ESTADO DA ARTE
Neste capítulo apresenta-se a fundamentação teórica referente às metodologias utilizadas nesta tese.
4.1 – DIAGNÓSTICO AMBIENTAL EXPEDITO
Relevantes à segurança da recarga de aquíferos são os instrumentos da Política Nacional de Meio Ambiente que envolvem atuação local por parte dos agentes dos órgãos ambientais ou do técnico responsável pelo relatório técnico. Entre esses instrumentos, estão a fiscalização, as autorizações de desmate, a averbação de reservas legais, os relatórios técnicos para outorga de uso da água, entre outros. A característica básica desses instrumentos é seu caráter expedito (poucos dias), realizado usualmente por apenas um profissional, com uma fase preparatória de escritório, uma visita de campo e, por fim, a apresentação de um relatório com as conclusões.
Os protocolos de diagnóstico expedito são parte dos métodos de Avaliação de Impacto Ambiental (AIA), um dos instrumentos da Política Nacional de Meio Ambiente. Dentre os métodos de diagnósticos expeditos aceitos na AIA, o método proposto nesta seção enfoca o de planilhas de verificação ponderada (Lohani et al. 1997). As planilhas de verificação (checklist) são uma listagem de características ambientais e possíveis impactos e riscos, a serem observados pelo profissional de campo e descritos em uma tabela padronizada. Nessa tabela, cada característica observada remeterá a um peso numérico específico, estabelecido em um gabarito anexo. Completado o preenchimento das planilhas de verificação, um cálculo matemático simples sobre os pesos numéricos enquadra a localidade em determinado grau de qualidade ou risco ambiental.
As planilhas de verificação ponderadas são de fácil aprendizagem e aplicação em campo. Elas têm como principal objetivo orientar a atuação dos profissionais em campo, de forma a não olvidarem os aspectos essenciais necessários de análise. Adicionalmente, o fato de produzir informações padronizadas possibilita futuros estudos comparativos, por meio de programas de estatística, banco de dados e Sistemas de Informação Geográfica – SIG. Além da aplicação em casos concretos, técnicas de diagnóstico ambiental expedito têm bom potencial de utilização como instrumento de aprendizado para introduzir
Vasconcelos, V.V., 2014. Recarga de Aquíferos – Subsídios à gestão hídrica e ambiental – Bacia do Rio Paracatu, SF7
No Reino Unido, planilhas ponderadas de verificação têm sido usadas sistematicamente como instrumentos de avaliação para segurança de recarga de aquíferos. Seu uso permite uma avaliação preliminar a baixo custo, permitindo triar quais serão os casos que merecem uma atenção especial para atuação do poder público ou quanto à necessidade ou não de estudos mais detalhados. A United Kingdom Environmental Protection Agency (2008) utiliza planilhas de verificação sistematizadas para autorização de uso de água subterrânea, avaliação de contaminação hidrogeológica por aterros sanitários e, ainda, remediação de aquíferos contaminados.
Em uma avaliação ambiental expedita de campo, torna-se essencial a delimitação de áreas prováveis de maior potencial de recarga. Em uma abordagem voltada a contextos de recarga locais, a possibilidade técnica de inferências sobre piezometria, recarga e descarga dos aquíferos freáticos por meio do controle altimétrico de nascentes foi elucidada por Rennó & Soares (2003). Souza & Fernandes (2000), em outra abordagem consonante, propõem a delimitação de áreas de recarga, transmissividade (transiência) e descarga por critérios de declividade e topologia altimétrica. As proposições de Rennó & Soares (2003) e de Souza & Fernandes (2000) ancoram-se no princípio de que, em bacias de rios perenes, a movimentação da água nos sistemas aquíferos existentes obedece a um acentuado controle topográfico, com linhas de fluxo convergentes em direção aos drenos principais, indicando que os cursos d’água principais têm caráter efluente, ou seja, recebem contribuições das águas subterrâneas (CETEC 1981).
O enfoque nas áreas de recarga altimetricamente acima das surgências privilegia a gestão de aquíferos rasos, em meso e micro escalas, apresentando grande potencial para a resolução de conflitos. Lima (2010) atenta que grande parte dos conflitos por uso da água no Brasil encontram-se em sistemas hídricos de microbacias, por serem mais sensíveis ao efeito das práticas de uso da água e do solo sobre as reservas hídricas limitadas, contrastando comumente com os leitos e aquíferos aluviais dos grandes rios a jusante ainda apresentando vazões disponíveis para novos usos. Shah (2010), na mesma linha de raciocínio mostra que, na Índia, os programas de gestão de infiltração e gerenciamento comunitário de águas subterrâneas para irrigação alcançaram muito mais êxito em aquíferos rasos localizados, do que nas áreas de extensos aquíferos porosos. Nos aquíferos de microescala, os usuários e a população observam mais facilmente os efeitos do incremento das recargas na vazão das surgências e na vazão disponível para os poços (Shah 2010; Lima 2010).
4.2 – CARACTERIZAÇÃO CARTOGRÁFICA DE FAVORABILIDADE DE RECARGA
DE AQUÍFEROS
Entre as técnicas mais amplamente utilizadas para análise de recarga de aquíferos, encontram-se os métodos de campo (com uso de piezômetros, lisímetros, traçadores, entre outros) e os métodos por inferência indireta (como balanço hídrico e avaliação de hidrógrafas). O emprego de métodos de campo para grandes bacias, além de envolver custos elevados quanto à rede de amostragem necessária, ainda gera incertezas em virtude da heterogeneidade espacial dos processos hidrogeológicos. Ao passo que os métodos indiretos, apesar de úteis para uma avaliação da recarga em bacias hidrográficas, ainda apresentam a lacuna de não avaliar as diferenciações dos atributos ambientais (solo, geomorfologia e litoestratigrafia) intrabacia e interbacias.
Como uma etapa anterior ao emprego dos métodos diretos e indiretos de estimativa de recarga, Scanlon et al. (2002) sugerem que seja elaborada uma modelagem conceitual de recarga em relação aos atributos fisiográficos das bacias hidrogeológicas. Além de permitir uma compreensão preliminar dos processos hidrogeológicos em curso, essa modelagem também ajuda na escolha e no planejamento de estudos subsequentes mais aprofundados de inferência indireta e/ou direta. Todavia, em países em desenvolvimento, com poucas bases de dados sistematizados e com poucos recursos financeiros para campanhas de medições de campo, essa modelagem conceitual pode frequentemente ser a única metodologia viável para trazer um mínimo de compreensão dos processos hidrogeológicos de uma região.
Para a modelagem conceitual, Scanlon et al. (2002) referendam a classificação de unidades hidrogeomórficas, propostas por Tóth (1963) e implementadas em vários estudos aplicados, tais como Salama et al. (1994). Uma abordagem análoga, de unidades de paisagens hidrológicas, foi proposta por Winter (2001) e implementada em Wolock et al. (2004). Tague & Grant (2004) relacionaram diversos padrões de recarga e descarga de aquíferos com as características geológicas e geomorfológicas.
Lanni et al. (2011) ressaltam a necessidade de que a modelagem fisiográfica da infiltração da água da chuva inclua a avaliação da conectividade hidráulica subsuperficial de forma interescalar (encosta/bacia), considerando a flutuação do nível freático, umidade pré-chuva do solo e a descarga hídrica nas surgências e cursos de água. Gharari et al. (2011) e Nobre et al. (2011) exploram esse conceito em relação a critérios geomorfométricos de altitude em relação às drenagens, obtendo resultados hidrológicos consistentes.
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No decorrer da modelagem conceitual preliminar, uma questão essencial é a delimitação de áreas prováveis de maior potencial de recarga. Não se pretende ignorar que, para um aquífero livre, toda a superfície de terreno apresenta, em maior ou menor grau, potencial de infiltração e percolação. Todavia, em bacias de rios perenes, as áreas topograficamente mais elevadas em relação às nascentes geralmente apresentam funções hidrogeológicas distintas daquelas à jusante, em especial no que diz respeito à predominância da função de recarga de aquíferos. Crave & Gascuel-Odoux (1997), recorrendo a modelos integrados de fluxo superficial/subterrâneo e a validações de campo, demonstraram que as áreas altimetricamente mais elevadas em relação às nascentes usualmente apresentam maior infiltração e menor escoamento superficial, pois, em decorrência do movimento da água subterrânea/subsuperficial direcionado pelo potencial hidráulico-gravitacional, constituem-se áreas com menor umidade superficial do solo no momento pré-chuva e com maior profundidade da zona saturada. Dessa forma, o mapeamento focado nessas áreas torna-se um instrumento de gestão, orientando a ação conservacionista dos diversos usuários do solo e da água, planejadores públicos, comitês de bacia, entre outros atores.
4.3 – QUANTIFICAÇÃO DE COMPONENTES DE VAZÃO POR MEIO DE FILTROS
RECURSIVOS
4.3.1 – Contexto de Aplicação
A separação da hidrógrafa entre componentes de escoamento superficial e fluxo de base é importante para a gestão de recursos hídricos, especialmente no que se refere a condições de seca e enchentes (Tularam & Ilahee 2008), navegação e manutenção de reservatórios (McMahon & Mein 1986), vazão ecológica, manejo de salinidade, manejo de algas (Santhi et al. 2008), descarga de nutrientes no corpo hídrico (Reay et al. 1992) – inclusive contaminações (Dolezal & Kvítek 2004, Schilling & Zhang 2004). Os componentes da separação da hidrógrafa também podem servir como dados de entrada em modelos mais complexos, como os de balanço hídrico e de previsão hidrológica (Corzo & Solomatine 2007). Com a análise da contribuição subterrânea de cada sub-bacia para o fluxo dos cursos d'água, torna- se possível definir mais adequadamente o quanto cada área efetivamente contribui no ciclo de recarga e descarga dos aquíferos.
O mapeamento da descarga específica subterrânea, por separação de componentes da hidrógrafa, em bacias aninhadas, pode ser utilizado como instrumento diagnóstico útil para articulação entre a política ambiental e a de recursos hídricos, com o objetivo de conduzir a um planejamento territorial sustentável. Em um contexto de gestão geoambiental em que o poder público procura implantar gradualmente políticas de gestão como a cobrança pelo uso da água e pagamento por serviços ambientais, o mapeamento da descarga subterrânea específica apresenta-se como um subsídio valioso de gestão. Por meio desse mapeamento é possível reconhecer a importância relativa de cada sub-região na bacia quanto ao fornecimento de água subterrânea aos rios. Dessa forma, pode-se valorizar mais as ações que possibilitem um melhor manejo de conservação da água e do solo nas áreas mais críticas. Esse reconhecimento pode permitir, por exemplo, que quem contribua mais para a manutenção da recarga dos aquíferos possa pagar menos pelo uso da água ou, em contrapartida, receber maior pagamento pelo serviço ambiental prestado. Tendo em vista que os conflitos por uso de recursos hídricos normalmente ocorrem durante os períodos de estiagem, em que os rios se constituem praticamente pelo escoamento subterrâneo, o fluxo de base (e seu respectivo mapeamento) quantifica a característica mais crítica a ser levada em consideração. Ao passo que o mapa de fluxo rápido pode apontar as áreas mais interessantes para o emprego de técnicas de reservação e regularização do fluxo de água, de forma a reter a fluxo no momento das chuvas e utilizar para usos múltiplos ou para liberação no período de estiagem.
4.3.2 – Preenchimento de Falhas na Sequência Dados Hidrológicos
A avaliação da estacionariedade de dados hidrológicos justifica-se pelo fato da mesma ser um pressuposto necessário para modelos estatísticos hidrológicos e hidrogeológicos (Tucci 2009, Souza et al. 2009), inclusive para o preenchimento de falhas na sequência de dados de vazão. Destaca-se, todavia, a atitude metodológica proposta por Müller et al. (1998), de que o estudo da estacionariedade deve ser empregado como um instrumento de agregação de informações e de análise comparativa, mais do que simplesmente um teste de rejeição de hipóteses.
Como etapa preparatória ao preenchimento de lacunas nos dados de estações fluviométricas, a Agência Nacional de Águas – ANA – (Souza et al. 2009) preconiza a abordagem de agrupamento de estações fluviométricas de apoio. Esse método consiste em selecionar as estações topologicamente mais próximas a jusante e a montante da estação de preenchimento de falhas, podendo-se também incluir estações em bacias próximas com características fisiográficas homogêneas. As estações que apresentarem maior coeficiente de correlação são utilizadas para o preenchimento. Rodriguez (2004), Novaes (2005), Moreira (2006), Latuf (2007) e Souza (2009) utilizaram a abordagem das estações de apoio para estudos
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Schafer & Graham (2002), Allison (2002) e Enders (2010) classificam a Maximização da Expectância (Expectation Maximization – EM) (Hartley 1958, Dempster et al. 1977) e a Imputação Múltipla (Multiple Imputation – MI) como os métodos mais robustos disponíveis para análise de falhas em bases de dados estatísticos. Os algoritmos de ambos os métodos estão presentes no módulo Missing Values do software SPSS. Presti et al. (2010) indicam que o uso de técnicas multivariadas (tais como EM e MI) aumenta a segurança estatística do preenchimento de falhas em dados hidrológicos, permitindo inclusive trabalhar com maiores percentagens de falha ou com séries temporais mais curtas. Além disso, como a estimativa acurada do fluxo de base hidrogeológico demanda trabalhar com dados diários de vazão, os cuidados estatísticos de validação dos dados de entrada necessitam serem ainda mais confiáveis do que quando se trabalha com séries de médias mensais.
Um caso típico de melhoria na estimação da vazão, por preenchimento com técnicas estatísticas multivariadas, ocorre nos casos de que uma estação receba contribuições provenientes de duas ou mais estações de apoio afluentes com comportamento de vazões significativamente diferentes. Outro caso, análogo, mas em contexto mais complexo, refere-se à heterogeneidade espaço-temporal da ocorrência de eventos de precipitação pluvial em relação às estações fluviométricas próximas e da estação com preenchimento de falhas.
Amisigo & Giesen (2005), em estudos aplicados, demonstram que a técnica de EM Multivariada permite uma estimação mais precisa das falhas de dados fluviométricos, quando comparados às técnicas clássicas de regressão. Enders (2010) expõe matematicamente como a estimação por EM é mais robusta em relação às pressuposições de distribuição dos dados, quando comparada às técnicas convencionais de regressão. A imputação por EM Multivariada apresenta, ainda, vantagem sobre a regressão multivariada, ao maximizar seu poder estatístico por meio da informação obtida da curva de distribuição dos casos incompletos, e por estimar o nível de variância original da série temporal (Enders 2010).
A Imputação Múltipla (MI) adiciona um resíduo aleatório às regressões múltiplas selecionadas (analogamente a uma regressão múltipla estocástica), de modo a manter a variância original das observações completas. Contudo, esse resíduo aleatório, apesar de manter a variância, distancia “na mesma medida” o valor imputado em relação a seu valor de máxima probabilidade, reduzindo a segurança dos dados estimados. Cano & Andreu (2010) alertam que, em séries com correlação temporal significativa, tais como os dados hidrológicos, a soma do resíduo aleatório pelos algoritmos convencionais de MI pode conduzir a resultados menos compatíveis com o comportamento natural dos dados reais.
Além disso, Enders (2010) ressalta que as opções metodológicas dos algoritmos de MI não se encontram amadurecidas, consolidadas metodologicamente e testadas tanto quanto as de EM. Em contraposição, a existência do estudo abrangente de Amisigo e Giesen (2005) para EM, aplicado ao preenchimento de falhas em dados hidrológicos, trouxe uma segurança maior para utilização desse método.
Presti et al. (2010) sugerem que, em climas de oscilação unimodal (contraste entre um período seco e outro chuvoso, como é o caso da Bacia do Rio Paracatu), o preenchimento de falhas seja aplicado separadamente para dois períodos do ano: o período chuvoso e o período de estiagem. Dessa forma, a dinâmica hídrica distinta de cada um dos dois períodos será captada com mais segurança na correlação entre as estações. No período sem chuvas, espera-se que o coeficiente da curva de recessão de cada bacia seja uma das características definidoras de sua correlação. No período chuvoso, por sua vez, apresentar-se- á maior influência das características de fluxo referentes à separação entre escoamento superficial, subsuperficial e subterrâneo.
4.3.3 – Estimativa de Fluxo de Base
No contexto das técnicas que procuram especificar o fluxo de base por inferência indireta, convencionalmente são empregados o balanço hídrico, a separação dos componentes da hidrógrafa, o cálculo do fluxo de recessão (Equações de Rorabaugh (1964)) e a comparação sistemática entre eventos de precipitação por análise de pulsos hidrológicos (Su 1995).
Entretanto, os métodos de separação da hidrógrafa, por enfocarem apenas o fluxo de base dos cursos de água, não incorporam o quantitativo de perda referente à evapotranspiração ripária e também à percolação profunda que passe por baixo da seção onde se encontra a estação fluviométrica (Risser et al. 2005). Esses dois fatores são importantes para a análise da recarga de aquíferos, por interferirem no balanço hídrico da bacia hidrogeológica.
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A separação do fluxo de base por meio de cálculo computacional afasta a imprecisão e a subjetividade inerente de métodos gráficos tradicionais como o de Barnes (1939). Entretanto, Risser et al. (2005) alertam que os métodos convencionais de separação de hidrógrafa por métodos numéricos (PART, mínimos locais, intervalos fixos, intervalos flutuantes) possuem dificuldades para comparar as estimativas de fluxo de base de bacias de tamanho diferentes (inclusive quando estão aninhadas). O aumento da área da bacia implica em: (1) maior tempo do escoamento superficial, (2) amortecimento de cheias, (3) atrito do leito sobre a vazão, (4) contribuições parcialmente simultâneas de vazões dos tributários e (5) fluxos hidrogeológicos regionais, entre outros fatores, que dificilmente são calibráveis automaticamente pelos algoritmos disponíveis. A Figura 4.1 evidencia como esses métodos podem gerar distorções na separação do fluxo de base.
Figura 4.1 – Efeito da separação de fluxo de base com base na mudança de intervalo de 3 para 5 dias, pelo método dos intervalos fixos (programa Hysep), sobre a vazão das bacias WE-38 (2,8 milhas quadradas) e East Mahantango Creek – Klingestown (45 milhas quadradas), de abril a maio de 1996 (Adaptado de Risser et al. 2005). Risser et al. (2005) notam como a mudança de intervalo é arbitrária e não consegue identificar adequadamente pontos de inflexão da curva de nenhuma das hidrógrafas.
Os métodos de cálculo de recarga por análise da curva de recessão, em tese, não partilham dessa limitação. Pois, em vez de partir do reconhecimento dos pontos de inflexão (como fazem os métodos de separação de hidrógrafa), os métodos de análise de recessão começam pela identificação dos picos de vazão, para depois calcular o comportamento de recessão do fluxo (Rutledge 1993, 1998, 2000). Para análise do fluxo de recessão é necessário calibrar o tempo crítico (tc) para que cesse a influência do escoamento superficial, para o qual Rutledge (1993) e Welderufael e Woyessa (2010) referendam a fórmula empírica de Lynsley et al. (1975):
N = 0,827 A0,2 onde:
N é o tempo, em dias, após um pico na hidrógrafa, para que cesse a participação do escoamento superficial;
A é a área da bacia hidrográfica, em km2.
Ressalva-se que essa fórmula supõe um evento de precipitação pluviométrica que atinja toda bacia – critério este que se torna menos seguro com o aumento da área da bacia.
Para a maior confiabilidade da análise da curva de recessão, é necessário que sejam identificados períodos relativamente longos e contínuos de recessão (sem picos de vazão intercorrentes) (Halford & Mayer 2000), com o cuidado de não apresentar períodos anormais de vazão baixa (low flow) que não sejam representativos do funcionamento padrão do sistema hídrico (Rutledge 2003). Halford & Mayer (2000) e Larocque et al. (2010) demonstram que os métodos manuais e automáticos de separação de hidrógrafa, quando aplicados com base em análise de recessão sobre períodos com picos de chuva intercorrentes próximos, acabam por perder seus critérios de referência e, assim, diminuem a confiabilidade da separação dos componentes – e mais ainda, tendem a superestimar o valor do fluxo de base, ao tomarem por base o fluxo de recessão ainda afetado pelos escoamentos superficiais e sub- superficiais de eventos pluviométricos próximos (Figura 4.2).
De forma a incorporar as vantagens da análise de recessão em um critério de separação de hidrógrafa que não se fie em variáveis intervalares temporais, apresenta-se ainda a alternativa da utilização de filtros recursivos digitais. Com o uso desses filtros, parte-se do pressuposto de que as ondulações de baixa frequência da hidrógrafa informariam o fluxo de base, enquanto as ondulações de alta frequência associar-se-iam ao escoamento superficial (Lim et al. 2005). A soma das duas ondulações corresponderia à vazão total da hidrógrafa.
Peter e Van Lanen (2005) e Brodie & Hostetler (2005), porém, ressaltam que a desvantagem