Fraga Silva et. Al

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7 Através dos gráficos das figuras 2 e 3, é possível observar a precisão dos dados obtidos pelo modelo, apresentado valores muito próximos das outras curvas IDF existentes para a cidade de Fortaleza.

Sabendo disso, utilizamos os dados gerados pelo modelo para os períodos de 1970 a 1999 e de 2070 a 2099 (RCP 4,5 e 8,5) para compararmos os valores das chuvas máximas diárias anuais e a respectiva mudança nos seus períodos de retorno.

Figura 4 – Chuvas máximas diárias anuais versus respectivos períodos de retorno, baseados em cada cenário gerado pelo modelo

Pode-se perceber que o cenário esperado no futuro (RCP 4,5) possui valores superiores à série histórica de 1970 a 1999, apresentando mudanças significativas com relação aos períodos de retorno das chuvas máximas. Além disso, o cenário mais provável (RCP 8,5) apresenta mudanças drásticas nos valores máximos diários anuais, mesmo para baixos períodos de retorno.

CONCLUSÕES

As precipitações máximas diárias anuais podem ser utilizadas para obtermos vazões máximas de projeto. Essas vazões de pico são extremamente úteis na previsão de enchentes e no projeto de

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 20 40 60 80 100 120 C h u v a (m m )

Período de retorno (anos)

1970 a 1999

2070 a 2099 (RCP 4,5) 2070 a 2099 (RCP 8,5)

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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8 obras hidráulicas, tais como: condutos de drenagem urbana (macrodrenagem e microdrenagem), perímetros de irrigação, diques, entre outros.

Ademais, os períodos de retorno das chuvas extremas são de fundamental importância no dimensionamento dos projetos citados. Pois, existe uma relação inversa entre o período de retorno e a probabilidade de um determinado evento hidrológico ser igualado ou superado.

Diante do exposto, pode-se concluir que é necessário propor uma nova metodologia robusta de dimensionamento para projetos hidráulicos para a cidade de Fortaleza, visto que existem muitos cenários possíveis e distintos de mudança climática que podem afetar fortemente o regime de chuvas intensas da cidade de Fortaleza.

Dessa forma, essa nova metodologia deveria minimizar os custos de “arrependimento”, que seriam os gastos necessários para uma adequar um projeto baseado num cenário i (previsto em projeto) a um novo cenário j (que seria o real).

REFERÊNCIAS

CARDOSO, C. O.; ULLMANN, M. N.; BERTOL, I. (1998). Revista Brasileira de Ciência do Solo, vol.22, no.1, pp. 131-140.

SCHARDONG, A.; SRIVASTAV, R.K.; SIMONOVIC, S.P. (2014). Atualização da equação intensidade-duração-frequência para a cidade de são paulo sob efeito de mudanças climáticas. RBRH – Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Volume 19, n.4, pp. 176-185.

SCHARDONG, A.; SRIVASTAV, R.K.; SIMONOVIC, S.P. (2014). Equidistance Quantile Matching Method for Updating IDF Curves under Climate Change. Water Resour Manage 28, pp. 2539–2562.

SILVA, F.O.E.; JÚNIOR, F.F.R.P.; CAMPOS, J.N.B. (2013). Equação de chuvas para Fortaleza-CE com dados do pluviógrafo da UFC. Revista DAE, edição 192, pp. 48-59.

TUCCI, C.E.M. (1993). Hidrologia, ciência e aplicação. Porto Alegre, UFRGS. EDUSP/ABRH, 943p.

VUUREN, D. P.; EDMONDS, J.; KAINUMA, M.; RIAHI, K.; THOMSON, A.; HIBBARD, K.; ROSE, S. K. (2011) The representative concentration pathways: an overview. Climatic Change, v. 109, n. 1-2, pp. 5–31.