Trabalho de Conclusão de Curso - UFSC · Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado...

Análise das mudanças nos regimes de precipitação e vazão no sul do Brasil entre 1975 e 2010

Vinícius Bogo Portal Chagas

Trabalho de Conclusão de Curso

Universidade Federal de Santa Catarina Graduação em Geografia


ANÁLISE DAS MUDANÇAS NOS REGIMES DE PRECIPITAÇÃO E VAZÃO NO SUL DO BRASIL ENTRE 1975 E

2010

Trabalho apresentado à Universidade Federal de Santa Catarina para a conclusão do Curso de Graduação em Geografia. Orientadora: Profª. Drª. Janete Josina de Abreu Coorientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe

Florianópolis 2016


ANÁLISE DAS MUDANÇAS NOS REGIMES DE PRECIPITAÇÃO E VAZÃO NO SUL DO BRASIL ENTRE 1975 E

2010

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do título de Bacharel em Geografia pela Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianópolis, 29 de novembro de 2016.

________________________ Prof. Dr. Carlos José Espindola

Coordenador do Curso

Banca Examinadora:

________________________ Prof.ª Dr.ª Janete Josina de Abreu

Orientadora Universidade Federal de Santa Catarina

________________________ Prof. Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe

Coorientador Universidade Federal de Santa Catarina

________________________ Prof. Dr. Everton da Silva

Universidade Federal de Santa Catarina

________________________ Prof.ª Dr.ª Marina Hirota Magalhães

Universidade Federal de Santa Catarina

AGRADECIMENTOS

Em um mundo onde nem todos tem a chance de cursar o ensino superior, me considero uma pessoa de sorte por ter tido a chance de fazer uma graduação. Esta chance me foi dada pelos meus pais, que desde minha infância vêm incentivando o aprendizado, o ensino, a educação. Agradeço profundamente a eles por esta oportunidade, sem a qual este trabalho não teria sido possível.

Ao longo dos últimos anos alguns professores tiveram forte influência na minha formação, o que acabou influenciando também neste trabalho. Agradeço aos professores Everton, Marcelo, Angela, Janete, Roberto, Arthur, Carlos, Pedro, Elson, e Franke pelo esforço utilizado para o ensino, pelas conversas, e por terem me direcionado ao longo da minha graduação.

Agradeço aos amigos e colegas integrantes do Laboratório de Hidrologia da UFSC. As discussões, sugestões, críticas, e os incentivos foram essenciais para a execução deste trabalho.

À minha adorável namorada, Gabriéla. Sempre me fez buscar o equilíbrio, o conhecimento, e a felicidade em fazer as coisas que tenho maior paixão. Por toda a graduação, me incentivou a ser uma pessoa cada vez melhor e a fazer um trabalho cada vez melhor.

Aos primos Fábio e Gabriel, cujas conversas sempre me incentivaram e me levaram a profundas reflexões sobre a vida e o universo em que vivemos.

Ao Daniel pela oportunidade de estágio, onde aprendi a trabalhar com grandes áreas de estudo e grande quantidade de dados, tendo enorme influência neste trabalho.

Aos professores Marina e Everton, pelas sugestões dadas ao trabalho e pela disponibilidade em participar da banca.

À professora Janete, pela disponibilidade na orientação, pelo acompanhamento, e pela confiança depositada no trabalho.

Por fim, um agradecimento especial ao professor Pedro, que foi fundamental em todos os aspectos deste trabalho. Além de um grande professor, foi um orientador que sempre incentivou a dar um passo além. Agradeço imensamente pela confiança, pela oportunidade de orientação, e pelo entusiasmo na realização deste trabalho.

RESUMO A variabilidade temporal e espacial do regime de precipitação e

de vazão define os principais usos da água. Entretanto, esta variabilidade não é inteiramente compreendida. O sul do Brasil passou por uma das maiores mudanças nos regimes de precipitação e vazão do planeta ao longo do século XX. Os menores afluentes dos principais rios no sul do país ainda não tiveram suas mudanças avaliadas. Este trabalho analisou tendências de mudanças no regime de 675 estações de medição de precipitação e 142 de vazão, para o período de 1975 a 2010. Os dados avaliados estão na escala diária e são disponibilizados pela Agência Nacional de Águas. Foram avaliadas um total de nove características do regime de precipitação e de vazão. Para cada característica foi calculado um índice, que teve suas tendências na escala interanual quantificadas com regressão linear e com o teste estatístico de Mann-Kendall. As principais tendências observadas foram descritas. Foi observado que as maiores mudanças no regime de precipitação ocorreram no estado do Paraná. O centro-norte do Paraná teve uma redução na precipitação média e nos eventos de precipitações altas. O restante do Paraná teve um aumento na precipitação média, na precipitação máxima anual, e na quantidade de eventos de precipitações altas. Todo o estado teve aumento na quantidade de dias não-chuvosos e na intensidade média de cada evento de precipitação. As mudanças no regime de vazão foram observadas por todo o sul do país. Ocorreram independentemente da área da bacia hidrográfica, e diversas vezes com tendências opostas dentro de suas sub-bacias. A vazão média aumentou na maior parte do sul do país. Houve uma redução na sazonalidade da vazão no Rio Grande do Sul e em Santa Catarina. A frequência dos eventos de vazões altas aumentou substancialmente em Santa Catarina e no Paraná. As bacias do centro-oeste do estado do Paraná tiveram grande aumento na duração dos eventos de baixa vazão. Foi observado que, em diversas características do regime, as mudanças na vazão foram opostas às mudanças na precipitação. Tal fato indica que outras causas podem estar interferindo nas mudanças no regime de vazão, com a influência humana nas bacias hidrográficas uma das possíveis causas.

Palavras-chave: Sul do Brasil. Mudanças no regime de

precipitação. Mudanças no regime de vazão.

ABSTRACT The temporal and spatial variability of the precipitation and river

flow regime define the main water uses. But this variability is not fully understood. The southern Brazil had one of the largest changes in the precipitation and flow regime on the world along the 20th century. The smaller tributaries of the main rivers in the south of the country have not had their changes evaluated yet. This work analyzed trends in the regime of 675 gauges of precipitation and 142 of river flow, for the period of 1975 to 2010. The analyzed data are in the daily timescale and are available from the Brazilian Water Agency. There was analyzed a total of nine characteristics of the precipitation and flow regime. For each characteristic and index was calculated, which had their trends quantified in the interannual scale with linear regression and with the Mann-Kendall’s statistic test. The main observed trends were described. It was observed that the larger changes in the precipitation regimes are in the state of Paraná. The center-northern of Paraná had a reduction in the mean precipitation and in the high precipitation events. The remaining of Paraná had an increase in mean precipitation, maximum annual precipitation, and the quantity of high precipitation events. All the state had an increase in the quantity of non-rainy days and in the mean intensity of precipitation events. The changes in the river flow were observed through all of the southern Brazil. It was independent of the basin’s area, and in many times with opposite trends in different parts of the sub-basins. The mean flow increased in the largest part of the south of the country. There was a reduction in the seasonality of the flow in the states of Rio Grande do Sul and Santa Catarina. The frequency of high flows increased substantially in Santa Catarina and Paraná. The basins of the center-north of the Paraná state had big increase in the duration of the low flow events. It was observed that, for many characteristics of the regime, the changes in river flow were opposite to those in precipitation. This fact indicates that other causes may be interfering in the changes on the flow regime, with the human interference in the basins being a possible cause.

Keywords: Southern Brazil. Changes in the precipitation regime.

Changes in the river flow regime.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Armazenamentos e fluxos da água na bacia hidrográfica (a); a bacia hidrográfica como um sistema (b). ............................................ 21

Figura 2 – Esquema com as principais causas das mudanças no regime de vazão. ................................................................................................ 23

Figura 3 – Área de estudo, região sul do Brasil; disposição das estações de medição de precipitação e de vazão analisadas, divididas de acordo com as principais bacias hidrográficas da região. ................................. 36

Figura 4 – Histograma das áreas das 142 bacias hidrográficas analisada neste estudo. .......................................................................................... 37

Figura 5 – Usos da terra e Usinas Hidrelétricas de Energia cujas bacias hidrográficas estão inteiramente no sul do Brasil. ................................. 38

Figura 6 – Falhas e consistência nos dados das estações analisadas, entre 1975 e 2010. (A) falhas nas estações pluviométricas; (B) falhas nas estações fluviométricas; (C) dados não consistidos nas estações pluviométricas; (D) dados não consistidos nas estações fluviométricas. ............................................................................................................... 40

Figura 7 – Exemplo da quantidade de eventos de vazão acima do limiar de longo prazo do percentil 90 (gráfico superior) ou abaixo do percentil 10 (gráfico inferior). Cada seta indica a ocorrência de um evento. A série de vazão é para o ano de 2007 do rio Negro, afluente do rio Iguaçu no norte de SC. ...................................................................................... 44

Figura 8 – Exemplo do índice de sazonalidade de Markham para duas bacias hidrográficas no ano de 2010. O gráfico superior é a série mensal de vazão do rio Guaporé, com índice igual a 0,011. O gráfico inferior é a série mensal de vazão do rio Corumbataí, com índice igual a 0,522. ... 45

Figura 9 – Geração da curva de permanência a partir de duas séries diárias de vazão do ano de 2006: na esquerda, para o rio Camaquã, no RS; na direita, para o rio Goio-Erê, no PR. ........................................... 46

Figura 10 – Precipitação e vazão anual média no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .......................................................................................... 53

Figura 11 – Tendências observadas na precipitação e na vazão média anual no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ............................................ 55

Figura 12 – Precipitação e vazão diária máxima registrada no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ..................................................................... 57

Figura 13 – Tendências observadas na precipitação e na vazão diária máxima anual no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .............................. 58

Figura 14 – Tendências observadas na quantidade de eventos por ano acima do percentil 90, para precipitação e vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .......................................................................................... 60

Figura 15 – Tendência das vazões mínimas anuais do rio Iguaçu, próximo à foz, para o período de 1975 a 2010. A tendência é igual a 0,015 mm por ano. ................................................................................ 62

Figura 16 – Tendências observadas no percentil 20 da precipitação e nas vazões diárias mínimas anuais, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ... 63

Figura 17 – Número médio de dias não-chuvosos por ano e quantidade de eventos abaixo do percentil 10 de vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ................................................................................................... 64

Figura 18 – Tendências observadas no número de dias não-chuvosos (precipitação abaixo de 1 mm) por ano e na quantidade de eventos de vazão abaixo do percentil 10, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ...... 66

Figura 19 – Número médio dos dias não-chuvosos consecutivos e duração média dos eventos abaixo do percentil 10 de vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ..................................................................... 67

Figura 20 – Tendência da duração média dos eventos abaixo do percentil 10, para o rio Piquiri, próximo à foz, de 1975 a 2010. A tendência para cada ano foi igual a 0,3 dia por ano. ............................. 68

Figura 21 – Tendências observadas na duração média dos dias não-chuvosos consecutivos e na duração média dos eventos de vazão abaixo do percentil 10, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ............................ 69

Figura 22 – Índices de sazonalidade de Markham para precipitação e para vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ................................... 70

Figura 23 – Tendências observadas na sazonalidade da precipitação e da vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .......................................... 71

Figura 24 – Intensidade média dos eventos chuvosos (precipitação > 1mm) e declividade da curva de permanência, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .......................................................................................... 73

Figura 25 – Tendências observadas na intensidade média dos eventos chuvosos e na taxa de variabilidade da vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. .......................................................................................... 74

Figura 26 – Soma total da quantidade de índices do regime que tiveram as maiores mudanças (maior ou menor que 1,5 desvios padrão), no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. ................................................................. 76

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na precipitação no sul do Brasil. ................................................................ 27

Tabela 2 - resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na vazão dos rios do sul do Brasil. ............................................................. 32

Tabela 3 – Índices usados para avaliar as mudanças no regime de vazão, de acordo com as nove subcategorias do regime. .................................. 43

Tabela 4 – Índices usados para avaliar as mudanças no regime de precipitação, de acordo com as nove subcategorias do regime. ............ 48

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO- .......................................................................... 19

1.1 OBJETIVOS ......................................................................... 20

1.1.1 Objetivo geral ........................................................... 20

1.1.2 Objetivos específicos ................................................. 20

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................... 21

2.1 OS PROCESSOS HIDROLÓGICOS ................................... 21

2.2 MUDANÇAS GLOBAIS NO REGIME DE PRECIPITAÇÃO E DE VAZÃO .................................................................................. 24

2.3 MUDANÇAS NO REGIME DE PRECIPITAÇÃO NO SUL DO BRASIL .................................................................................... 26

2.3.1 Causas das variações na precipitação no sul do Brasil ...................................................................................... 29

2.3.1.1 Oceano Atlântico tropical ..................................................... 29

2.3.1.2 Oceano Pacífico .................................................................... 29

2.3.1.3 Zona de Convergência do Atlântico Sul ................................ 31

2.4 MUDANÇAS NO REGIME DE VAZÃO NO SUL DO BRASIL ........................................................................................... 31

3 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................... 35

3.1 ÁREA DE ESTUDO ............................................................. 35

3.2 SELEÇÃO DAS ESTAÇÕES E DO PERÍODO DE ANÁLISE ........................................................................................ 38

3.3 DELIMITAÇÃO DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS ......... 41

3.4 PREENCHIMENTO DAS FALHAS NOS DADOS ............ 41

3.5 ESCOLHA E CÁLCULO DOS ÍNDICES ........................... 41

3.5.1 Índices para o regime de vazão ............................... 42

3.5.1.1 Frequência e duração dos eventos para vazões .................... 43

3.5.1.2 Sazonalidade ......................................................................... 45

3.5.1.3 Curva de permanência e taxa de variabilidade da vazão ..... 46

3.5.2 Índices para o regime de precipitação .................... 47

3.6 TESTE ESTATÍSCO PARA TENDÊNCIAS ...................... 49

3.7 QUANTIFICAÇÃO DAS TENDÊNCIAS ........................... 51

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................. 53

4.1 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES MÉDIAS ................... 53

4.2 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES ALTAS ..................... 56

4.3 FREQUÊNCIA PARA CONDIÇÕES ALTAS .................... 59

4.4 DURAÇÃO PARA CONDIÇÕES ALTAS ......................... 61

4.5 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES BAIXAS ................... 61

4.6 FREQUÊNCIA PARA CONDIÇÕES BAIXAS .................. 64

4.7 DURAÇÃO PARA CONDIÇÕES BAIXAS ....................... 67

4.8 SAZONALIDADE ............................................................... 70

4.9 TAXA DE VARIABILIDADE DA VAZÃO E INTENSIDADE DA PRECIPITAÇÃO .......................................... 72

4.10 BALANÇO TOTAL DAS MUDANÇAS NO REGIME ..... 75

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ................................. 77

5.1 MUDANÇAS OBSERVADAS NO REGIME DE PRECIPITAÇÃO............................................................................. 77

5.2 MUDANÇAS OBSERVADAS NO REGIME DE VAZÃO 77

5.3 RECOMENDAÇÕES ........................................................... 78

REFERÊNCIAS .................................................................................. 79

APÊNDICE A – PERÍODO DE OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS E FLUVIOMÉTRICAS ................... ............. 91

APÊNDICE B – ESTAÇÕES DESCARTADAS OU ALTERADAS DEVIDO A DADOS DUVIDOSOS ................................................... 93

APÊNDICE C – DELIMITAÇÃO DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS ............................................................................ 95

APÊNDICE D – FREQUÊNCIA DE EVENTOS DE CONDIÇÕES ALTAS ................................................................................................. 97

APÊNDICE E – DURAÇÃO DE EVENTOS DE CONDIÇÕES ALTAS ................................................................................................. 99

APÊNDICE F – MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES BAIXAS .. 101

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1 INTRODUÇÃO- Os regimes climáticos e hidrológicos, em diversas regiões do

globo, não se tratam de regimes estacionários (MILLY et al, 2008; KOUTSOYIANNIS, 2013). Leopold (1994), por exemplo, traz a ocorrência de mudanças no clima e nas vazões dos rios da América do Norte e Europa desde o início do século XX, mostrando não se tratar de ocorrências recentes. A variabilidade natural do clima não é completamente entendida (KOUTSOYIANNIS, 2013), da mesma forma que sua consequência nas bacias hidrográficas também não são completamente entendidas (SUN et al, 2012).

A partir dos anos 1970, diversas mudanças no regime hidrológico foram registradas em todos os continentes, quer sejam elas causadas pela interferência do homem ou por um processo natural (MILLY et al, 2005; KUNDZEWICZ et al, 2013).

O Brasil não escapa à regra. Diversas regiões do norte e do sudeste apresentaram tendência decrescente de precipitação a partir de 1979 (RAO et al, 2015). É esperado, para parte da Amazônia e para o nordeste brasileiro, reduções na precipitação em até 20% até 2100 (LLOPART et al, 2014).

O sul do país, diferente das demais regiões, teve significativa tendência de aumento nas precipitações (BARROS et al, 2008; DOYLE et al, 2012; SUN et al, 2012; RAO et al, 2015). Da mesma forma, apresentou também um aumento nas vazões dos maiores rios da região (MILLY et al, 2005; PASQUINI; DEPETRIS, 2007; DOYLE; BARROS, 2011). Estas mudanças no regime de precipitação e de vazão no sul do país estão entre as maiores observadas no mundo, para o século XX (PIAO et al, 2007; MILLIMAN et al, 2008; SUN et al, 2012; CHADWICK et al, 2015).

O Brasil possui particularidades com relação ao uso da água. Em 2014 as hidrelétricas foram responsáveis por 63,8% da matriz energética do país (MME, 2014). Também em 2014, atividades econômicas relacionadas à agropecuária foram responsáveis por 22% do PIB do país, equivalente a 1,1 trilhões de reais (MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2014). Diversos desastres estão relacionados ao ciclo da água, como inundações em Santa Catarina (HERRMANN, 2005), arenização no sudoeste do Rio Grande do Sul (SUERTEGARAY, 2011), e intensificação da erosão hídrica no noroeste do Paraná (SANTOS, WESTPHALEN, 2013).

Portanto, nota-se que a segurança hídrica nacional está presente como um fator de grande importância ao país. A segurança hídrica

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busca o desenvolvimento das atividades socioeconômicas; a proteção aos desastres naturais; o uso dos recursos hídricos como um recurso sustentável às próximas gerações e que não comprometa o ecossistema (MONTANARI et al, 2013). O estudo e o levantamento de dados sobre a disponibilidade da água são fundamentais para a gestão dos recursos hídricos (TUNDISI; MATSUMURA-TUNDISI, 2011) e para evitar possíveis conflitos gerados por uma eventual escassez (HORNBERGER et al, 2014). Sendo assim, fica evidente a necessidade de um acompanhamento das variações temporais e espaciais no regime hidrológico.

Este trabalho busca avaliar as mudanças que ocorreram no regime de precipitação e de vazão no sul do país. As mudanças são quantificadas e espacializadas. Caso apresentem maiores riscos a desastres naturais ou às atividades econômicas, espera-se apoiar o gerenciamento dos recursos hídricos por parte das esferas de gestão. Da mesma forma, espera-se subsidiar um melhor entendimento sobre quais são as maiores causas e consequências das alterações no regime. Para isso, são analisadas diversas características dos regimes de precipitação e de vazão. Estas características são analisadas também nos afluentes dos principais rios do sul do Brasil, em uma escala ainda não realizada por estudos já realizados.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral

O objetivo geral deste trabalho é analisar as tendências

observadas no regime de chuvas e de vazão da região sul do Brasil entre os anos de 1975 e 2010.

1.1.2 Objetivos específicos

Os objetivos específicos são: a) Identificar as tendências no regime de chuvas da região sul do

Brasil de 1975 a 2010; b) Identificar as tendências no regime de vazão da região sul do

Brasil de 1975 a 2010; c) Identificar quais regiões no sul do Brasil sofreram as maiores

alterações no regime de chuvas e vazão entre 1975 e 2010.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 OS PROCESSOS HIDROLÓGICOS

No contexto das bacias hidrográficas, os processos hidrológicos podem ser vistos como armazenamentos e fluxos da água (HORNBERGER et al, 2014; TETZLAFF et al, 2013). A água é armazenada em diversos compartimentos como a atmosfera, a vegetação, o solo, o subsolo, os rios e lagos. Entre estes compartimentos o fluxo é dirigido por processos hidrológicos como a precipitação, interceptação, evaporação, infiltração, transpiração, percolação, escoamento superficial e subterrâneo (figura 1a).

Figura 1 – Armazenamentos e fluxos da água na bacia hidrográfica (a); a bacia hidrográfica como um sistema (b).

Fontes: elaborado a partir das descrições de Chow et al (1988) e Hornberger et al (2014).

Portanto, a bacia hidrográfica pode ser interpretada como um sistema (CHOW et al, 1988). Este sistema tem como entrada a precipitação e como saída a vazão e a evapotranspiração. Os demais processos hidrológicos podem ser vistos como processos internos da

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bacia (figura 1b). São estes processos internos que controlam o comportamento hidrológico da bacia (WAGENER et al, 2013). Eles definem a distribuição da vazão no tempo (saída do sistema) a partir de uma precipitação distribuída no tempo (entrada do sistema). O que decorre disto é que o regime de vazão não pode ser inferido unicamente a partir do regime de precipitação associado. Da mesma forma, mudanças que ocorrem no regime de vazão também não podem ser inferidas unicamente a partir de mudanças no regime de precipitação.

Kundzewicz e Gerten (2014) dividem os fatores que levam às mudanças no regime de vazão em climáticos e não-climáticos. Pode ser feita uma analogia com mudanças na entrada do sistema da bacia hidrográfica (precipitação) ou com mudanças no processamento interno deste sistema (processos hidrológicos).

Segundo esquematizado (figura 2), os fatores climáticos se dividem em evapotranspiração e precipitação. A evapotranspiração é dependente de variáveis como a concentração de CO₂ na atmosfera, temperatura, velocidade do vento, umidade relativa do ar, entre outros (HORNBERGER et al, 2014). O regime de precipitação é dependente, na escala global, do fornecimento de umidade dos oceanos para a atmosfera, da transferência desta umidade para os continentes, e da reciclagem da precipitação nos próprios continentes (HARTMANN, 1994). Portanto, o regime de precipitação varia segundo a temperatura da superfície dos oceanos e a circulação atmosférica global e regional. Alguns exemplos que levam a alterações nos oceanos e na circulação atmosférica são fenômenos como o El Niño e o La Niña, a Oscilação Decenal do Pacífico, e a Oscilação Multidecenal do Atlântico, que serão tratados mais adiante.

Ainda segundo Kundzewicz e Gerten (2014), fatores não-climáticos também podem ser as causas das mudanças no regime de vazão. São divididos em regulações diretas no ciclo hidrológico (reservatórios, canalização dos rios, irrigação, transposição) e mudanças no uso da terra. As mudanças no uso da terra pela ação antrópica levam a diversas mudanças nos processos hidrológicos e nos regimes de vazão, sendo destacados como possivelmente a maior causa das alterações no ciclo hidrológico (MILLY et al, 2008; STERLING et al, 2013; MONTANARI et al, 2013; TAYLOR et al, 2013).

Um dos exemplos de uso da terra que leva a mudanças nos processos hidrológicos é a substituição das florestas nativas pela agricultura. A substituição da floresta densa e perene pelo plantio anual reduz a evapotranspiração anual, levando ao aumento da vazão total anual (STERLING et al, 2013).

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Uma vez que a vegetação é removida e o solo fica desprotegido, seus agregados presentes são desmanchados, levando à redução dos macroporos presentes no solo, sua compactação, e à redução da infiltração em diversas ordens de grandeza (FETTER, 2000; LEPSCH, 2011). A redução na infiltração pode reduzir a recarga do aquífero, tendo como possível consequência a redução das vazões mínimas nos rios, o aumento na duração do período de estiagem (FETTER, 2000; DE VRIES; SIMMERS, 2002), e a maior variabilidade da vazão na escala diária, mensal, e anual (SAWICZ et al, 2011). Por outro lado, a redução da infiltração no solo pode aumentar o escoamento superficial, o que levaria ao aumento no pico das cheias (BLÖSCHL et al, 2015). Figura 2 – Esquema com as principais causas das mudanças no regime de vazão.

Fontes: elaborado a partir das descrições de Hartmann (1994), Hornberger et al (2014), e Kundzewicz e Gerten (2014).

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2.2 MUDANÇAS GLOBAIS NOS REGIMES DE PRECIPITAÇÃO E DE VAZÃO

Entre 1901 e 1999 foi estimado um aumento na vazão média

anual de todos os rios no globo em aproximadamente 0,17 mm por ano (PIAO et al, 2007). O trabalho estimou a tendência usando um modelo biogeoquímico e biogeográfico (modelo ORCHIDEE) a partir de dados observados. Apesar da incerteza apresentada pelo modelo, entre 50 e 55% do aumento na vazão foi estimada como sendo devido às mudanças de uso da terra. O principal motivo disto foi a redução na evapotranspiração causada pelo desflorestamento. O restante do aumento da vazão foi atribuído às mudanças climáticas, em particular com o aumento da precipitação (PIAO et al, 2007).

Sterling et al (2013) avaliou mais detalhadamente a redução observada na evapotranspiração dos continentes. Para isso, usaram mais de 1500 estimativas de evapotranspiração encontradas na literatura. Indicam que a substituição da vegetação nativa pelos usos da terra (até 2012) reduziu a evapotranspiração média global ao redor de 5%. Desta redução, encontraram que a metade é causada pela substituição da vegetação nativa pelo plantio não irrigado. A pecuária contribui com uma redução na evapotranspiração 10% menor que o plantio não irrigado, apesar de ocupar uma área maior que este. A construção de reservatórios e a cultura irrigada contribuem ao volume de evapotranspiração dos continentes em cerca de 1%.

Existe grande incerteza nas estimativas globais de mudança de regime no século XX. As fontes de coleta de dados eram insuficientes para o uso na escala global (KUNDZEWICZ; GERTEN, 2014). Podemos ter maior confiança nas análises sobre a segunda metade do século XX.

Com relação à precipitação global, Sun et al (2012) avaliou diversos bancos de dados globais para o período de 1940 a 2010. A precipitação média dos continentes não teve tendência de aumento ou de diminuição. Tal resultado está de acordo com a observação de Milliman et al (2008), onde a vazão média de 137 grandes rios globais também não apresentaram tendências para a segunda metade do século XX. Entretanto, as décadas de 1950, 1970, e 2000 tiveram grandes picos na precipitação nos continentes (SUN et al, 2012). A variabilidade da precipitação (somadas na escala intra-anual, inter-anual, e inter-decenal) diminuiu cerca de 5% entre 1940 e 1999. Foi seguida por um aumento de 6% entre 2000 e 2010 (SUN et al, 2012). Foi observado semelhante

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para as precipitações intensas (percentil 99), com um aumento na década de 2000 (SUN et al, 2012).

Ainda que não tenham sido encontradas tendências na vazão e na precipitação média dos continentes, na segunda metade do século XX as tendências tiveram grande variabilidade espacial. Na segunda metade do século XX a precipitação anual foi reduzida principalmente na África subsaariana, sul da Europa, Oriente Médio, sul e leste da Ásia (MILLIMAN et al, 2008; SUN et al, 2012; CHADWICK et al, 2015). Os maiores aumentos foram no sudeste da América do Sul, incluindo o sul do Brasil, no norte da Europa, e no norte e noroeste da Austrália. As vazões médias dos maiores rios globais, de maneira geral, também acompanharam as mudanças da precipitação, apesar de serem encontradas diversas exceções (MILLY et al, 2005; PIAO et al, 2007; MILLIMAN et al, 2008).

As variabilidades regionais, entretanto, não têm um padrão espacial muito claro. Não podem ser avaliadas segundo o paradigma de que “os ambientes úmidos ficarão mais úmidos, e os secos mais secos” (GREVE et al, 2014). Greve et al (2014) avaliou dados de precipitação e de evaporação globais entre 1948 e 2005. Foi observado que 75,4% da superfície terrestre não teve mudanças significativas na precipitação e na evaporação anual. Uma parte desta fração pode ser atribuída às incertezas nos dados (GREVE et al, 2014). Ainda assim, das áreas restantes, 13,8% tiveram o paradigma de “úmido ficará mais úmido e seco mais seco” não confirmado e 10,8% confirmado. Portanto, este paradigma não deve ser usado para previsões futuras das mudanças regionais no regime de precipitação, uma vez que não apresentam um padrão global (GREVE et al, 2014; CHADWICK et al, 2015).

As previsões de mudanças na precipitação para o século atual são muito incertas. Chadwick et al (2015) avaliaram um conjunto de 44 previsões de modelos climáticos globais. Segundo os autores, as únicas previsões que todos os modelos concordam são que as mudanças serão maiores que a variabilidade natural do clima; e que mudanças ocorrerão em diversas regiões do globo. A magnitude e até mesmo o sinal destas magnitudes são incertas. Isto inclui todas as regiões do Brasil.

Em um contexto global de mudanças regionais no regime de precipitação e vazão, o Brasil aparece com alguns destaques. Dentre as quais podem ser citadas (segundo Piao et al, 2007; Milliman et al, 2008; Sterling et al, 2012; Sun et al, 2012; Feng et al, 2013; Chadwick et al, 2015):

26

I - A Amazônia oriental e a região litorânea do nordeste tiveram tendências positivas na precipitação média acima de 1,8 mm por ano entre 1940 e 2010;

II - A região do semiárido nordestino teve diminuição na precipitação média total, na sua variabilidade, e na vazão;

III - O centro-oeste e o cerrado, enquanto não apresentaram tendências para a precipitação média, tiveram uma redução na sazonalidade, redução na evapotranspiração e consequente aumento na vazão média, em particular na bacia do Paraná;

IV - O sul do Brasil e o litoral do sudeste são citados como uma das principais regiões no mundo com aumento tanto na precipitação quanto na vazão média para o século XX.

2.3 MUDANÇAS NO REGIME DE PRECIPITAÇÃO NO SUL DO

BRASIL Apesar de diversas pesquisas encontrarem aumentos na

precipitação média no sul do Brasil ao longo do século XX, esta tendência não foi homogênea ao longo do tempo. Um fator de destaque no aumento da precipitação ocorreu durante a década de 1970. A década de 1970 trouxe mudanças climáticas em todo o continente sul-americano, observadas na temperatura, precipitação média, sazonalidade, entre outros (CARVALHO et al, 2011; JAQUES-COPER; GARREAUD, 2015). Este processo foi denominado de “salto climático” (do inglês “climate shift”). Apesar das causas ainda serem incertas, o “salto climático” observado na década de 1970 está relacionado a mudanças na temperatura e circulação das águas do oceano Pacífico (JAQUES-COPER; GARREAUD, 2015). O importante disto é que, dependendo do período de análise escolhido, são observadas diferentes tendências na precipitação no sul do Brasil. As tendências na precipitação podem ser diferentes caso a análise tenha início antes ou depois da década de 1970.

A tabela 1 traz o resumo de algumas pesquisas que analisaram as mudanças na precipitação no sul do Brasil. As pesquisas foram avaliadas de acordo com o período de análise, fonte dos dados, método utilizado para quantificar as tendências e característica da precipitação. Ocorreram mudanças em diversos aspectos da precipitação, que em grande parte da região tendem à maior precipitação total: aumentos na precipitação média, intensidade média, máxima anual, frequência de precipitações intensas; e diminuição na duração do período sem chuvas. Outras tendências encontradas foram o aumento na sazonalidade em

27

parte da região; além da redução nas precipitações de menor intensidade (tabela 1).

Tabela 1 – resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na precipitação no sul do Brasil (continua). Notas: “P” indica precipitação; “TR” indica tempo de retorno; “PR” Paraná; “SC” Santa Catarina; “RS” Rio Grande do Sul; “ANA” Agência Nacional de Águas; “ANEEL” Agência Nacional de Energia Elétrica; e “INMET” Instituto Nacional de Meteorologia

Autor Região Período Dados Método utilizado Variável Resultado

Ha

ylo

ck e

t al (

200

6)

Sul do Brasil

1960 a 2000

715 estações, incluindo

todo o litoral do Brasil (Global

Historical Climatological Network).

Dados diários.

Regressão linear por

tau de Kendall

Intensidade média dos dias com P ≥ 1 mm

Tendência positiva: PR e SC. Tendência

negativa: RS

Dias com P ≥ 20 mm

Tendência positiva: toda a região

P máxima anual

Tendência negativa: litoral PR e sudeste

RS. Tendência positiva: restante da

região.

Dias com P ≥ percentil

95

Tendência negativa: centro de SC.

Tendência positiva: restante da região

Ba

rro

s e

t al

(200

8)

Sul do Brasil

1960 a 1999

35 estações (ANEEL).

Dados diários

Regressão linear e

teste t de student

P média anual

Tendência negativa: norte do PR.

Tendência positiva: restante da região

Re

e B

arr

os

(200

9) SC e

norte do RS

1959 a 2002

8 estações (ANA). Médias

móveis de 2 dias.

Relação: 1983 a

2002 por 1959 a 1978

Frequência de P acima dos limiares 50 e 75 mm

Tendência positiva: relação acima de 1 para toda a região

Va

rga

s e

t al (

201

1)

Sul do Brasil

1943 a 1998


Dados diários.

Regressão linear e teste de Mann-Kendall

Média anual dos dias

consecutivos sem P

Tendência negativa: toda a região, com

exceção do PR

Máxima anual dos

dias consecutivos

sem P

Tendência negativa: toda a região, com exceção do sudeste do RS e oeste do PR

28

Tabela 1 – resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na precipitação no sul do Brasil (conclusão). Notas: “P” indica precipitação; “TR” indica tempo de retorno; “PR” Paraná; “SC” Santa Catarina; “RS” Rio Grande do Sul; “ANA” Agência Nacional de Águas; “ANEEL” Agência Nacional de Energia Elétrica; e “INMET” Instituto Nacional de Meteorologia.

Autor Região Período Dados Método utilizado Variável Resultado

Do

yle

et a

l (20

12

)

Sul do Brasil

1960 a 2005

19 estações (ANA). Dados diários.

Regressão linear.

P média anual

Tendência positiva: acima de 4 mm/ano para toda a região

P média entre os

percentis 10 e 35

Tendência negativa: entre -1 e -3 mm para

toda a região.

P média acima do

percentil 90

Tendência positiva: entre 1 mm/ano e 10 mm/ano (maior no

oeste de SC)

Na

um

ann

et a

l (2

012

)

Sul do Brasil

1959 a 1998


Dados diários.

Regressão linear e

coeficiente de

correlação r.

P média anual

Tendência positiva: significativa apenas

no RS Média das

três P máximas anuais

Tendência positiva: significativa apenas

no RS

Pin

hei

ro e

t al (

201

3)

Sul do Brasil

1940 a 2005

18 estações (ANA). Dados diários.

Diferença: 1975 a 2005

menos 1940 a 1970

P média anual

Tendência positiva: acima de 200 mm para a maioria das

estações.

Regressão linear e teste de Mann-Kendall

P máxima anual para TR de 100

anos

Tendência positiva: acima de 0,5 mm/ano

para 13 estações.

Rao

et a

l (2

015

)

Sul do Brasil

1979 a 2011

Grid de 0,5 grau de lat.

e lon. (Climate Research Center e INMET)

Não informado

P média anual

Tendência positiva: até 10 mm/ano no

RS. Tendência negativa: até -10

mm/ano no centro-oeste do PR.

P média no semestre

mais chuvoso

Tendência positiva: até 5 mm/ano em toda a região, com

exceção do oeste do PR.

P média no semestre menos

chuvoso

Tendência negativa: até -5 mm/ano em SC

e PR.

29

2.3.1 Causas das variações na precipitação no sul do Brasil As tendências observadas na precipitação não indicam que elas

continuarão nas décadas futuras. A extrapolação das tendências para o futuro é incerta, uma vez que o regime climático ocorre em ciclos com tendências ora positivas, ora negativas (KOUTSOYIANNIS, 2013). Estes ciclos estão presentes tanto na escala intra-anual, como na sazonalidade (CARVALHO; JONES, 2009); inter-anual e decenal, com as variações nos oceanos Pacífico e Atlântico (GRIMM, 2009; KAYANO; ANDREOLI, 2009); e na escala de séculos, com as variações globais (BAKER; FRITZ, 2015).

Os ciclos no regime climático são responsáveis por grande parte da variabilidade na precipitação. Portanto, as mudanças que ocorrem nestes ciclos são, em parte, responsáveis pelas mudanças ocorridas no regime de precipitação no sul do Brasil. Algumas das principais causas das mudanças na precipitação citadas na literatura são: a variabilidade do oceano Atlântico tropical; na Zona de Convergência do Atlântico Sul; e no oceano Pacífico (CAVALCANTI et al, 2009).

2.3.1.1 Oceano Atlântico tropical

A influência da temperatura da superfície do oceano Atlântico na

variabilidade no clima é notada nas escalas de décadas (SEAGER et al, 2010) e de séculos (BAKER; FRITZ, 2015). Nestas escalas de longo prazo, as águas do oceano Atlântico tropical são responsáveis por grande parte da variabilidade da precipitação no sul do Brasil (SEAGER et al, 2010; VUILLE et al, 2012). Segundo Seager et al (2010), há forte relação entre o aumento da umidade no sul do Brasil e o resfriamento das águas do oceano Atlântico tropical. O aumento na precipitação média ao longo do século XX foi acompanhado da diminuição na temperatura média do oceano Atlântico tropical (SEAGER et al, 2010).

2.3.1.2 Oceano Pacífico

A influência da temperatura da superfície do oceano está

relacionada à maior variabilidade da precipitação nas escalas inter-anual e inter-decenal (SEAGER et al, 2010). As variações na temperatura da superfície do oceano Pacífico são relacionadas a dois fenômenos principais: a Oscilação Decenal do Pacífico, e o El Niño.

A Oscilação Decenal do Pacífico (ODP) é a oscilação que ocorre na temperatura da superfície do mar, e na pressão no nível do mar,

30

levando a consequências climáticas em diversas regiões do globo. Durante a fase quente da ODP são observados resfriamentos das águas na parte norte do oceano Pacífico; e aquecimentos das águas ao longo da costa das Américas (MANTUA; HARE, 2002). No caso do sul do Brasil, as fases quentes tendem ao aumento na precipitação, enquanto as fases frias levam a poucas mudanças (KAYANO; ANDREOLI, 2007).

Diversas mudanças na ODP ocorreram no século XX, sendo algumas delas abruptas e com grandes consequências no sul do Brasil. A maior destas mudanças, ocorrida na década de 1970 e relacionada ao “salto climático” (ou “climate shift”), substituiu a fase fria pela fase quente da ODP. As causas da ocorrência da fase quente da ODP são relacionadas também à ocorrência de outro fenômeno, o El Niño (NEWMAN et al, 2016). Portanto, o que se seguiu da substituição na década de 1970 é uma maior ocorrência de eventos de El Niño, em oposição aos eventos de La Niña (MANTUA; HARE, 2002).

O El Niño é o aquecimento anormal da superfície do oceano Pacífico tropical central e leste, associado também a anomalias na pressão (ASHOK; YAMAGATA, 2009). La Niña é a situação oposta, com o resfriamento da superfície do oceano. Ambos os fenômenos são divididos em central, que ocorrem no Pacífico tropical central; ou leste, que ocorrem no Pacífico tropical central em conjunto com a parte ao leste, junto à costa da América do Sul equatorial.

O El Niño é possivelmente o fator de maior impacto na variabilidade inter-anual da precipitação no sul do Brasil (GRIMM, 2011). Sua ocorrência está relacionada a condições mais úmidas no sul do Brasil. Por exemplo, o El Niño leste está relacionado ao aumento na precipitação média anual em pelo menos 1 mm por dia (TEDESCHI; CAVALCANTI; GRIMM, 2013). Por outro lado, o El Niño central não tem esta tendência tão definida (TEDESCHI; CAVALCANTI; GRIMM, 2013). Ambas as fases do El Niño estão associadas à maior frequência e intensidade de eventos extremos de precipitação (GRIMM; TEDESCHI, 2009; TEDESCHI et al, 2015). De maneira oposta, nos anos de La Niña, principalmente na porção leste do Pacífico, é esperada uma redução na precipitação média e na frequência dos eventos extremos (TEDESCHI; CAVALCANTI; GRIMM, 2013; TEDESCHI et al, 2015).

Portanto, as mudanças climáticas da década de 1970 ocorridas no Pacífico levaram ao aumento na ocorrência de El Niño. Este, por sua vez, leva à maior precipitação no sul do Brasil. Com isso, ambos estes fatores são responsáveis por parte das tendências observadas na região.

31

2.3.1.3 Zona de Convergência do Atlântico Sul Importantes variações espaciais na chuva no Brasil também são

causadas pelas alterações da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS). A ZCAS se trata de uma faixa de nebulosidade e chuvas, de noroeste a sudoeste, que se estende da Amazônia até o sudeste do Brasil ou até o oceano Atlântico subtropical (CARVALHO; JONES, 2009). É uma zona de convergência da umidade que ocorre na baixa troposfera (CARVALHO; JONES, 2009). Ocorre todos os anos, durante o verão. A importância disto é que fracas ZCAS estão associadas ao aumento na precipitação total no sul do Brasil (BARROS et al, 2000). Os deslocamentos para o sul da ZCAS estão associados a anomalias positivas da temperatura da superfície do oceano Atlântico na costa sul do Brasil (BARROS et al, 2000).

2.4 MUDANÇAS NO REGIME DE VAZÃO NO SUL DO BRASIL

Uma vez que a maior parte das tendências na precipitação no sul

do Brasil foi positiva, ao longo do século XX, espera-se o mesmo na vazão dos rios. Por mais que a quantidade de pesquisas sobre tendências na vazão seja menor que as pesquisas sobre precipitação, todas as referências encontradas indicam um aumento generalizado na vazão do sul do país (tabela 2). Entretanto, nota-se que todos os trabalhos iniciam a análise antes da década de 1970, período em que grande aumento na precipitação média foi observado.

Algumas tendências encontradas na tabela 2 indicam um aumento maior na vazão do que na precipitação média. Isto não é algo incomum, com diversos casos encontrados também nos Estados Unidos (SANKARASUBRAMANIAN et al, 2001). Por exemplo, o rio Uruguai, maior bacia do sul do Brasil, teve um aumento na vazão média de 31% para o período de 1980 até 1999 com relação a 1951 até 1970 (BERBERY; BARROS, 2002). De acordo com o trabalho, a bacia do rio da Prata teve tendência semelhante, com um aumento na vazão em média duas vezes maior que o aumento na precipitação.

32

Tabela 2 - resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na vazão dos rios do sul do Brasil (continua). Notas: “Q” indica precipitação; “PR” indica Paraná; “SC” Santa Catarina; “RS” Rio Grande do Sul; “ANA” Agência Nacional de Águas; “ONS” Operador Nacional do Sistema Elétrico; “BR” Brasil; “UR” Uruguai; “AR” Argentina.

Autor Bacia

Hidrográfica Período Dados Método utilizado Variável Resultado

Mül

ler

et a

l (1

998

)

Três maiores afluentes do

rio Paranapanema no estado

do PR

1931 a 1996

Não informado

Relação: 1970 a 1996 por

1931 a 1970 Q média

Tendência positiva: relação acima de 1,4 para todas as bacias

Rio Ivaí (exutório:

próximo ao rio Paraná)

1953 a 1996

Relação: 1970 a 1996 por 1953 a

1970

Q média Tendência

positiva: relação igual a 1,36

Seis sub-bacias do rio

Piquiri

Déc. 1960 a 1996

Relação: 1970 a 1996 por 1960 a

1970

Q média

Tendência positiva: relação acima de 1,56 para todas as

bacias

Dez bacias hidrográficas no estado do

PR

Déc. 1960 e 1996

Relação: período posterior sobre o período

anterior a 1970

Q mínima

da média móvel de sete

dias

Tendência positiva: relação acima de 1,11 para todas as

bacias

Be

rbe

ry e

Ba

rro

s (2

002

)

Rio Uruguai (exutório:

fronteira BR, UR, AR)

1910 a 2000 Dep.

Argentino de

Hidrologia

Relação: 1980 a 1999 por 1951 a

1970

Q média Tendência


Rio da Prata 1910 a 2000

Relação: 1980 a 1999 por 1951 a

1970

Q média Tendência


Pa

squ

ini e

De

petr

is (

200

7)



1909 a 2003 Subsec.

Argentina de

Recursos Hídricos

Regressão de Theil-Sen e

teste de Mann-Kendall

Q média

Tendência positiva:

aumento de 2,3 mm/ano

Rio Iguaçu (exutório:


1914 a 2004

Regressão de Theil-Sen e

teste de Mann-Kendall

Q média


aumento de 3 mm/ano

33

Tabela 2 - resultados dos trabalhos que analisaram as mudanças na vazão dos rios do sul do Brasil (conclusão). Notas: “Q” indica precipitação; “PR” indica Paraná; “SC” Santa Catarina; “RS” Rio Grande do Sul; “ANA” Agência Nacional de Águas; “ONS” Operador Nacional do Sistema Elétrico; “BR” Brasil; “UR” Uruguai; “AR” Argentina.

Autor Bacia

Hidrográfica Período Dados Método utilizado Variável Resultado

Hira

ta e

t al

(2

010

)

Lagoa Mirim 1912 a 2002

Dados de cota

mensais

Regressão linear

Cota média

da lagoa


aumento de 11,9 mm/ano na cota

média

Do

yle

e B

arr

os

(201

1)



1960 a 1999

Dados diários (ONS)

Regressão linear

Q média

Tendência positiva: 34% de

aumento com relação à média

Rio Iguaçu (exutório:


1960 a 1999

Regressão linear

Q média

Tendência positiva: 66% de

aumento com relação à média

Ma

rque

s (2

012

)

Rios Jacuí e Taquari

(exutório: próximo à Lagoa dos

Patos)

1940 a 2006

Dados diários (ANA)

Relação: 1973 a 2006 por 1940 a

1973

Q média somada dos dois

rios

Tendência positiva: relação

igual a 1,34

De

tze

l et a

l (2

016

) Rio Iguaçu (exutório:


1940 a 2010

Dados diários (ONS)

Relação: 1970 a 2010 por 1940 a

1969

Q95% da curva

de permanê

ncia

Tendência positiva: relação

igual a 1,23

Algumas explicações foram buscadas para as maiores tendências

observadas na vazão que na precipitação. A maior parte delas está relacionada às mudanças no uso da terra, uma vez que este pode levar ao aumento na vazão média (TUCCI; CLARKE, 1998).

O rio Iguaçu, segunda maior bacia do sul do Brasil, teve uma parte do aumento da vazão atribuída às mudanças de uso da terra (DOYLE; BARROS, 2011). Entretanto, o rio Uruguai apresenta situação diferente. Saurral et al (2008) utilizou um modelo (VIC, Variable Infiltration Model) para analisar a influência das mudanças do uso da terra na vazão média. A partir dos usos da terra da década de 1990, foram reproduzidas as mesmas condições da vazão da década de 1960. Com isso, foi concluído que as mudanças no uso da terra pouco influenciaram o aumento da vazão média do rio Uruguai (SAURRAL et al, 2008).

34

As maiores bacias do sul do Brasil, Uruguai e Iguaçu, possuem ciclos bem definidos em que a vazão atinge os maiores valores médios. O rio Uruguai possui ciclos de aproximadamente 3,5 e 6 anos (ROBERTSON; MECHOSO, 1998; KREPPER et al, 2003; PASQUINI; DEPETRIS, 2007). Segundo os estudos, estes ciclos estão relacionados com as ocorrências de El Niño, o que torna o rio Uruguai particularmente vulnerável a este fenômeno. O rio Iguaçu também possui ciclos de 3,5 e de 6 anos. Entretanto, o ciclo mais bem definido neste caso é de aproximadamente 9 e 18,5 anos (ROBERTSON; MECHOSO, 1998; PASQUINI; DEPETRIS, 2007). Estes ciclos mais longos são relacionados ao resfriamento das águas do oceano Atlântico tropical (ROBERTSON; MECHOSO, 1998; PASQUINI; DEPETRIS, 2007).

A periodicidade encontrada em ambos os rios Uruguai e Iguaçu tiveram um aumento após a década de 1970 (PASQUINI; DEPETRIS, 2007). Portanto, uma importante parte do aumento da vazão é atribuída à maior ocorrência do fenômeno El Niño após a década de 1970, da mesma forma que foi observada no caso da precipitação.

Os maiores rios do sul do Brasil passaram por um aumento na vazão média no século XX, com causas ainda incertas. Porém, os menores afluentes destes rios não tiveram as suas tendências analisadas. Estes, por sua vez, podem apresentar tendências diferentes das observadas nas maiores bacias. Somado a isto, as tendências de diferentes aspectos da vazão ainda não foram exploradas, ao contrário das pesquisas observadas para precipitação.

35

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 ÁREA DE ESTUDO Este estudo avalia a região sul do Brasil. Segundo o IBGE

(2016), o sul do Brasil ocupa uma área na ordem de 570000 km². Para identificar as tendências de mudanças no regime de precipitação e de vazão, foram avaliadas 675 estações de medição de precipitação e 142 de vazão (figura 3). Os dados das estações foram obtidos a partir da Agência Nacional de Águas (ANA, 2015). As estações de medição de vazão estão bem distribuídas por toda a região. Por outro lado, as estações de medição de precipitação estão mais concentradas no estado do Paraná e mais escassas no estado do Rio Grande do Sul.

A figura 3 divide as estações fluviométricas de acordo com as principais bacias hidrográficas da região sul. De maneira geral, a ANA (2015) divide o sul do Brasil em três regiões hidrográficas: a bacia do Paraná; a bacia do Uruguai; e as bacias do Atlântico Sul. Neste trabalho, porém, foram considerados também os afluentes destas regiões hidrográficas definidas pela ANA.

Primeiramente, o rio Paraná corre ao longo da fronteira oeste do estado do Paraná (PR). Seus maiores afluentes no sul do Brasil são os rios Iguaçu, Piquiri, e Ivaí. O limite norte do estado do PR é delimitado pelo rio Paranapanema, cujo maior afluente na região sul do Brasil é o rio Tibagi. Por sua vez, o rio Uruguai corre ao longo da fronteira dos estados do Rio Grande do Sul (RS) e Santa Catarina (SC); e na fronteira do RS com a Argentina. O maior afluente do rio Uruguai no RS é o rio Ibicuí, no oeste do estado. No caso da região hidrográfica do Atlântico Sul, temos como maiores contribuições dos rios que deságuam na Lagoa dos Patos. O maior afluente da Lagoa dos Patos é o rio Jacuí, que abrange toda a área central do RS e deságua na região metropolitana de Porto Alegre.

A área das bacias hidrográficas analisadas varia de 105 km² a 63885 km² (figura 4). As maiores bacias analisadas foram as dos rios Iguaçu e Uruguai, que também têm as maiores redes de monitoramento de vazão.

36

Figura 3 – Área de estudo, região sul do Brasil; disposição das estações de medição de precipitação e de vazão analisadas, divididas de acordo com as principais bacias hidrográficas da região.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

0 150 300 km

45°W65°W

0°20

°S

OceanoAtlântico

Brasil

0

Altitude (m)

1500 1000 500

Estações fluviométricas e bacias hidrográficas

Lagoa dos PatosOceano Atlântico

Rio Ivaí

Rio Uruguai

Estações pluviométricas

Hidrografia

Rio ParanapanemaRio Piquiri

Rio Iguaçu

Fontes: limite da região sul do Brasil (IBGE, 2015); estações pluviométricas e fluviométricas (ANA, 2015); altimetria (USGS, 2006); e hidrografia gerada a partir de USGS (2006).

37

Figura 4 – Histograma das áreas das 142 bacias hidrográficas analisada neste estudo.

Os usos da terra no sul do Brasil apresentam grande diversidade.

Os três principais usos da década de 2000 foram a Floresta Atlântica, as pastagens (natural e pecuária), e a agricultura (figura 5). Uma pequena parcela de savanas é encontrada no norte do Paraná, representando áreas ocupadas pelo cerrado (IBGE, 2004). As pastagens encontradas no noroeste do PR e no sul do RS possuem solos que, caso descobertos pela vegetação, levam a diversos problemas com a erosão hídrica (SANTOS; WESTPHALLEN, 2013; SUERTEGARAY, 2011). A maior parte da agricultura é encontrada no noroeste do RS, juntamente com o norte e o oeste do PR.

Convém ressaltar que o sul do Brasil possui regulações diretas no ciclo hidrológico por Usinas Hidrelétricas de Energia (UHE). As bacias mais reguladas por UHE são as do Iguaçu, Uruguai, e à montante do Jacuí (figura 5). A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2015) define as UHE como empreendimentos com potência acima de 30000 KW ou com áreas de reservatórios acima de 13 km². Entretanto, empreendimentos hidrelétricos abaixo destas exigências não estão representados na figura 5, que somam um total acima de 350 empreendimentos (ANEEL, 2016).

0

10

20

30

40

(0,1 a 0,5] (0,5 a 1] (1 a 2] (2 a 5] (5 a 10] (10 a 20] (20 a 64]

Fre

qüê

ncia

Área da bacia hidrográf ica (10³ km²)

38

Figura 5 – Usos da terra e Usinas Hidrelétricas de Energia cujas bacias hidrográficas estão inteiramente no sul do Brasil.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

OceanoAtlântico

Uso da terra

Florestas mistasSavanas arborizadasSavanasPastagensAgricultura

ÁguaÁreas inundáveisUrbano

Mosaico agriculturae vegetação natural

Floresta ombrófilapereneFloresta ombrófiladecídua

HidrografiaUsinas Hidrelétricasde Energia

Fontes: limite do sul do Brasil (IBGE, 2015); usos da terra adaptado de Broxton et al (2014); Usinas Hidrelétricas de Energia (ANEEL, 2016); hidrografia gerada a partir de USGS (2006).

3.2 SELEÇÃO DAS ESTAÇÕES E DO PERÍODO DE ANÁLISE

Como citado, este trabalho avaliou 675 estações pluviométricas e

142 estações fluviométricas entre 1975 e 2010. Entretanto, o primeiro passo foi selecionar estas estações e o período de análise a partir de um

39

número maior de estações disponíveis para a área de estudo. Para isso, foi feita uma seleção usando um critério de qualidade dos dados.

Os dados de precipitação e de vazão foram disponibilizados pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2015). Trata-se de medições diárias usando pluviógrafos no caso da precipitação; e de medições diárias da cota para os rios, que têm suas vazões estimadas por uma relação entre cota e vazão pela ANA.

No sul do Brasil partiu-se de um total de 765 estações fluviométricas e 1974 estações pluviométricas disponíveis no banco de dados da ANA (2015). Para cada uma destas estações foram identificados os anos de início das medições e os últimos anos com os dados disponíveis (apêndice A). Uma parte significativa das estações pluviométricas (aproximadamente 700) teve o início das medições entre os anos de 1974 e 1976. Da mesma forma, grande parte dos dados está disponível somente até o ano de 2010. Portanto, aliado às mudanças na precipitação e na vazão que ocorreram pelo mundo na década de 1970 (MILLY et al, 2005), definiu-se o período de análise entre 1975 e 2010.

Após definido o período de análise, usou-se um critério de seleção a partir da qualidade dos dados. Para precipitação, foram aceitas apenas estações com um máximo de 10% de dias com falhas nos dados (ausência de medição). No caso da vazão, foram aceitas estações com pelo menos 29 anos de dados com menos de 20% de falhas. Além disso, foram consideradas somente as estações com a bacia hidrográfica inteiramente na região sul do Brasil.

Da seleção do período de análise e da qualidade dos dados resultaram 685 estações pluviométricas e 156 fluviométricas. O próximo passo adotado foi a análise exploratória destes dados. Isto é, para cada estação foi gerado um gráfico com os valores máximos, mínimos, e médios anuais. Todos os gráficos foram visualizados individualmente. As estações com dados considerados duvidosos foram descartadas ou tiveram alguns anos removidos. Como esta é uma avaliação subjetiva, todas as estações duvidosas estão descritas no apêndice B. Com esse processo, dez estações pluviométricas e quatorze fluviométricas foram descartadas. Disto resultou o total de 675 estações pluviométricas e 142 estações fluviométricas usadas neste trabalho.

Na figura 6 é visualizada a falha nos dados de cada estação, tal qual a consistência de seus dados. A consistência dos dados trata da verificação da confiabilidade dos dados medidos pelas agências reguladoras, principalmente através de métodos estatísticos (GEINF, 2014). As estações pluviométricas possuem pouca consistência dos

40

dados no estado do PR (figura 6). Portanto, esta região pode apresentar maiores erros nas análises para precipitação.

Figura 6 – Falhas e consistência nos dados das estações analisadas, entre 1975 e 2010. (A) falhas nas estações pluviométricas; (B) falhas nas estações fluviométricas; (C) dados não consistidos nas estações pluviométricas; (D) dados não consistidos nas estações fluviométricas.

Falhas nos dadospor estação (%)

5 10 15 200

A C

B D

Dados não consistidospor estação (%)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

Ü0 100 200 km

Fontes: limite do sul do Brasil (IBGE, 2015); estações pluviométricas e fluviométricas (ANA, 2015).

41

3.3 DELIMITAÇÃO DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS Os dados de vazão estimados pela ANA têm suas unidades de

medida em m³/s. Porém, para poder fazer a comparação entre diferentes bacias hidrográficas foi preciso normalizar esta unidade de medida. Escolheu-se normalizar a vazão em m³/s pela área da bacia hidrográfica, tendo assim a nova unidade de medida em mm. Para isso, primeiro foi preciso delimitar a bacia hidrográfica de cada estação fluviométrica, a fim de obter a área total de cada bacia.

Para delimitar as bacias hidrográficas, foram utilizados os dados altimétricos da SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission, USGS, 2006). Trata-se de dados altimétricos de 30 metros de resolução horizontal e um metro de equidistância vertical. Inicialmente, estes dados apresentaram pequenas regiões com falhas, as quais precisaram ser corrigidas. A correção foi feita com o software ENVI, que preenche os dados ausentes com interpolação linear (RESEARCH SYSTEMS INC, 2009), segundo metodologia semelhante à usada por Valeriano e Rossetti (2012).

Após a correção das falhas, a delimitação dos cursos da água e da bacia hidrográfica foi feita com as ferramentas de hidrologia do software ArcGIS. Com isso, foi possível obter a área de cada bacia e normalizar os dados de vazão. O resultado final da delimitação das bacias hidrográficas pode ser visto no apêndice C.

3.4 PREENCHIMENTO DAS FALHAS NOS DADOS

Diversos dados de precipitação e de vazão tiveram dias com

ausência de dados. Para a precipitação, estas falhas foram preenchidas usando a média das três estações mais próximas com dados disponíveis.

No caso da vazão o mesmo não é recomendado, uma vez que as estações vizinhas podem ter comportamentos inteiramente diferentes da estação que se deseja preencher as falhas (PAPPAS; KOUTSOYIANNIS, 2014). Portanto, no caso da vazão, as falhas não foram preenchidas.

3.5 ESCOLHA E CÁLCULO DOS ÍNDICES

A análise de possíveis mudanças no regime de precipitação e de

vazão foi feita calculando índices que buscam representar tais regimes. Estes índices foram calculados individualmente para cada estação, e individualmente para cada ano. Ao longo destes anos, os índices podem

42

ter apresentado uma tendência de mudança significativa e/ou de alta magnitude. Caso isto ocorra, tal tendência foi interpretada como uma mudança no regime.

Este trabalho usou uma divisão do regime de vazão em diferentes componentes. Richter et al (1996) e Poff et al (1997) dividiram o regime de vazão em um total de cinco categorias:

I) Magnitude, indicando um valor total de água disponível. É dividido em três subcategorias: magnitude para condições de vazão média, alta, e baixa;

II) Frequência, indicando a ocorrência da vazão de determinada magnitude. É dividido em duas subcategorias: frequência de condições de alta ou de baixa vazão;

III) Duração, que é o período de tempo que a vazão permanece em determinada condição. É dividido em duas subcategorias: duração de condições de alta ou de baixa vazão;

IV) Sazonalidade (do inglês “timing”), que indica a regularidade da vazão;

V) Taxa de variabilidade, que indica o quão rapidamente a vazão muda de uma magnitude para outra. Uma bacia hidrográfica com uma alta taxa de variabilidade seria uma bacia com resposta rápida aos eventos de chuva, e vice-versa.

Tal definição do regime de vazão resulta em um total de nove

subcategorias. Para cada uma destas subcategorias foi calculado um índice, que busca representar tais condições. A mesma divisão do regime em subcategorias foi utilizada para precipitação neste trabalho, ainda que os autores a tenha definido apenas para vazão (RICHTER et al, 1996; POFF et al, 1997).

3.5.1 Índices para o regime de vazão

Os índices calculados para avaliar as mudanças no regime de

vazão estão definidos na tabela 3. Para calcular os índices foi feito um programa usando o software Matlab. A escolha dos índices se deu a partir dos trabalhos de Olden e Poff (2003) e Yadav et al (2007). Estes autores avaliaram os índices mais comuns encontrados na bibliografia, encontrando os que melhor representam a variabilidade do regime de vazão.

43

Tabela 3 – Índices usados para avaliar as mudanças no regime de vazão, de acordo com as nove subcategorias do regime.

Condição da vazão

Característica do regime Nome Descrição (unidade)

Média Magnitude Vazão média

anual

Vazão diária média, multiplicado pelos dias do

ano (mm)

Alta

Magnitude Vazão máxima

anual Vazão diária máxima no ano

(mm)

Frequência Eventos no ano

com vazão acima do percentil 90

Quantidade de eventos no ano com vazão acima do

percentil 90 de longo prazo (eventos ano-1)

Duração Duração média

dos eventos acima do percentil 90

Duração média dos eventos no ano com vazão acima do percentil 90 de longo prazo

(dias evento-1)

Baixa

Magnitude Vazão mínima

anual Vazão diária mínima no ano

(mm)

Frequência Eventos no ano

com vazão abaixo do percentil 10

Quantidade de eventos no ano com vazão abaixo do

percentil 10 de longo prazo (eventos ano-1)

Duração

Duração média dos eventos abaixo do

percentil 10

Duração média dos eventos no ano com vazão abaixo do percentil 10 de longo prazo

(dias evento-1)

- Sazonalidade Sazonalidade de

Markham

Índice de sazonalidade de Markham (MARKHAM,

1970) (-)

- Taxa de

variabilidade

Declividade da curva de

permanência

Declividade entre os valores de excedência 33 e 66% da curva de permanência da

vazão diária (mm)

3.5.1.1 Frequência e duração dos eventos para vazões Alguns índices podem apresentar dúvidas, portanto serão mais

bem explicados e ilustrados. Os índices que representam a frequência do regime contabilizam

a quantidade de eventos (ou de pulsos) acima ou abaixo de determinado limiar, respectivamente dos percentis 90 e 10 dos valores de 1975 a

44

2010. A figura 7 ilustra com um exemplo do rio Negro, afluente do rio Iguaçu no norte de SC. Ambos os gráficos representam a série de vazão diária do ano de 2007. No gráfico superior é contabilizada a quantidade de eventos acima do percentil 90 de longo prazo desta estação. O percentil 90, entre 1975 e 2010, é aproximadamente 4 mm e é indicado pela linha horizontal mais espessa. Cada seta indica um evento em que a vazão superou este limiar de 4 mm. Portanto, neste caso, houve um total de quatro eventos de frequência de vazões de condições altas. A duração média de cada um destes eventos define o índice que representa a duração de vazões de condições altas. No gráfico inferior da figura 7 é ilustrada a mesma situação, porém invertida para o percentil 10 e para os eventos abaixo deste limiar.

Figura 7 – Exemplo da quantidade de eventos de vazão acima do limiar de longo prazo do percentil 90 (gráfico superior) ou abaixo do percentil 10 (gráfico inferior). Cada seta indica a ocorrência de um evento. A série de vazão é para o ano de 2007 do rio Negro, afluente do rio Iguaçu no norte de SC.

0.1

1

10

0 100 200 300

Vaz

ão

(mm

)

Tempo (dia juliano)

0.1

1

10

0 100 200 300

Va

zão

(mm

)

Tempo (dia juliano)

45

3.5.1.2 Sazonalidade O índice que indica a sazonalidade foi calculado usando o método

proposto por Markham (1970). O método foi originalmente proposto para precipitações mensais, mas neste trabalho também foi usado para as vazões mensais. Este índice varia de zero a um, sendo zero a menor sazonalidade (valores igualmente dividido entre os meses) e um a maior sazonalidade (toda a série do ano concentrada em apenas um mês).

A figura 8 ilustra a sazonalidade para duas bacias diferentes. O gráfico superior é a série diária de vazão de 2010 do rio Guaporé, na serra do RS. O gráfico inferior é a série de 2010 do rio Corumbataí, na região central do PR. Por mais que ambas as bacias apresentaram grande variabilidade mensal no ano, o rio Guaporé teve vazão alta tanto no verão quanto no inverno. Portanto, sua sazonalidade foi menor, equivalente a 0,011 no ano de 2010. O rio Corumbataí, por sua vez, teve uma grande concentração da vazão apenas no verão, portanto a sazonalidade foi maior: igual a 0,522.

Figura 8 – Exemplo do índice de sazonalidade de Markham para duas bacias hidrográficas no ano de 2010. O gráfico superior é a série mensal de vazão do rio Guaporé, com índice igual a 0,011. O gráfico inferior é a série mensal de vazão do rio Corumbataí, com índice igual a 0,522.

0

40

80

120

160

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vaz

ão m

ensa

l (m

m)

Tempo (mês do ano)

0

40

80

120

160

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vaz

ão m

ensa

l (m

m)

Tempo (mês do ano)

46

3.5.1.3 Curva de permanência e taxa de variabilidade da vazão Para outra característica do regime, a taxa de variabilidade, o

cálculo do índice usou a curva de permanência. A curva de permanência indica a porcentagem do tempo que determinada vazão é igualada ou superada. Para calcular a porcentagem, primeiramente a vazão de certo período é ordenada em ordem decrescente. Depois, para cada um destes valores de vazão calcula-se a sua frequência relativa acumulada. Portanto, o percentil de excedência da vazão é maior para as vazões mais baixas e menor para as vazões mais altas.

A figura 9 ilustra a geração da curva de permanência para a série de vazão de duas bacias hidrográficas diferentes. O gráfico superior da esquerda é a série diária do rio Camaquã, da região oeste do RS, cuja bacia tem 3722 km². O gráfico superior da direita é a série diária do rio Goio-Erê, da região oeste do PR, com a bacia de área igual a 2962 km². Ambas as séries de vazão são do ano de 2006. Os gráficos inferiores são as curvas de permanência das respectivas séries.

Figura 9 – Geração da curva de permanência a partir de duas séries diárias de vazão do ano de 2006: na esquerda, para o rio Camaquã, no RS; na direita, para o rio Goio-Erê, no PR.

0.01

0.1

1

10

100

0 100 200 300

Vaz

ão (m

m)

Tempo (dia juliano)

0.01

0.1

1

10

100

0 20 40 60 80 100

Vaz

ão (m

m)

Superado ou igualado por (%)

0.01

0.1

1

10

100

0 100 200 300

Vaz

ão (m

m)

Tempo (dia juliano)

0.01

0.1

1

10

100

0 20 40 60 80 100

Vaz

ão (m

m)

Superado ou igualado por (%)

47

É notável que a série de vazão do rio Camaquã (figura 9, gráfico da esquerda) apresenta uma maior taxa de variabilidade que o rio Goio-Erê (figura 9, gráfico da direita). Isto é, sua vazão muda de uma magnitude a outra com maior frequência e maior rapidez. Com isso, percebe-se que sua curva de permanência apresenta uma maior inclinação que a curva do rio Goio-Erê (gráfico da direita). Segundo Yadav et al (2007), a inclinação da curva de permanência é aproximadamente constante entre os percentis 33 e 66. Portanto, a taxa de variabilidade da vazão pode ser calculada medindo a inclinação da curva de permanência entre estes percentis. A inclinação foi calculada segundo feito por Sawicz et al (2011):

I = ln�Q�� − ln �Q��0,33 (1)

onde Q33 é a vazão igualada ou superada por 33% do tempo; Q66 é a vazão igualada ou superada por 66% do tempo. Com isso, nos exemplos da figura 9 a curva de permanência da esquerda tem inclinação de aproximadamente 3,5 mm; e da direita de aproximadamente 0,95 mm.

3.5.2 Índices para o regime de precipitação

Os índices de precipitação também seguiram a divisão em 9

subcategorias do regime. Os índices escolhidos estão na tabela 4. Algumas diferenças são notadas entre os índices de vazão e os de

precipitação. Primeiramente, não foi encontrado um trabalho que analisa o desempenho de índices de precipitação para as características do regime. Portanto, a escolha dos índices foi feita com base nos trabalhos apresentados anteriormente que avaliaram as mudanças no regime da região sul. Segundo, para frequência e duração dos eventos de baixa magnitude foi analisada a ausência de precipitação. Para isso, foram considerados como dias não-chuvosos aqueles com precipitação abaixo de 1 mm, a exemplo de outros trabalhos que também o fizeram (HAYLOCK et al, 2006; CAVALCANTI et al, 2015).

A terceira diferença entre os índices de vazão e precipitação está na característica da taxa de variabilidade. Não foi encontrado um índice na bibliografia que analisa explicitamente a taxa de variabilidade da precipitação. Portanto, esta característica no regime de precipitação foi substituída pela intensidade média da precipitação (tabela 4). Foi escolhido este índice porque é uma característica da precipitação

48

frequentemente ressaltada em outros trabalhos (HAYLOCK et al, 2006; CAVALCANTI et al, 2015).

Tabela 4 – Índices usados para avaliar as mudanças no regime de precipitação, de acordo com as nove subcategorias do regime.

Condição da precip.

Característica do regime Nome Descrição (unidade)

Média Magnitude Precipitação média anual

Precipitação total anual média (mm)

Alta

Magnitude Precipitação

máxima anual Precipitação diária

máxima no ano (mm)

Frequência

Eventos no ano com precipitação acima do percentil

90

Quantidade de eventos no ano com precipitação acima

do percentil 90 de longo prazo (eventos ano-1)

Duração Duração média

dos eventos acima do percentil 90

Duração média dos eventos no ano com

vazão acima do percentil 90 de longo prazo (dias

evento-1)

Baixa

Magnitude Percentil 20 da

precipitação anual

Percentil 20 da precipitação diária anual

(mm)

Frequência Número de dias não-chuvosos no

ano

Quantidade total de dias no ano com precipitação

abaixo de 1 mm (dias ano-1)

Duração

Duração média dos dias não-

chuvosos consecutivos

Duração média dos dias consecutivos com

precipitação abaixo de 1 mm (dias)

- Sazonalidade Sazonalidade de

Markham

Índice de sazonalidade de Markham (MARKHAM,

1970) (-)

- Intensidade Intensidade média dos dias chuvosos

Precipitação anual dividida pelo número

total de dias com precipitação acima de 1

mm (mm dia-1)

49

3.6 TESTE ESTATÍSCO PARA TENDÊNCIAS Após selecionar as estações e normalizar seus dados ou preencher

suas falhas, foram calculados os índices para cada estação e cada ano. Com isso, buscou-se verificar tendências nos índices ao longo dos anos, que indicariam mudanças no regime para o período analisado. Entretanto, a fim de evitar valores pouco confiáveis, os anos com 20% ou mais de falhas nos dados de vazão não tiveram seus índices calculados.

As tendências no regime podem ser graduais ou abruptas. Para cada uma destas tendências existem diferentes testes estatísticos que as avaliam. No caso de diversas estações que serão avaliadas e comparadas entre si, os testes estatísticos para mudanças abruptas só são recomendados caso todas as estações apresentem mudanças em períodos semelhantes (HENSEL; HIRSCH, 2002). Como não foi o caso neste trabalho, apenas tendências de mudanças graduais no regime foram avaliadas.

O teste estatístico usado foi o teste de Mann-Kendall (MANN, 1945; KENDALL, 1975). Foi escolhido por ser muito popular entre os estudos de tendências para os recursos hídricos (HENSEL; HIRSCH, 2002; KUNDZEWICZ; ROBSON, 2004). Trata-se de um teste não-paramétrico, isto é, que não exige distribuição normal dos dados. A hipótese nula é que não há tendência na série temporal, e a hipótese alternativa é que há tendências na série. O teste é definido como se segue:

S = � � sgn�x� − x��

�� (2)

onde n é comprimento da série (em anos, de 1975 a 2010), xj e xi são os valores sequenciais da série, e:

sgn�x� − x�� = �+1, caso x� > x�0, caso x� = x�−1, caso x� < x�% (3)

Para n ≥ 10, espera-se uma distribuição normal de S, média igual

à zero, e variância igual a:

50

V = n�n − 1��2n + 5� − ∑ t��t� − 1��2t� + 5�+��18 (4)

sendo m o número de grupos de valores repetidos na série, e ti o número de valores repetidos no grupo i. O teste estatístico padronizado é calculado:

Z = .//0//1

S − 1√V , caso S > 00, caso S = 0

S + 1√V , caso S < 0% (5)

Com isso, o p-valor é retirado da tabela de distribuição normal a

partir do valor de Z. O teste, neste caso as tendências de mudanças graduais, são consideradas significativas se:

|Z| > Z��∝/6 (6) Portanto, a hipótese nula é rejeitada para um nível de

significância α. Um valor de Z positivo indica uma tendência positiva, e um valor negativo indica uma tendência negativa.

O que decorre é que o teste de Mann-Kendall identifica tendências em apenas uma direção da série, independente desta tendência ser de alta ou de baixa magnitude. Como consequência, algumas características são observadas no teste: é pouco afetado por outliers na série; pode identificar uma tendência como significativa mesmo que seja de baixa magnitude, contanto que seja contínua; a tendência pode ser de alta magnitude mesmo que o teste não a tenha identificado como significativa (HENSEL; HIRSCH, 2002).

As premissas do teste de Mann-Kendall são: independência da série; e constância de sua distribuição (homoscedasticidade). Caso a série apresente autocorrelação, este deveria ser corrigido para que o resultado do teste de Mann-Kendall seja correto (HENSEL; HIRSCH, 2002). Esta etapa de verificação e correção das premissas não foi feita neste trabalho. Considerando que as séries de vazão e de precipitação geralmente apresentam grande correlação no tempo (HENSEL; HIRSCH, 2002; KUNDZEWICZ; ROBSON, 2004), algumas tendências

51

identificadas como significativas neste trabalho podem na realidade não possuir esta característica.

3.7 QUANTIFICAÇÃO DAS TENDÊNCIAS

O teste estatístico verifica a significância estatística de uma

tendência, mas não quantifica esta tendência. Para isso, outro método deve ser utilizado para que possa quantificar mudanças no regime,com o método mais comum as regressões lineares.

As tendências foram quantificadas usando a regressão linear de Theil-Sen, as vezes chamado simplesmente de Sen (THEIL, 1950; SEN, 1968). Ao contrário da regressão linear tradicional (mínimos quadrados), a regressão de Theil-Sen não exige distribuição normal dos resíduos e não é fortemente afetada por outliers. É calculada por:

b = mediana �Y� − Y��X� − X�� (7)

onde 1 ≤ i < j ≤ n; Yj e Yi são os valores da série, Xj e Xi são os anos da série, e n é o comprimento da série. A declividade b é o equivalente à mediana de todos os possíveis pares entre os pontos de dados. Segundo Hensel e Hirsch (2002), a regressão de Theil-Sen é quase tão eficiente quanto a regressão linear tradicional quando as premissas de normalidade dos dados são encontradas. Entretanto, quando as premissas não são encontradas, a regressão de Theil-Sen é muito superior à regressão tradicional. Portanto, ainda segundo Hensel e Hirsch (2002), é uma regressão muito usada para estudos em recursos hídricos.

Uma vez quantificadas as tendências de mudanças nos índices do regime de precipitação e vazão, todas elas foram espacializadas e visualizadas em mapas. Além disso, foi gerado um gráfico para cada uma das tendências de todas as estações e de todos os índices. Algumas características das estações analisadas (exemplo: coordenadas) e os gráficos gerados estão disponíveis em um material suplementar digital.

53

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES MÉDIAS Todas as nove subcategorias do regime de precipitação e de

vazão serão analisadas. Primeiramente para o período completo de 1975 a 2010, seguido pelas tendências.

Para o período completo, as menores precipitações médias (abaixo de 1500 mm anuais) são encontradas no sul do RS e no norte do PR (figura 10). A média aumenta em duas regiões: conforme se aproxima do baixo rio Iguaçu; e nos litorais do PR e de SC. De maneira geral, as bacias hidrográficas de maior vazão coincidem com as regiões de maior precipitação.

Figura 10 – Precipitação e vazão anual média no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.

Estaçõespluviométricas

Maior bacia hid.

Precipitação média anual [mm]

27152300190015002500210017001120

Vazão média anual [mm]

120080044015001000600

Fontes: limite do sul do Brasil (IBGE, 2015); estações pluviométricas e fluviométricas (ANA, 2015); hidrografia gerada a partir de USGS (2006).

A figura 11 apresenta as tendências observadas na precipitação e

vazão média anual. Porém, antes de analisá-las convém ressaltar algumas características dos mapas das tendências, uma vez que serão

54

numerosos. Todos os mapas de tendência neste trabalho estão organizados com a cor azul indicando maior quantidade de água ou menor variabilidade ou sazonalidade. A cor vermelha sempre indicará a situação oposta. Com relação às classes que quantificam as tendências, todas foram divididas usando o desvio padrão das tendências. A classe branca foi definida por meio desvio padrão positivo e negativo. As demais classes estão divididas no intervalo de um desvio padrão cada, sendo que a maior classe representa 2,5 desvios padrão ou mais (e vice-versa para a menor classe). As estações com tendências estatisticamente significativas para o teste de Mann-Kendall estão representadas com as bordas em negrito e com um ponto branco no centro. O nível de significância escolhido para o teste estatístico foi de 95%.

Nas mudanças da precipitação média anual foram observados maiores aumentos nos litorais de SC e PR; região metropolitana de Curitiba; e baixo Iguaçu (figura 11). Geralmente estes aumentos na precipitação foram acima de 7,5 mm por ano. Por outro lado, a diminuição da precipitação média ocorreu principalmente na região centro-norte do PR.

Observando os mapas, algumas relações são notadas qualitativamente. Os locais de menor precipitação média anual (sul do RS e norte do PR) tiveram uma tendência de diminuição ainda maior na média. Estas regiões são as áreas ocupadas pelo cerrado (PR) ou por campos (RS). Além disso, outra região com tendência de diminuição na precipitação é justamente a faixa agrícola presente no PR.

O resultado é diferente de muitos autores, que encontraram tendências de aumento de precipitação para toda a região (DOYLE et al, 2012; SUN et al, 2012; PINHEIRO et al, 2013). Porém, estes trabalhos avaliaram um período que se inicia antes da década de 1970. Por outro lado, para os anos de 1979 a 2011, Rao et al (2015) também encontrou tendências negativas na precipitação média do centro-norte do PR. Portanto, se considerarmos desde a primeira metade do século XX, observamos um aumento na precipitação em todo o sul do país. Mas se considerarmos apenas as últimas três décadas, vemos que essa tendência se reverteu em algumas regiões.

Com relação à vazão média, a maior parte do sul do Brasil teve tendência de aumento (figura 11). Os maiores aumentos foram no rio Uruguai e em seus afluentes. Tal resultado é independente do período de estudo analisado, uma vez que os demais trabalhos também encontraram tendências de aumento ao longo do século XX (MÜLLER et al, 1998; PASQUINI; DEPETRIS, 2007; DOYLE; BARROS, 2011).

55

Figu

ra 11

– T

end

ências ob

servadas n

a precip

itação e

na vazão

méd

ia anu

al no

sul do

Brasil, en

tre 19

75 e 20

10.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

Ü

0 100 200 kmMenor bacia hid.

Maior bacia hid.Estaçõespluviométricas

Tendência: precipitação média[ mm ano-1 ]

12,5 a 257,5 a 12,52.5 a 7,5-2,5 a 2,5-2,5 a -7,5-7,5 a -12,5-12,5 a -20

Tendência: vazão média[ mm ano-1 ]

12,5 a 237,5 a 12,52,5 a 7,5-2,5 a 2,5-2,5 a -7,5-7,5 a -10,5

F

on

tes: limite d

o su

l do

Brasil (IB

GE

, 20

15

); estaçõ

es plu

viom

étricas e flu

viom

étricas (AN

A, 2

01

5); h

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GS

(20

06

).

56

Dentro de uma bacia hidrográfica, nem todas as sub-bacias tiveram as mesmas tendências de vazão. Um exemplo é o rio Ivaí, que apresentou tendências positivas na porção superior e negativas na porção inferior. Portanto, diferentes tendências podem ocorrer em distintas regiões de uma bacia.

Diversas tendências de vazão não coincidem com as tendências de precipitação. Por exemplo, o rio Tibagi, afluente do rio Paranapanema, teve aumento na vazão média, mas uma redução na precipitação média. Isso indica uma mudança na vazão causada por fatores não-climáticos, como mudanças no uso da terra ou regulação direta dos rios.

4.2 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES ALTAS

A magnitude das condições altas do regime foi avaliada a partir

das máximas anuais. Para todo o período de análise, os maiores registros nas precipitações diárias máximas foram observados no sudoeste do PR (figura 12). Nesta região, em diversos casos a chuva excedeu 200 mm em um dia. Os menores registros nas precipitações máximas estão em regiões de maiores altitude, como no caso da Serra Geral em SC.

As bacias hidrográficas com os maiores registros nas vazões máximas nem sempre coincidem com o caso da precipitação (figura 12). Um dos fatores que justifica isso está relacionado a nem toda precipitação extrema necessariamente levar a uma vazão extrema. A umidade antecedente do solo é determinante para que a vazão extrema ocorra (BLÖSCHL et al, 2015). Portanto, precipitações e vazões extremas não são diretamente relacionadas entre si. Outro fator está na faixa de incerteza observada na estimativa da vazão para cotas altas. A relação entre cota e vazão pode ser extrapolada, levando a uma menor confiabilidade dos dados de vazões altas (SANTOS et al, 2001).

57

Figura 12 – Precipitação e vazão diária máxima registrada no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Vazão diária máxima registrada [mm]

4109035101505520

Precipitação diária máxima registrada [mm]

400300200100350250150


Tendências nas máximas são claramente observadas no caso das precipitações (figura 13). A região do baixo Iguaçu, onde se observa os maiores registros das precipitações máximas em todo o período, apresenta clara tendência de aumento. A região de maior altitude, onde há os menores registros de máximas, apresentou pouco aumento. O sul e oeste do RS apresentaram tendências negativas, apesar de pouco substanciais.

Haylock et al (2006) encontrou aumento nas máximas na maior parte do sul do país, mas avaliaram desde um período anterior a 1970. O resultado aqui encontrado concorda apenas parcialmente. Porém, Pinheiro et al (2013) encontrou resultado semelhante ao deste trabalho, mesmo tendo utilizado uma menor quantidade de estações e um período de análise a partir de 1940.

58

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50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

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Tendências: precipitação diária máxima anual [ mm ano-1 ]

1,25 a 20,75 a 1,250,25 a 0,75-0,25 a 0,25-0,25 a -0,75-0,75 a -1,25-1,25 a -2,5

Tendências: vazão diária máxima anual[ mm ano-1 ]

1 a 2,40,5 a 10,15 a 0,5-0,15 a 0,15-0,15 a -0,5-0,5 a -1-1 a -1,4

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06

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59

Por outro lado, poucas mudanças nas máximas anuais ocorreram nos rios (figura 13). Além disso, as tendências de vazão e de precipitação pouco coincidem. Esses dois fatores, portanto, inserem o sul do país no contexto mundial, onde poucas evidências nas mudanças das vazões máximas são causadas por fatores climáticos (KUNDZEWICZ et al, 2013).

A maior parte das tendências nas vazões máximas ocorreu em menores bacias hidrográficas. Um dos motivos pode ser que nas grandes bacias as consequências da mudança do uso da terra são geralmente pequenas nas vazões máximas (LEOPOLD, 1994; BLÖSCHL et al, 2015).

Uma eventual mudança nas vazões máximas leva a alterações no canal de seu rio. Algumas morfologias dos canais podem ser alteradas, causadas por erosão das margens e deposição de sedimentos nos canais (SCHUMM, 2005). Portanto, as menores bacias hidrográficas, que tiveram as maiores tendências nas vazões máximas, podem ser as mais propensas às alterações de seus canais.

4.3 FREQUÊNCIA PARA CONDIÇÕES ALTAS

A frequência de altas magnitudes foi analisada contando o

número de eventos por ano acima do percentil 90. Para todo o período da análise, as regiões com as maiores frequências para precipitação foram o litoral do PR e de SC (apêndice D). As menores taxas são vistas no norte do PR e no sul e sudoeste do RS. Entretanto, as bacias hidrográficas não possuem um padrão tão claro na frequência destes eventos. Além disso, a frequência não coincide entre a precipitação e a vazão. Mas como já citado, eventos extremos de precipitação nem sempre levam a extremos de vazão.

Na figura 14 as tendências na frequência dos eventos acima do percentil 90 estão espacializadas. Para precipitação, a região do baixo rio Iguaçu, o leste do PR, e o litoral sul de SC tiveram aumentos acima de 4,5 eventos por ano, se somado entre 1975 e 2010. O RS teve poucas mudanças nestes eventos.

O resultado do caso da precipitação não é o mesmo encontrado na bibliografia. Haylock et al (2006) e Re e Barros (2009) encontraram tendências positivas no total de dias de precipitação acima do limiar de 20 mm diários para todo o sul do Brasil. Porém, usaram uma rede de dados menos densa que o deste trabalho e outro período de análise.

60

Figu

ra 14

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50°W54°W

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28°S

32°S

0 100 200 km0 100 200 kmMenor bacia hid.


Tendência: eventos de precipitaçãoacima do percentil 90[ eventos ano-2 ]

0,25 a 0,40,15 a 0,250,05 a 0,15-0,05 a 0,05-0,05 a -0,15-0,15 a -0,25-0,25 a -0,34

Tendência: eventos no ano com vazãoacima do percentil 90[ eventos ano-2 ]

0,2 a 0,30,12 a 0,20,04 a 0,12-0,04 a 0,04-0,04 a -0,12-0,12 a -0,2

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61

Apesar da vazão máxima ter mudado pouco, a frequência das condições altas tiveram grandes mudanças. Aumentos ocorreram principalmente em SC e no PR; e diminuições no oeste do RS (figura 14). Em alguns casos, em bacias hidrográficas de menor área, este aumento foi superior a 7 eventos por ano somado para 1975 a 2010.

Três índices foram vistos até agora: magnitudes médias, altas, e frequência de altas. Um padrão pode ser encontrado entre as tendências nestes índices para precipitação. Os três índices tiveram aumentos substanciais em três regiões principais. Sendo as regiões: sudoeste do PR; leste do PR; e em menor escala o litoral sul de SC. No sentido oposto, duas regiões tiveram tendências negativas nestes índices: parte do norte do PR e sudoeste do RS.

Grimm e Tedeschi (2009) e Doyle et al (2012) observaram que os aumentos na precipitação média no sul do Brasil são notadas principalmente nos valores de maiores magnitudes. Os resultados destes autores são fortalecidos com a relação encontrada neste trabalho. Os maiores aumentos na frequência de precipitação de altas magnitudes ocorreram junto com os maiores aumentos na precipitação média.

4.4 DURAÇÃO PARA CONDIÇÕES ALTAS

A duração média dos eventos de altas magnitudes não tem um

padrão tão claro quanto a frequência. A duração média destes eventos, para todo o período analisado, tem pouca variabilidade no caso da precipitação; e nenhum padrão encontrado no caso da vazão (apêndice E, figura E1). E para as tendências não é diferente: poucas tendências são observadas na precipitação, e nenhum padrão na vazão (apêndice E, figura E2).

4.5 MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES BAIXAS

Iniciando a análise das condições baixas com a sua magnitude,

foram avaliados o percentil 20 da precipitação e a vazão diária mínima anual. Para todo o período avaliado, o percentil 20 da precipitação é menor na parte leste de SC (apêndice F, figura F1). A vazão mínima registrada não têm um padrão tão claro. As vazões mais baixas registradas no sul do Brasil estão principalmente no RS (apêndice F, figura F1).

Quanto às tendências, alguns resultados são notáveis. Até agora, foi observado que a precipitação média e máxima aumentou na maior parte da área de estudo. Por outro lado, o percentil 20 da precipitação

62

diminuiu substancialmente em SC e no RS; e aumentou apenas no PR (figura 16).

No caso das vazões, é observado que as bacias que tiveram aumento na vazão média não tiveram necessariamente o mesmo nas mínimas, e vice-versa (figura 16). Entre as tendências nas vazões médias e mínimas foi encontrada uma correlação de Spearman de 0,46. Isto indica que ambas as tendências não ocorreram da mesma forma.

Uma das tendências mais notáveis na vazão mínima anual está no caso da bacia do rio Iguaçu, próximo à foz. A tendência foi equivalente a 0,015 mm por ano, o que ao longo de 35 anos representa um aumento de 0,525 mm nas vazões mínimas anuais (figura 15). Nas suas sub-bacias não são vistas as mesmas tendências. Portanto, um dos motivos desta tendência pode ser a regulação da bacia do Iguaçu pelas UHE.

Figura 15 – Tendência das vazões mínimas anuais do rio Iguaçu, próximo à foz, para o período de 1975 a 2010. A tendência é igual a 0,015 mm por ano.

63

Figu

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50°W54°W

24°S

28°S

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50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

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Tendência: percentil 20 da precipitação[ mm ano-1 ]

0,2 a 0,40,12 a 0,20,04 a 0,12-0,04 a 0,04-0,04 a -0,12-0,12 a -0,2-0,2 a -0,3

Tendências: vazão diária mínima anual[ mm ano-1 ]

0,0125 a 0,0280,0075 a 0,01250,0025 a 0,0075-0,0025 a 0,0025-0,0025 a -0,0075-0,0075 a -0,0125

F

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(20

06

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64

4.6 FREQUÊNCIA PARA CONDIÇÕES BAIXAS Os índices para a frequência de condições baixas foram o número

de dias não-chuvosos (precipitação abaixo de 1 mm) e a quantidade de eventos abaixo do percentil 10. Em média entre 1975 e 2010, o número de dias não-chuvosos no ano é maior no norte do PR e no sul do RS, onde chega acima de 300 dias sem chuva no ano (figura 17). No caso da vazão, a menor frequência dos eventos abaixo do percentil 10 está no PR e no oeste do RS. Em outras palavras, a situação parece ser oposta entre a precipitação e a vazão: os lugares com mais dias chuvosos têm as maiores quantidades de eventos de vazão abaixo do percentil 10.

Figura 17 – Número médio de dias não-chuvosos por ano e quantidade de eventos abaixo do percentil 10 de vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Vazão: quantidade de eventosabaixo do percentil 10 [eventos ano-1]

1610621284

Precipitação: número de diasnão-chuvosos no ano [dias ano-1]

311270230192290250210


As tendências são claras para o caso do número de dias não-

chuvosos por ano (figura 18). O PR teve tendência de aumento substancialmente por todo o estado. Em diversas estações pluviométricas espera-se 35 dias a menos de chuva, se comparar o ano de 2010 com o ano de 1975. Algumas regiões tiveram um aumento na

65

precipitação média anual, apesar da redução no número de dias chuvosos. É o caso do baixo Iguaçu, do noroeste do PR, e da área ao norte de Curitiba.

Ainda que o número de dias chuvosos tenha diminuído drasticamente no PR, o mesmo não pode ser dito da quantidade de eventos de vazões baixas. A maior parte do PR não teve grandes mudanças na frequência dos eventos abaixo do percentil 10 (figura 18). Como um exemplo mais extremo, temos o caso da bacia do rio Iguaçu, próximo à foz. O número de dias chuvosos na bacia foi reduzido drasticamente nestes 35 anos. Porém, sua vazão mínima anual aumentou drasticamente; e a quantidade de eventos abaixo do percentil 10 de vazão diminuiu drasticamente.

As tendências de aumento na frequência dos eventos de vazão abaixo do percentil 10 não tiveram um padrão muito claro (figura 18). Da mesma forma que para as vazões mínimas, as tendências não têm relação com a área das bacias ou mesmo dentre as sub-bacias.

66

Figu

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50°W54°W

24°S

28°S

32°S

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

Ü



Tendência: número de dias não-chuvosos no ano[ dias ano-2 ]

1,25 a 2,10,75 a 1,250,25 a 0,75-0,25 a 0,25-0,25 a -0,75-0,75 a -1,25-1,25 a -1,9

Tendência: eventos no ano com vazãoabaixo do percentil 10[ eventos ano-2 ]

0,12 a 0,20,04 a 0,12-0,04 a 0,04-0,04 a -0,12-0,12 a 0,2-0,2 a -0,35

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67

4.7 DURAÇÃO PARA CONDIÇÕES BAIXAS Para todo o período analisado, foi observado que a frequência dos

eventos de baixa magnitude da precipitação e vazão não coincidem. A precipitação e a vazão pareceram ter características opostas, com caráter contraintuitivo. Porém, o caso da duração destes eventos secos apresenta outra situação.

A duração média dos eventos de vazão abaixo do percentil 10 é maior no PR e no oeste do RS (figura 19). Semelhante é visto para precipitação: o número de dias não-chuvosos e duração média entre os eventos de chuva são maiores no norte do PR e no oeste do RS.

Figura 19 – Número médio dos dias não-chuvosos consecutivos e duração média dos eventos abaixo do percentil 10 de vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Vazão: duração média dos eventosabaixo do percentil 10 [dias evento-1]

221482,417115

Precipitação: duração média dosdias não-chuvosos consecutivos [dias]

7,56,254,753,2575,54


As tendências nos dias não-chuvosos consecutivos ocorreram

principalmente no norte e noroeste do PR (figura 21). Porém, os resultados de Vargas et al (2011) são opostos aos aqui encontrados.

68

Entretanto, os trabalhos avaliaram apenas 13 estações no sul do Brasil e para um período que se inicia na década e 1940.

O noroeste do PR é a região mais crítica para as tendências dos eventos secos. Fato curioso é que o noroeste do PR teve aumento nos eventos de baixa magnitude, mas também nos eventos de alta magnitude. Ou seja, a variabilidade da precipitação nessa região aumentou, o que pode trazer problemas às atividades agropecuárias caso esta tendência se siga nas próximas décadas.

Dentre os índices para vazões baixas, a duração teve as mudanças mais claras. A duração dos eventos abaixo do percentil 10, reduziu, de maneira geral, em SC e no RS (figura 21). A maioria dos casos de aumento ocorreu no centro e noroeste do PR. O exemplo mais extremo está no rio Piquiri, na estação mais próxima da foz. Neste caso, espera-se para 2010 que cada evento abaixo do percentil 10 dure 10,5 dias a mais do que em 1975 (figura 20).

Figura 20 – Tendência da duração média dos eventos abaixo do percentil 10, para o rio Piquiri, próximo à foz, de 1975 a 2010. A tendência para cada ano foi igual a 0,3 dia por ano.

69

Figu

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50°W54°W

24°S

28°S

32°S

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0 100 200 km

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Tendências para vazão: duração médiados eventos abaixo do percentil 10[ dias evento-1 ano-1 ]

0,25 a 0,450,15 a 0,250,05 a 0,15-0,05 a 0,05-0,05 a 0,15-0,15 a 0,25-0,25 a -0,55

Tendências para precipitação: duração médiados dias não-chuvosos consecutivos[ dias ano-1 ]

0,05 a 0,150,03 a 0,050,01 a 0,03-0,01 a 0,01-0,01 a -0,03-0,03 a -0,05-0,05 a -0,1

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06

).

70

4.8 SAZONALIDADE O regime de sazonalidade, para todo o período analisado,

apresenta situações opostas entre precipitação e vazão. A sazonalidade da precipitação é maior no norte do PR e menor no sul do RS (figura 22). A vazão tem a situação oposta, com menor sazonalidade no RS e maior no PR.

Figura 22 – Índices de sazonalidade de Markham para precipitação e para vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Precipitação: sazonalidade de Markham [-]

0,350,250,150,050,30,20,10,002

Vazão: sazonalidade de Markham [-]

0,30,20,10,030,350,250,150,05


Entretanto, tendências observadas na sazonalidade são claras

(figura 23). A sazonalidade da precipitação aumentou principalmente no PR e em SC; e diminuiu no norte do RS. A sazonalidade da vazão também apresenta redução no RS. Em particular, para algumas bacias, esta redução foi substancial.

71

Figu

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50°W54°W

24°S

28°S

32°S

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

Ü



Tendência para precipitação:sazonalidade de Markham[ ano-1 ]

0,0025 a 0,0040,0015 a 0,00250,005 a 0,0015-0,0005 a 0,0005-0,0005 a -0,0015-0,0015 a -0,0025-0,0025 a -0,003

Tendência para vazão: sazonalidade de Markham[ ano-1 ]

0,003 a 0,0050,001 a 0,003-0,001 a 0,001-0,001 a -0,003-0,003 a -0,005-0,005 a -0,006

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72

Rao et al (2015) teve resultados semelhantes para precipitação, para o período de 1979 a 2011. Apesar de não ter avaliado a sazonalidade diretamente, observou que toda a região sul teve aumento na precipitação média durante o período mais chuvoso. Porém, no período seco observou diminuição nesta média em SC e no PR. Ou seja, a diferença entre os meses mais chuvosos e os mais secos aumentou no RS e em SC, semelhante ao resultado deste trabalho.

Em algumas bacias foram encontradas situações opostas nas tendências da sazonalidade. Por exemplo, o rio Iguaçu teve grande aumento da sazonalidade da precipitação, mas grande diminuição na vazão, incluindo os seus afluentes.

Um aumento na precipitação e vazão média anual não implicou em um aumento na sazonalidade. As tendências para precipitação média e sua sazonalidade tiveram correlação de Spearman igual a 0,03. No caso da vazão, esta correlação foi igual a 0,05.

4.9 TAXA DE VARIABILIDADE DA VAZÃO E INTENSIDADE

DA PRECIPITAÇÃO O último índice calculado foi a taxa de variabilidade da vazão, na

qual escolheu-se a declividade da curva de permanência. Para precipitação foi calculada a intensidade média de cada evento chuvoso. Para todo o período estudado, a intensidade média da precipitação aumenta gradualmente de leste para oeste (figura 24). A declividade da curva de permanência tem distribuição com semelhanças ao padrão espacial da sazonalidade: menor ao norte, maior ao sul. Porém, neste caso há maior variabilidade entre as bacias. Um dos motivos disso pode ser, por exemplo, porque a declividade da curva de permanência tende a ser maior nas menores bacias. Segundo Leopold (1994), as menores bacias tendem a apresentar uma resposta mais rápida aos eventos chuvosos, portanto uma maior taxa de variabilidade.

As tendências nestas características do regime são claras. A intensidade da precipitação diminuiu principalmente no sudoeste do RS (figura 25). O oeste e o sudoeste do PR tiveram significativo aumento na intensidade média da precipitação. Em diversos casos essa tendência foi acima de 0,25 mm por dia por ano. Ao longo de 35 anos isso indica que, para cada dia chuvoso, é esperado uma precipitação 8,75 mm maior.

73

Figura 24 – Intensidade média dos eventos chuvosos (precipitação > 1mm) e declividade da curva de permanência, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Precipitação: intensidade médiados dias chuvosos [mm dia-1]

28221610,9251913

Vazão: declividade dacurva de permanência [mm]

4320,954,753,52,51,5


A intensidade média da precipitação exerce grande influência

sobre a erosão do solo, pois o aumento da energia cinética das gotas da chuva leva à maior perda do solo (GUERRA, 2013). O aumento da intensidade da precipitação coincide com uma das regiões mais vulneráveis à erosão, no noroeste do PR. O noroeste do PR possui longo histórico de problemas com a erosão do solo (SANTOS; WESTPHALEN, 2013). Segundo os autores, isto ocorre em partes devido à predisposição do solo para tal, o que é reforçado pela remoção da vegetação nativa pela atividade pecuária. Tal fato, juntamente com as tendências para intensidade da precipitação, pode trazer mais problemas caso a tendência se siga nas próximas décadas.

Por outro lado, as tendências na taxa de variabilidade da vazão não tiveram um padrão claro (figura 25). As tendências ocorreram independente da área das bacias. Diversas grandes bacias tiveram tendências opostas em suas sub-bacias, como no caso do rio Iguaçu, Piquiri, e Ivaí.

74

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0,25 a 0,480,15 a 0,250,05 a 0,15-0,05 a 0,05-0,05 a -0,15-0,15 a -0,25-0,25 a -0,36

Tendência: declividade da curvade permanência da vazão[ mm ano-1 ]

0,025 a 0,0430,015 a 0,0250,005 a 0,015-0,005 a 0,005-0,005 a -0,015-0,015 a -0,025-0,025 a -0,036

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75

4.10 BALANÇO TOTAL DAS MUDANÇAS NO REGIME Uma vez visualizadas as tendências para cada uma das nove

subcategorias do regime de precipitação e de vazão, buscou-se uma forma de agrupar estas tendências. Com isso, é possível visualizar quais regiões sofreram as maiores mudanças no regime.

Para cada estação de medição foi somada a quantidade de índices que tiveram as maiores tendências. Por convenção, foram somadas apenas as duas maiores classes representadas em cada mapa com as tendências, tanto para o lado positivo quanto negativo. Em outras palavras, estas seriam as classes com as duas cores mais fortes do azul ou do vermelho, que representam 1,5 desvio padrão ou mais (ou -1,5 desvio padrão ou menos). Assim, a quantidade de categorias no regime que sofreu maiores mudanças no regime é agrupada, independente do sinal destas mudanças.

Com isso, nota-se que as regiões com as maiores mudanças nas subcategorias do regime de precipitação estão no PR e em parte de SC (figura 26). Tal é o caso do sudoeste, oeste, noroeste, norte, e leste do PR; e do litoral sul de SC. O restante do RS e de SC permaneceu sem grandes alterações no regime de chuva.

Por outro lado, não houve grandes regiões em que as maiores mudanças no regime de vazão ocorreram (figura 26). Uma concentração de mudanças no regime está no oeste de SC, nos afluentes do rio Uruguai. Além desta região, as bacias com mudanças estão distribuídas pelos três estados do sul do Brasil. Somado a isto, bacias hidrográficas com a maior quantidade de mudanças no regime não seguiram um padrão espacial, nem mesmo em suas sub-bacias. Da mesma forma, estas mudanças ocorreram independente da área das bacias.

Portanto, é observado um contraste entre as mudanças no regime de precipitação e de vazão: as mudanças na precipitação estão concentradas no PR, mas as mudanças na vazão estão distribuídas por todo o sul do Brasil. Uma hipótese, portanto, é que as causas das mudanças nos rios do sul do Brasil estão relacionadas a mudanças devido à interferência da atividade humana nas bacias hidrográficas.

76

Figura 26 – Soma total da quantidade de índices do regime que tiveram as maiores mudanças (maior ou menor que 1,5 desvios padrão), no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

48°W

52°W

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52°W

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6


77

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Este trabalho analisou as mudanças observadas no regime de

precipitação e de vazão no sul do Brasil, entre 1975 e 2010. Foram analisados um total de 675 estações de medição de precipitação e 142 de vazão.

A análise do regime foi feita para nove subcategorias do regime: magnitude (médias, altas, e baixas); frequência (altas e baixas); duração (altas e baixas); sazonalidade; e taxa de variabilidade (no caso da vazão) ou intensidade (no caso da precipitação). Cada uma destas subcategorias foi analisada calculando um índice. As tendências nestes índices foram calculadas usando regressão linear e o teste estatístico de Mann-Kendall.

5.1 MUDANÇAS OBSERVADAS NO REGIME DE

PRECIPITAÇÃO Em nenhuma das nove subcategorias do regime o sul do Brasil

houve mudanças homogêneas por toda a região. Algumas regiões tiveram maior destaque nas mudanças do regime de precipitação. As maiores mudanças ocorreram no Paraná e em parte de Santa Catarina. As principais regiões de mudanças foram, no caso do PR: o sudoeste, oeste, noroeste, norte, e leste do estado. Em Santa Catarina a principal região de mudanças foi o litoral sul.

Destas principais regiões com mudanças no regime de precipitação, apenas o norte do PR teve uma redução na precipitação média e na quantidade de eventos acima do percentil 90. As demais regiões tiveram um aumento na precipitação média, na máxima diária anual, e um aumento estatisticamente significativo na quantidade de eventos acima do percentil 90. O aumento na precipitação média anual não esteve relacionado ao aumento na sazonalidade: a correlação entre ambas as tendências foi de 0,03.

Com exceção do litoral sul de Santa Catarina, todas as regiões principais tiveram um aumento estatisticamente significativo na quantidade de dias não-chuvosos por ano e na intensidade média por evento de chuva.

5.2 MUDANÇAS OBSERVADAS NO REGIME DE VAZÃO

Ao contrário do caso da precipitação, as mudanças na vazão não

estão concentradas em algumas regiões principais. Diversas mudanças ocorreram sem um padrão espacial aparente, independente da área da

78

bacia, e em situações opostas em diferentes sub-bacias. Das mudanças que tiveram um padrão por toda a região sul, podem-se citar: a tendência de aumento na vazão média por toda a região; a redução na sazonalidade em SC e no RS; o aumento na quantidade de eventos acima do percentil 90 em SC e no PR; uma redução estatisticamente significativa na duração dos eventos abaixo do percentil 10 na bacia e sub-bacias do rio Uruguai, além de um aumento estatisticamente significativo nas bacias do rio Piquiri e Ivaí.

As mudanças no regime de vazão frequentemente não coincidiram com as mudanças no regime de vazão. Portanto, a hipótese levantada foi que outras causas, além das mudanças no regime de precipitação, levaram às mudanças no regime de vazão.

5.3 RECOMENDAÇÕES

Este trabalho usou apenas um índice para representar cada

subcategoria do regime de precipitação e de vazão. Entretanto, estes índices não representam o regime em sua totalidade. Outros índices também devem ser calculados para avaliar as mudanças no regime.

As medições de precipitação e as estimativas de vazão possuem um grau de incerteza em seus valores. Ao calcular os índices, as incertezas também devem ser inseridas. Caso a incerteza no índice apresente um valor mais alto que a sua tendência, isto indicaria que a tendência pode ser devido à faixa de incerteza da medição.

Por fim, este trabalho descreveu um conjunto de informações geradas. Estas informações buscam compreender melhor o fenômeno das mudanças no regime de precipitação e vazão, o que as causam, e quais são suas consequências. Portanto, um próximo passo lógico estaria no uso destas informações para buscar as causas das mudanças no regime, além de gerar ou testar hipóteses a partir desta.

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91

APÊNDICE A – PERÍODO DE OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS E FLUVIOMÉTRICAS

O banco de dados da ANA (2015) possuía um total de 1974

estações pluviométricas e 765 estações fluviométricas no sul do Brasil. Para todas as estações são visualizadas o ano inicial das medições (figura A1) e o ano último ano com os dados disponíveis (figura A2).

Figura A1 – Ano de início das medições de precipitação e de vazão, para cada uma das 1974 estações pluviométricas e 765 estações pluviométricas fornecidas pela ANA (2015) para o sul do Brasil.

Figura A2 – Ano com os últimos dados disponíveis de precipitação e de vazão, para cada uma das 1974 estações pluviométricas e 765 estações pluviométricas fornecidas pela ANA (2015) para o sul do Brasil.

1890

1910

1930

1950

1970

1990

2010

1 201 401 601 801 1001 1201 1401 1601 1801

Ano

de

iníc

io d

as m

ediç

ões

Número da estação


Estações fluviométricas

1930

1950

1970

1990

2010

1 201 401 601 801 1001 1201 1401 1601 1801

Ano

fin

al d

as m

ediç

ões

Número da estação


Estações fluviométricas

93

APÊNDICE B – ESTAÇÕES DESCARTADAS OU ALTERADAS DEVIDO A DADOS DUVIDOSOS

A análise exploratória dos dados de precipitação e vazão buscou

eventuais dados duvidosos ou questionáveis. Para todas as estações neste trabalho foram visualizadas as médias, máximas, e mínimas anuais. Os problemas encontrados e suas respectivas soluções estão descritas para as estações fluviométricas (tabela B1) e pluviométricas (tabela B2).

Tabela B1 – Descrição dos problemas e das soluções encontradas para os dados das estações fluviométricas.

Código Problema encontrado Solução

64380000 Vazão em 2010: 3000 mm. Mais de 50% acima da precipitação na bacia

hidrográfica para 2010.

Estação alterada. O ano de 2010 foi removido da

série. 64453000 Vazão média: 111 mm por ano. Estação removida.

64620000 Vazão entre 2005 e 2010: zero. Estação removida.

64645000 Vazão média: 7868 mm por ano. Estação removida.

64675002 Vazão média anual: 1790 mm por

ano. Acima da chuva média da bacia.

Estação removida.

64685000 Vazão média de 2008 a 2010 mais

de dez vezes acima da média para os demais anos da série.

Estação alterada. Os anos 2008 a 2010 foram

removidos da série. 65015400 Vazão média: 4596 mm por ano. Estação removida.



65948000 Vazão média: 5460mm por ano. Estação removida.

65979000 Tendência da vazão média:

aproximadamente 70 mm ao ano. Estação removida.




85438000 Tendência da vazão média:

aproximadamente 24 mm ao ano. Estação removida.

94

Tabela B2 – Descrição dos problemas e das soluções encontradas para os dados das estações pluviométricas.

Código Problema encontrado Solução

2350048 Precipitação média antes de 1995:

aprox. 800 mm. Estação removida.

2351013 Precipitação diária máxima em

1977: acima de 1000 mm. Estação removida.

2450048 Tendência da precipitação média: -

24,6 mm. Inconsistente com as estações vizinhas.

Estação removida.



2548041 Precipitação média em 1989: aprox.

5000 mm. Inconsistente com as estações vizinhas.

Estação alterada. O ano de 1989 foi removido da série.

2548044 Tendência da precipitação média: -

33,9 mm. Inconsistente com as estações vizinhas.

Estação removida.


1988: aprox. 800 mm. Estação alterada. O ano de 1988 foi removido da série.

2552046 Precipitação média em 1994: aprox.

7000 mm. Estação removida.

2648020 Precipitação média entre 2005 e

2010: aprox. 500 mm. Estação removida.



2652007 Precipitação média de 1993 a 1995:

abaixo de 250 mm por ano.

Estação alterada. Os anos de 1993 a 1995 foram removidos da série.





2950031 Precipitação média em 1998: zero. Estação alterada. O ano de 1998 foi removido da série.

95

APÊNDICE C – DELIMITAÇÃO DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS

Para cada estação fluviométrica usada neste trabalho foi preciso

delimitar a sua bacia hidrográfica (figura C1). A delimitação foi feita usando as ferramentas para hidrologia do ArcGIS, a partir de dados altimétricos da USGS (2006).

Figura C1 – Bacias hidrográficas das estações fluviométricas avaliadas.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

0 150 300 km

45°W65°W

0°20

°S

OceanoAtlântico

Brasil

0

Altitude (m)

1500 1000 500

Bacias hidrográficas

Estações fluviométricas e bacias hidrográficas

Lagoa dos PatosOceano Atlântico

Rio Ivaí

Rio Uruguai

Hidrografia

Rio ParanapanemaRio Piquiri

Rio Iguaçu

Fontes: região sul do Brasil (IBGE, 2015); estações fluviométricas (ANA, 2015); altimetria (USGS, 2006); hidrografia e bacias hidrográficas geradas a partir de USGS (2006).

97

APÊNDICE D – FREQUÊNCIA DE EVENTOS DE CONDIÇÕES ALTAS

Figura D1 – Quantidade de eventos por ano acima do percentil 90, para precipitação e vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Precipitação: quantidade de eventosacima do percentil 90 [eventos ano-1]

17,21395,515117

Vazão: quantidade de eventosacima do percentil 90 [eventos ano-1]

151172,1171395

Fontes: região sul do Brasil (IBGE, 2015); estações pluviométricas e fluviométricas (ANA, 2015); hidrografia gerada a partir de USGS (2006).

99

APÊNDICE E – DURAÇÃO DE EVENTOS DE CONDIÇÕES ALTAS

Figura E1 – Duração média dos eventos do percentil 90, para precipitação e vazão, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.

Vazão: duração média dos eventosacima do percentil 90 [dias evento-1]

141062,1171284

Precipitação: duração média dos eventosacima do percentil 90 [dias evento-1]

1,31,11,41,21


100

Figu

ra E2

– T

end

ências o

bservad

as na d

uração

méd

ia d

e eventos acim

a do

p

ercentil 9

0, p

ara precip

itação e vazão

, no

sul do

B

rasil, entre 19

75

e 201

0. 50°W54°W

24°S

28°S

32°S

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü

0 100 200 km

Ü



Tendência para precipitação: duração médiados eventos acima do percentil 90[ dias evento-1 década-1 ]

0,025 a 0,060,015 a 0,0250,005 a 0,015-0,005 a 0,005-0,005 a -0,015-0,015 a - 0,025-0,025 a -0,05

Tendência para vazão: duração médiados eventos acima do percentil 90[ dias evento-1 ano-1 ]

0,1 a 0,20,06 a 0,10,02 a 0,06-0,02 a 0,02-0,02 a -0,06-0,06 a -0,1-0,1 a -0,12

F

on

tes: região su

l do

Brasil (IB

GE

, 20

15); estaçõ

es p

luvio

métricas e

fluvio

métricas (A

NA

, 20

15

); hid

rografia gerad

a a pa

rtir de U

SG

S (2

00

6).

101

APÊNDICE F – MAGNITUDE PARA CONDIÇÕES BAIXAS

Figura F1 - Percentil 20 da precipitação e vazão diária mínima registrada, no sul do Brasil, entre 1975 e 2010.

50°W54°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

52°W56°W

24°S

28°S

32°S

Ü0 100 200 km

Precipitação: percentil 20 [mm]

8,7630,27,54,51,5

Vazão diária mínima registrada [mm]

0,60,40,200,710,50,30,1

Menor bacia hid.


Maior bacia hid.


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