Avaliação dos Impactos das Mudanças Climáticas no Regime Hidrológico do Sistema Cantareira

Avaliação dos Impactos das Mudanças Climáticas no Regime Hidrológico do Sistema...

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Avaliação dos impactos das mudanças climáticas no regime hidrológico do Sistema Cantareira

São Carlos (SP) 2016

Avaliação dos impactos das mudanças climáticas no regime hidrológico do Sistema Cantareira

Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências: Engenharia Hidráulica e Saneamento

Orientador: Prof° Dr. João Luiz Boccia Brandão

viii viii vii AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar, gratidão ao Universo por todas as oportunidades oferecidas a mim ao longo da minha vida e que me fizeram chegar às conquistas e aprendizados que alcancei até então;

Aos meus pais Luiz Carlos e Maria Luísa, pela compreensão nos momentos de impaciência, pelo carinho e apoio incondicional, por terem forjado a base de meu caráter e por proporcionarem a mim as condições de chegar onde cheguei, amo vocês;

Ao meu irmão Leonardo, que aqui em São Carlos acabou por se tornar um parceiro de quarto, e tenho certeza, de toda a vida. Mesmo nos momentos difíceis e de desentendimentos nos mantivemos fortes, unidos e com uma amizade pura e verdadeira;

À Rosa, muito obrigado por todo o carinho e por ser minha segunda mãe; Ao Geólogo e pesquisador Novais, pai, seus estudos e fascínio pela atividade acadêmica me incentivaram a continuar firme na minha jornada, deixo aqui minha admiração;

Aos meus familiares, avôs e avós (em memória), Tio Waldemar, Tia Helena e família, e àqueles que mesmo não compartilhando o mesmo sangue, Tio Valdir, Tia Regina e família, considero parte de minha vida;

Ao Professor João Luiz Boccia Brandão, pela orientação, ensinamentos passados, serenidade no decorrer da pesquisa e à amizade criada, muito obrigado;

Aos amigos do Labsin, Marcelo, Marcão, Taís, Daysy, Loide, Tchê, Leandro, Anne,

Pariconha, Aninha, Chapinha, Maria, Tatiane, Arlan, Rodrigo, Renata e Raquel, com quem dividi dias de trabalho, curtição, trocas de conhecimento e vivências importantes para o meu desenvolvimento científico;

Aos parceiros que tive a oportunidade de conviver na Rep. Cooperativa dos Loucos,

Seu Jorge, Alecrim, Sergião, Marião, Diogo e Rogerinho, aprendi muito com todos vocês;

Aos amigos de longa data e àqueles feitos em São Carlos, Tiagão, Quixeramubim,

Day, Fer, Ju, Cebola, Pauleta, Monstro, Teta, Vitória, Júlia, Carolzinha, Gui, Elias, Gabi, Leo Bermudinha, Leo, Dudu, Leila e todos que tive a oportunidade de conhecer aqui;

Ao Instituto Espiritual Xamânico Flor de Lótus, e todos que fazem e fizeram parte daquele lugar iluminado, tenho plena certeza e confiança na seriedade e na elevação das atividades lá realizadas. Saio de lá uma pessoa mais consciente, gratidão do fundo do meu coração por tudo;

Aos amigos de Viçosa, da EAB 2008, principalmente Corel, Bonja, Pango, Tamila, Agnes e Paulo por continuarem presentes em minha vida.

viii

Ao Phillipe, amigo e conterrâneo com quem convivi durante essa minha jornada em

São Carlos, aprendi muito com você, irmão, “tamo junto“;

À Dayane, pelo companheirismo desde o começo, uma amiga com quem aprendi muito e compartilhei momentos especiais. Muito obrigado pelo carinho em todos os momentos;

À Escola de Engenharia de São Carlos e ao Departamento de Hidráulica e

Saneamento pela oportunidade de realizar o mestrado;

À Sá, Priscila, Rose e André, funcionários do departamento, pela atenção e informações; Ao CNPQ, pela bolsa concedida.

ix

“There are only two ways to live your life. One is as though nothing is a miracle. The other is as though everything is a miracle.” Albert Einsten xi RESUMO

NOVAIS, R. N. Avaliação dos impactos das mudanças climáticas no regime hidrológico do Sistema Cantareira. 2016. 167 f. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos, 2016.

Com o quadro de escassez hídrica apresentado nos últimos anos no estado de São Paulo, cada vez é mais evidente a necessidade do planejamento e gerenciamento dos recursos hídricos de forma racional, compartilhada e sustentável. Além do aumento da demanda por água devido ao contínuo crescimento populacional, somam-se, ao desafio da gestão integrada dos recursos hídricos, as alterações climáticas que vêm sendo observadas ao longo das últimas décadas. Diante a situação apresentada, essa pesquisa teve como objetivo avaliar, de forma quantitativa, as possíveis alterações no regime hidrológico no conjunto de reservatórios do Sistema Cantareira, em diferentes cenários de mudanças climáticas futuras. O simulador climático MAGICC/SCENGEN foi utilizado para estimar as alterações climáticas previstas para o ano de 2100 em dois diferentes cenários de emissões de gases de efeito estufa, A1FIMI e B2MES. As variações de temperatura e precipitação foram incorporadas às séries climatológicas observadas na região em estudo. Para simular o comportamento das bacias contribuintes ao Sistema Cantareira, foi selecionado o modelo hidrológico SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure). As séries alteradas de temperatura e precipitação serviram como dados de entrada do modelo hidrológico calibrado. As séries de vazões originadas desse processo, referentes aos dois cenários futuros A1FIMI e B2MES, foram comparadas às séries de vazões simuladas pelo modelo hidrológico no período de 1990 a 2010. Os resultados indicam queda no regime de vazões para os dois cenários futuros analisados, com diminuição mais acentuada para o cenário A1FIMI, de alta emissão de gases de efeito estufa. A diminuição nas vazões mostra-se preocupante, principalmente por se tratar do principal sistema de abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo, o que traz à tona a necessidade de repensar as medidas adotadas para a exploração dos recursos hídricos no Sistema Cantareira.

Palavras-chave: MAGICC/SCENGEN. SMAP. Sistema Cantareira. Disponibilidade hídrica.

xii ABSTRACT

NOVAIS, R. N. Climate change impacts assessment on the hydrological regime of the Cantareira System. 2016. 167 f. Master Thesis – São Carlos School of Engineering, São Paulo University. São Carlos, 2016.

The recent water shortages in the state of São Paulo, highlight the increasingly need for rational and sustainable water resources management. The increase in water demand due to continuous populational growth associated with climate changes observed in the past decades challenge the integrated management of water resources. Given this context, this research aimed to evaluate possible changes in the hydrological cycle of the Cantareira System reservoirs associated to different future climate change scenarios. A climate scenario generator (MAGICC / SCENGEN) was used to estimate the climate for the year 2100 with two different greenhouse gas emissions scenarios, A1FIMI and B2MES. Variations in temperature and precipitation were incorporated into climatological series observed in the study area. The SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure) hydrologic model was used to simulate the behavior of the Cantareira System catchment basins. The altered temperature and precipitation series were used as input data in the calibrated hydrologic model. The discharge series of the two future scenarios obtained were compared to discharges simulated in recent climate conditions (series from 1990 to 2010) with the same hydrologic model. The results show a drop in the discharge series for the two future scenarios analyzed, with more marked decrease for A1FIMI, a scenario with higher greenhouse gases emissions. The decrease in discharge rates is a concern, especially because the Cantareira System is the main water system to supply São Paulos metropolitan area. This highlights a need to rethink the water use and management in the Cantareira System.

Keywords: MAGICC/SCENGEN. SMAP. Cantareira system. Water availability.

xiii LISTA DE FIGURAS

2000)36
cenários SRES (Fonte: IPCC, 2000)37
de cenário propostas pelo IPCC (Fonte: IPCC, 2000)37
adaptado de Tucci, 2005)41
(a) e distribuído (b) e (c) (Fonte: Tucci, 2005)42
e Gupta, 2005)43
Goldberg, 1989)48
Figura 8 – Processo de reprodução no método dos AG’s49
gene de forma randômica pela mutação50
Gerias51
Figura 1 - Perfil esquemático do Sistema Cantareira. Fonte: ANA (2016)53
Figura 12 - Delimitação das sub-bacias do Sistema Cantareira54
e Nossack, 2015)5
de Whately e Cunha, 2007)56
Piracicaba reforça a relação conflituosa entre os usos da água61
Figura 16 - Fluxograma com as etapas da metodologia64
Lopes et al., 1981)68

Figura 1 – Ilustração esquemática dos cenários desenvolvidos pelo Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (Special Report on Emissions Scenarios – SRES) (Fonte: IPCC, Figura 2 – Quadro evolutivo da elevação de temperatura no decorrer do século para os Figura 3 – Quadro evolutivo das emissoões de gases de efeito estufa para as quatro famílias Figura 4 – Esquematização de um modelo nas fases de um estudo hidrológico (Fonte: Figura 5 – Esquematização de uma bacia hidrográfica simulada por um modelo concentrado Figura 6 – Mundo real heterogêneo representado por um modelo homogêneo (Fonte: Wagener Figura 7 - (a) Função com um único ponto extremo (b) Função com múltiplos picos (Fonte: Figura 9 – Troca de material genético por meio de crossover e posterior modificação de um Figura 10 - Posição geográfica do Sistema Cantareira entre os estados de São Paulo e Minas Figura 13 - Uso e ocupação do solo na sub-bacia do Reservatório Cachoeira (Fonte: Bernardo Figura 14 – Porcentagem das classes de uso do solo do Sistema Cantareira (Fonte: adaptado Figura 15 – Posicionamento geográfico do Sistema Cantareira entre a RMSP e a bacia do Figura 17 - Esquema físico do modelo SMAP com discretização mensal (Fonte: adaptado de Figura 18 - Disposição dos postos pluviométricos e meteorológicos na área de estudo. ......... 73

Figura 19 - Interface gráfica da função de Algoritmo Genético do Optimization Tool76
Figura 20 – Esquematização do método da roleta78
cenários SCENGEN82
Figura 2 - Estrutura do software MAGICC/SCENGEN (Fonte: Wigley, 2008)84
MAGICC/SCENGEN85
MAGICC/SCENGEN85
Figura 25 – Evolução do valor da função objetivo para a sub-bacia Atibainha92
Figura 26 - Evolução do valor da função objetivo para a sub-bacia Jaguarí/Jacareí92
Jaguari/Jacareí97
98
9
Castro100
relação à vazão média mensal observada101
relação à vazão média mensal observada101
Jaguari/Jacareí103
Atibainha103
área do Sistema Cantareira105

xiv Figura 21 - (a) Interface gráfica do modelo MAGICC; (b) interface gráfica do gerador de Figura 23 - Projeção anual de alteração na temperatura média global pelo Figura 24 - Projeção anual de alteração na precipitação média global pelo Figura 27 - Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Figura 28- Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Cachoeira. Figura 29- Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Atibainha. Figura 30 - Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Paiva Figura 31 - Análise de resíduos para a vazão média mensal afluente ao reservatório Jaguari/Jacareí - (a) variação temporal dos resíduos (b) dispersão dos resíduos relativos em Figura 32- Análise de resíduos para vazão média mensal afluente ao reservatório Atibainha - (a) variação temporal dos resíduos da vazão média mensal e (b) dispersão dos resíduos em Figura 3 – Curva de permanência das vazões observadas versus simuladas da sub-bacia Figura 34 - Curva de permanência das vazões observadas versus simuladas da sub-bacia Figura 35 – Sítio selecionado para representar as alterações na temperatura e precipitação na Figura 36 – Quadrante de 2,5º x 2,5º cobrindo toda a área de contribuição do Sistema Cantareira. .............................................................................................................................. 106 xv

2100107
analisados108
analisados109
ano de 21001
futuros analisados112
futuros analisados112
reservatório Jaguari/Jacareí115
cenário A1FIMI117
cenário B2MES118
observada e nos cenários A1FIMI e B2MES119
reservatório Atibainha120
Atibainha121
Atibainha122
nos cenários A1FIMI e B2MES123
A1FIMI124
B2MES124

Figura 37 - Alterações geradas pelo MAGICC/SCENGEN na precipitação para o ano de Figura 38 - Variação da precipitação na sub-bacia Jaguari/Jacareí para os dois cenários futuros Figura 39 - Variação da precipitação na sub-bacia Atibainha para os dois cenários futuros Figura 40 - Alterações geradas pelo MAGICC/SCENGEN nas temperaturas mensais para o Figura 41 – Variação da evapotranspiração na sub-bacia Jaguari/Jacareí para os dois cenários Figura 42 - Variação da evapotranspiração na sub-bacia Atibainha para os dois cenários Figura 43 - Curva de permanência das vazões afluentes dos cenários A1FIMI e B2MES no Figura 4- Variação da vazão média mensal afluente no reservatório Jaguari/Jacareí para o Figura 45 - Variação da vazão média mensal afluente no reservatório Jaguari/Jacareí para o Figura 46 - Variação da vazão média mensal afluente ao reservatório Jaguari/Jacareí Figura 47- Curva de permanência das vazões afluentes dos cenários A1FIMI e B2MES no Figura 48 - Variação da vazão média afluente mensal no cenário A1FIMI no reservatório Figura 49 - Variação da vazão média afluente mensal no cenário B2MES no reservatório Figura 50 - Variação da vazão média mensal afluente ao reservatório Atibainha observada e Figura 51 – Variação percentual entre as vazões mensais do cenário de referência e o cenário Figura 52 - Variação percentual entre as vazões mensais do cenário de referência e o cenário Figura 53 – Áreas de influência de cada estação pluviométrica nas sub-bacias do Sistema Cantareira................................................................................................................................ 143 xvi

Cantareira145
Jaguari/Jacareí no período de validação do modelo hidrológico147
no período de validação do modelo hidrológico147
no período de validação do modelo hidrológico148

Figura 54 - Áreas de influência de cada estação climatológica nas sub-bacias do Sistema Figura 5 – Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Figura 56 - Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Cachoeira Figura 57 – Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Atibainha Figura 58 – Hidrogramas de afluência mensal observada e simulada do reservatório Paiva Castro no período de validação do modelo hidrológico. ....................................................... 148 xvii LISTA DE TABELAS

adaptado de ANA/DAEE, 2013)54
2007)58
DAEE, 2004)59
decaimento do escoamento básico para a metade de seu valor (Fonte: Lopes et al., 1981)67
Tabela 5 – Estações pluviométricas selecionadas para o projeto69
Tabela 6 – Estações climatológicas selecionadas para o projeto72
de Lopes, 1999)75
Tabela 8 - Valores dos parâmetros utilizados para definir o Algoritmo Genético79
MAGICC/SCENGEN versão 5.3 (Fonte: adaptado de Adam, 2011)86
Tabela 10 – Valores otimizados dos parâmetros do modelo hidrológico93
sub-bacias analisadas94
hidrológicos em escala mensal95
sub-bacias analisadas96
Tabela 14 - Ranking de classificação para a seleção dos modelos climáticos104
analisada105
ano de 2100107
Jaguari/Jacareí110

Tabela 1- Informações hidrológicas dos aproveitamentos do Sistema Cantareira (Fonte: Tabela 2 - Áreas de municípios inseridos no Sistema Cantareira (Fonte: Whately e Cunha, Tabela 3 – Vazões de retirada do Sistema Cantareira de acordo com suas prioridades (Fonte: Tabela 4 – Valor da constante de recessão KKT e número de meses necessário para o Tabela 7 - Faixa de variação dos parâmetros calibráveis do modelo SMAP (Fonte: adaptado Tabela 9 - Modelos acoplados atmosfera/oceano de circulação global contidos no Tabela 1 – Parâmetros estatísticos para calibração do modelo hidrológico em cada uma das Tabela 12 – Desempenho dos coeficientes estatísticos para a avaliação de modelos Tabela 13 – Coeficientes estatísticos para validação do modelo hidrológico em cada uma das Tabela 15 - Seleção final dos melhores modelos climáticos para representar a região Tabela 16 – Alteração na precipitação média mensal gerada pelo MAGICC/SCENGEN para o Tabela 17 – Precipitações anuais observadas e em dois cenários futuros para a sub-bacia Tabela 18 - Precipitações anuais observadas e em dois cenários futuros para a sub-bacia Atibainha. ............................................................................................................................... 110 xviii

o ano de 21001
Jaguari/Jacareí113
Atibainha113

Tabela 19 - Alterações na temperatura média mensal geradas pelo MAGICC/SCENGEN para Tabela 20 - Evapotranspirações anuais observadas e em dois cenários futuros para a sub-bacia Tabela 21 - Evapotranspirações anuais observadas e em dois cenários futuros para a sub-bacia

Jaguari/Jacareí116
de referência118

Tabela 2 – Valores de Q90%, Q95% e QMLT para os diferentes cenários analisados na sub-bacia Tabela 23 – Variação percentual da vazão média afluente mensal no reservatório Jaguari/Jacareí para os dois cenários futuros analisados em comparação à vazão média mensal

Atibainha121
122
Tabela 26 – Série de evapotranspiração mensal (m) da Estação 1149
Tabela 27 - Série de evapotranspiração mensal (m) da Estação 2149
Tabela 28 - Série de evapotranspiração mensal (m) da Estação 3150
Tabela 29 - Série de evapotranspiração mensal (m) da Estação 4150
Tabela 30 – Série mensal de precipitação da sub-bacia Jaguari/Jacareí151
Tabela 31 - Série mensal de precipitação da sub-bacia Cachoeira152
Tabela 32 - Série mensal de precipitação da sub-bacia Atibainha152
Tabela 3 - Série mensal de precipitação da sub-bacia Paiva Castro153
Tabela 34 - Série mensal de evapotranspiração da sub-bacia Jaguari/Jacareí155
Tabela 35 - Série mensal de evapotranspiração da sub-bacia Cachoeira156
Tabela 36 - Série mensal de evapotranspiração da sub-bacia Atibainha156
Tabela 37 - Série mensal de evapotranspiração da sub-bacia Paiva Castro157
Tabela 38- Série mensal de vazão afluente ao reservatório Jaguari/Jacareí159
Tabela 39 - Série mensal de vazão afluente ao reservatório Cachoeira160
Tabela 40 - Série mensal de vazão afluente ao reservatório Atibainha160
Tabela 41 - Série mensal de vazão afluente ao reservatório Paiva Castro161
Tabela 42 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Barragem Cachoeira163

Tabela 24 - Valores de Q90%, Q95% e QMLT para os diferentes cenários analisados na sub-bacia Tabela 25 - Variação percentual da vazão média afluente mensal no reservatório Atibainha para os dois cenários futuros analisados em comparação à vazão média mensal de referência. Tabela 43 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Barragem Atibainha. ... 163

Tabela 4 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Barragem Jaguari164
Tabela 45 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Tapera Grande164
Tabela 46 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Bairro Cuiabá165
Tabela 47 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Água do Poço165
Tabela 48 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Mato Mole166
Tabela 49 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Fazenda Retiro166
Tabela 50 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Monte Verde167
Tabela 51 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Ponte Nova167
Tabela 52 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Extrema168
Tabela 53 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Fazenda Rabelo168
Tabela 54- Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Sertãozinho169

xix Tabela 5 - Série mensal de precipitação da estação pluviométrica Joanópolis. ................... 169 xxi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

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