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PROJEÇÕES FUTURAS PARA ALTERAÇÕES NA VAZÃO E INUNDAÇÃO
NA BACIA DO RIO AMAZONAS
Mino Viana Sorribas1; Rodrigo Cauduro Dias de Paiva2; Charles Jones3; Leila Carvalho4;
John Melack5;Juan Martin Bravo6; Edward Beighley7
Resumo – Os efeitos de mudanças climáticas sobre a hidrologia da bacia Amazônica pode
acarretar impactos diversos sobre a disponibilidade de água para usos humanos e no funcionamento
no ecossistemas. Nesse trabalho, projeções futuras para alterações de vazão e área inundáveis na
bacia do rio Amazonas foram examinadas utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado a
simulação hidrodinâmica de canais e planícies de inundação. Cenários futuros dos forçantes
climáticos (horizonte de 2070-2099) foram obtidos de cinco Modelos de Circulação Global
utilizados no CMIP5 - Coupled Model Intercomparison Project Phase 5. A aplicação do MGB-IPH
nessa bacia em estudos anteriores apresentou boa performance e foi considerada neste estudo como
o cenário de controle. Para obter a vazão e áreas de inundação nos cenários futuros o modelo
hidrológico foi perturbado aplicando o método delta-change nas variáveis climáticas. Os resultados
indicaram que existe uma incerteza nas projeções climáticas entre modelos para e futuro da vazão
no eixo principal. No entanto, as simulações indicam maior concordância no aumento de vazões
médias e área de inundação máxima no oeste e de decréscimo de vazões no leste da bacia.
Palavras-Chave – planície de inundação, zonas de várzea, mudanças climáticas
Future projections for changes in discharge and inundation
in the Amazon River Basin
Abstract – The effects of climate change on the Amazon basin hydrology can cause diverse
impacts on water availability for human uses and on ecosystem functions. In this work, future
projections on discharge and flooded areas on the river Amazon Basin were examined using the
hydrological model MGB-IPH coupled with hydrodynamic simulation of river channels and
floodplain. Climate forcing for future scenarios (2070-2099 horizon) were obtained from five
Global Circulation Models (GCMs) used on the CMIP5 - Coupled Model Intercomparison Project
Phase 5. Application of MGB-IPH in the Amazon Basin showed a good performance in past studies
and was considered herein as the control scenario. To obtain discharges and flooded areas on future
scenarios the hydrological model was disturbed using the delta-change method on climate variables.
Results indicated a uncertainty in climate projections and future discharge on the main stem. On the
other hand, our simulations indicate better agreement on increased annual mean discharge and
maximum inundation areas on west and decrease of discharges on the east of the basin.
Keywords – floodplain, wetlands, climate change
1
Instituto de Pesquisas Hidraulicas - UFRGS, [email protected]
Instituto de Pesquisas Hidraulicas - UFRGS, [email protected]
Geography Department, University of California Santa Barbara, USA, [email protected]
4
Geography Department, University of California Santa Barbara, USA, [email protected]
5
Bren School of Environmental Science and Management, USA, [email protected]
6
Instituto de Pesquisas Hidraulicas - UFRGS,, [email protected]
7
Civil and Environmental Engineering, Northeastern University, USA, [email protected]
2
3
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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INTRODUÇÃO
O debate sobre a conservação da Amazônia tem sido realizado nas últimas décadas e questões
sobre o futuro do regime hidrológico se destacam no contexto de mudanças climáticas e, sobretudo,
no planejamento e desenvolvimento da região. Além de ser a maior bacia hidrográfica do mundo e
descarregar cerca de 15-20% da água doce continental nos oceanos, os recursos hídricos e
ecológicos fornecem serviços ambientais em diferentes escalas. Por exemplo, enquanto as
populações dependem substancialmente dos rios para transporte e alimentação, governos tem
interesse no potencial hidrelétrico para atendimento de demandas energéticas e transporte de
produtos. Um aspecto importante da bacia é a presença de extensas áreas alagáveis, reguladas pelo
pulso de inundação que regulam processos biogeoquímicos (Junk et al., 1989), tais como a emissão
de CO2 e metano para atmosfera (Richey et al., 2002; Melack et al. 2004), de importância no ciclo
global de carbono.
A avaliação dos efeitos de mudanças climáticas sobre a vazão de rios pode ser realizada pela
integração de simulação dos modelos de circulação global e modelagem hidrológica (Langerwisch
et al. 2012; Milly et al. 2005; Guimberteau et al. 2013). Os estudos existentes não avaliaram os
impactos hidrológicos das projeções utilizando a geração nova dos modelos do CMIP5 (Climate
Model Intercomparison Project 5) referidos no relatório AR5 do IPCC. Sobretudo, o uso de
modelos hidrológicos regionais validados e com melhor capacidade de representar processos
hidrológicos e dinâmica das interações entre rio e planície de inundação (Beighley ey al. 2009;
Paiva et al. 2013) podem melhorar o realismo das predições. Os fluxos de água na planície de
inundação e efeitos de remanso apresentam um papel determinante no regime de cheia em grande
parte dos rios da bacia Amazônia e precisam de modelos capazes de representar esses processos.
(Meade et al. 1991, Paiva et al. 2013, Getirana and Paiva, 2013).
Nesse trabalho são investigadas possíveis alterações na hidrologia da Amazônia, com base em
modelagem hidrológica-hidrodinâmica regional, utilizando forçantes climáticos de modelos de
circulação global da geração do IPCC AR5. Os resultados são avaliados principalmente em termos
de alteração de vazões em pontos de interesse na bacia, com um enfoque de maior escala.
MÉTODOS
Breve descrição da bacia Amazônica
A bacia Amazônica apresenta uma área de drenagem de cerca de 6x106 km2 e o principal
curso de água percorre sentido oeste-leste desde suas nascentes em território peruano, na cordilheira
dos Andes, até desaguar no oceano Atlântico. A bacia abrange os territórios do Brasil (63%),
Peru(16%), Colômbia (6%), Bolívia (12%), Equador (2%), Venezuela (0,7%) e Guiana (0,2%). A
maior parte da bacia se encontra no Brasil, abrangendo os estados do Acre, Amazonas, Roraima,
Rondônia, Mato Grosso, Pará e Amapá. O curso principal é denominado rio Solimões desde a
fronteira do Brasil até a confluência com o rio Negro, tendo nesse ponto uma área de drenagem que
representa cerca de 36% da bacia inteira. Desse ponto em diante o rio é denominado, de fato, rio
Amazonas (Fig. 1).
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Figura 1 – Bacia do rio Amazonas, rios principais e áreas inundáveis
A Zona de Convergência Intertropical se movimenta entre o norte e sul da bacia Amazônica
ao longo do ano, o que contribui para uma alta variabilidade na precipitação, entre 500 e 7000
mm.ano-1 (Villar et al. 2009). Muitos dos rios encontram-se em zonas de baixa declividade
adjacentes a extensas áreas inundáveis que possuem um papel importante no funcionamento do
sistema. Do ponto de vista hidráulico, as planícies de inundação atuam como reservatórios naturais
que armazenam a água e atenuam a propagação das cheias anuais. Além disso, a presença de
extensas áreas de várzea inundáveis influencia não somente no próprio transporte de água, mas
também no fluxo de sedimentos e metais do sistema de águas continentais para o oceano, no
desenvolvimento de habitat diversos e ciclo do carbono.
Cenários futuros
Para estudar as alterações no balanço hídrico e vazões na bacia devido a mudanças climáticas,
a avaliação foi baseada no contraste entre os cenários 'histórico' e o futuro de 'alta emissão'
utilizando projeções climáticas de cinco modelos de circulação global do CMIP5: CNRM-CM5,
GFDL-ESM2M, HADGEM2-CC, MRI-CGCM3, MIROC-5. O CMIP5 é um projeto que foi
coordenado por vários grupos de modelagem com o objetivo de fornecer os dados de experimentos
de modelos climáticos para o 5o relatório do Painel Internacional de Mudanças Climáticas (IPCCAR5) (Taylor et al. 2011; IPCC, 2013). Nas simulações do modelos do CMIP5 o cenário histórico é
representativo do estado da atmosfera e usos do solo do século 20 (1951-2000), e o cenário futuro
representa projeções relativas ao forçante radiativo no horizonte de 2100, associados as
concentrações de gases de efeito estufa especificados, chamados RCPs (do inglês, Representative
Concentration Pathways) (Moss et al. 2010). Para avaliar as alterações futuras no regime de vazões
da bacia Amazônica foram utilizados dados do cenário de 'alta emissão' chamados RCP8.5, que
indica elevação do forçante radiativo até 8.5 W/m2, ao final do século, para os modelos globais.
Os modelos de circulação global (GCMs, global circulation models) podem apresentar um
viés significativos nas estimativas de precipitação e variáveis meteorológicas, tais como super(sub)
estimativas e variações sazonais incorretas devido a erros conceituais, discretização e médias
espaciais nos modelos. Para tanto, existem diversos métodos de correção de viés podem ser
aplicados para reduzir problemas nas saídas dos modelos climáticos. Aqui foi utilizado o método
delta-change que é robusto e de simples aplicação. O princípio desse método na correção dos dados
climáticos consiste em aplicar a perturbação existente entre o cenário futuro e o cenário histórico do
modelo climático, no clima do cenário de referência (Christensen et al. 2008; Teustchbein &
Seibert 2010). Apesar das novas gerações de GCMs apresentarem melhorias, ainda existem
incertezas na estimativa de precipitações e aspectos não resolvidos para a América tropical
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(Bombardi & Carvalho 2009, Vera & Silvestri 2009, Jones & Carvalho, 2013). Dessa forma, nesse
trabalho foi aplicado um procedimento de remoção de viés na precipitação (i.e. transformação
quantil-quantil, Teustchbein e Seibert 2010).
Modelo hidrológico-hidrodinâmico
Para simulação hidrológica-hidrodinâmica foi utilizado o 'Modelo Hidrológico de Grandes
Bacias - MGB-IPH' na implementação para bacia Amazônica desenvolvido por Paiva et al. (2013),
baseada na capacidade do modelo em representar o balanço vertical da bacia e a hidrodinâmica de
grande escala em rios e planícies de inundação, e também pela validação realizada baseada em
diversas fontes de informação. O MGB-IPH utilizado é um modelo hidrológico de grande escala
distribuído que simula o balanço de água e energias (Collischonn et al. 2007) na bacias e acoplado
ao módulo hidrodinâmico 1D com planície de inundação (Paiva et al. 2011; Paiva et al. 2013),
fornecendo vazões e níveis de água e inundação. Na implementação da bacia Amazônica a
discretização foi realizada em 5763 minibacias. A simulação foi realizada utilizando precipitação
por satélite diária do produto TRMM 3B42 v6 e climatologia mensal obtidas do CRU CL 2.0 para o
período de 12 anos (1998-2009). Os parâmetros do modelo associados ao balanço vertical e
propagação nas bacias foram calibrados utilizando dados de vazão observada em 47 estações. O
modelo foi validado utilizando dados de nível de água e vazões (111 e 69 estações fluviométricas),
níveis de água de altimetria por satélite (212 pontos) e TWS ("terrestrial water storage") da missão
espacial GRACE e áreas inundáveis por Papa et al. (2010). As comparações entre simulações e
observações demonstraram boa performance do modelo. Os valores de coeficiente de Eficiência de
Nash-Sutcliffe (ENS) foram maiores que 0,6 em ~70% das estações, enquanto as áreas inundáveis e
TWS foram de 0,71 e 0,93.
Considerando os fatores acima, essa configuração do modelo foi utilizada para representar o
cenário de referência, ou ainda, do clima e hidrologia atual, para as projeções de mudanças
climáticas apresentadas nesse trabalho.
RESULTADOS
Uma avaliação mais geral dos efeitos de mudanças climáticas sobre processos hidrológicos
foi realizada comparando as alterações nos componentes na precipitação e vazão média anual para
os cenários projetados para o futuro e a simulação de referência. A figura 2 apresenta as alterações
médias entre os cinco cenários futuros na precipitação anual, vazão média e área de inundação
máxima anual.
Os resultados das simulações indicaram aumento da precipitação na porção oeste (i.e. Peru e
Equador) da bacia e decréscimo para o leste (Fig 2a).
Figura 2 – Alterações médias (dos 5 cenários futuros) para (a) precipitação anual,
(b) vazão média e (c) área inundável no período cheia
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As alterações de vazão na rede de drenagem são importante, pois integram todos os processos
hidrológicos das bacias de montante e efeitos da propagação do escoamento. A figura 2b demonstra
que as simulações também indicaram aumento(redução) das vazões médias no oeste(leste) da bacia.
Uma vez que as vazões simuladas nos diferentes cenários nem sempre concordam (ver abaixo),
testes de significância (i.e. testes-t, p<0.05) foram realizados para avaliar as diferenças nas vazões
médias entre projeções dos GCMs e também as alterações projetadas frente a variabilidade
interanual da vazão no cenário de referência. Dessa forma é possível verificar que apesar de
alterações serem previstas em praticamente toda a bacia, a concordância maior se dá nas condições
mais úmidas em regiões altas no oeste e no extremo leste da bacia. A Figura 3 apresenta as
alterações na climatologia de vazões diárias para as cinco projeções, sendo possível avaliar a
variabilidade das mesmas em diferentes pontos da bacia. No Alto Solimões a maior parte dos
modelos indica um aumento da vazões médias e máximas, enquanto no Baixo Amazonas é possível
verificar predições acima e abaixo da simulação de referência, com maior concordância na redução
de vazões no período de vazões mínimas. No Rio Negro, a incerteza entre cenários futuros se
mostrou ainda maior.
Os resultados para as projeções nas áreas inundáveis são coerentes com as alterações de
precipitação e vazão na bacia. Considerando as médias das alterações nos GCMs, as simulações
indicaram um aumento nas áreas inundada médias e máximas(cheia), sendo significativo
principalmente nos trechos que recebem água dos oeste da bacia. Outro ponto importante é que a
alteração das áreas inundáveis do trecho oeste para central se estende mais a jusante quando
comparado as alterações de vazões.
Figura 3 – Vazões médias diárias no ciclo anual(acima) e área de inundação (abaixo) para a simulações: referência
(linha preta), CNRM-CM5 (laranja), GFDL-ESM2M (rosa); HADGEM2-CC(ciano), MIROC-5 (vermelho) e MRICGCM3 (verde)
CONCLUSÃO
As projeções de mudanças climáticas e seus efeitos nas condições hidrológicas da bacia
demonstraram diferentes padrões para a Amazônia ocidental e oriental. Os modelos climáticos
apresentam apresentam incertezas importantes, porém apresentaram uma concordância geral sobre
condições mais úmidas(secas) no oeste(leste) da bacia. Dessa forma, as projeções indicam um
aumento das vazões médias e máximas nos rios que drenam os Andes na Amazônia ocidental, o que
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acarreta um aumento na área inundável sobre o Peru e trechos superiores do Rio Solimões. Uma
tendência de redução de vazão média para bacias do leste foi observada. Essas alterações podem ter
efeitos ecológicos diversos que ainda devem ser avaliados, tais como alteração de habitats, fluxos
de nutrientes, sedimentos e produção de peixes. Outro aspecto importante é como essas mudanças
climáticas podem ser afetar o desenvolvimento regional e planejamento de barragens, uma vez que
sugerem diferentes padrões para duas grandes regiões da bacia Amazônica.
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