Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Engenharia Hídrica do Instituto de Recursos Hídricos – IRN

Área de Proteção Ambiental Fernão Dias – APAFD Comitê da Bacia Hidrográfica do Rio Sapucaí - CBHS

Metodologia de Análise da Economia Hídrica em Bacias Degradadas: Estudo de Caso da Bacia

do Rio Jaguari/MG-SP

Jacqueline de S. Botan

Arthur B. Ottoni

RIO+20

Junho/2012

CURRÍCULUM RESUMIDO ARTHUR BENEDICTO OTTONI

(http://lattes.cnpq.br/6008427332874279)

1) Engenheiro Civil com especialização em Obras Hidráulicas e Sanitárias pela Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro - EE/UFRJ(1984)

2) Engenheiro Sanitarista pela Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual do Rio de Janeiro - FE/UERJ(1992);

3)Mestrado em Saúde Pública e Meio Ambiente pela Escola Nacional de Saúde Pública- ENSP/FIOCRUZ(1994);

4)Doutorado em Recursos Hídricos e Meio Ambiente pela Coordenação dos Programas de Pós Graduação em Engenharia - COPPE/UFRJ(2002);

5)Professor Associado Nível I do Instituto de Recursos Naturais(IRN) da Universidade Federal de Itajubá- UNIFEI, onde leciona no Curso de Graduação em Engenharia Hídrica, as Disciplinas de Hidrologia, Obras Civis Hidráulicas, Sistema Hídrico Industrial, Hidráulica Fluvial, Portos e Vias Navegáveis;

6)Membro do Colegiado do Comitê da Bacia do Rio Sapucaí-CBHS e da APA Fernão Dias ; 7) Professor do Módulo ”Planejamento de Sistemas de Saneamento e de Recursos Hídricos” e

de “Sistema Hídrico Industrial” do Curso de Especialização em Meio Ambiente e Recursos Hídricos-CEMARH do (IRN/UNIFEI);

8) Professor do Curso de Especialização em Sistemas Elétricos -CESE da ELETROBRAS/UNIFEI; 9) Professor dos Módulos 3(Hidrologia Aplicada para Geração)e 4 (Estruturas Civis

Hidráulicas)do Curso de Especialização em Pequenas Centrais Hidrelétricas do Centro de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas –CERPCH

2

Sumário 1. Introdução

1.1 Justificativa

1.2 Relevância do Tema

1.3 Objetivo

2. Revisão Bibliográfica 2.1 Ciclo Hidrológico

2.2 Bacia Hidrográfica

2.3 Regime Pluviométrico

2.4 Regime Fluviométrico

2.5 Tendências na Evolução Ocupacional das Bacias

2.6 Disponibilidades Hídricas em Bacias Hidrográficas: Indicadores de Recursos Hídricos (IRHs)

3. Estudo de Caso: Bacia do Rio Jaguari/MG-SP 3.1 Introdução

3.2 Metodologia

3.3 Resultados

3.4 Reflexões: Balanço Hídrico da Bacia do rio Piracicaba na Desembocadura do rio Jaguari

4. Conclusões e Bibliografia 4.1 Conclusões

4.2 Referências Bibliográficas

- Evolução dos processos antrópicos sobre a B.H. em ∆t = ∆t total (∆t1 + ∆t2):

t0 (passado) – Bacia Natural e Florestada

t1 – Bacia Rural

t2 (atual) – Bacia Rural-Urbana

∆t1 (Retirada da vegetação: culturas anuais, monocultura, pasto)

∆t2 (Intensificação do uso e ocupação do solo com surgimento de cidades e indústrias - urbanização)

- Recursos Hídricos: características multiobjetivas para os “processos antrópicos” (água útil: irrigação, abastecimento público e industrial, navegação fluvial, energia)

- Em ∆t = ∆total (t atual)→ disponibilidade hídrica da bacia (água útil) são alteradas

- Mesetas Homeostáticas (cenário de ocupação): D

isp

on

ibili

dad

es H

ídri

cas

B.H. Natural Florestada

B.H. Rural

B.H. Rural Urbana

t0 (t0 passado) t0 (t passado) t1 t2 (tempo atual)

∆t1 ∆t2

∆t total

- Conclusões: em ∆t = ∆t total, ocorre alterações nas condições ambientais da bacia que afetam o balanço hídrico relacionado aos parâmetros do ciclo hidrológico: infiltração (I) e escoamento superficial (ES). Ou seja, para ∆t = ∆t total, I<<ES, tornando os usos da água incertos.

- O trabalho visou avaliar a evolução das disponibilidades hídricas em bacias degradadas (rio Jaguari/MG-SP - seção: Bragança Paulista/SP) a partir da análise de indicadores de economia hídrica simultaneamente à sua urbanização ao longo do tempo.

1.2 - Relevância do Tema

Desenvolver metodologia para identificar Indicadores de Recursos Hídricos (IRHs) em bacias degradadas, com vista a avaliar as incertezas futuras das disponibilidades hídricas da bacia.

1.3 - Objetivos • Objetivo Geral: desenvolver metodologia para identificar Indicadores de Recursos

Hídricos (IRHs) em bacias degradadas, com vista a avaliar as incertezas futuras das suas disponibilidades hídricas (Indicadores de Degradação Hidrológica – IDHs; Indicadores de Economia Hídrica – IEHs).

• Objetivos Específicos: na bacia de referência (“Estudo de Caso”) (bacia do

rio Jaguari em Bragança Paulista/SP): – Comparar a evolução temporal do uso do solo da bacia e das suas

disponibilidades hídricas; – Identificar os IRHs e avaliar os mesmos no tempo; – Comparar a evolução temporal dos IRHs e do uso do solo da bacia.

2 - Revisão Bibliográfica 2.1 - Ciclo hidrológico

– Percurso da água em seus diversos estados físicos nos ambientes atmosférico (clima), superficial (cursos d’água) e subterrâneo (lençóis aquíferos) da bacia hidrográfica, configurando um circuito fechado.

FIGURA 2.1: Diagrama do ciclo hidrológico.

- Alterações do ciclo hidrológico da bacia no tempo (∆t total):

• - DPL (regime de chuva)

• - Condições da bacia

• (regime hidrosedimentológico)

ES/I: ES↑ I↓ donde:

- Físicas (geologia, relevo, solo, rede de drenagem, área, forma da bacia)

Praticamente constante

- Bióticas (cobertura vegetal)

Redução

- Antrópicas (uso e ocupação do solo)

Aumento

- Regime Hidrológico (Enchente ↑; Estiagens ↑) - Regime Sedimentológico (Erosão do solo ↑; transporte de sedimentos do curso d’água ↑)

2.2 – Bacia Hidrográfica

• Conceituação hidrológica clássica:

• A bacia hidrográfica de um rio em uma dada seção “é a área

continental limitada em cujo interior a água precipitada se dirige para a seção considerada”;

• A bacia hidrográfica é drenada por um rio principal e seus

afluentes. Os rios que drenam a bacia são abastecidos pelo escoamento superficial das encostas e fundo de vale nos períodos chuvosos (TC) do ano hidrológico e pelo escoamento subterrâneo dos lençóis aquíferos nos períodos chuvosos (TC) e de estiagem (TE) do ano hidrológico;

• A bacia é caracterizada pela linha de cumiada que a separa das bacias vizinhas. Os escoamentos superficial e subterrâneo de uma bacia são drenados através da sua rede de drenagem (rios principais + tributários)

FIGURA 2.2: Representação da Bacia Hidrográfica.

FIGURA 2.3: Bacia Hidrográfica e Hidro-Geológica.

2.3 - Regime Pluviométrico

– A precipitação pluviométrica (regime pluviométrico) é aleatório na bacia, sendo função:

• DPL = f ( relevo – altitude; localidade - latitude/longitude; teor de umidade – áreas litorâneas e florestas; fenômenos meteorológicos globais – El Niño/La Niña)

• DPL médio = f1 (relevo; localidade; teor de umidade)

• DPL extremos (máximo; mínimo) = f2 (f1 + El Niño/La Niña)

– A disponibilidade hídrica da bacia (água útil; DFL; ) é função do seu regime de chuva (DPL)

• Cotagrama/hidrograma

FIGURA 2.4: Representação dos cotagrama e hidrograma.

• Curva de Permanência de Vazão

FIGURA 2.5: Representação de curva de frequência.

2.4 - Regime Fluviométrico

O regime de vazões liquidas é observado no posto fluviométrico através de medições de pares de vazões líquidas e níveis d’água (12/ano). É representado pelas curvas características do regime hidrológicos.

– Separação dos escoamentos superficiais e subterrâneos a partir do hidrograma anual:

FIGURA 2.6: Representação dos cotagrama e hidrograma.

2.5 - Tendências na Evolução Ocupacional das Bacias

– O processo evolutivo do uso e ocupação do solo de uma bacia segue uma tendência:

FIGURA 2.7: Mesetas Homeostáticas Representativas das mudanças da ocupação do solo em uma Bacia

Hidrográfica.

- Em cada estágio ∆t, ocorrem pressões pelo uso da água e do solo, assim como

o lançamento dos esgotos se intensificam.

2.6 - Disponibilidades Hídricas em Bacias Hidrográficas: Indicadores de Recursos Hídricos (IRHs)

– As alterações do equilíbrio ambiental da bacia em ∆t = (t0 → t1) + (t1 → t2) + (t2 → t3) = ∆total modificam para cada estágio (homeostasia) as suas disponibilidades hídricas (água útil para os empreendimentos), devido as alterações no balanço hídrico entre os escoamentos superficial (ES) e a infiltração (I), com ES>I para cada estágio.

FIGURA 2.8: Tendências da Evolução Ocupacional de uma Bacia Hidrográfica. FIGURA 2.9: Regime Hidrológico característico da Ocupação no tempo de uma Bacia Hidrográfica.

– Para cada estágio ∆t, as condições de perenidade e enchente do rio que drena a bacia degradam-se, ou seja: intensificam-se as enchentes e estiagens.

FIGURA 2.10: Mudanças dos indicadores do regime hidrológico no tempo em função de

alterações dos cenários de paisagem ambiental da bacia (aumento da urbanização de 1 para 4).

– Indicadores de Recursos Hídricos (IRHs):

• Economia hídrica: capacidade da bacia em produzir água útil para os sistemas de recursos hídricos (navegação fluvial, abastecimento d’água, irrigação, centrais hidrelétricas);

• Com a evolução do uso e ocupação do solo da bacia nos cenários 1 (bacia natural) a 4 (bacia urbano-industrial) observa-se que as vazões extremas de enchente (Qmáx) aumentam e as de estiagem (Qmín) diminuem, alterando o balanço hídrico entre os deflúvios superficiais (DS) (aumento) e subterrâneos (DB) (redução) escoados na calha fluvial;

• São obtidos a partir de dados de vazão líquidas das estações

fluviométricas e retratam as alterações dos recursos hídricos da bacia no tempo, em função do mau uso e ocupação do solo da bacia.

– Indicadores de Degradação Hidrológica (IDHs):

• Reflete, qualitativamente, a frequência de ocorrência de vazões extremas de enchente (Qmáx) e de estiagem (Qmín) em relação a vazão média ( ) e suas influências na economia hídrica da bacia:

Coeficiente de Perenidade de Enchente

Coeficiente de Perenidade de Estiagem

Coeficiente de Perenidade de Amplitude Máxima

Bacia Naturais (referência): P, p, m =

– Indicadores de Economia Hídrica (IEHs):

• reflete, quantitativamente, a frequência de ocorrência dos deflúvios superficiais (DS) e subterrâneos (DB) em relação ao deflúvio total (DT) e suas influências na economia hídrica da bacia:

Bacias Naturais (referência): rHB = 80 – 95%

rHS = 5 – 20%

3 - Estudo de Caso: Bacia do Rio Jaguari/MG-SP

3.1 - Introdução

– Principais usuários do rio Jaguari (A= 4267km²): Usos agrícolas dispersos,

Sistema Cantareira e CBH PCJ

– Sistema Cantareira:

• A=228.000 ha (Estados MG – 4 municípios, SP – 8 municípios);

• Q=33m³/s (rio Jaguari: 22m³/s) (67%);

• 50% de abastecimento da Grande S.P.

– APA Fernão Dias • Municípios Abrangidos: Toledo, Extrema, Itapeva, Camanducaia, Gonçalves,

Sapucaí-Mirim, Brasópolis e Paraisópolis;

• Medidas compensatória a duplicação da Rodovia Fernão Dias (SP a BH);

FIGURA 3.1 Localização APA Fernão Dias.

• A APA tem um importante papel na manutenção dos recursos hídricos do rio Jaguari.

3.2 - Metodologia

1° Dados fluviométricos:

– Seleção do posto fluviométrico: código ANA 62600000, A=432 km²,

vazões médias diárias, período de 60 anos (1943-2003), referência:

Cidade de Bragança Paulista/SP

– Análise de consistência de dados e preenchimento de falhas das vazões diárias da série hidrológica;

– Determinação das vazões médias mensais da série hidrológica consistida;

– Ordenamento das vazões médias mensais da série hidrológica consistida por ano hidrológico (outubro – setembro);

– Ordenamento das vazões médias mensais da série hidrológica por ano hidrológico em intervalo de 5 anos (12 períodos Δti): período 1 (10/1943 a 09/1948) até período 12 (10/1998 a 09/2003);

– Determinação da vazão média de cada período ∆ti:

– Ordenamento das vazões médias por período ∆ti:

– Hidrograma das variações das vazões médias de cada período

ao longo dos 12 períodos.

∆ti Período

1 OUT/43 - SET/48

2 OUT/48 - SET/53

... ... ...

12 OUT/98 - SET/03

2° Estudos Hidrológicos

– Determinação dos Indicadores de Recursos Hídricos (IRHs): • Indicadores de Degradação Hídrica (IDHs) (qualitativo):

– Determinação das vazões características por período ∆t de 5 anos (∆t1 = OUT/1993 - SET/1948 a ∆t12 = OUT/1998 – SET/2003): Q5%; Qmédia; Q95%.

– Ordenamento das vazões características por período ∆ti

∆ti Período Vazões Características (m³/s)

Q5% Q95%

1 OUT/43 - SET/48 Q51 Q951

2 OUT/48 - SET/53 Q52 Q952

... ... ... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 Q512 Q9512

– Determinação dos IDHs para ∆t1 (OUT/1993 - SET/1948) a ∆t12 (OUT/1998 – SET/2003)

– Análise temporal dos IDHs (∆ti x Pi; pi; mi) no período OUT/1943 a

SET/2003

– Ordenamento do deflúvio por período ∆ti:

∆ti Período IDHs

P = Q5/Q média P = Q média/ Q95 m = P x p

1 OUT/43 - SET/48 P1 p1 m1

2 OUT/48 - SET/53 P2 p2 m2

... ... ... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 P12 p12 m12

∆ti Período Deflúvios (106m³)

DSi DBi DTi

1 OUT/43 - SET/48 DS1 DB1 DT1

2 OUT/48 - SET/53 DS2 DB2 DT2

... ... ... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 DS12 DB12 DT12

– Determinação dos IEHs para ∆t1 = OUT/1993 - SET/1948 a ∆t12 = OUT/1998 – SET/2003

– Determinação da diferença dos deflúvios (∆Di) para cada período ∆ti:

∆ti Período IEHs

rHSi = DSi /DTi rHBi = DBi/DTi

1 OUT/43 - SET/48 rHS1 rHB1

2 OUT/48 - SET/53 rHS2 rHB2

... ... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 rHS12 rHB12

∆ti Período ∆Di = DBi - DSi

1 OUT/43 - SET/48 ∆D1

2 OUT/48 - SET/53 ∆D2

... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 ∆D12

– Análise temporal dos ∆Di (∆ti x ∆Di) no período OUT/1943 a SET/2003;

– Análise temporal dos IEHs (∆ti x rHBi; rHSi) no período OUT/1943 a SET/2003.

3° Dados Populacionais:

– Cidade de referência: Bragança Paulista/SP

– Base de dados: IBGE e DATASUS

– Foram considerados para cada período ∆ti a população (POPi) do último ano de cada período.

∆ti Período POPi

1 OUT/43 - SET/48 POP 1948

2 OUT/48 - SET/53 POP 1953

... ... ... ...

12 OUT/98 - SET/03 POP 2003

3.3 – Resultados

– Análise temporal da variação da população e das vazões médias por período ∆ti ao longo do período global (SET/1948 a OUT/2003)

FIGURA 3.2: Média anual por período comparado ao crescimento populacional.

– Análise temporal da variação das vazões médias mensais por período ∆ti ao longo do período global (set/1948 a out/2003)

FIGURA 3.3: Gráfico anual de variação das vazões de calha do rio Jaguari.

– Análise temporal da variação dos ∆Di= DBi - DSi por período ∆ti ao longo do período global (set/1948 a out/2003)

FIGURA 3.4: Evolução da Diferença entre Db e Ds no Período dos Estudos.

– Análise temporal da variação do e por período ∆ti ao longo do período global (set/1948 a out/2003)

FIGURA 3.5: Comparação da evolução dos indicadores de economia hídrica da bacia do rio

Jaguari em PFl-1 Bragança Paulista) no 12 períodos de estudo.

3.4 – Reflexões: Balanço Hídrico da Bacia do rio

Piracicaba na Desembocadura do rio Jaguari/Atibaia

FIGURA 3.6: Vazões no Rio Jaguari/Atibaia ( Período de 1931-1944)

3.4 – Reflexões: Balanço Hídrico da Bacia do rio

Piracicaba na Desembocadura do rio Jaguari/Atibaia

FIGURA 3.7: Vazões no Rio Jaguari/Atibaia ( Período de 1993-2001)

3.4 – Reflexões: Balanço Hídrico da Bacia do rio

Piracicaba na Desembocadura do rio Jaguari/Atibaia

FIGURA 3.8: Balanço Hídrico da Bacia do Rio Piracicaba

4 - Conclusões e Bibliografia

4.1 – Conclusões

– A partir de uma análise dos resultados ao longo do período global (set/1948 a out/2003), e considerando-se a operação do Sistema Cantareira (Períodos 8 – 12), concluí-se:

• Por uma tendência à redução gradativa das vazões médias por período ∆ti, em contraponto ao aumento populacional (FIGURA 3.6);

• Percebeu-se uma redução dos ∆Di= DBi - DSi, por período ∆ti, justificado pelo gradativo aumento do DS, em detrimento da redução do DB, devido ao uso e ocupação gradual do solo da bacia (ES>I) (FIGURA 3.7);

• Verificou-se uma tendência à redução dos

(85,2% em 1943 e 64,3% em 2003) e aumento do

(14,8% em 1943 e 35,7% em 2003) (FIGURA 3.8);

• Se considerarmos como referência bacias naturais florestadas (rHB = 80-90%; rHS = 10-20%), a bacia do rio Jaguari em Bragança paulista/SP nas condições de homeostasia de 2003 (rHB = 64,3%, rHS = 35,7%) estaria enquadrada numa condição intermediária entre rural e rural-urbana;

• A bacia nas condições de homeostasia de 2003 está mais suscetível à enchente (nos períodos chuvosos) (água nociva; problemas de saúde pública) e carência hídrica (nos períodos de estiagem) (água útil de calha fluvial);

• Dado os resultados, ressalta-se a importância de ações preventivas de planejamento de médio/longo prazo adequando o uso e ocupação do solo da bacia, como previsto no Plano Diretor de Recursos Hídricos, com interação aos Planos Diretores Municipais. Nesse planejamento seriam estimuladas: áreas de proteção ambiental e de conservação de nascentes; identificação dos usuários de água (cadastro); expedidas outorgas/cobrança para uso da água (racionalização dos usos); regulação dos lançamentos de esgotos e efluentes industriais;

• A bacia do rio Jaguari, por ser de importância para a SABESP (Sistema Cantareira) e para o CBH PCJ, ações corretivas de recuperação gradual das disponibilidades hídricas das condições atuais às passadas, devem, também, serem realizadas na bacia, a fim de incentivar a “produção de água”, através do “manejo hídrico espacial dos escoamentos” em áreas de encosta e planície, a partir de intervenções bióticas (como a cidade de Extrema/MG inserida na bacia do rio Jaguari vem realizando no seu programa “Conservador da Água”) e físicas, ambas com o objetivo de, para quaisquer eventos pluviométricos, estimular a infiltração e reduzir o escoamento superficial de encosta, planície e calha fluvial.

4.2 – Principais Referências Bibliográficas

– ANA - AGENCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Panorama da qualidade das águas superficiais no Brasil. Superintendência de Planejamento de Recursos Hídricos, Brasília, 2005. 176 p.

– FERREIRA, A. C. Modelo de avaliação da economia hídrica de reservatórios hidrelétricos em operação. Dissertação (mestrado em Engenharia de Energia), UNIFEI, Itajubá-MG, 2007. 324p.

– GARCEZ, Lucas Nogueira; ALVARES, G. Acosta. Hidrologia. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1988. 291 p.

– Lei 9433/97. Legislação de Recursos Hídricos: outorga e fiscalização. Secretaria de saneamento e energia, São Paulo, DAEE: 2007. 96 p.

– OTTONI, A.B. Curso de otimização operacional de reservatórios – COORE. Instituto de Recursos Naturais, Unifei. Itajubá, 2010.

– TUCCI, C. E. M. Hidrologia: ciência e aplicação. 2 ed. [S.l.]: UFRGS, 1997. 943 p.