UNIVERSIDADE DE SO PAULO CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA

DANIEL DE CASTRO VICTORIA

SIMULAO HIDROLGICA DE BACIAS AMAZNICAS UTILIZANDO O MODELO DE CAPACIDADE DE INFILTRAO VARIVEL (VIC)

Piracicaba 2010

DANIEL DE CASTRO VICTORIA

SIMULAO HIDROLGICA DE BACIAS AMAZNICAS UTILIZANDO O MODELO DE CAPACIDADE DE INFILTRAO VARIVEL (VIC)

Tese apresentada ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de So Paulo para a obteno do ttulo de Doutor em Cincias

rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente

Orientadora: Profa. Dra. Maria Victoria Ramos Ballester

Piracicaba 2010

AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP) Seo Tcnica de Biblioteca - CENA/USP

Victoria, Daniel de Castro Simulao hidrolgica de bacias amaznicas utilizando o modelo de

Capacidade de Infiltrao Varivel (VIC) / Daniel de Castro Victoria; orientador Maria Victoria Ramos Ballester. - - Piracicaba, 2010.

85 p.: fig.

Tese (Doutorado Programa de Ps-Graduao em Cincias. rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente) Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de So Paulo.

1. Bacia hidrogrfica 2. Balano hdrico 3. Evapotranspirao 4. Mudana climtica I. Ttulo

CDU 556.512

minha esposa, meus pais, avs e irm Pelo constante apoio e incentivo

Nos momentos bons e ruins dedico.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho s foi possvel devido ao apoio que recebi de diversas pessoas e instituies. Em especial gostaria de agradecer:

Meus pais, Reynaldo Luiz Victoria e Beatriz de Castro Victoria, avs Diva e Dcio e demais familiares.

Minha esposa Lilian Bellucci Victoria, pelo apoio incondicional. Prof. Dra. Maria Victoria Ramos, pela amizade e orientao. Prof. Dr. Antnio Roberto Pereira e Dr. Jeffrey E Richey pelo apoio, incentivo,

idias e amizade. Drs. Dennis Lettenmeier e Ted Bohn pela ajuda com o modelo VIC. Prof. Dr. Enas Salati, pelo constante incentivo. Os amigos do laboratrio de Geoprocessamento, Andr Toledo, Erich

Governador Collicchio, Rafael Pira Rosolem, Ctia Casagrande, Henrique Tamaguishi, Alailson Santiago, Jos Mauro, Vincent Bustillo, Yves Tardy, Nei, Rafael Tannus, Rosngela, Clia, Alex, Alexandra, dentre outros pelo apoio e amizade.

Aos novos colegas da Embrapa. A Sra. Andrelina Laura dos Santos, da Agncia Nacional de guas, pela ajuda

com os dados hidro-meteorolgicos. Ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura e ao Laboratrio de Anlise

Ambiental e Geoprocessamento. Marilia R. G. Henyei pelo auxlio com a formatao e referncias. Ao CNPq pela bolsa concedida. E a todos queles que de alguma forma contriburam para a realizao deste

trabalho e que, devido pssima memria do autor, deixaram de ser citados.

RESUMO

VICTORIA, D.C. Simulao hidrolgica de bacias Amaznicas utilizando o modelo de Capacidade de Infiltrao Varivel (VIC). 2010. 85 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, Piracicaba, 2010.

Com 6 milhes de km2, a bacia Amaznica o maior sistema hidrogrfico do mundo, com descarga estimada de 209.000 m3 s-1, e a maior extenso contnua de floresta tropical. Porm, esta regio alvo de constantes ameaas, seja das presses por desmatamento, ou por alteraes climticas. Neste contexto, compreender o funcionamento do sistema essencial, seja para auxiliar na tomada de decises ou estudos de cenrios futuros. Este trabalho teve como objetivo avaliar e adaptar o modelo hidrolgico de grandes bacias Variable Infiltration Capacity Model (VIC v.4.0.5), para as condies tropicais. Foram utilizados dados de descarga, precipitao, temperatura e velocidade do vento, e informaes sobre tipo de solo e cobertura vegetal, para simular o ciclo hidrolgico em 6 grandes bacias situadas na Amaznia: Santo Antnio do I, Japur, Juru, Negro, Madeira e Purus. O modelo foi calibrado a partir das descargas mensais, de 1980 a 1990, e seu funcionamento foi verificado para o perodo de 1990 a 2006. No foi possvel simular o ciclo hidrolgico para as bacias com grande contribuio dos Andes, Santo A. I e Japur, uma vez que a estimativa de precipitao nestas regies subestimada. Nas outras bacias, o modelo foi capaz de simular corretamente as vazes dos rios, apesar de apresentar problemas na estimativa da evapotranspirao (ET). Foram constatados problemas na partio da ET em seus componentes, transpirao da vegetao e evaporao da gua interceptada. Uma possvel correo foi avaliada, resultando em uma distribuio mais correta da ET em seus componentes porm, tal modificao resultou em reduo da ET mdia simulada. Uma nova verso do modelo (v.4.1) acaba de ser lanada. Dentre as melhorias, destacam-se modificaes na maneira como a ET calculada, que visa corrigir os problemas aqui relatados. No entanto, tal verso ainda no foi avaliada nas condies tropicais.

Palavras-chave: Amaznia. Modelo hidrolgico. Balano hdrico. Evapotranspirao.

ABSTRACT

VICTORIA, D.C. Hydrologic simulation of Amazon basins using the Variable Infiltration Capacity model (VIC). 2010. 85 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, Piracicaba, 2010.

The Amazon river basin is the largest fluvial system in the world, discharging 209,000 m3 s-1 to the ocean. It also sustains the largest continuous tropical forest system. However, the region is under constant pressure from deforestation and climate change. For such reasons, its crucial to understand how the hydrological cycle functions. Such tools can be used for evaluation of future scenarios and guide decision making. The Variable infiltration Capacity Model (VIC) was evaluated and adapted to tropical conditions. Temperature, precipitation, wind speed, soil type and land cover maps were used to simulate the hydrological cycle in 2 sub-basins inside the Amazon: Santo Antnio do I, Japur, Juru, Negro, Madeira e Purus, covering the period from 1980 to 2006. The simulation was not possible for basins with large drainage area located in the Andes (Santo A. I and Japur), due to underestimation of the precipitation. For the other basins, simulated discharge agreed with observed records, even though evapotranspiration (ET) estimates showed some problems. The ET partitioning in its components, transpiration and canopy evaporation, showed severe discrepancies. A correction was applied to the model, fixing the partitioning problem but it resulted in reduction of estimate ET. A new version of the model (v.4.1) has just been released, with changes in the way ET is estimated. However, this new version has not yet been tested in the Amazon.

Keywords: Amazon. Hydrological model. Water balance. Evapotranspiration.

SUMRIO 1. Introduo .........................................................................................................9 2. Material e Mtodos..........................................................................................15 2.1. Descrio da rea de estudo ............................................................................15 2.2. Descrio geral do modelo Variable Infiltration Capacity (VIC) ..................16 2.3. Parametrizao do modelo VIC para a bacia Amaznica............................19 2.3.1. Delimitao das bacias e rede de drenagem ............................................19 2.3.2. Forantes climticas ......................................................................................21 2.3.3. Textura do solo ...............................................................................................23 2.3.4. Cobertura vegetal...........................................................................................24 2.4. Calibrao do modelo VIC para as bacias Amaznicas...............................26 2.5. Verificao do modelo........................................................................................27 3. Resultados e discusso .................................................................................31 3.1. Extenso da srie histrica de descarga do CAMREX ................................31 3.1.1. Rio Juru .........................................................................................................31 3.1.2. Rio Purus .........................................................................................................33 3.1.3. Rio Madeira .....................................................................................................34 3.1.4. Rio Negro.........................................................................................................36 3.2. Simulao hidrolgica das bacias de drenagem ...........................................38 3.2.1. Bacia de drenagem do rio Santo Antnio do I ......................................38 3.2.2. Bacia de drenagem do rio Japur ...............................................................42 3.2.3. Bacia de drenagem do rio Juru..................................................................44 3.2.4. Bacia de drenagem do rio Purus .................................................................48 3.2.5. Bacia de drenagem do rio Negro.................................................................53 3.2.6. Bacia de drenagem do rio Madeira .............................................................57 3.3. Consideraes sobre a ET: bacias de drenagem dos rios Madeira, Purus, Juru e Negro.........................................................................................................................62 Referncias ..............................................................................................................78

9

1. Introduo

A utilizao dos bens e servios obtidos dos ecossistemas imprescindvel para a sobrevivncia de qualquer espcie na Terra, o que no poderia ser diferente para o Homem. Obtemos da natureza os recursos necessrios para a nossa sobrevivncia como gua, energia e alimento. Porm, o uso predatrio e sem planejamento destes recursos vem causando mudanas na estrutura e funcionamento dos ecossistemas que podem comprometer a disponibilidade futura dos mesmos. Dos diversos impactos causados pelo Homem no ambiente, as mudanas climticas resultantes do aumento da concentrao dos gases estufa na atmosfera vm recebendo grande ateno do meio cientfico e da sociedade em geral.

O Painel Intergovernamental de Mudanas Climticas (IPCC Intergovernmental Panel of Climate Change), em seu quarto relatrio, classificou o aumento das temperaturas devido s mudanas climticas como inequvoco (IPCC, 2007), baseando suas concluses em dados observacionais. Este relatrio salienta que existem evidncias que sistemas naturais ao redor do globo esto sendo afetados pelo aumento das temperaturas (IPCC, 2007). Por exemplo, onze dos ltimos doze anos (1995 a 2006) foram considerados os mais quentes dentre os registrados desde 1850 (IPCC, 2007). Tambm foram constatadas que as tendncias de aumento da temperatura nos ltimos 100 anos (IPCC, 2007). Outras evidncias verificadas foram o aumento no nvel dos oceanos e redues das geleiras e calotas polares, todos efeitos relacionados ao aquecimento do sistema climtico (IPCC, 2007). Imagens de sensores remotos orbitais mostram que desde 1978, a rea de cobertura de gelo no oceano rtico vem reduzindo 2,7% por dcada e que, redues nas geleiras e cobertura de neves em montanhas so observadas por todo o globo (IPCC, 2007). Tais alteraes podem trazer danos desastrosos aos ecossistemas, com a possibilidade de consequncias de longo prazo ou at irreversveis, como o aumento no nvel dos oceanos e aumento das estiagens em algumas reas do globo (SOLOMON et al., 2009). Impactos nos ciclos hidrolgicos tambm so esperados. A anlise de sries histricas de precipitao, de 1900 a 2005, indica mudanas significativas nas mesmas. Foram constatados aumento das chuvas no leste das Amricas, norte da Europa e regies norte e central da sia e redues na precipitao no sul da Europa, sul da frica e parte central da Amrica do Sul (IPCC,

10

2007). Como conseqncias esperam-se tambm modificaes na descarga anual dos rios localizados em latitudes mais elevadas e reduo nas regies mais secas ou prximas aos trpicos (IPCC, 2007).

A partir dos resultados das simulaes efetuadas com modelos climticos e diferentes cenrios de emisso de gases de efeito estufa, foram identificados pelo IPCC alguns provveis impactos das mudanas climticas na Amrica Latina, dentre elas: reduo da umidade dos solos, aumentando a vulnerabilidade de alguns ecossistemas secas, perda de biodiversidade, reduo na produtividade de algumas culturas agrcolas e alterao nos padres de precipitao e desaparecimento das geleiras andinas. Especificamente para a regio Amaznica, as simulaes climticas mostram que para o cenrio mais otimista, com menor emisso de gases estufa (cenrio B2), ocorreria um aumento mdio de 2C na temperatura. No cenrio mais pessimista, onde no existe controle das emisses de gases de efeito estufa (cenrio A2), o aumento poderia chegar at 5C na parte leste da Amaznia (MARENGO, 2007). Apesar de todos os modelos mostrarem claramente o aumento nas temperaturas, os efeitos na precipitao ainda so incertos, com alguns modelos indicando aumento enquanto outros indicam reduo nas chuvas (MARENGO, 2007). No entanto, impactos no ciclo hidrolgico sero inevitveis, com alteraes na evapotranspirao, aumento do perodo de seca e maior probabilidade de ocorrncia de eventos extremos (MARENGO, 2007), aumentando o risco de queimadas e com impacto na biodiversidade (ARTAXO, 2008).

Outra atividade antrpica capaz de causar alteraes no ciclo hidrolgico a mudana da cobertura vegetal e, no caso particular da Amaznia, o desmatamento da floresta tropical. Dentre os efeitos resultantes da remoo da cobertura florestal nativa destaca-se: a reduo na quantidade de gua interceptada pelo dossel, a diminuio da infiltrao e a reduo no volume de gua removida pelas razes nas camadas mais profundas do solo, resultando em menores taxas de evapotranspirao e aumento no escoamento dos rios (COLLISCHONN, 2001; BRUIJNZEEL, 1996).

Diversos trabalhos experimentais em micro-bacias demonstraram o impacto da retirada da cobertura vegetal no escoamento dos rios, aumentando o volume de gua (BOSCH; HEWLETT, 1982). Estudos efetuados em regies tropicais indicam aumento na gerao de escoamento de 200 a 800 mm ano-1, relacionados

11

completa remoo da cobertura florestal nativa (NEILL et al., 2006). A interceptao da precipitao pela floresta tropical Amaznica pode variar consideravelmente, com valores entre 9 e 13 % da precipitao (SHUTTLEWORTH et al., 1987; UBARANA, 1996, CUARTAS et al., 2007) at perdas da ordem de 40 % nas florestas tropicais de montanha do Equador (FLEISCHBEIN et al., 2006). Neste sentido, a remoo da cobertura florestal causaria fortes impactos neste componente do ciclo hidrolgico. A substituio da cobertura vegetal por pastagens tambm afeta as caractersticas fsicas do solo, responsveis pelo processo de gerao do escoamento superficial. Em reas de pastagem foi verificado que o escoamento superficial corresponde a 17% da precipitao enquanto na floresta tropical, menos de 3% da precipitao convertida para escoamento superficial (CHAVES et al., 2008; BIGGS; DUNNE; MURAOKA, 2006; MORAES et al., 2006).

No entanto, alteraes na descarga de grandes bacias (> 10.000 km2) em funo da modificao da cobertura vegetal, raramente so observadas. Costa, Botta e Cardille (2003) observaram aumento da vazo em uma bacia de 175.000 km2 no rio Tocantins, o qual foi associado mudana da cobertura do solo. Porm, em estudo semelhante realizado na bacia de drenagem do rio Ji-Paran (75.400 km2), tal relao no foi observada (LINHARES, 2005). Estes resultados sugerem que, no caso do rio Tocantins, as respostas observadas possam estar relacionadas a alguma dinmica particular do cerrado ou a inconsistncias nos dados analisados, uma vez que as sries histricas de precipitao foram obtidas por interpolaes espaciais (LINHARES, 2005). O autor tambm ressalta que a dificuldade em detectar alteraes nas descargas, devido mudanas no uso e cobertura do solo, pode estar relacionada ao grande volume de gua e energia que circulam nas grandes bacias, ou mecanismos de compensao relacionados s diferentes coberturas do solo ou aos vrios estgios de sucesso. Coe, Costa e Soares Filho (2009) acoplaram um modelo hidrolgico um modelo de circulao geral, mostrando que o desmatamento de grandes reas na Amaznia pode atuar de forma a reduzir a precipitao, compensando o aumento no escoamento resultante da alterao da cobertura vegetal. Devido a este mecanismo de compensao, o efeito do desmatamento na descarga das grandes bacias seria reduzido.

Com o objetivo de compreender o funcionamento da floresta Amaznica e as consequencias e efeitos das mudanas do uso da terra e do clima na floresta e no sistema climtico global, foi iniciado, em 1998, o programa LBA (Programa de Larga

12

Escala da Biosfera e Atmosfera na Amaznia / Large Scale Biosphere Atmosphere Experiment in Amazonia). O LBA ajudou no entendimento de diversas questes sobre a floresta Amaznica, elucidando mecanismos de transporte de nutrientes pelos rios e as consequencias do desmatamento nos mesmos (NEILL et al., 2001; NEILL et al., 2006, BALLESTER et al., 2003; KRUSCHE et al., 2005), descrevendo melhor os efeitos de secas prolongadas na floresta (NEPSTAD et al., 2002; NEPSTAD et al., 2007), quantificando de maneira mais precisa os estoques de carbono na biomassa (VIEIRA et al., 2004; RICE et al., 2004), compreendendo melhor o papel dos ambientes aquticos na ciclagem de carbono (RICHEY et al., 2002), dentre outros. Uma das vertentes do programa LBA visava compreender o funcionamento do ciclo hidrolgico e os efeitos das mudanas na cobertura vegetal e do clima na hidrologia da regio. neste mbito que se insere o presente trabalho onde, a partir da simulao do ciclo hidrolgico de grandes bacias Amaznicas, tinha como meta compreender melhor a hidrologia da regio e obter ferramentas que pudessem auxiliar na compreenso dos efeitos das mudanas de uso e cobertura do solo ou alteraes climticas na resposta hidrolgica das grandes bacias.

Diversos modelos hidrolgicos foram desenvolvidos no mundo inteiro nas ultimas dcadas, cada um com caractersticas prprias e adequadas para diferentes aplicaes. Modelos como TOPMODEL (BEVEN, 1997), SHE (ABBOTT et al., 1986), SWAT (SANTHI et al., 2006), TOPOG (DAWES; HATTON, 1993), DHSVM (WIGMOSTA et al., 2002), entre outros, representam os processos hidrolgicos de maneira mais completa e detalhada, sendo comumente aplicados em pequenas bacias hidrogrficas. O maior empecilho utilizao destes modelos que necessitam de grande quantidade de dados para descrever os processos hidrolgicos, os quais muitas vezes no esto disponveis. Por este motivo, estes modelos tm sido mais empregados em pequenas bacias hidrogrficas, da ordem de alguns quilmetros quadrados. O elevado nvel de detalhe destas aplicaes permite simular no s os processos de transferncia de gua, como tambm processos de transporte de sedimentos, pesticidas e nutrientes dissolvidos na gua. No entanto, a aplicao destes modelos em grandes reas est limitada pela deficincia de dados observacionais distribudos espacialmente de forma adequada para descrever os processos hidrolgicos na bacia.

Uma outra classe de modelos foi desenvolvida com o objetivo especfico de simular o ciclo hidrolgico em grandes reas. Para tal so adotadas simplificaes

13

ou aproximaes que descrevem os processos hidrolgicos. Inicialmente, estes modelos foram desenvolvidos para representar de forma mais adequada os processos de transferncia vertical de energia e massa entre o solo, a vegetao e a atmosfera (SVATS Soil, vegetation, atmosphere transfer scheme) nas clulas dos modelos de circulao geral (MCG), utilizados nas previses de tempo e clima. Por este motivo, as resolues espaciais tratadas nestas aplicaes so da ordem de quilmetros a centenas de quilmetros. Como exemplo se destacam o BATS (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme), o SiB (Simple Biosphere Model) e IBIS (Integrated Biosphere Simulator).

Ampliando esta ltima classe de modelos, processos de transferncia horizontal de gua, inexistente nos SVATS, foram inseridos nas formulaes, permitindo que se simulasse o comportamento hidrolgico de grandes bacias hidrogrficas e no apenas os processos verticais em algumas clulas. Este o caso especfico do modelo VIC-nL (LIANG et al., 1994). Originalmente desenvolvidos como um SVAT, posteriormente foi ampliado para simular o funcionamento de grandes bacias hidrogrficas. Nijssen et al. (2001a) utilizaram o modelo VIC para simular o ciclo hidrolgico em diversas bacias do globo, incluindo a do rio Amazonas, com resoluo espacial de 2 graus. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um mtodo mais prtico para a calibrao do modelo em escala global e na simulao do balano hdrico dos grandes rios do mundo. Desta forma, a aplicao se limitou comparao das descargas simuladas com as observadas. A descarga do rio Amazonas foi bem representada, simulando corretamente a variao mensal porm, subestimando a descarga total em 16%.

O modelo VIC tambm foi utilizado por Nijssen et al. (2001b) para avaliar os efeitos das mudanas climticas em nove grandes bacias, incluindo a do rio Amazonas. As alteraes na temperatura e precipitao, devido ao aumento da concentrao dos gases de efeito estufa na atmosfera, estimadas por quatro modelos de circulao geral (MCG), foram utilizadas para prever alteraes nos ciclos hidrolgicos. Apesar do trabalho dar maior nfase s bacias de latitudes elevadas, onde grande parte da precipitao ocorre sob a forma de neve, algumas concluses foram feitas para a regio Amaznica. Os resultados dos quatro MCGs utilizados mostraram aumento da temperatura de 1C a 4C, bem distribudos ao longo do ano, para as dcadas de 2040 a 2049. A precipitao anual apresentou maior variao entre os modelos, com alguns indicando aumento enquanto outros,

14

reduo. Por este motivo, a descarga simulada do rio Amazonas pelo modelo VIC, utilizando os resultados de diferentes simulaes do clima futuro, apresentou variao, com aumento ou diminuio em relao descarga atual, dependendo do modelo climtico utilizado. Em ambos os trabalhos, Nijssen e colaboradores analisaram apenas os resultados das descargas simuladas nas bacias hidrogrficas, sem avaliar outros fatores como a sazonalidade da evapotranspirao ou diferenas entre bacias, o que mostra que o tema no foi esgotado.

Outros modelos utilizados para a simulao de grandes bacias so IBIS-THMBS (COE, 2000; KUCHARIK et al., 2000) e MGB-IPH (COLLISCHONN, 2001), este ltimo desenvolvido no Instituto de Pesquisas Hidrulicas do Rio Grande do Sul. Todos estes modelos foram utilizados com sucesso para simular o ciclo hidrolgico em diversas bacias como o Mississippi (CHERKAUER; LETTENMAIER, 1999), Arkansaaw-Red (ABDULLA et al., 1996), Tocantins-Araguaia (COE et al., 2002), dentre outras.

Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi verificar a adequabilidade de um modelo de grandes bacias hidrogrficas (VIC-nL) para a regio Amaznica e simular o ciclo hidrolgico de forma a avaliar a evapotranspirao e a descarga das bacias. Este trabalho tambm serve como subsdio para o melhor entendimento da hidrologia na regio, seus efeitos sobre os ciclos biogeoqumicos e os provveis efeitos que as alteraes climticas podem ocasionar no ciclo hidrolgico da Amaznia.

15

2. Material e Mtodos

2.1. Descrio da rea de estudo

Localizada no norte do Brasil e drenando outros cinco pases da Amrica do Sul (Colmbia, Venezuela, Peru, Equador e Bolvia), a bacia amaznica ocupa uma rea de quase 6 milhes km2 (Figura 1) e abriga uma das maiores extenses de floresta tropical nativa do planeta. Considerado o maior rio do mundo quanto extenso de sua rede hidrogrfica e disponibilidade hdrica, a vazo mdia de longo perodo do Amazonas estimada em 209.000 m3s-1, representando 73% da descarga total do Brasil (ANA). A descarga mdia em bidos, um dos ltimos pontos de medida de vazo no rio Amazonas, antes da confluncia com o rio Xingu e Tapajs, de 171.000 m3s-1 (ANA). A precipitao mdia anual da bacia Amaznia varia entre 2000 e 3000 mm ano-1 e as estimativas de evapotranspirao esto na faixa de 3 a 5 mm dia-1 (aproximadamente 1000 a 2000 mm ano-1, WERTH; AVISSAR, 2004).

Figura 1. Localizao da bacia Amaznica, pases pertencentes rea de drenagem, representao dos principais canais de drenagem e altitude da bacia

16

2.2. Descrio geral do modelo Variable Infiltration Capacity (VIC)

O modelo Variable Infiltration Capacity (VIC) (LIANG et al., 1994) foi originalmente desenvolvido para resolver os processos de transferncia vertical de gua e energia entre o solo, a vegetao e a atmosfera nos modelos de circulao geral. Posteriormente, o modelo foi estendido de forma a transferir os fluxos horizontais gerados em cada clula simulada, podendo assim representar as descargas de grandes bacias hidrolgicas. O modelo foi aplicado com sucesso em diversos locais do mundo como o rio Mississipi (CHERKAUER; LETTENMAIER, 1999), o rio Arkansaw-Red (ABDULLA et al., 1996) e at globalmente (NIJSSEN et al., 2001a).

Para o desenvolvimento deste estudo foi utilizada a verso 4.0.5 do modelo VIC-nL. Sua aplicao requer que a bacia simulada seja dividida em diversas clulas onde so calculados os fluxos verticais de gua e energia, alm das descargas superficial e sub-superficial, em cada passo de tempo. Na maioria das aplicaes do modelo VIC, a resoluo espacial das clulas varia de 0,1 a 2 graus, com passos de tempo variando de algumas horas at 24 horas (passo dirio). As clulas no modelo podem apresentar mais de uma cobertura vegetal, caracterizando uma variao dentro da grade (subgrid variation), onde os fluxos de gua e energia entre a vegetao e as camadas de solo so calculados separadamente para cada cobertura vegetal. Cada clula representada por uma ou mais camadas de solo, sendo que o tipo de solo no varia dentro de uma clula. Originalmente o modelo era limitado em duas camadas de solo (VIC-2L), porm, esta limitao foi removida, dando origem ao modelo VIC-nL, onde comumente so utilizadas trs camadas de solo.

A principal caracterstica do modelo VIC a curva de infiltrao varivel, que determina a velocidade mxima de infiltrao de gua e o escoamento superficial em cada uma das coberturas vegetais da clula, de acordo com a umidade do solo. Esta curva representa a distribuio estatstica da capacidade mxima de armazenamento do solo em cada clula do modelo. Clarke (1994), citado por Collischonn (2001), descreve esta abordagem da seguinte forma: uma populao de elementos de armazenamento, ou estreitos tubos verticais, de profundidade varivel, fechados no fundo e abertos no topo (COLLISCHONN, 2001). Desta forma, a partir da umidade do solo pode-se estimar a rea da clula em que o solo

17

se encontra saturado. A precipitao no interceptada pelo dossel, que incide sobre uma rea saturada, ir gerar escoamento superficial. No restante da clula, onde o solo no esta saturado, a gua infiltra e poder ir para as camadas mais profundas, ser utilizada na transpirao da vegetao (dependendo do perfil de distribuio das razes) ou deixar o solo na forma de escoamento de base. Aps todos estes clculos, a umidade do solo daquela clula atualizada e uma nova rea saturada calculada para o passo de tempo seguinte, a partir da curva de infiltrao varivel. Desta forma tem-se, para cada uma das clulas, a estimativa dos fluxos superficiais e de base, bem como da evaporao da gua interceptada e da transpirao da vegetao e valores de umidade do solo em cada uma das camadas em todos os passos de tempo. A Figura 2 representa os fluxos de energia e umidade simulados pelo modelo VIC.

18

Figura 2. Representao esquemtica de uma clula do modelo VIC, com os fluxos simulados e as curvas de infiltrao varivel e fluxo de base. P = Precipitao; E e Ec = Evaporao do solo e dossel; Et = transpirao da vegetao; L e S = fluxos de calor latente e sensvel; Rl e Rs = saldo de radiao de ondas longas e curtas; G = fluxo de calor do solo. I = infiltrao; Q = fluxo de umidade entre camadas de solo; R e B = escoamento superficial e de base. Fonte: Adaptado do website do modelo VIC (http://www.hydro.washington.edu/Lettenmaier/Models/VIC/) .

Ao final do processo de simulao dos fluxos verticais, o escoamento superficial e de base, em todas as clulas da bacia, para todos os passos de tempo, enviado ao modelo de transporte lateral (roteamento), que simula as descargas nas bacias de interesse. A descarga simulada o principal parmetro utilizado para verificar o correto funcionamento do modelo, uma vez que dados de descarga das bacias hidrogrficas so relativamente simples de se obter.

19

Por se basear em uma curva emprica que relaciona a rea superficial saturada de uma clula em funo da umidade do solo, o modelo VIC e demais modelos baseados na curva de infiltrao varivel, como o MGB-IPH, necessitam que alguns parmetros passem por ajustes, de forma a melhorar o desempenho da simulao. Portanto, no modelo VIC, alguns parmetros que descrevem a curva de infiltrao varivel necessitam ser calibrados para cada regio a ser simulada, uma vez que diferentes solos so representados por diferentes parmetros da curva de infiltrao. Este procedimento ser detalhado mais adiante.

Para simular o ciclo hidrolgico, o modelo VIC requer dados sobre forantes meteorolgicas, cobertura vegetal e caractersticas fsicas do solo para cada uma das clulas que representem a bacia hidrogrfica, alm de informaes sobre a rede de drenagem, ou seja, o sentido preferencial do escoamento da gua em cada clula da bacia.

2.3. Parametrizao do modelo VIC para a bacia Amaznica

Para este estudo, a simulao da bacia Amaznica utilizou resoluo espacial de 0,25 e passo de tempo dirio. Foram considerados quatro tipos de uso e cobertura do solo: floresta, cerrado, pastagem e solo exposto, e trs camadas de solo, que inicialmente apresentavam profundidades de 0 a 30 cm, 30 a 100 cm e 100 a 200 cm.

A simulao foi efetuada utilizando dados dirios de 1979 a 2006. Os anos de 1979 a 1990 foram utilizados na calibrao do modelo, quando parmetros da curva de infiltrao varivel, profundidade das camadas de solo e parmetros que controlam a descarga de gua subterrnea foram ajustados. A verificao do modelo foi realizada no perodo posterior, de 1991 a 2006, quando nenhum dos parmetros de calibrao foi alterado. A calibrao do modelo foi efetuada de forma independente nas sub-bacias pertencentes bacia Amaznica.

2.3.1. Delimitao das bacias e rede de drenagem

A bacia Amaznica foi dividida em seis sub-bacias independentes (Figura 3), de acordo com a localizao das medidas de descarga do projeto CAMREX (RICHEY et al., 1980; 1990; 2008). Estes pontos foram escolhidos, pois os dados de descarga permitem a calibrao e verificao do modelo, atravs da comparao entre as

20

descargas simuladas e observadas. As bacias simuladas foram: Negro, Madeira, Purus, Japur, Juru e Santo Antnio do I.

A delimitao das bacias e a extrao da rede de drenagem foram efetuadas com base no modelo digital de elevao (MDE) GTOPO30 (EROS; USGS, 2009), com resoluo espacial de 30 de arco (aproximadamente 1 km). Inicialmente foi aplicado um procedimento para preenchimento de falhas no MDE, que em seguida foi utilizado na gerao do mapa de direo de fluxo. Para manter compatibilidade com a resoluo espacial utilizada pelo modelo VIC, este mapa passou por um processo de reduo da resoluo espacial. O procedimento utilizou o algoritmo desenvolvido por Olivera et al. (2002), capaz de extrair a rede de drenagem em baixa resoluo (0,25o) a partir de mapas com resoluo mais elevada (30). Ao final do processo foram obtidos os limites das bacias a serem simuladas, bem como o mapa de direo de fluxo em escala compatvel com a aplicao do modelo VIC, necessrio para a simulao das vazes.

Figura 3. Bacias Amaznicas utilizadas na simulao hidrolgica. reas delimitadas utilizando o modelo de elevao GTOPO30 e as estaes fluviomtricas do projeto CAMREX

21

2.3.2. Forantes climticas

As forantes climticas necessrias para efetuar a simulao do ciclo hidrolgico no modelo VIC so: precipitao, temperatura do ar (mnima e mxima) e velocidade do vento, todas com passo de tempo dirio e resoluo espacial igual utilizada no modelo. Outros dados climticos como radiao solar e umidade relativa do ar podem ser utilizados, porm, quando no fornecidos, estes so estimados internamente pelo modelo. Neste estudo foram utilizados apenas os dados de precipitao, temperatura e vento.

A estimativa dos dados de radiao solar e umidade pelo modelo VIC feita por um outro modelo, incorporado ao VIC, o MTCLIM verso 4.2. Este utiliza os algoritmos de Kimball, Running e Nemani (1997) e Thornthon e Running (1999) a fim de estimar a radiao solar e a umidade relativa do ar a partir da amplitude trmica diria e precipitao. Estes algoritmos empricos foram desenvolvidos utilizando dados de 40 estaes meteorolgicas dos Estados Unidos, sendo que somente uma se localiza em clima tropical mido (classificao Aw, estao de Miami, Florida - EUA). Esta estao apresentou o maior erro mdio absoluto e o segundo pior desvio na radiao estimada dentre as 40 estaes meteorolgicas estudadas. Thornton e Running (1999) indicaram a necessidade de adaptaes do modelo ao clima tropical (THORNTON; RUNNING, 1999), constatao tambm feita por Almeida e Landsberg (2003), ao comparar os resultados do modelo MTCLIM com dados de estaes meteorolgicas localizadas na regio costeira do Brasil. Outra constatao feita por Thorntton e Running (1999) de que o modelo no apresentou bom desempenho em locais dos Estados Unidos com elevada concentrao de aerossis, o que pode implicar em problemas para a estimativa da radiao incidente na Amaznia nas pocas de queimada. Portanto, a estimativa da radiao solar pelo modelo VIC, a partir da variao diria da temperatura, necessita ser melhor avaliada, o que no pode ser feito neste trabalho.

Os dados dirios de precipitao foram obtidos no banco de dados do Climate Prediction Center (CPC), National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/realtime/GIS/retro.shtml), sendo utilizado o produto Retrospective South American Daily Precipitation Analysis (1978-2004) (2006 version) (SHI et al., 2000; SILVA et al., 2007). Este produto apresenta

22

resoluo espacial de 1, a qual foi reamostrada para 0,25 por interpolao cubic splines.

Assim como outros bancos de dados de precipitao, os dados provenientes do CPC apresentam problemas de sub-estimativa da precipitao andina. Isto ocorre, principalmente, devido ao reduzido nmero de estaes meteorolgicas presentes na regio, resultando em problemas para a modelagem hidrolgica, os quais sero discutidos no item 3.2.1. Comparando a precipitao anual do banco de dados CPC com a proveniente da base CRU05 v2.1 (MITCHELL; JONES, 2005) (Figura 4), podem ser observadas diferenas com os Andes. A base CRU05 contm dados mensais de precipitao e outras variveis climatolgicas, com resoluo espacial de 0,5, obtidos atravs de interpolaes de estaes meteorolgicas. O banco de dados CPC apresenta reduo na precipitao anual medida que avanamos no sentido dos Andes, enquanto no banco de dados CRU05 este efeito no observado. A precipitao anual no Equador mostra claramente este problema. Enquanto no primeiro banco de dados a precipitao no ultrapassa de 1800 mm ano-1; no segundo mesma est prxima a 3000 mm ano-1. Nota-se tambm a presena de uma faixa estreita com precipitao por volta de 1000 mm ano-1, correspondente poro mais elevada da cordilheira. A precipitao anual mdia da Amaznia equatoriana de aproximadamente 3000 mm ano-1 (USACE, 1998). Apesar de representar melhor a precipitao andina, o banco de dados CRU05 tem escala temporal mensal, imprpria para a aplicao aqui apresentada. Portanto optou-se por utilizar a precipitao proveniente do banco de dados CPC.

Figura 4. esquerda) Precipitao anual (mm), mdia 1979 a 2006, base de dados CPC. Note a reduo gradual da precipitao medida que se aproxima dos Andes, principalmente Equador e Peru e direita) Precipitao anual (mm), mdia 1980 a 2000, base de dados CRU05, dados mensais. Neste banco de dados no se observa a diminuio gradual da precipitao medida que se aproxima dos Andes.

23

As temperaturas mnima e mxima do ar, bem como a velocidade do vento, foram obtidas da reanlise climtica do NCEP/DOE Reanalysis II, arquivadas pelo Climate Analysis Branch da NOAA (http://www.cdc.noaa.gov/) com resoluo espacial de 2. Estes dados tambm foram reamostrados para 0,25 pelo mtodo de cubic splines.

2.3.3. Textura do solo

O modelo VIC requer 16 parmetros para descrever as caractersticas do solo, dentre eles a condutividade hidrulica saturada, densidade do solo, capacidade de campo e ponto de murcha permanente. No entanto, para simplificar o funcionamento do modelo, estes parmetros so obtidos a partir de uma tabela que os relaciona com a textura do solo. Assim, apenas mapas de textura do solo, para cada uma das camadas do modelo, so necessrios para a simulao.

Os mapas de solo da bacia Amaznica foram fornecidos por Emilio Mayorga1 que utiliza duas fontes de dados distintas para derivar os mesmos. Na regio Amaznica, fora do territrio brasileiro, o autor utilizou o mapa de solos FAO74 (UNEP-GRID, 1984) aliado ao banco de dados WISE/ISRIC (BATJES, 1997). Para cada classe de solo deste mapa foi calculada a textura mdia a partir da base WISE/ISRIC em duas profundidades, 0 a 30 cm e 30 a 100 cm (1 e 2 camadas do modelo VIC). A textura da 3 camada foi considerada igual a 2 camada. Na regio Amaznica dentro do territrio brasileiro, foi aplicado o mesmo processo, porm empregou-se o mapa de solos da EMBRAPA (EMBRAPA, 1981) juntamente com os perfis do projeto RADAMBRASIL (MORAES et al., 1995; MORAES, 1991; BRASIL, 1973-1984). Por utilizar duas bases de dados diferentes para o mesmo mapa de solos, alguns problemas so visveis na fronteira entre o Brasil e os outros pases da Amrica Latina (Figura 5). No entanto, estes problemas no afetaram de forma significativa os resultados do modelo pois os parmetros de solo so calculados a partir de classes de textura.

1 Comunicao pessoal. Dados no publicados

24

Figura 5. Teor de argila na primeira e segunda camada de solos da bacia Amaznica utilizada na modelagem hidrolgica. Devido as diferentes fontes de dados, o teor de argila na divisa entre Brasil e demais pases da Amrica Latina apresenta variao abrupta

2.3.4. Cobertura vegetal

O mapa de uso e cobertura do solo da Amrica Latina de Eva et al. (2004) (Figura 6), com resoluo espacial de 1 km, foi reamostrado para 0,25 (aproximadamente 25 km), calculando-se a porcentagem de cada cobertura do solo dentro de cada clula do modelo VIC, representando assim uma variao sub-pixel. As 11 classes presentes no mapa original foram agrupadas em quatro classes: Floresta, Cerrado, Pastagem e solo exposto.

25

Figura 6. Mapa de cobertura vegetal na bacia Amaznica, resoluo espacial de 1 km. As 11 classes de cobertura presentes no mapa original foram reagrupadas em trs classes. A resoluo espacial foi reduzida para 0,25, calculando-se a porcentagem de cada cobertura em cada uma das clulas reamostradas. FONTE: Eva et al. (2004)

O modelo necessita que cada classe de vegetao seja descrita com informaes mensais de albedo e ndice de rea foliar (IAF), bem como valores de resistncia estomtica mnima, resistncia da arquitetura, radiao mnima necessria para ocorrer transpirao, rugosidade e deslocamento do plano zero. Estes dados so organizados em uma biblioteca (Tabela 1), a qual foi elaborada a partir de parmetros obtidos na literatura (SANTIAGO, 2005; GASH et al., 1996) e no banco de dados online GLDAS (Global Land Data Assimilation System, http://ldas.gsfc.nasa.gov/).

26

Tabela 1. Parmetros de vegetao utilizados no modelo VIC

Cobertura Resistncia da

arquitetura (s m-1)

Resist. Estomtica Mnima (s m-1)

Radiao mnima para transpirao

(W m-2) Rugosidade

(m) Deslocamento do plano zero

(m) Floresta 25 170 30 2,3 22 Cerrado 3 150 100 0,7 4,02 Pastagem 2 150 75 0,04 0,33 Tabela 1. continuao

IAF Cobertura Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Floresta 5,4 5,4 5,7 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 Cerrado 3,75 3,5 3,55 3,2 3,3 2,85 2,6 2,2 2,0 2,25 2,95 3,85 Pastagem 2,8 2,5 2,2 1,9 1,5 1,2 1,5 1,8 2,0 2,3 2,6 2,8 Tabela 1. continuao

Albedo Cobertura Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Floresta 0,128 0,122 0,121 0,121 0,125 0,13 0,131 0,133 0,134 0,135 0,135 0,134 Cerrado 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Pastagem 0,175 0,171 0,181 0,184 0,187 0,186 0,192 0,187 0,171 0,172 0,177 0,18 FONTE: Santiago, 2005, Gash et al., 1996, GLDAS

2.4. Calibrao do modelo VIC para as bacias Amaznicas

A calibrao do modelo VIC feita atravs do ajuste manual de alguns parmetros, dentre eles a profundidade da 2 e 3 camada de solo, bem como o coeficiente que determina o formato da curva de infiltrao varivel (b_inf) e os parmetros que regulam a drenagem do solo (Ds, Ds_max, e Ws). Tais parmetros so alterados com o intuito de aproximar ao mximo os dados simulados aos observados.

O parmetro que altera a curva de infiltrao varivel (b_inf) controla a distribuio estatstica da capacidade de armazenamento de uma clula do modelo, regulando o percentual da rea saturada da mesma em funo da umidade do solo. O aumento do valor deste parmetro faz com que uma maior rea da clula sature com menor quantidade de gua, aumentando o escoamento superficial e reduzindo a infiltrao. A profundidade da 2a e 3a camadas de solo influenciam na quantidade de gua disponvel para a transpirao, bem como para o escoamento de base. Os parmetros que regulam a drenagem do solo controlam a gerao do escoamento de base, estabelecendo a umidade mnima necessria para iniciar o escoamento de base e a taxa com que a gua deixa a coluna de solo.

A calibrao do modelo para a rea de estudo foi efetuada comparando a descarga mensal simulada com a observada entre 1980 a 1990 (CAMREX). Os parmetros de calibrao foram alterados, independentemente para cada uma das

27

bacias, de forma a maximizar a correspondncia entre a descarga simulada e a observada. Alm da comparao visual entre as descargas, trs ndices de ajuste foram utilizados para avaliar a simulao: Coeficiente de Nash (RNash), Coeficiente de Nash para o logaritmo das vazes (Rlog) e relao entre o volume medido e calculado (V) (Equaes 1 a 3).

2

2

1)Q(t)(Q

(t))Q(t)(Q=RNash

obsobs

calobs (1)

2

2

log lnlnlnln

1 ))(Q(t))(Q((t)))(Q(t))(Q(

=Robsobs

calobs (2)

(t))(Q(t))(Q(t))(Q

=Vobs

obscal (3)

Onde: Qobs(t) e Qcalc(t) so as vazes observadas e calculadas no tempo t,

respectivamente. O coeficiente RNash apresenta valor mximo igual a 1, sendo mais influenciado

pelas vazes mximas. O ajuste considerado adequado quando seu valor superior a 0,75 e aceitvel quando o valor esta entre 0,36 e 0,75 (Tabela 2). O coeficiente Rlog mais influenciado pelas vazes mnimas e tambm possui valor mximo igual a 1. O coeficiente V no possui valores mximos ou mnimos, sendo til para observar se o volume da descarga simulada similar ao observado (COLLISCHONN, 2001).

Tabela 2. Valores de referncia para os coeficientes RNash e Rlog Valor do coeficiente (RNash ou Rlog)

Adequado > 0,75 Aceitvel 0,36 a 0,75

No aceitvel < 0,36 Fonte: COLLISCHONN, 2001

2.5. Verificao do modelo

Aps a calibrao, os parmetros alterados foram fixados e as descargas simuladas em cada bacia, para o perodo de 1991 a 2006, foram comparadas com dados observacionais. Entretanto, os dados de descarga do projeto CAMREX se estendem at meados de 1990 e, dados de descarga mais atuais, disponveis para as estaes fluviomtricas da Agncia Nacional de guas (ANA, 2009), no

28

correspondem s mesmas estaes medidas pelo CAMREX. Portanto, foram desenvolvidas regresses matemticas relacionando as vazes das estaes do projeto CAMREX com estaes da ANA, de forma a estender a srie temporal de descarga nos pontos de verificao do modelo VIC.

Estaes fluviomtricas da ANA, localizadas jusante e montante dos pontos do CAMREX, e com observaes compreendendo grande parte do perodo de estudo (1979 a 2007) foram selecionadas. Em seguida, para cada uma das estaes do CAMREX, regresses estatisticamente significativas foram estabelecidas com os dados de descarga ou cota provenientes das estaes da ANA. Desta forma, pode-se atualizar a descarga nas estaes do CAMREX, estendendo a srie temporal de vazo at meados de 2006. Uma representao esquemtica do procedimento adotado e dos anos cobertos pelos bancos de dados (CAMREX, simulao do modelo VIC e dados estendidos) apresentada na Figura 7. As regresses obtidas entre as descargas do CAMREX (perodo a na figura) e da ANA para os anos de 1974 a 1991 (perodo b) foram utilizadas para gerar os dados estendidos de 1991 a 2007 (perodo c). O modelo VIC foi calibrado comparando-se os dados do CAMREX (a) com o simulado para o mesmo perodo (d). A verificao do modelo VIC se deu pela comparao entre os dados estendidos (c) e simulados (e). Tambm foram efetuadas comparaes entre os dados simulados pelo VIC, de 1980 a 1991 (d), e os dados estendidos (b), a fim de verificar as regresses utilizadas.

29

Figura 7. Representao esquemtica do perodo coberto pelo banco de dados CAMREX, dos dados estendidos por regresses e simulado pelo modelo VIC. Regresses foram obtidas a partir da comparao entre os dados do CAMREX (perodo a) e estaes da ANA (perodo b) e utilizadas para gerar os dados mais atuais (perodo c). A calibrao do modelo VIC foi feita para os anos de 1980 a 1990 (a; d) e a verificao, de 1991 a 2007 (c; e). Tambm foram efetuadas comparaes entre os dados estendidos e simulados de 1980 a 1990 (b; d) a fim de verificar as regresses utilizadas

As estaes da ANA utilizadas para a atualizao dos dados, bem como o perodo atualizado, so apresentadas na Figura 8. Para a estao Juru, os dados do CAMREX compreendiam de Jan-1974 a Nov-1990 e foram estendidos at Nov-2006 utilizando os dados de vazo da estao Gavio, cd. ANA 12840000 (Figura 8a). As descargas da estao do CAMREX Madeira, com cobertura original de Jan-1974 a Mar-1990, foram estendidas de Out-1994 a Jun-2007 utilizando dados de cota das estaes Borba (cd. ANA 15900000), Faz. Vista Alegre (15860000) e Novo Aripuan (15850000) (Figura 8e). A srie histrica da estao Purus, com dados de Dez-1975 a Dez-1988, foi estendida de Dez-1995 a Mai-2007 a partir das cotas das estaes Paricatuba (13980000), Arum jusante (13962000) e Beruri (13990000) (Figura 8d). Os dados da estao Negro, com cobertura original de Jan-1974 a Dez-1988, foram estendidos de Mar-1991 a Jun-2007, a partir da cota da estao Parintins (16350002), Manacapuru (14100000) e da vazo estimada para o Madeira (Figura 8b).

30

Figura 8. Localizao das estaes do projeto CAMREX e da ANA, utilizadas para a extenso da srie de dados. a) Para o Juru foram utilizados dados da estao Gavio. e) Para o Madeira, dados das estaes Borba, Faz. Vista Alegre e Novo Aripuan. d) Para o Purus, dados das estaes Paricatuba, Arum-Jusante e Beruri. b) Para o Negro, dados das estaes Beruri, Parintins, Manacapuru e Madeira.

31

3. Resultados e discusso

3.1. Extenso da srie histrica de descarga do CAMREX

A seguir sero apresentados os resultados obtidos na extenso da srie histrica de descarga das estaes estudadas pelo projeto CAMREX, a partir dos dados de descarga das estaes da ANA.

3.1.1. Rio Juru

A bacia do rio Juru recobre aproximadamente 216.000 km2, com precipitao mdia em torno de 166 mm ms-1. No perodo de estiagem, entre Junho a Setembro, as precipitaes so inferiores a 100 mm mensais. Dados de descarga de 1974 a 1990 (CAMREX) mostram que as menores vazes ocorrem, em geral, com um ms de defasagem em relao s chuvas, de Julho a Outubro.

Medidas de descarga da estao Gavio, arquivada pela ANA sob cdigo 12840000, apresentaram correlao linear estatisticamente significativa com as medidas da estao do CAMREX de Janeiro de 1974 a Novembro de 1990 (Figura 9). Portanto, foi possvel estabelecer uma regresso linear significativa (Equao 4, F < 0,01%) que permitiu calcular os dados de descarga da estao Juru at Novembro de 2006, adicionando aproximadamente 12 anos a srie histrica (Figura 10).

856,65*0088,1 += GavioJuru

(4) Onde Juru = descarga estimada (m3s-1) e Gavio = descarga medida na estao (m3s-1).

32

Figura 9. Relao linear entre descarga medida na estao Juru (banco de dados CAMREX) e descarga medida na estao Gavio (banco de dados da ANA)

Figura 10. Descarga mensal medida na estao Juru e estimada a partir dos dados da ANA. Descontinuidades na linha vermelha so devidas falhas na srie temporal

33

3.1.2. Rio Purus

A bacia do rio Purus drena uma rea de cerca de 355.000 km2, apresenta precipitao mdia de 160 mm ms-1, com perodo seco de Junho a Setembro, quando a precipitao inferior a 100 mm. As descargas mnimas ocorrem entre Setembro e Dezembro, com defasagem de 3 meses em relao s chuvas.

Dados de cota de trs estaes da ANA (Berur, 13990000; Paricatuba, 13980000 e Aruma Jusante, 13962000) foram utilizados para obter uma regresso estatisticamente significativa (f < 0,01%) entre as descargas observadas pelo projeto CAMREX e os dados de cota das estaes da ANA (Figura 11 e Equao 5). Utilizando este modelo, foi possvel estender a descarga da estao Purus at Agosto de 2007 (Figura 12).

8217,640,01890,01844,36515,429 AruPa+PaBeAruPa=Pu (5) Onde Pu = Descarga no rio Purus (m3s-1); Pa = cota de Paricatuba (m); Aru =

cota de Aruma Jusante (m) e Be = cota de Berur (m).

Figura 11. Relao entre a descarga observada na estao Purus (dados CAMREX) e estimada a partir dos dados da ANA

34

Devido a falta de dados de algumas estaes da ANA no perodo de 1996 2005, a srie temporal estendida apresenta algumas falhas. Tambm foram observadas algumas estimativas negativas de descargas (8 em 307 meses), as quais foram descartadas. Este problema provavelmente relacionado extrapolao das equaes de regresso ou problemas nos dados de cota. O mesmo foi constatado em algumas descargas calculadas para o rio Madeira (item 3.1.3).

Figura 12. Descarga mensal medida na estao Purus e estimada a partir dos dados da ANA. Descontinuidades na linha vermelha so devidas falhas na srie temporal

3.1.3. Rio Madeira

A bacia do rio Madeira a maior das quatro bacias em que os dados do CAMREX foram atualizados, drenando 1.224.500 km2. A precipitao mdia nesta bacia de 135 mm ms-1, com perodo de seca de Maio a Setembro, quando a precipitao inferior a 100 mm. O perodo com as menores vazes ocorre de Agosto a Novembro, com dois a trs meses de defasagem em relao s chuvas. Para derivar a equao que descreve a relao entre os dados arquivados pela ANA e pelo CAMREX, foram utilizados dados de cota de 3 estaes da ANA: Borba (15900000), Fazenda Vista Alegre (15600000) e Nova Aripuan (15850000),

35

estabelecendo uma regresso estatisticamente significativa (f < 0,01%) (Figura 13 e Equao 6).

19299,410+1,95+0,0400,05580,013925,179

3

NAVABoNAVA++NABoVABo+NA=Ma

(6)

Onde Ma = descarga do rio Madeira (m3s-1); NA = cota de Nova Aripuan (m); Bo = cota de Borba (m) e VA = cota de Fazenda Vista Alegre (m).

Figura 13. Relao entre a descarga observada na estao Madeira (dados CAMREX) e estimada a partir dos dados da ANA

A equao obtida permitiu calcular as descargas mensais da estao Madeira de Outubro de 1994 a Junho de 2007 (Figura 14). Ao todo, 258 descargas mensais foram estimadas. Em apenas um ms (Out-1994) o resultado foi negativo, provavelmente devido extrapolao dos valores da regresso ou a medidas inconsistentes de cota. Este resultado foi descartado.

36

Figura 14. Descarga mensal medida na estao Madeira e estimada a partir dos dados da ANA. Descontinuidades na linha vermelha so devidas falhas na srie temporal

3.1.4. Rio Negro

Das quatro bacias em que foi efetuado o clculo das vazes atualizadas, a do rio Negro a nica localizada no hemisfrio norte, drenando 706.000 km2. Isso resulta em ciclos de precipitao e descarga diferentes das outras bacias. A precipitao mdia de 187 mm ms-1, com ausncia de meses com menos de 100 mm mensais. As vazes mnimas ocorrem de Novembro a Maro e, as mximas, nos meses de Junho a Julho.

Tentou-se estabelecer uma relao entre as descargas da estao Negro (CAMREX) com os dados de cota da estao Manaus, localizada no rio Negro (ANA: 14990000), uma vez que esta apresenta longa srie temporal, de 1902 a 2005. Porm, a regresso obtida no foi estatisticamente significativa, provavelmente pelo fato da estao da ANA estar prxima confluncia entre os rios Negro e Solimes, no refletindo unicamente as descargas do rio Negro.

A melhor equao para estender os dados desta estao foi estabelecida utilizando dados de vazo da estao Manacapuru (cd. ANA 14100000), dados de cota das estaes Parintins (cd. ANA 16350002) e Beruri (cd. ANA 13990000),

37

juntamente com as descargas estimadas para a estao Madeira do item anterior (3.1.3). Isto resultou em uma regresso com R2 inferior aos observados nas outras regresses (0,95) mas estatisticamente significativa (f < 0,01%) (Figura 15 e Equao 7).

7,14608**0003,0*63,1283,10,4580,98 + MaPaPaMn+MaBe=Ne (7)

Onde Ne = descarga no rio Negro (m3s-1); Be = cota da estao Beruri (m); Ma = descarga estimada para a estao Madeira (m3s-1); Mn = vazo da estao Manacapuru (m3s-1) e Pa = cota da estao Parintins (m).

Figura 15. Relao entre a descarga observada na estao Negro (dados CAMREX) e estimada a partir dos dados da ANA

A melhor equao assim obtida permitiu estender os dados de descarga da estao Negro at Junho de 2007 (Figura 16). Porm, foi observado um aumento de 27% na descarga mdia estimada no rio Negro, de dezembro de 1994 a junho de 2007, em relao ao perodo de agosto de 1974 a outubro de 1983. Este aumento na descarga estimada, o qual no foi constatado nas variveis que compem a equao, indica problemas na extrapolao dos dados, inviabilizando a verificao

38

da simulao hidrolgica do modelo VIC para o perodo de 1994 a 2007 na bacia do Negro.

Figura 16. Descarga medida na estao Negro e estimada a partir dos dados da ANA. Descontinuidades na linha vermelha so devidas falhas na srie temporal

3.2. Simulao hidrolgica das bacias de drenagem

Neste item sero apresentados os resultados das simulaes nas bacias dos rios Santo Antnio do I, Japur, Juru, Purs, Negro e Madeira. Consideraes sobre a evapotranspirao simulada para as bacias dos rios Juru, Purs, Negro e Madeira, principalmente no que diz respeito sazonalidade da ET, sero apresentados no item 3.3.

3.2.1. Bacia de drenagem do rio Santo Antnio do I

A bacia do rio Santo Antnio do I est localizada no extremo oeste da Amaznia (Figura 17), drenando a encosta leste da cordilheira dos Andes. Ao todo, 35 % da bacia de drenagem encontram-se acima da altitude mdia da bacia Amaznica de 308 m. Esta caracterstica dificulta a modelagem hidrolgica, pois a regio possui poucas estaes meteorolgicas (Figura 18), resultando na sub-

39

estimativa do total de chuvas ao se interpolar os dados de precipitao e gerar os dados de entrada do modelo1.

Figura 17. Bacias de drenagem dos rios Santo Antnio do I e Japur

A sub-estimativa da precipitao resultou em descargas simuladas na bacia muito inferiores s observadas (Figura 19). Os coeficientes de ajuste obtidos foram extremamente baixos (RNash = -7,6; Rlog = -33; V = -0,83). Por este motivo, as descargas armazenadas pelo projeto CAMREX para esta bacia no foram atualizadas e no foi efetuada a verificao dos dados modelados. Como consequncia, a simulao da bacia Amaznica como um todo fica comprometida, uma vez que a descarga mdia em Santo Antnio do I (54.715 m3 s-1) aproximadamente 30% da descarga observada em bidos (171.718 m3 s-1) (valores de descarga mdia obtidos da ANA). Estudos prvios realizados na regio indicam o mesmo problema ao simular a descarga do rio Amazonas com diferentes modelos hidrolgicos. Coe et al. (2002) relatam sub-estimativa de 25% da vazo anual simulada em bidos, sendo que 95% deste erro ocorre nos principais tributrios do

1 Comunicao pessoal. Viviane B. S. Silva, Viviane.Silva@noaa.gov

40

Amazonas ao entrarem no territrio Nacional. Ou seja, a sub-estimativa da precipitao nas regies andinas, fora do Brasil, compromete a simulao da bacia.

Figura 18. Estaes meteorolgicas utilizadas na gerao das grades de precipitao. A falta de estaes na Amaznia Andina faz com que a precipitao da regio seja sub-estimada. FONTE: Comunicao pessoal, Viviane B. S. Silva, viviane.silva@noaa.gov

41

Figura 19. Descarga modelada (VIC, linha tracejada) e observada (CAMREX, linha cheia) para a bacia de Santo Antnio do I. Sub-estimativa da precipitao andina impossibilita a simulao correta da descarga

Para melhor compreender a sub-estimativa da vazo modelada, a precipitao mensal mdia da bacia, utilizada como forante no modelo e convertida para m3 s-1, foi comparada descarga mensal mdia da estao Santo Antnio do I, do CAMREX (Figura 20). Analisando a figura nota-se que os valores de precipitao e descarga so muito prximos, ou seja, toda a chuva medida teria que ser escoada pela bacia para se manter a elevada descarga, no restando gua para a evapotranspirao. Com isso temos que a precipitao sobre a bacia de Santo Antnio do I est sub-estimada.

A relao descarga/precipitao mensal tambm pode ser utilizada para avaliar o total de chuvas de uma bacia. Como pode ser observado na Tabela 3, em apenas duas bacias a mediana da razo descarga/precipitao superior a 1, indicando descarga observada superior chuva medida. A elevada relao descarga/precipitao ocorre nas bacias Santo Antnio do I e Japur, ambas com contribuio andina. Costa e Foley (1999), utilizando dados da reanlise climtica do National Center for Environmental Prediction National Center for Atmospheric Prediction (Reanlise NCEP/NCAR), demonstraram que a relao descarga/precipitao para toda a bacia Amaznica de 0,4, resultado similar aos valores medianos obtidos neste estudo para as bacias dos rios Madeira, Juru, Negro e Purus (Tabela 3).

42

Figura 20. Precipitao mdia da bacia de Santo Antnio do I, convertida em m3 s-1 (linha cheia) e a descarga mensal observada (linha tracejada)

Tabela 3. Valores mnimos, medianos e mximos da razo descarga/precipitao mensal para seis bacias Amaznicas, para o perodo de 1979 a 1990.

Razo descarga/precipitao Bacia mnima mediana mxima

Santo Antnio do I 0,7 1,4 5,0 Japur 0,4 1,1 2,4

Madeira 0,05 0,4 7,5 Purus 0,01 0,5 10,8 Juru 0,05 0,4 4,0 Negro 0,2 0,6 2,0

3.2.2. Bacia de drenagem do rio Japur

A bacia do rio Japur (Figura 17) tambm recebe guas da face leste dos Andes. Cerca de 21 % da sua rea encontram-se acima da altitude mdia da bacia Amaznica, o que resulta nos mesmos problemas relatados para Santo Antnio do I. No entanto, a sub-estimativa da precipitao nesta bacia no foi to acentuada quanto em Santo Antnio do I, uma vez que a mediana da razo descarga/precipitao foi menor (Tabela 3). Esta diferena pode ser explicada pela rea de drenagem andina de cada bacia (21% e 35%), a qual menor na da bacia do rio Japur. Contudo, durante o perodo de calibrao, o modelo VIC no foi capaz de simular as descargas para esta bacia (Figura 21) uma vez que a precipitao

43

sobre a regio muito prxima descarga observada (Figura 22). Os coeficientes de ajuste tambm foram muito baixos (Rnash = -2, Rlog = -2,8 e V = -0,48)

Figura 21. Descarga modelada (VIC, linha tracejada) e observada (CAMREX, linha cheia) para a bacia de Japur. Assim como em Santo Antnio do I, a sub-estimativa da precipitao andina impossibilita a simulao correta da descarga

Figura 22. Precipitao mdia da bacia de Japur, convertida em m3 s-1 (linha cheia) e a descarga mensal observada (linha tracejada)

44

3.2.3. Bacia de drenagem do rio Juru

A eficincia do modelo para a bacia do rio Juru (Figura 23), durante a fase de calibrao, foi inferior aos ajustes obtidos nas bacias dos rios Madeira, Purus e Negro. Apesar disso, os coeficientes de ajuste mostraram-se aceitveis (RNash = 0,6, Rlog = 0,72 e V = -0,18), simulando corretamente a descarga (Figura 24), principalmente em relao aos fluxos de base. Os maiores erros na simulao ocorreram no perodo de guas altas, com destaque para o ano de 1983.

Figura 23. Bacia de drenagem do rio Juru

Durante a fase de verificao (Janeiro de 1991 a Novembro de 2006) os coeficientes de ajuste obtidos foram mais baixos (RNash = 0,49, Rlog = 0,63 e V = -0,16), indicando maior desvio dos dados simulados em relao aos observados (Figura 25). difcil estabelecer se a reduo nos coeficientes de ajuste foi resultado do desempenho menos eficiente do modelo VIC ou, se a regresso estabelecida para atualizar os dados de descarga da bacia no foi adequada. No entanto, a regresso utilizada para tal mostrou-se estatisticamente significativa (R2 = 0,99) e os coeficientes de ajuste para o perodo de calibrao, comparando as descargas

45

simuladas pelo VIC com os dados de descarga estimados pela regresso, se mostraram prximos aos obtidos com os dados observacionais do CAMREX (RNash = 0,56, Rlog = 0,69 e V = -0,19).

Os melhores parmetros de calibrao obtidos para esta bacia foram: Profundidade das camadas de solo: 0,3; 0,7 e 2 m (total de 3 metros) Profundidade das razes: 3 m Parmetro b: 0,48 e ds: 0,04 Resistncia estomtica da floresta: 170 s m-1

Figura 24. Descarga mensal simulada e observada para a bacia do Juru. Anos de 1983 e 1988 apresentam grandes erros na simulao do pico de descarga. Nestes anos foi constatada a ocorrncia de El Nio, o que implica que a calibrao do modelo para a bacia do Juru no esta adequada para perodos mais secos

46

Figura 25. Descarga modelada (VIC, linha tracejada) e estimada com base nas regresses do item 3.1.1 (Observado, est., linha cheia) para a bacia do Juru, durante a fase de verificao, compreendendo os anos de 1991 a 2006. Os coeficientes de ajuste foram: RNash = 0,49, Rlog = 0,63 e V = -0,16

Analisando a precipitao mdia na bacia do Juru para o mesmo perodo (Figura 26), observa-se que os anos com maiores secas foram justamente os que apresentaram maiores discrepncias na simulao da descarga no perodo de calibrao (1983 e 1988). O ano de 1983 apresentou a ocorrncia de um forte evento de El Nio (CPTEC, 2009), o qual reduz a precipitao na regio Amaznica. O mesmo fenmeno, porm com intensidade mais moderada, foi relatado em 1988. No perodo de verificao foram relatados ocorrncias de eventos de El Nio, com intensidade moderada a forte, de 1990 a 1998 (CPTEC, 2009). Neste perodo, as descargas simuladas no refletiram corretamente a descarga da estao Juru, implicando que o modelo no foi adequadamente calibrado para os anos mais secos. Nestes anos, provavelmente a umidade do solo deva ter um peso maior na manuteno da descarga assim como da ET, o que no foi corretamente simulado.

47

Figura 26. Precipitao e ET mensal mdia da bacia do Juru. Anos de 1983 e 1988 registraram a ocorrncia de El Nio, resultando em maiores secas e menor ET

Diferentemente das outras bacias, so poucos os meses com precipitao inferior a 50 mm no rio Juru, apenas 21 meses entre os anos de 1979 a 2006. Tal fato pode explicar a pequena variao da ET nesta bacia (Figura 27), com mdia de 119 mm ms-1, mnima e mxima de 47 e 152 mm ms-1, respectivamente. A ET mnima ocorreu em setembro de 2005 e a mxima em janeiro de 1983.

Figura 27. Precipitao e ET mensal mdia para a bacia do Juru. No se observa grande reduo da ET com a diminuio das chuvas

48

3.2.4. Bacia de drenagem do rio Purus

Para a bacia do rio Purus (Figura 28), o ajuste do modelo durante a calibrao (novembro de 1979 a agosto de 1989) tambm foi adequado (Figura 29), com coeficientes de ajuste RNash = 0,789, Rlog = 0,767 e V = -0,081. Porm, durante a fase de verificao do modelo (janeiro de 1996 a dezembro de 2006), o ajuste se mostrou menos adequado (Figura 30), com valores de RNash = 0,65, Rlog = 0,57 e V = -0,124.

Figura 28. Bacia de drenagem do rio Purs

Neste ponto, no foi possvel definir exatamente se a reduo observada nos coeficientes de ajuste (RNash, Rlog e V) foi resultado do desempenho menos eficiente do modelo VIC no perodo de verificao ou algum erro na forma de estender as vazes observadas, atravs de regresses com outras medidas de descarga e cota. No entanto, dois fatos reforam a idia de que o problema est relacionado ao desempenho do modelo VIC: 1) a regresso obtida para a bacia do rio Purus (item 0) foi estatisticamente significativa e com elevado coeficiente R2 (0,99), e 2) os parmetros de ajuste do modelo VIC, obtidos comparando a descarga

49

simulada (VIC) e a estimada pela equao de regresso (eq. 5) para o perodo de calibrao foram elevados (RNash = 0,75, Rlog = 0,65 e V = -0,07), semelhantes aos obtidos utilizando os dados de descarga originais do CAMREX.

Os melhores parmetros de calibrao obtidos para esta bacia foram: Profundidade das camadas de solo: 0,3; 0,7 e 2 m (total de 3 metros) Profundidade das razes: 3 m Parmetro b: 0,002 e ds: 0,15 Resistncia estomtica da floresta: 170 s m-1

Figura 29. Descarga modelada (VIC, linha tracejada) e observada (Camrex, linha cheia) para a bacia do Purus, durante a fase de calibrao, compreendendo os anos de 1981 a 1989. Os coeficientes de ajuste foram bons: RNash = 0,789, Rlog = 0,767 e V = -0,081

50

Figura 30. Descarga modelada (VIC, linha tracejada) e estimada com base nas regresses do item 0 (Observado, est. , linha cheia) para a bacia do Purus, durante a fase de verificao, compreendendo os anos de 1996 a 2006. Os coeficientes de ajuste foram: RNash = 0,65, Rlog = 0,57 e V = -0,124

A ET mdia simulada na bacia do rio Purus foi de 90 mm ms-1 (3 mm dia-1), superior obtida na bacia do rio Madeira. O valor mnimo observado foi de 38 mm ms-1, em Julho de 2005 e o mximo, de 142 mm ms-1 em Maro de 1997. Nesta bacia, a ET est diretamente relacionada precipitao (Figura 31), sendo que meses com menos de 60 mm de chuva apresentam ET superior precipitao, indicando a utilizao da gua armazenada no solo. Meses com precipitao acima de 200 mm no apresentam aumento significativo da ET, indicando um potencial de 120 mm ms-1 (3 mm dia-1) (Figura 32).

51

Figura 31. Precipitao mensal e ET modelada para a bacia do Purus (valor mdio da bacia) de 1979 a 2006

Figura 32. ET modelada e precipitao mensal mdia da bacia do Purus. Meses com menos de 60 mm de chuva apresentam ET superior precipitao. A partir de 200 mm de precipitao mensal, ET tende ao mximo de 120 mm ms-1 (3 mm dia-1)

A umidade do solo tambm est relacionada com a precipitao. Porm, cada camada apresenta uma dinmica distinta. Enquanto a umidade da primeira camada (0 a 0,3 m) est diretamente relacionada precipitao mensal, as camadas mais profundas do solo apresentam uma dinmica cclica, em que o aumento da umidade s perceptvel aps alguns meses com precipitao elevada (Figura 33). Este

52

comportamento cclico ocorre nas camadas mais profundas, notadamente na terceira camada (1,0 a 2,0 m). Com a diminuio das chuvas, no ocorre mais a recarga da umidade nesta camada, porm, ainda existe a retirada da gua do solo tanto pela vegetao, para manter a ET, quanto pelo escoamento de base. Com isso, temos a reduo da umidade do solo medida que a precipitao mensal reduz ao longo do ano. Esta dinmica representada pelos valores distribudos na poro superior da Figura 33, descrevendo o incio do padro cclico observado na terceira camada de solo (ciclo anti-horrio descrito pelo smbolo *). Com o aumento das chuvas, a umidade do solo na terceira camada s comea a aumentar aps a precipitao atingir volume suficiente para manter a ET elevada e gerar excedente hdrico, enquanto que a umidade na primeira e segunda camada de solo se eleva rapidamente. No caso da bacia do rio Purs, o aumento da umidade na terceira camada se inicia quando a precipitao mensal est em torno de 150 a 200 mm ms-1.

Figura 33. Variao da umidade do solo com a precipitao mensal. Camadas 2 e 3 apresentam comportamento cclico, em que o aumento da umidade s ocorre aps significativo aumento das chuvas. Isto ocorre porque, mesmo aps reduo das chuvas, ainda existe retirada de gua, tanto pela vegetao quanto pelo escoamento de base

53

3.2.5. Bacia de drenagem do rio Negro

A simulao da descarga na bacia do rio Negro (Figura 34) apresentou coeficientes de ajuste adequados durante a fase de calibrao, de janeiro de 1981 a dezembro de 1988 (RNash = 0,80, Rlog = 0,76 e V = 0,005) (Figura 35). Porm, para o mesmo perodo, os coeficientes apresentaram reduo quando calculados utilizando os dados de descarga obtidos pela regresso com os dados da ANA (RNash = 0,68, Rlog = 0,52 e V = -0,11). J durante a fase de verificao (outubro de 1994 a outubro de 2006), observa-se uma reduo mais acentuada nos coeficientes (RNash = 0,47, Rlog = 0,42 e V = -0,09) (Figura 36).

Figura 34. Bacia de drenagem do rio Negro

54

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Jan81 Jan82 Jan83 Jan84 Jan85 Jan86 Jan87 Jan88 Jan89 Jan90 Jan91

m3

s1

Meses

Negro descargas mensais

CamrexVIC

Figura 35. Descarga mensal modelada (VIC, linha tracejada) e observada (Camrex, linha cheia) para a bacia do Negro, durante a fase de calibrao, compreendendo os anos de 1981 a 1988. Os coeficientes de ajuste foram bons: RNash = 0,80, Rlog = 0,76 e V = 0,005.

Figura 36. Descarga mensal modelada (VIC, linha tracejada) e estimada com base nas regresses dos dados da ANA para a bacia do Negro, durante a fase de verificao, compreendendo os anos de 1994 a 2006. Os coeficientes de ajuste apresentaram piora: RNash = 0,47, Rlog = 0,42 e V = -0,09

55

Mais uma vez, foi difcil estabelecer se os menores valores nos coeficientes de ajuste resultam da maneira com que os dados de descarga do perodo de verificao foram obtidos ou, do desempenho menos eficiente do modelo hidrolgico. Apesar de significativa, a equao empregada para atualizar os dados de descarga da estao Negro utiliza dados obtidos de outra regresso (Madeira), o que pode causar acmulo de erros. Alm disso, os dados obtidos pela regresso mostram um aumento na descarga de quase 27% entre o perodo inicial, quando se estabeleceu a equao de regresso (agosto de 1974 a setembro de 1983: vazo mdia de 28.529 m3s-1) e o perodo de verificao (abril de 1993 a dezembro de 2006: vazo mdia de 36.192 m3s-1). Como este aumento significativo no observado em nenhuma das variveis independentes que fazem parte da regresso ou na descarga simulada pelo modelo VIC, acredita-se que a equao de regresso estabelecida para o Negro no seja passvel de extrapolaes.

Os melhores parmetros de calibrao obtidos para esta bacia foram: Profundidade das camadas de solo: 0,3; 0,7 e 3 m (total de 3 metros) Profundidade das razes: 3 m Parmetro b: 0,80 e ds: 0,10 Resistncia estomtica da floresta: 170 s m-1

Assim como na bacia do rio Juru, a ET na bacia do rio Negro no apresenta forte relao com a precipitao, sendo que fortes redues da ET mensal so observadas apenas em meses com precipitao inferior a 100 mm, como nos anos de 1980, 1983, 1985 e 1990 (Figura 37). Como esta bacia a que apresenta a maior precipitao mdia e o menor nmero de meses com precipitao abaixo de 50 mm (Tabela 4), tem-se que a variao da ET mensal ao longo do ano baixa, com valores raramente acima da precipitao mensal (Figura 38).

56

50

100

150

200

250

300

350

1980 1982 1984 1986 1988 1990

mm

ms

1

PrecipitaoEvapotranspirao

Figura 37. Precipitao e ET mensal mdia da bacia do Negro. Quedas acentuadas na ET somente so observadas nos meses em que a precipitao mensal apresenta forte reduo, abaixo de 100 mm ms-1 (1980, 1983, 1985 e 1990).

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300 350 400

ET (m

m m

s1 )

Precip mensal (mm ms1)

Negro mensal1:1

Figura 38. ET modelada e precipitao mensal mdia da bacia do Negro. Diferentemente das outras bacias, o Negro apresenta poucos meses com baixa precipitao mdia, sendo que em apenas um ms foi constatada precipitao inferior a 50 mm. A ET mensal no apresenta forte reduo com a diminuio das chuvas e somente um ms apresentou ET superior a precipitao.

57

Tabela 4. Precipitao mensal mnima, mdia e mxima, de 1979 a 2006, para as 4 bacias estudadas e nmero de meses no perodo com precipitao mensal inferior 50 mm, e com ET superior precipitao

Precipitao (mm ms-1) Bacia

mnima mdia mxima

Meses com precipitao

inferior 50 mm

Meses com ET superior

precipitao Madeira 6 135 325 76 74 Purus 9 159 349 47 62 Juru 8 166 375 21 102 Negro 47 187 368 1 1

3.2.6. Bacia de drenagem do rio Madeira

Como demonstrado pelos valores de RNash (0,884), Rlog (0,833) e V (-0,025), o ajuste do modelo para a bacia do rio Madeira (Figura 39) mostrou-se adequado durante a fase de calibrao, de janeiro de 1979 a abril de 1990 (Figura 40). Durante a fase de verificao, de maro de 1996 a julho de 2006 (Figura 41), os coeficientes de ajuste obtidos tambm foram adequados (RNash = 0,87, Rlog = 0,77 e V = -0,07). A mediana da razo descarga/precipitao para esta bacia foi 0,64, indicando que aproximadamente 35% da precipitao da bacia evapotranspirada.

Os melhores parmetros de calibrao obtidos para bacia foram: Profundidade das camadas de solo = 0,3; 0,7 e 2,0 m (total = 3 m) Profundidade de razes da floresta = 3 m b = 0,15; ds = 0,25 Resistncia estomtica mnima = 170 s m-1

58

Figura 39. Bacia de denagem do rio Madeira

Figura 40. Descarga mensal modelada (VIC, linha tracejada) e observada (Camrex, linha cheia) para a bacia do Madeira de 1981 a 1990 (Perodo de calibrao). Coeficientes de ajuste se mostraram muito bons: RNash (0,884), Rlog (0,833) e V (-0,025)

59

Figura 41. Descarga mensal modelada (VIC, linha tracejada) e estimada com base nas regresses do item 3.1.3 (Observado, est. , linha cheia) para a bacia do Madeira de 1996 a 2006 (perodo de verificao). Coeficientes de ajuste se mostraram muito bons: RNash (0,884), Rlog (0,833) e V (-0,025)

A ET mensal mdia simulada para a bacia do rio Madeira foi de 80 mm ms-1, com mnima de 23 mm ms-1, de julho a agosto, e mxima de 129 mm ms-1, de dezembro a maro. O valor mdio obtido (2,7 mm dia-1) est abaixo dos valores relatados na literatura de 3 a 5 mm dia-1 (VILLA NOVA; SALATTI; MATSUI, 1976; LEOPOLDO et al., 1982; WILLMOTT; ROWE; MINTZ, 1985; WERTH; AVISSAR, 2004). Da mesma forma, o valor para a menor ET mensal (23 mm ms-1) est muito baixo. Estes valores sero discutidos no item 3.3.

A simulao tambm mostrou grande limitao da ET pela disponibilidade hdrica. Meses com precipitao abaixo de aproximadamente 50 mm apresentaram ET superior precipitao, indicando a utilizao da gua armazenada no solo. Nos meses com precipitao acima de 200 mm, no se observou incremento na ET mensal, que ficou em torno de 120 mm ms-1, indicando que esta seria a ET mxima (potencial) da bacia (Figura 42).

60

Figura 42. Precipitao e ET mensal para o Madeira (mdia da bacia), de 1979 a 2006. Linha tracejada representa relao 1:1. Meses com precipitao abaixo de 70 mm apresentaram ET superior a precipitao indicando utilizao da gua armazenada no solo. Meses com precipitao acima de 200 mm tiveram ET prxima da potencial, 4 mm dia-1

O padro cclico da umidade do solo tambm observado nesta bacia, sendo mais pronunciado nas camadas mais profundas (Figura 43). Nota-se que a umidade da terceira camada s comea a aumentar a partir de 200 mm ms-1 de precipitao, enquanto que a variao da umidade na primeira camada segue diretamente a precipitao.

61

Figura 43. Variao da umidade do solo com a precipitao mensal. Camadas 2 e 3 apresentam comportamento cclico, em que o aumento da umidade s ocorre aps significativo aumento das chuvas. Isto ocorre porque, mesmo aps reduo das chuvas, ainda existe retirada de gua, tanto pela vegetao quanto pelo escoamento de base

Na segunda camada de solo, a qual est mais relacionada ET, observa-se que as diferenas na umidade do solo dentro de uma mesma faixa de precipitao diminuem quando a precipitao mensal atinge aproximadamente 150 mm, ponto este em que a ET mdia da bacia de 90 mm ms-1 (3,0 mm dia-1). Ou seja, nesta simulao, somente aps a vegetao atingir uma taxa mais elevada de ET que a umidade do solo volta aos nveis observados no final do perodo das chuvas (Figura 44). Medidas observacionais da umidade do solo na Reserva Jaru (lat 10S) e em um stio amostral prximo Santarm (lat 3S, lon 54,6O), demonstraram que a umidade do solo em profundidades inferiores a 1 metro imprescindvel para manter a evapotranspirao da floresta na poca seca (BRUNO et al., 2006; NEGRN JUREZ et al., 2007) e que a umidade do solo nestas camadas na poca seca depende da precipitao que ocorreu na poca chuvosa anterior (NEGRN JUREZ et al., 2007). Isso pode significar que uma seqncia de anos com precipitao mais baixa seria suficiente para ocasionar a depleo da umidade do solo, uma vez que a recarga das camadas mais profundas ficaria comprometida. Tal constatao foi observada por Bruno et al. (2006), que aps um ano de forte seca, identificaram um pequeno declnio na umidade do solo na poca chuvosa nos anos subsequentes, na

62

regio de Santarm. Dependendo da intensidade e durao das pocas secas, a umidade do solo nas camadas mais profundas pode ser reduzida a tal ponto que sua recarga completa pode levar alguns anos (BRUNO et al., 2006).

Figura 44. ET e umidade da segunda camada de solo em relao a precipitao mensal. Padro cclico da umidade do solo se reduz quando precipitao mensal capaz de manter ET mais elevada

3.3. Consideraes sobre a ET: bacias de drenagem dos rios Madeira, Purus, Juru e Negro

A ET mensal mdia simulada para as bacias dos rios Madeira (80 mm ms-1) e Negro (86 mm ms-1) foi ligeiramente inferior aos valores encontrados na literatura. Na bacia dos rios Juru e Purs, a ET mensal mdia simulada ficou dentro da faixa de valores comumente encontrada em outros estudos (Tabela 5). Diversos trabalhos, clssicos e recentes, utilizando metodologias diferentes e medidas em locais distintos, relatam uma ET mdia entre 3 e 5 mm dia-1 (90 a 150 mm ms-1) (VILLA NOVA; SALATTI; MATSUI, 1976; LEOPOLDO et al., 1982; LEOPOLDO, FRANKEN E VILLA NOVA, 1995; WILLMOTT; ROWE; MINTZ, 1985; COSTA; FOLEY, 1999; WERTH; AVISSAR, 2004). Villa Nova, Salatti e Matsui (1976) aplicaram o mtodo de Penman em dados de estaes meteorolgicas localizadas na bacia amaznica. Foi encontrada ET mdia de 4 mm dia-1. Leopoldo et al. (1982) e Leopoldo, Franken e Villa Nova (1995), utilizando o mtodo do balano hdrico em

63

uma bacia hidrogrfica instrumentada, em floresta de terra firme, chegaram a concluso de que a ET da floresta da ordem de 4,1 mm dia-1. adaptado para condies de floresta. Costa e Folley (1999), trabalhando com dados de reanlise climtica NCEP/NCAR, estimaram a ET entre 3,8 e 4,3 mm dia-1. Neste trabalho apresentada uma tabela com a estimativa da ET amaznica efetuada por diversos outros autores, com valores sempre dentro da faixa de 3 a 5 mm dia-1.

A relao ET/PPT nas bacias, simulada pelo modelo VIC (Tabela 5), esta prxima ao valor obtido pela reanlise NCEP/NCAR, de aproximadamente 60% (COSTA; FOLLEY, 1999).

As ETs mensais mximas, nas quatro bacias, ocorreram nos meses de dezembro a abril. A mxima simulada para bacia do rio Madeira foi obtida em janeiro de 1984. As mximas para as bacias dos rios Purus (142 mm ms-1) e Juru (153 mm ms-1) foram observadas maro de 1997 e janeiro de 1983, respectivamente. Para a bacia do Negro, a ET mensal mxima (113 mm ms-1) ocorreu em abril de 1983.

A ET mensal mnima, simulada na bacia do Negro (46 mm ms-1), ocorreu em novembro de 2004. As ETs mensais mnimas simuladas nas bacias dos rios Madeira, Purus e Juru foram observadas entre junho e setembro, durante os meses com menor precipitao. A mnima das bacias dos rios Purus (37 mm ms-1) e Juru (47 mm ms-1) ocorreram em julho e setembro de 2005, respectivamente. Neste ano foi observada uma seca muito intensa na regio Amaznica, considerada uma das maiores dos ltimos 100 anos (MARENGO et al., 2008). Este evento afetou principalmente a regio sudeste e oeste da Amaznia, local das bacias dos rios Purus e Juru, sem atingir a poro central e leste da Amaznia, o que difere dos eventos de seca relacionados ao El Nio (MARENGO et al., 2008).

Na Tabela 5 so listadas duas simulaes distintas para a bacia do rio Madeira. A primeira (solo 3m) se refere simulao em que a profundidade total das camadas de solo de 3 metros. Apesar de apresentar valores muito baixos de ET mensal mnima, esta simulao foi a que se obteve o melhor ajuste entre as descargas simuladas e observadas. Os dados apresentados no item 3.2.6, sobre a simulao hidrolgica da bacia do rio Madeira, so referentes calibrao do modelo com 3 metros de profundidade de solo. A segunda simulao apresentada na Tabela 5 (solo 7m) foi efetuada aumentando-se a profundidade total das camadas de solo at 7 metros. Apesar de no ter sido efetuada uma calibrao detalhada na segunda

64

simulao, esta mostrou que a baixa ET mensal mnima, encontrada na primeira simulao, era devido pequena profundidade do solo.

Tabela 5. Evapotranspirao mnima, mdia, mediana e mxima mensal para as bacias simuladas e a relao ET / Precipitao, utilizando os valores medianos para cada bacia.

Evapotranspirao (mm ms-1) Bacia mnima mdia mediana mxima

ET / PPT (mediana)

Madeira (solo 3m) 23,14 80,00 83,22 129,15 0,64

Madeira (solo 7m) 60,86 97,20 96,20 139,26 0,72

Purus 37,72 89,53 95,03 142,00 0,58 Juru 47,13 119,27 120,22 152,59 0,72 Negro 45,92 85,80 86,92 113,52 0,48

A ET mensal mnima simulada na bacia rio do Madeira (simulao solo 3m) muito baixa (23 mm ms-1 em agosto de 1988, inferior a 1 mm dia-1). A partir de dados de reanlise climtica, Marengo (2005) mostrou que a ET mdia da bacia amaznica inteira oscila entre 4 a 5 mm dia-1 durante o ano. J na poro sul da bacia, onde se encontra a bacia do rio Madeira, a ET variou de 5 mm dia-1 (meses de dezembro e janeiro) a um pouco menos que 3 mm dia-1. Comparando diferentes modelos e mtodos para a estimativa da ET na bacia amaznica, Werth e Avissar (2004) no encontraram nenhum resultado onde a ET mensal fosse inferior a 1 mm ms-1. Rollenbeck e Anhuf (2007) encontraram ET mdia de 4 mm dia-1 na floresta tropical amaznica da Venezuela, com ET mensal raramente inferior a 1,7 mm dia-1 (50 mm ms-1). Portanto, a ET mensal muito baixa obtida para a bacia do rio Madeira um forte indicativo de que a simulao da evapotranspirao no esta correta, apesar do ajuste das descargas ter sido adequado. A baixa ET encontrada est relacionada pequena profundidade do solo utilizada nesta simulao. Foram efetuadas simulaes com uma maior profundidade das camadas de solo. Estas visavam corrigir dois problemas: 1) a baixa ET mensal simulada e 2) a partio da ET em seus diferentes componentes (interceptao e transpirao). O aumento na profundidade dos solos resultou em um aumento da ET mensal mnima, de 23 mm ms-1 para 61 mm ms-1, com pequena alterao na ET mediana e mxima (Tabela 5). No entanto, o aumento na profundidade do solo no foi efetivo para sanar problemas na partio da ET em seus componentes, o qual ser discutido mais adiante.

65

A relao entre a ET e a precipitao nas bacias de drenagem mostrou uma clara limitao da evapotranspirao pelas chuvas nas bacias do Purus e Madeira (Figuras 32 e 42). Werth e Avissar (2004), comparando diferentes mtodos para estimar a ET na bacia Amaznica, concluram que, dependendo da formulao e das caractersticas do modelo utilizado, a ET mxima pode ocorrer juntamente com o perodo chuvoso ou no. Modelos baseados no balano hdrico, com ET sendo limitada pela gua disponvel no solo, ou modelos que superestimam o controle da vegetao sobre a ET, tendem a encontrar ET mxima durante o perodo chuvoso (WERTH; AVISSAR, 2004). Por outro lado, mtodos baseados no saldo de radiao, ou que ignorem o controle fisiolgico sobre a ET, relatam valores mximos durante o perodo de menores chuvas, quando h maior radiao disponvel devido baixa cobertura de nuvens (WERTH; AVISSAR, 2004). O modelo VIC, quando rodado com passo de tempo dirio, simplifica o balano de energia, alm de estimar o saldo de radiao a partir da variao da temperatura diria. Estas duas simplificaes, aliadas ao fato de terem sido utilizadas camadas de solo pouco profundas, fizeram com que a ET simulada fosse limitada pela gua disponvel, a qual reduzida durante o perodo mais seco, quando se tem maior quantidade de radiao disponvel.

Diferentemente dos resultados encontrados neste estudo, diversos trabalhos observacionais ou baseados em dados de sensoriamento remoto, vm mostrando que a ET na Amaznia influenciada pela disponibilidade de energia (da ROCHA et al., 2004; SOUZA FILHO et al., 2005; NEGRN JUREZ et al., 2007). Portanto, a ET maior durante a poca com menor pluviosidade, quando a menor cobertura de nuvens aumenta a energia disponvel. Apesar desta ser uma poca mais seca, a floresta capaz de utilizar a gua armazenada nas camadas mais profundas do solo (NEPSTAD et al., 1994; ALVES; FISCH; VENDRAME, 1999; da ROCHA et al., 2004; BRUNO et al., 2006).

Utilizando medidas de eddy covariance em uma rea de floresta tropical no leste da Amaznia (lat 3S, lon 54,6O), da Rocha et al. (2004) constataram que a evapotranspirao da floresta na poca seca superior poca chuvosa (3,96 mm dia-1 vs. 3,18 mm dia-1). Na reserva florestal de Caxiuan, no estado do Par (lat 1,7S, lon 51,5O), Souza Filho et al. (2005), observaram uma ET de 2,9 mm dia-1 durante o perodo chuvoso (precipitao de 300 mm ms-1) e ET de 4,3 mm dia-1 durante o perodo de seca (precipitao de 50 mm ms-1). Neste mesmo estudo, os

66

autores calcularam o fator de desacoplamento () de Jarvis & McNaughton, que indica se a ET mais sensvel ao saldo de radiao ( = 1) ou ao controle efetivo da vegetao ( = 0) (SOUZA FILHO et al., 2005). Durante o perodo da manh, o fator de desacoplamento observado varia entre 0,7 e 0,9, indicando grande controle da ET pelo saldo de radiao. No perodo da tarde, este valor diminui para o 0,50, indicando um aumento do controle da vegetao (SOUZA FILHO et al., 2005). No entanto, este valor ainda indica um controle, mesmo que menor, do saldo de radiao sobre a ET. Estes resultados reforam a hiptese que a ET da floresta Amaznica limitada pela radiao.

Huete et al. (2006) e Saleska et al. (2007), utilizando imagens do sensor remoto Moderate Resolution Imaging Spectroratiometer (MODIS) juntamente com medidas de eddy covariance, mostraram que a floresta Amaznica fica mais verde (greening) durante a poca seca. Neste perodo ocorre o crescimento de novas folhas na vegetao nativa (floresta tropical mida), enquanto as reas perturbadas (pastagens) secam. Esta observao explica as medidas de aumento da fotossntese da floresta durante esta poca (HUETE et al., 2006) e est relacionada com as observaes do aumento da ET.

Para as reas desflorestadas (culturas e pastagens), a metodologia por sensoriamento remoto indicou uma diminuio da vegetao verde, o que resultaria em reduo da fotossntese (HUETE et al., 2006) e, consequentemente, da ET. Tal comportamento decorre do sistema radicular menos profundo das culturas e pastagens, o que implicaria em uma limitao da ET por gua disponvel. Todas as constataes feitas por Huete et al. (2006) foram efetuadas estudando a seca ocorrida no ano