Ecohidrologia

Processos Hidrológicos
CST 318 / SER 456
Tema 10 – Ecohidrologia
ANO 2016
Laura De Simone Borma
Camilo Daleles Rennó
http://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
Evolução da hidrologia
 Início do século 20:
 foco no entendimento de alguns processos do ciclo da água
 trabalhos de Horton em infiltração, Darcy na água subterrânea, etc.
 evolução esparsa do conhecimento
 Meados do século até a década de 70
 preocupação em obter vazões para projetos de obras hidráulicas –
canaletas, tubulações, sistemas de drenagem e reservatórios
Modelos de previsão chuva-vazão (tipo caixa-preta)
Simplificações empíricas – o conhecimento do passado norteia as
ações do futuro
Décadas de 80 e 90
 passou-se a verificar grande antropismo nas bacias e como eles
interferiam na hidrologia e no comportamento dos ecossistemas,
necessitando melhor conhecimento para controle e mitigação.
Final do século
 Mudanças climáticas mostraram que o clima não é tão estável quanto
supúnhamos, e que entre uma década e outra muita coisa pode mudar
Ecohidrologia
Ciclo hidrológico – descreve o movimento contínuo da água tanto acima
quanto abaixo da superfície terrestre
Esse fluxo é “mediado” pelos ecossistemas em inúmeros pontos. P.e.:
Transpiração da floresta fornece grande parte do fluxo de água para a
atmosfera, que retorna sob a forma de chuva
A quantidade de água/sedimentos que atinge o lençol freático ou o corpo
hídrico depende, dentre outros fatores, da cobertura vegetal
Matas ripárias, áreas alagáveis, charcos, pântanos e planícies de inundação são
sistemas de amortização de água, sedimentos, nutrientes e contaminantes
Ecohidrologia
Baseia-se no entendimento dos padrões espaciais e temporais da
dinâmica da biota e da água, na escala de bacia
Otimização da capacidade de absorção dos ecossistemas contra os
impactos humanos
Enfoque Ecohidrológico da UNESCO
The Ecohydrology (EH) Concept developed
within the framework of the UNESCO
International Hydrological Programme IHP-V
(Zalewski et ai, 1997) has been largely
inspired by conclusions from the International
Conference on Water and Environment
(ICWE) held in Dublin in 1992. This
conference highlighted the inadequacy of
existing solutions in water management
practices to achieve sustainability of water
resources, as well as the need for new
concepts and new solutions.
Enfoque Ecohidrológico da UNESCO
Restauração e manutenção dos padrões bem estabelecidos de circulação
de água, nutrientes e energia em uma bacia - enfoque hidrológico
Aumento da capacidade dos ecossistemas contra os impactos humanos
por meio do gerenciamento dessa capacidade de acordo com as
propriedades do ecossistema – enfoque ecológico
Uso das propriedades dos ecossistemas como ferramenta de gestão de
recursos hídricos – enfoque integrativo
Componente chave – foco na solução do problema
Resultados esperados
• novo enfoque para a restauração das reservas hídricas e
desenvolvimento sustentável
• ferramenta adicional para gerenciar a degradação da paisagem
Ecohidrologia
Redução das fontes pontuais de poluição
dependente da tecnologia, monitoramento e fortalecimento
da legislação
Redução dos impactos das fontes difusas de contaminação
dependente da complexidade hierárquica dos processos
ecológicos na bacia
Hidrologia
Zalewski, 2009
Biocenose
Biocenose - conjunto de populações interdependentes de um mesmo ecossistema, que
ocupam a mesma área natural durante um mesmo período de tempo e que dependem
dos mesmos fatores ambientais
Zalewski, 2009
Regulação dual
Uso da biota para controle dos processos hidrológicos e vice-versa
Prevê uma harmonização com as infraestruturas hídricas
existentes e/ou planejadas
Zalewski, 2009
Ecohidrologia
Ecohidrologia – estudo dos sistemas terrestres e aquáticos
Ecossistemas terrestres – florestas, desertos e savanas
Interações entre a vegetação, superfície do terreno, zona vadosa e água
subterrânea
É necessário conhecer como a relação clima-solo-água-planta se relaciona
em diferentes escalas de tempo e espaço, considerando a ação antrópica
Ecossistemas aquáticos – rios, canais, lagos e áreas úmidas
Como os aspectos hidrológicos, geomorfológicos e químicos afetam a
estrutura e funcionamento dos ambientes aquáticos
De que forma a zona de interface entre os sistemas terrestres e
aquáticos atuam na purificação dos sistemas aquáticos (retenção de
sedimentos, nutrientes em excesso e contaminantes)
Ecossistemas terrestres
•
Clima e solo: geralmente
considerados forçantes
externas:
–
–
•
Dinâmica de água no solo:
elemento chave na relação
entre o comportamento da
vegetação e o estresse hídrico:
–
–
•
Interação clima-solo-vegetação
As características da precipitação afetam a
umidade do solo.
Os parâmetros do solo afetam a umidade do
solo.
A resposta da vegetação inclui fisiologia,
fenologia, características do dossel,
arquitetura das raízes.
o estresse hídrico é um dos muitos fatores
limitantes da fotossíntese.
Grande parte do foco da
ecohidrologia: ecossistemas
terrestres com restrições na
disponibilidade hídrica.
–
Nestes ecossistemas luz, nutrientes e
oxigênio não são considerados as principais
limitantes se comparadas à água.
Biodiversidade e disponibilidade hídrica
Disponibilidade hídrica –
crescimento das plantas depende
da disponibilidade de nutrientes
Escassez hídrica – crescimento
das plantas depende da
disponibilidade de água
clima
Zalewski, 2010
Clima e ecossistemas
Existem muitas evidências que indicam a forte relação entre clima e a
distribuição de ecossistemas
Biomes of tropical South America and precipitation
seasonality
Biomes of South America
Tropical Forest-Savanna
Boundary
Tropical Forest
Shrubland
Savanna
Annual Rainfall
Number of consecutive months
with less than 50 mm rainfall
The importance of rainfall seasonality
(short dry season) for maintaining
tropical forests all over Amazonia
Sombroek 2001, Ambio
O equilíbrio dos ecossistemas
Em sistemas com múltiplos estados
estáveis, mudanças graduais podem
ter efeitos desprezíveis, mas podem
reduzir o tamanho da área de
equilíbrio.
Mudanças na resiliência tornam o
ecossistema mais frágil, no sentido
que pode se deslocar para um
estado diferente por causa de
eventos estocásticos.
Essas flutuações estocásticas podem
ser externas ou podem ser o
resultado da dinâmica interna do
sistema.
Tipping points of the Earth System –
Application to Amazônia
Tropical forest
Savanna state triggered by
climate change or
deforestation
Tipping points: temperature, rainfall and deforestation area
Stability of savanna enhanced
by increased droughts and
fires
Cardoso and Borma, 2010
What are the likely biome changes in Tropical South America due
to Global Warming scenarios of climate change?
Environmental Drivers of Change
Climate Change:
CO2,temperature,
rainfall
Droughts
Land Use Change
Logging/Deforest
Forest Fires
Primary Drivers
Secondary
Drivers
Ecosystem Responses
Short term
Long term
“Secondarization
”
Forest
Degradation
Tree Mortality
Savannization/
forest dieback
Borma and Nobre, 2010
Ecossistemas aquáticos
“the ecohydrological approach can be a tool towards the sustainable use
of aquatic resources by enhancement of the resistance, resilience and
buffering capacity of fluvial corridors” (Zalewski et al. 1997)
 Hipótese
os ecossistemas aquáticos contém sistemas de purificação de água
intrínsecos
Processos físicos, biológicos e químicos interagem de forma a manter
a quantidade e qualidade da água dentro dos limites aceitáveis para a
maioria dos organismos
Sistemas de purificação
Atuam ao longo de todo o canal
São mais acentuados:
Zonas ripárias
Áreas úmidas (wetlands) – swamps, marshes and bogs (pântanos e
charcos) – p.e. Pantanal
Áreas de alagamento (floodplains) – terreno plano, ou
aproximadamente plano, localizado às margens de um rio, altamente
susceptível ao alagamento – p.e. planície de alagamento da Amazônia
Matas ripárias
Vegetação ripária em uma planície de alagamento
Áreas de alagamento
Floodplains - planícies de deposição ao longo
das margens dos rios e canais que são
sazonalmente ou esporadicamente alagáveis
Áreas úmidas, pântanos, charcos
Wetlands - Ficam saturadas
praticamente o ano todo
Zonas ripárias, wetlands and floodplains processos
Possuem condições hidroecológicas que são distintas dos rios e
canais, cada uma exibindo uma certa capacidade de tamponamento da
água do rio contra os efeitos da contaminação a montante e dos
eventos de cheia  remoção de sedimentos, nutrientes, acidez e
substâncias tóxicas do runoff
Processos
Sedimentação – diminuição da velocidade de escoamento
(retenção de fosfatos e outros nutrientes) – mecanismo de longo
prazo mais efeiciente
Adsorção - nas partículas sólidas do solo
Assimilação pelas plantas
Desnitrificação
Retenção de pesticidas – poucos estudos foram feitos
Bacias naturais – esses sistemas estão localizados no caminho natural
das águas
Bacias antropizadas – sistemas como esses necessitam ser
restaurados ou mesmo construídos, para auxiliar na purificação da água
que atinge o sistema fluvial
Ecohidrologia aquática
Recuperação do
funcionamento hidrológico:
Erosão
Infiltração
Ciclagem de nutrientes
Nitrogênio
Fósforo
MJ Waterloo
Capacidade intrínseca de purificação
Capacidade intrínseca de regular o fluxo (quantidade) e a qualidade
da água que passa através deles
Interações delicadas (físicas, químicas e biológicas) entre os
organismos, a água e o solo (ou sedimentos);
Fornecem resistência, resiliência e adaptabilidade ao
ecossistema “bacia hidrográfica”, tornando-o capaz de:
suportar distúrbios de pequena magnitude – tempestades,
pequenos deslizamentos
Se recuperar de eventos extremos menos freqüentes e de
maior magnitude – furacões, grandes escorregamentos
Constantemente adaptar-se às mudanças de curto e longo
prazo das variáveis ambientais
Capacidade intrínseca – ou IPS (Intrinsic Purification System´s –
McLain, 200?) – “ferramentas” que podem ser utilizadas na gestão dos
recursos hídricos, em junção com outras ferramentas tradionais
Incorporados aos sistemas de Gestão Integrada de bacias
hidrográficas
Incorporados nas normas culturais e no “senso comum” da população
Demonstração de projetos em
Ecohidrologia
São necessárias evidências para que a Ecohidrologia se configure
como uma alternativa viável para a gestão dos recursos hídricos
 Lago Naivasha, Kenya
 Planície alagamento do alto rio Paraná
 Potencialidade das regiões tropicais
Lago Naivasha, Kenya
Degradação da bacia
Desflorestamento nas cabeceiras
Erosão intensa dos taludes mais
inclinados no curso médio da bacia e
perda de matas ripárias
Retirada em excesso da água
superficial e subterrânea
Desmatamento para implantação de
horticulturas em escala industrial
(produção de flores)
Destruição das margens pela
população local – inchaço de cerca de
300 mil habitantes pela oferta de
emprego na produção de flores –
demanda excessiva por água para
abastecimento e lançamento de
esgotos
NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS
Lago Naivasha, Kenya
Degradação do lago
Condições ecológicas tem se
deteriorado desde a década de 80
Vegetação ripária (Cyperus papyrus)
que protegia lago da poluição difusa
diminuiu de 60 km2 para menos de 10
km2
A água do lago é turbida, devido ao
aumento do nível de nutrientes e
aumento do fitoplancton
Aspectos sócio econômicos
Valor econômico do lago é derivado da
horticultura, turismo e pesca
Lago Naivasha, Kenya
Ecohidrologia
1) reflorestamento das cabeceiras da
bacia feito pela indústria da
horticultura, para restaurar o runoff
2) Re-criação das matas ripárias com
o papyrus na região do delta,
contemplando projeto de novas áreas
alagáveis para captura de nutrientes e
sedimentos em diferentes regimes de
descarga
3) Plantação de espécies nativas de
crescimento rápido (Acácia) nas zonas
ripárias para restauração da
biodiversidade
Lago Naivasha, Kenya
Área alagável no Paraná, Brasil
Problema ambiental
Regime do rio alterado pela
construção de 26 grandes reservatórios
(> 100 km2) para produção de energia
Redução da variabilidade natural do
rio
 restrição da conectividade com a
área alagável
 diminuição das trocas de águas e
nutrientes e eutroficação
Extração de areia e drenagem para
plantio de arroz e pastos – degradação
adicional da área alagável e
instabilidade das margens
Área alagável no Paraná, Brasil
Ecohidrologia
Elaboração de planos operacionais para a infraestrutura
hidrotécnica de forma a manter o pulso de inundação próximo do
regime natural do rio e melhorar a conectividade entre rio e
planície de alagamento a jusante do reservatório
Regime ótimo
Garantir a produção de energia elétrica, considerando o ciclo
ecológico, aumentando a disponibilidade de peixes e preservando
a biodiversidade
Serviços dos ecossistemas – garantem a obtenção de recursos por
meio da pesca e do eco-turismo, restringindo as atividades danosas
nas áreas alagáveis
Manutenção da biodiversidade contribui para a construção da
reserva da biosfera (MAB) no último trecho da bacia fluvial do Alto
Paraná, Brasil
Área alagável no Paraná, Brasil
Ecohidrologia no gerenciamento de água em
grandes bacias tropicais
Problemas econômicos severos na maioria dos países tropicais
dificultam a instalação de sistemas caros de fornecimento e
tratamento de água
Prioridade – áreas urbanas e áreas de escassez hídrica
Demais áreas – sistemas de gerenciamento hídrico de baixo custo
Devem fazer uso racional e complementar da capacidade de
assimilação inerente aos ecossistemas
Áreas que mantém as suas características hidrológicas (ciclo
hidrológico natural) e geomorfológicas – mais apropriadas
The Ecohydrological Approach as a Tool for
Managing Water Quality in Large Tropical Rivers (McLain, 2010)
Aplicação nas regiões tropicais
Estudos dos processos tampão (buffering processes) nas zonas ripárias, zonas
úmidas e áreas de alagamento nos trópicos  são extremamente raros
Ainda que limitadas, as pesquisas na Amazônia  fornecem um melhor
entendimento dos processos que ocorrem dentro dos rios tropicais
Na bacia Amazônica, mais de 90% dos sedimentos transportados pelo rio se
originam nos Andes.
De cerca de 1.400 Mtyr-1 que entra no rio, 200 Mtyr-1, ou 14% do total são
depositados na área alagável e dentro do canal (Dunne et al., 1998)
Decréscimos dramáticos nas concentrações de nutrientes são observados nas
regiões que atravessam a área alagável
Em adição ao efeito de “limpeza” do rio, a área alagável funciona como habitat
para as centenas de espécies de peixes amazônicos (Goulding et al., 1996)
Aplicação nas regiões tropicais
Williams et al. (1997)
avaliaram, em uma pequena bacia da Amazônia central, os efeitos do
desflorestamento nos recursos hídricos próximos
NO3-, NH4+, Na+, Ca+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, Al, Fe, Mn e COD (Carbono
Orgânico Dissolvido) aumentaram em concentração na água do solo em uma
parcela experimental derrubada e queimada
O fluxo superficial, assim como a água dos rios, apresentou
concentrações elevadas desses mesmos íons e tb de fósforo total
dissolvido e nitrogenio total dissolvido, carbono inorgânico dissolvido e Si
Reduções significativas de NO3- foram observadas nas águas superficiais
e subterrâneas que atravessaram a zona ripária – o sedimento foi
completamente retido nas zonas ripárias e foi somente nas áreas sem as
matas ripárias que essas concentrações aumentaram (William & Melack,
1997)
Ecohidrologia e mudanças globais
Água no século 21:
Fator primordial para o desenvolvimento sustentável
Erradicação da pobreza
Reversão da degradação dos ecossistemas
Abordagem sistêmica da Ecohidrologia, atua através dos seguintes passos
e ações:
Diminuição da transferência de água da atmosfera para os oceanos –
ação prioritária para reduzir a severidade das secas e enchentes –
manutenção da cobertura vegetal
Redução da eutrofização e poluição dos sistemas aquáticos – reversão
da degradação do ecossistema e melhoria do bem estar do ser humano
Harmonização do potencial dos ecossistemas com as necessidades da
sociedade – Programa de Gestão Integrada dos Recursos Hídricos
Zalewski, 2010
Ecohidrologia e gestão de recursos hídricos
Enquanto intactos, esses componentes dos ecossistemas aumentam
significativamente a tolerância do rio em relação aos distúrbios naturais e
antrópicos
McClain (2010) – IPS – Intrinsec Purification Systems
Mas, como esses componentes naturais podem ser integrados oficialmente nas
ações e políticas de gestão de recursos hidricos, e qual função realista eles
deveriam ter nos planos de gestão?
Novo conceito
Bacia Hidrográfica: Sistema de infiltração e
armazenamento de água da chuva
Quaisquer atividades devem manter a
capacidade de armazenamento de água da
chuva em bacias e solos.
Urbanização:
•retirada de vegetação e do solo
•revestimento do terreno com concreto e
asfalto
•Rejeição da água (escoar a água da chuva o
mais rápido possível)
Reruralização
•Convivência com plantas, terra e água de chuva
•Recuperar a vegetação, a terra e a água e viver em harmonia com elas
A bacia não é Drainage basin, mas sim
é Storage basin!