TÓPICOS INICIAIS SOBRE A HIDROLOGIA DA BACIA DO PRATA NO CONTEXTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS UTILIZANDO OS MODELOS MGB-IPH E ETA-CPTEC.

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1 TÓPICOS INICIAIS SOBRE A HIDROLOGIA DA BACIA DO PRATA NO CONTEXTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS UTILIZANDO OS MODELOS MGB-IPH E ETA-CPTEC. Paulo R.M.Pontes 1 *; Fernando M. Fan 1 ; Juan Martin Bravo 1 ; Walter Collischonn 1 Resumo A bacia hidrográfica do rio da Prata possui uma área de drenagem de aproximadamente 3 milhões de quilômetros quadrados, sendo uma das maiores do mundo em termos de área. A bacia do Prata é composta pelos rios Paraná, Paraguai e Uruguai e é compartilhada por cinco países: Brasil, Argentina, Paraguai, Bolívia e Uruguai. A bacia do Prata tem um papel fundamental na economia da América do Sul, sendo responsável por aproximadamente 70% do PIB dos países que abrange, estando diretamente relacionada a assuntos na área de recursos hídricos, como geração de energia elétrica, agricultura e navegação. Diante desse contexto é importante entender os possíveis efeitos de mudanças climáticas na bacia do Prata. Dessa forma, o objetivo do trabalho é contribuir para o conhecimento de potenciais impactos de mudanças climáticas sobre toda a área da bacia. Para isso, foi utilizado o modelo Eta-CPTEC para geração das projeções climáticas que compreende o período entre 1961 até A transformação chuva-vazão foi realizada através do modelo hidrológico MGB-IPH, utilizando um método aperfeiçoado para propagação de vazões em rios e planícies de inundação. Os resultados mostraram que há uma maior tendência de aumento de vazões para os períodos futuros na região centro-sul da bacia. Palavras-Chave Mudanças climáticas, Modelo Eta-CPTEC, Modelo MGB-IPH INITIAL ISSUES ON THE HYDROLOGY OF THE LA PLATA RIVER BASIN ASSOCIATED TO CLIMATE CHANGES USING MGB-IPH AND ETA-CPTEC. Abstract The La Plata river basin, with 3 million square kilometres, is a complex hydrological system located on South America. This basin is economically importante to its five countries: Brazil, Argentina, Paraguay, Uruguay and Bolivia, in which 70% of GDP is located on the La Plata basin.hence, understanding the effects of climate changes on hydrology is a important issue. Therefore, this paper aims improve the knowledge about possible impacts of climate changes on the La Plata river basin. Therefore we use the Eta-CPTEC regional climate model to generate climate projections along 1961 and We used the MGB-IPH hydrologic model to simulating flows on river and floodplains. The results showed a greater increase in flows along the next future scenarios, mainly in center-south part of the La Plata river basin. Keywords Climate Changes, MGB-IPH hydrologic model, Eta-CPTEC regional climate model INTRODUÇÃO 1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH), Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). * Autor Correspondente. p.rogenes@gmail.com 1

2 A bacia hidrográfica do rio da Prata possui uma área de drenagem de aproximadamente 3 milhões de quilômetros quadrados, sendo a quinta maior bacia do mundo e a segunda maior bacia da América do Sul em termos de área. A bacia do Prata é composta pelos rios Paraná, Paraguai e Uruguai. Fazem parte da bacia os seguintes países: Brasil, Argentina, Paraguai, Bolívia e Uruguai, se encontrando na região mais povoada da América do Sul. A Bacia Hidrográfica do Prata é de suma importância em termos econômicos, sendo responsável por mais de 70% do Produto Interno Bruto dos países que abrange. Em relação à energia elétrica, grande parte consumida nesta bacia é de origem hidráulica, especialmente no Brasil, onde a maior parte da energia do país é produzida na bacia do rio Paraná. Cita-se como destaque a usina hidroelétrica de Itaipu, conhecida como a maior em termos de geração de energia anual, alcançando uma produção de 98,5 TWh em Além disso, a bacia também possui importância em termos de navegação e agricultura, fazendo com que os recursos hídricos sejam de grande importância para a bacia do Prata. Nesse contexto, os eventos hidrológicos extremos que foram observados no último século na bacia (e.g. cheias e secas) afetam de sobremaneira a economia desta região, influenciando setores relacionados à agropecuária, à navegação, ao abastecimento humano, entre outros. Recentemente, algumas pesquisas mostraram que a bacia do Prata esta suscetível a vários fenômenos climáticos e antrópicos que afetam sua hidrologia. Como exemplo, cita-se a variabilidade do clima atual e as possíveis mudanças climáticas. Com relação à variabilidade do clima da bacia do Prata, algumas pesquisas (e.g. Genta et al., 1997; García e Vargas, 1998) demonstram o caráter não estacionário do regime de precipitações e vazões em regiões da bacia do Prata no último século, onde as séries hidrológicas apresentam importantes tendências. Entretanto, as causas para este tipo de comportamento ainda não são completamente compreendidas, podendo ser de ordem natural ou causado por fatores antropogênicos, como o efeito de mudanças climáticas. Nesse sentido, projeções de variáveis climáticas podem ser utilizadas como uma ferramenta importante na hidrologia, permitindo a prevenção dos possíveis efeitos de mudanças climáticas. Essas projeções são calculadas pelos Modelos Climáticos Globais (MCGs), que permitem prever o comportamento da atmosfera através da resolução de complexas equações matemáticas (Marengo et al., 2011). Em escala continental, Saurral (2010) avaliou o impacto das mudanças climáticas na hidrologia da bacia do Prata. O autor utilizou modelos climáticos globais do CMIP3 (fornecidos pelo quarto relatório do IPCC-AR4) e o modelo hidrológico VIC (Liang et al., 1995) para realização do impacto na hidrologia futura ( ). Apesar dos esforços para entender o comportamento da hidrologia da Bacia do Prata diante dos cenários climáticos futuros, é importante citar que o detalhamento fornecido pelos MCGs, ainda que, forneçam uma boa ideia de como as mudanças podem se manifestar em escala continental (Marengo et al., 2011), não é suficiente para representar e identificar mudanças climáticas que podem ocorrer em nível de bacias hidrográficas. Para tanto são necessárias projeções mais detalhadas em termos temporais e espaciais. Deste modo, são aplicadas as técnicas de transferência da informação gerada pelos MCGs em larga escala para escalas menores. As chamadas técnicas de downscaling dinâmico utilizando 2

3 Modelos Climáticos Regionais (MCRs) têm sido amplamente implementadas nos últimos anos. O uso de um MCR permite um maior detalhamento espacial e temporal das variáveis do sistema climático em relação aos MCGs. Um exemplo desse tipo de modelo é o Eta-CPTEC, que utiliza como condição de contorno dados do modelo global inglês HADCM3 desenvolvido pelo Centro Meteorológico Inglês Hadley Centre (Met Office Hadley Centre - MOHC). Além disso, diante da variabilidade fisiográfica da bacia do Prata, composta por rios com grandes planícies de inundação e extensas áreas alagadas (e.g. Pantanal) é importante o uso de um modelo com base física suficiente para representar tais peculiaridades. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta uma avaliação de mudanças climáticas na bacia hidrográfica do Rio Prata usando um MRC com passo de tempo diário. Foi utilizado para geração das projeções climáticas o modelo regional Eta-CPTEC (CMIP5-AR5), que corresponde a uma evolução do modelo anterior (CMIP4-AR4) com resolução de 10 km. As principais vantagens dessa versão do modelo é a melhor representação da física das nuvens, dos aerossóis e dos cenários de emissão de gases de efeito estufa e cenários socioeconômicos (Lima et al., 2014). Para a representação dos processos hidrológicos e hidráulicos na bacia o modelo MGB-IPH (Collischonn et al., 2007) com propagação Inercial e representação de planície de inundação (Pontes et al., 2015). O objetivo do trabalho é contribuir para o conhecimento de potenciais impactos de mudanças climáticas sobre toda a área da bacia, que é uma bacia de grande importância econômica para a América do Sul. Ajudando entender como os impactos podem ocorrer em diferentes locais da bacia, e como eles se propagam e interagem após as confluências dos grandes subsistemas que compõem a bacia do Prata. METODOLOGIA A metodologia adotada neste trabalho seguir a ordem apresentada pela Figura 1, que é um fluxograma do procedimento realizado, repetidos para a simulação do período atual de referência e cada um dos futuros simulados. Figura 1. Fluxograma do procedimento realizado, repetido para a simulação do período atual de referência e de cada um dos futuros. O modelo MGB-IPH ( Modelo Hidrológico de Grandes Bacias ), usado neste trabalho, é um modelo distribuído, voltado para aplicações em grandes bacias hidrográficas com as típicas 3

4 condições de disponibilidade de dados encontradas no Brasil (Collischonn et al., 2007). O modelo MGB-IPH é um modelo hidrológico baseado em processos, o que significa que são utilizadas equações físicas e conceituais para simular o ciclo hidrológico continental. Na versão de distribuição mais atual do modelo MGB-IPH a bacia hidrográfica é dividida em pequenas unidades menores denominadas minibacias (Fan e Collischonn, 2014). Já na versão utilizada nesta pesquisa a rotina de propagação de vazões do modelo, que tradicionalmente é baseada no método de Muskingum-Cunge, foi substituída por um método inercial (Fan et al., 2014; Pontes et al., 2015). Esta mudança foi feita porque com o método inercial é possível representar melhor fenômenos que ocorrem na bacia do Prata, como planícies de inundação e trocas de água horizontais entre minibacias. Ao total, foram simulados 4 períodos de tempo seguindo o procedimento citado. Um primeiro período de tempo correspondente a um período atual de referência, com dados entre 1961 e E os três demais períodos correspondentes a três janelas futuras de projeção, dadas por: (Futuro 01); (Futuro 02); e (Futuro 03). Nestas simulações os dados do Eta tiveram seu viés removido segundo as mesmas técnicas apresentadas em Lima et al. (2014) e posteriormente foram usados para alimentar o modelo hidrológico e gerar cenários de vazão. Após as rodadas do modelo MGB-IPH os dados de saída foram processados e analisados. O modelo hidrológico já tinha sido calibrado previamente a rodada destes períodos de tempo. O período de calibração foi escolhido diante disponibilidade de dados pluviométricos e fluviométricos, e compreendeu os anos entre 1998 e DADOS, CALIBRAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO E AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS A discretização da bacia hidrográfica foi feita a partir do Modelo Digital de Elevação (MDE) da missão SRTM (Shuttle Radar Topography Mission - Farr et al., 2007). Esse processo gerou um total de minibacias e 80 sub-bacias, essas últimas utilizadas para a calibração do modelo. O mapa de Unidades de Respostas Hidrológicas utilizado nesse estudo foi obtido a partir da combinação de mapas de vegetação, tipo de solo e dos mapas de minibacias. Os mapas são semelhantes aos utilizados em Fan et al., (2012). Foi utilizado o MERGE (Rozante et al., 2010; Fan et al., 2012) como base de dados de precipitação. O MERGE é gerado pela combinação entre dados observados em pluviômetros e o produto de estimativa de precipitação de satélite proveniente do Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). Os dados de precipitação desse banco de dados são diários. De acordo com a disponibilidade desses dados, foi escolhido o período entre 1998 e 2010 para a calibração. Foram utilizados dados fluviométricos diários disponibilizados pela Agência Nacional de Águas ( dados de vazão naturalizada, disponibilizados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico Brasileiro ( e dados de vazão obtidos da Secretaria de Recursos Hídricos da Argentina ( As medidas de desempenho utilizadas para avaliar a calibração foram as tradicionalmente usadas na aplicação do MGB (Pontes et al., 2013), que são o coeficiente de eficiência de Nash- Sutcliffe das vazões simuladas e observadas (ENS); o coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe 4

5 dos logaritmos das vazões simuladas e observadas (ENSLog); e o erro relativo de volume total dos hidrogramas ( V). Ainda sobre a calibração, foi utilizado o modelo Muskingum-Cunge para a realização da mesma. Esse método foi escolhido devido ao tempo de simulação ser mais rápido que o modelo Inercial. A calibração do modelo hidrológico é possível de ser feita usando diferentes métodos de propagação de vazão nos rios porque os parâmetros calibráveis do modelo são exclusivamente dos processos de transformação chuva-vazão. Não são calibrados parâmetros hidráulicos da propagação de vazões nos rios. Após a calibração do modelo, foi realizada uma verificação utilizando o modelo Inercial para o mesmo período de calibração. Essa verificação teve como objetivo analisar se a melhoria na representação do processo de propagação de vazão, advinda do modelo Inercial e da representação da planície de inundação, são capazes de gerar algum benefício em relação ao modelo simplificado. RESULTADOS Os resultados da calibração e verificação mostraram que o modelo Inercial apresentou resultados em geral melhores que o modelo Msukingum-Cunge, principalmente nas regiões de baixa declividade e com extensas planícies de inundação. Entretanto, algumas sub-bacias dos rios Uruguai e Paraná foram simuladas um pouco melhores com o modelo Muskingum-Cunge, provavelmente devido ao fato de ter sido o modelo utilizado na calibração. No período de calibração com modelo Muskingum-Cunge, a mediana dos coeficientes ENS, ENSlog e ΔV foram respectivamente de 0,63, 0,78 e -1,05 (Sub-Bacias do Alto Paraná); -2,44, - 0,15 e 29,5 (Sub-Bacias do Alto Paraguai); -2,50, -0,75 e 33,30 (Sub-Bacias do Baixo Paraguai); - 1,76, -0,61 e 25,3 (Sub-Bacias do Baixo Paraná) e 0,69, 0,71 e 0,32 (Uruguai). Após a calibração dos parâmetros, o modelo Inercial foi utilizado com o objetivo de verificar os possíveis benefícios na utilização do mesmo. Verificou-se assim, que houve uma melhora nos resultados das medidas de desempenho. A mediana dos coeficientes ENS, ENSlog e ΔV foram respectivamente de 0,52, 0,71 e -0,57 (Sub-Bacias do Alto Paraná); 0,46, 0,57 e 6,5 (Sub-Bacias do Alto Paraguai); 0,36, 0,50 e 4,40 (Sub-Bacias do Baixo Paraguai); 0,71, 0,62 e 7,3 (Sub-Bacias do Baixo Paraná) e 0,73, 0,64 e 4,5 (Uruguai). As Figuras 3a, 3b e 3c apresentam a variação da vazão média entre cada cenário (Futuro 1, Futuro 2 e Futuro 3) e o cenário atual ( ). A Figura 3a mostra que a vazão média no Futuro 1 é inferior à vazão média do período atual. Nas bacias do Alto Paraná e Paraguai, por exemplo, a vazão média no Futuro 1 é 50% menor que no período atual. Na bacia do Uruguai e na margem direita do rio da Prata a vazão média no Futuro 1 alcança valores 50% maiores do que no período atual. Em contrapartida, nos Futuros 2 e 3, a vazão média tem uma tendência de aumento. No Alto Paraná e Alto Paraguai, as vazões médias no Futuro 2 se aproximam mais das vazões médias calculadas no período atual, apresentando valores 25% menores. Nas cabeceiras do rio Uruguai, as vazões médias no Futuro 2 são superiores a 50% do valor das vazões médias no período atual. No Futuro 3, é constatado um aumento ainda maior na vazão média. Apenas nas cabeceiras do Alto Paraná e Alto Paraguai as vazões médias no Futuro 3 são menores que o período atual. A diferença da vazão média nesses cenários não ultrapassa -25%. A medida em que a área de 5

6 drenagem dos rios Paraná e Paraguai aumenta, os valores de vazão média do Futuro 3 também aumentam, em relação ao período atual. Na bacia do rio Uruguai ocorre um aumento da vazão média do Futuro 3 em relação ao período atual em pelo menos 25%. Figura 3: BIAS entre vazão média dos períodos futuros e período atual (a, b, c) especializada na Bacia do Prata. Locais onde foi calculada a curva de permanência para todos os períodos analisados (d). A Figura 3d apresenta os locais (UHE Furnas, UHE Itaipu, Timbués e UHE Salto Grande) onde foi calculada a curva de permanência das vazões diárias para o período atual, Futuro 1, Futuro 2 e Futuro 3. Esses resultados complementam o que foi observado na Figura 3. Na UHE Itaipu (Figura 4a) as vazões correspondentes ao Futuro 1 são inferiores aos valores atuais. Nos Futuros 2 e 3 as vazões se aproximam mais do que foi estimado no período atual com a climatologia do modelo Eta. Nas vazões com permanência menor (até 30% aproximadamente) percebe-se um aumento das vazões no Futuro 3, em relação ao período atual. Na UHE Furnas, o comportamento da curva de permanência é semelhante ao que foi observado em Itaipu, entretanto, as vazões simuladas no Futuro 3 não superam as vazões simuladas no período atual. 6

7 Na porção sul da bacia do Prata, aproximadamente a jusante da confluência entre os rios Paraná e Paraguai, incluindo a bacia do rio Uruguai, o comportamento difere do que foi observado na região à montante. Na estação fluviométrica Timbués, por exemplo, as vazões simuladas para o Futuro 3 são superiores em comparação as vazões do período atual. As vazões simuladas utilizando a climatologia do Futuro 2 é praticamente idêntica às vazões simuladas utilizando a climatologia do período atual. Finalmente, as vazões simuladas com a climatologia do Futuro 1, são inferiores às vazões simuladas com a climatologia do período atual. Na bacia do rio Uruguai, especificamente na UHE Salto Grande, o comportamento também é semelhante ao que foi observado em Timbués, entretanto, a curva de permanência calculada com base na climatologia do Futuro 1 é igual ou superior à curva de permanência calculada com base na climatologia do período atual. Figura 4: Curvas de permanência para todos os períodos analisados na UHE Itaipu (a), UHE Furnas (b), Timbués (c) e na UHE Salto Grande (d). CONSLUSÃO No presente trabalho foi utilizado o modelo climático regional ETA-CPTEC (resolução de 10 km) em conjunto com o modelo hidrológico MGB-IPH, com propagação de vazão Inercial e consideração de planície de inundação para as simulações de vazões para os cenários climatológicos compreendidos entre os anos 1961 até Os resultados foram avaliados em termos de diferença relativa entre as vazões médias de cada período futuro em relação ao período atual e especializadas na bacia do Prata. Além disso, foram geradas curvas de permanência para os cenários em pontos diferentes da bacia. Percebeu-se que na parte centro-norte da bacia, a montante da confluência entre os rios Paraná e Paraguai, as vazões nos períodos futuros são geralmente inferiores ao período atual, com exceção do Futuro 3, onde as vazões com permanência menor ultrapassam a vazão do período atual de mesma permanência. 7

8 A metade sul da bacia do Prata mostrou-se a região mais úmida. A jusante da confluência dos rios Paraná e Paraguai, e na bacia do Uruguai, os resultados de vazões dos períodos futuros são geralmente maiores que no período atual. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Collischonn, W., Allasia, D.G., Silva, B.C., Tucci, C.E.M. (2007). The MGB-IPH model for largescale rainfall-runoff modeling. Hydrological Sciences Journal, 52, Farr, T.G.; Caro, E.; Crippen, R.; Duren, R.; Hensley, S.; Kobrick, M.; et al. (2007). The shuttle radartopography mission. Reviews of Geophysics, 45, 2. Fan, F.M.; Pontes, P.R.M.; Paiva, R.C.D.; Collischonn, W. (2014). Avaliação de um método de propagação de cheias em rios com aproximação inercial das equações de Saint-Venant. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. Submetido. Fan, F. M.; Collischonn, W. (2014). Integração do Modelo MGB-IPH com Sistema de Informação Geográfica. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 19, p Fan, F.M.; Siqueira, V.A.; Pontes, P.R.M.; Collischonn, W. (2012). Avaliação Do Uso De Dados De Precipitação Do Merge Para Simulação Hidrológica Da Bacia Do Rio Paraná. Congresso Brasileiro de Meteorologia (CBMET). García N. O.; Vargas, W. M. (1998). The temporal climatic variability of runoff and precipitation in the Rio de la Plata basin. Climatic Change J. 38, Genta, J.L.; Perez-Iribarren, G.; Mechoso, C.R. (1997). A recente increasing trend in the streamflow of rivers in southeastern South America. Journal of Climate, 11, Liang, X.; Wood, E.; Lettenmaier, D. P. (1995). Surface soil moisture parameterization of the VIC- 2L model: Evaluation and modification. Elsevier Science Global and Planetary Change, Lima, J.W.M.; Collischonn, W.; Marengo, J.A. (2014). Efeitos e Mudanças Climáticas na Geração de Energia Elétrica. São Paulo: AES Tietê. 360 pg. ISBN: Marengo, J. S. C. Chou, G. Kay, et al. (2011), Development of Regional Future Climate Change Scenarios in South America Using the Eta Cptec/Hadcm3 Climate Change Projections: Climatology And Regional Analyses For The Amazon, São Francisco And The Paraná River Basins, Climate Dynamics, Doi /S Pontes, P.R.M.; Collischonn, W.; Paiva, R.C.D.; Fan, F.M Modelagem hidrológica e hidráulica de grande escala com propagação inercial de vazões. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, RBRH (ABRH). Submetido. Rozante J. R.; Moreira, D. S.; Gonçalves, L. G. G.; Vila, D. A. (2010). Combining Trmm and Surface Observation Precipitation: Technique and Validation over South America. Weather and Forecasting. Saurral, R. I. (2010). The Hydrologic Cycle of the La Plata Basin in the WCRP-CMIP3 Multimodel Dataset. Journal of Hydrometeorology, 11, DOI: /2010JHM