EFEITOS NA ÁREA IRRIGADA EM FUNÇÃO DE DIFERENES NÍVEIS DE APROVEITAMENO URBANO DAS ÁGUAS DE CHUVA

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1 EFEITOS NA ÁREA IRRIGADA EM FUNÇÃO DE DIFERENES NÍVEIS DE APROVEITAMENO URBANO DAS ÁGUAS DE CHUVA Rosires Catão Curi, Profa.do Dept. de Eng. Civil, CCT-UFPB, C.Grande, PB, fone: (83) , Wilson Fadlo Curi, Prof Dept. de Física, UFPB. Dayse Luna Barbosa, Mestre em Recursos Hídricos, AERH,UFPB. RESUMO Este trabalho estudou o efeito no potencial de aumento das áreas irrigadas alimentadas por um complexo sistema de 3 reservatórios em paralelo, que atendem a múltiplos usos, para reduções gradativas da demanda urbana atendida pelos mesmos em decorrência de diferentes níveis de aproveitamento das águas das chuvas em 3 centros urbanos. Foram estabelecidos 3 cenários de estudo C1, C2 e C3, que representam o cenário padrão C1 (com demanda urbana atual), cenário com 5% (C2) e 10% (C3) de redução na demanda urbana, respectivamente. Foi usado o modelo de otimização ORNAP, para obter-se o valor ótimo das variáveis de decisão para cada cenário. Os resultados mostraram que, apesar do cenário C1A ter obtido a maior área irrigada, a maior receita líquida foi obtida com o cenário C1B.

2 Palavras Chave: Modelo de Planejamento e Otimização, Planejamento Integrado do Uso da Água, ORNAP. INTRODUÇÃO No Nordeste brasileiro, especificamente no semi-árido, as chuvas irregulares, em termos de distribuição espaço-temporal, e a alta taxa de evaporação fazem com que a água se torne elemento decisório no aspecto sócio-econômico da região. A região em estudo, compreendida pelas bacias do Tapacurá, Goitá e Várzea do Una, está inserida na bacia do Capibaribe no Estado de Pernambuco. Além disso, a região passou por períodos de secas, os quais provocaram um racionamento rigoroso no ano de 1999, chegando a proporção de nove dias sem água para um dia com água na cidade do Recife. O sistema de reservatórios da região estudada é responsável pelo abastecimento das cidades de Camaragibe, São Lourenço da Mata e parte da cidade do Recife, sendo também utilizado para irrigação sem o racional controle da água. O estudo deste complexo sistema reveste-se de grande importância para o processo de gerenciamento do mesmo, a fim de encontrar uma política de operação que atenda ao abastecimento da cidade do Recife, incremente a economia local com os usos de irrigação e piscicultura e contemple critérios de sustentabilidade hídrica. A complexidade dos problemas de engenharia de recursos hídricos requer um elaborado planejamento para que se chegue a uma distribuição mais justa da água entre seus vários usos e usuários. Para isso, técnicas de simulação e otimização vem sendo desenvolvidas e aplicadas a sistemas de médio e grande porte graças aos avanços tecnológicos nas áreas de desenvolvimento de software e hardware. O aproveitamento da água de chuva em grandes núcleos urbanos reveste-se de especial importância, não só no que diz respeito a redução da demanda urbana, ou pelo menos a sua atenuação por algum tempo, como também pelos efeitos que esse aproveitamento poderá proporcionar no sistema hídrico a montante dos aglomerados urbanos. Muitos trabalhos realizados no Brasil e no exterior utilizaram para otimização da operação de reservatórios, técnicas de Programações Linear, Não linear e Dinâmica (Yeh, 1985, Galvão et al., 1994, Curi et al., 1997, Andrade e Curi, 2000, entre outros). Muitos autores também desenvolveram modelos computacionais de pesquisa operacional para o planejamento agrícola de perímetros irrigados, dentre eles podemos citar: Dantas Neto (1994), Curi & Curi (1998) e Rodrigues et al. (2000). Neste trabalho usa-se a programação não linear para otimização da operação conjunta de reservatórios, que estão dispostos em paralelo, com

3 diversos usos e concomitantemente a modelos de otimização de áreas irrigadas e usos de piscicultura, controle de cheias e abastecimento urbano. Tal estudo constitui uma contribuição no que diz respeito ao planejamento e gerenciamento do uso da água nas bacias hidrográficas dos respectivos reservatórios e, principalmente, na compreensão da operação de um complexo sistema de múltiplos reservatórios sujeito a múltiplos usos e a variados níveis de aproveitamento da água de chuva dos núcleos urbanos na região Nordeste do Brasil. Portanto, o objetivo específico deste estudo é avaliar a influência no sistema hídrico de grande porte constituído pelos reservatórios Tapacurá, Goitá e Várzea do Uma, de reduções gradativas da liberação de água para abastecimento de parte da Região Metropolitana do Recife (RMR). Estas reduções seriam provenientes da captação e utilização locais da água de chuva. Serão testados cenários com redução na vazão de abastecimento para os núcleos urbanos de 5% e 10%, respectivamente. DESCRIÇÃO DO SISTEMA E MODELO DE OTIMIZAÇÃO Descrição do sistema - A barragem Tapacurá normalmente tem regularizado 2,7 m 3 /s para a Estação de Tratamento de Água (ETA) do Curado, onde pode se juntar à 1,0m 3 /s e 0,5 m 3 /s de cada uma de duas elevatórias localizadas no Rio Capibaribe e que são denominadas de Tiúma e de Castelo, respectivamente. As barragens Goitá e Várzea do Una têm capacidades de acumulação de 53 x 10 6 m 3 e 11,6 x 10 6 m 3, respectivamente. Considera-se uma vazão passível de ser regularizada da barragem Duas Unas de 0,54 m 3 /s. Modelo de otimização - Para simulação e otimização da operação dos reservatórios em paralelo, Tapacurá, Goitá e Várzea do Una, utilizou-se o modelo ORNAP (Optimal Reservoir Network Analysis Program) de base mensal desenvolvido por Curi e Curi, 2001, em ambiente MATLAB. O modelo garante o uso prioritário da água para abastecimento humano e busca suprir os outros usos, irrigação, piscicultura e controle de cheias, não violando restrições mensais impostas para o seu funcionamento. No comportamento hidrológico do sistema são empregadas as mesmas técnicas usadas na simulação, que entram no programa sob forma de restrições, executando-se balanços mensais de massas entre afluências, efluências e variações de volumes armazenados para cada reservatório, sendo que a demanda para irrigação, traduzida pela necessidade hídrica suplementar para as culturas é avaliada pelo balanço hídrico mensal do solo, conforme as áreas de cultivo definidas pelo processo iterativo de otimização. O problema de otimização do sistema Tapacurá foi realizado para um cenário hidroclimático representado pelas precipitações médias mensais dos períodos de 1968 a 1974

4 e 1985 a 1989, onde se flexibilizou as vazões mensais para parte do abastecimento da RMR. O sistema foi analisado para um período de 12 meses. A função objetivo especificada, que permite a aferição de desempenho do modelo, é sujeita à restrições, que são representadas por equações lineares e não lineares e traduzem, mensalmente, as limitações físicas dos reservatórios, perímetros e equipamentos hidráulicos, limitações hídricas, legais, econômicas e sociais, que são próprias de sistemas de múltiplos usos. A representação deste sistema hídrico é mostrada na Figura 1, na qual as vazões mensais captadas de Tapacurá e Várzea do Una para a estação de tratamento são variáveis de decisão, ou seja, existe uma maior flexibilidade de escolha para o programa. Atualmente o sistema trabalha com as demandas para abastecimento fixas. Na Figura 1 também estão indicados os posicionamentos dos reservatórios e perímetros de irrigação, as variáveis que identificam as entradas e saídas de água, e os pontos de conexão (nós) entre os reservatórios e os demais elementos, seja a montante ou a jusante, demonstrando a complexidade do sistema como um todo, o qual é formado por diversos sub-sistemas, interdependentes. Os principais dados de entrada do ORNAP são descritos a seguir. E p 2 P p2 P r2 Q a4 Q s1 E p 1 2 Q i2 Q a2 P p 1 1 E r2 7 Q t2 2 2 G o itá E r1 6 Q t1 Q i1 1 Q v3 4 Q l1 Q f2 9 Q v2 Q v1 P r1 Q f1 Q f4 Q f3 P r3 1 8 Tapacurá Q i3 Q a1 E r3 P p3 E p 3 3 Q l2 Q v4 Q t3 3 3 Q d 1 5 Q l3 10 Q f5 Várzea do Una Q a3 E TA i i Reservatório i Perímetro irrigado i Qai Qti Qvi Qfi - Vazão afluente i - Tomada D'água i - Vertedor i - Descarregador i Qii Pri Eri Ppi - Vazao para irrigação i - Precipitacao sobre reservatorio i - Evaporação do reservatorio i - Precipitação sobre perímetro irrigado i i Nó i (interconexão ) Q li Qdi - C alha i - Demanda fixa i Epi - Evaporação no perímetro irrigado i ETA Estação de Tratamento de água Qsi - Calha terminal i Figura 1 Esquema do sistema hídrico. Abastecimento urbano - A demanda de abastecimento a ser atendida pelos reservatórios Tapacurá e Várzea do Una foi considerada constante ao longo do tempo,

5 correspondendo à vazão de 4,0 m 3 /s, no cenário padrão, denominado de C1. Outros dois cenários, C1A e C1B, foram criados com uma redução de 5% e 10% desta vazão devido a hipotética implantação de um programa de captação de água de chuva na região urbana (Camaragibe, São Lourenço da Mata e parte do Recife). Irrigação - Neste trabalho foram considerados três perímetros irrigados, cada um captando água de cada reservatório e com uma área total mensal a ser plantada de 4000 ha. Considerou-se a capacidade máxima de adução de água para o perímetro 1 igual a 3,0 m 3 /s, para o perímetro 2 igual a 1,5 m 3 /s e para o perímetro 3 igual a 0,9 m 3 /s. O preço da água adotado é de R$ 0,05 por metro cúbico de água aduzida para os três perímetros. Devido ao tipo de solo e ao costume da região, as culturas escolhidas foram: banana, tomate, melancia, feijão, milho, algodão e cana-de-açúcar. Os dados dos sistemas de irrigação aplicados as culturas e as áreas máximas adotadas para plantio de cada cultura por perímetro estão apresentados na Tabela 1: Tabela 1 Dados das culturas e dos sistemas de irrigação Culturas Prod Prc Cp Hdc Es Ea Pirr Vu Pa Acmax por perímetro Banana , Tomate , Melancia es , Feijão safra , Feijão es , Milho , Algodão es , Cana de ,02 813, açúcar es- entressafra onde: Prod Produtividade anual da cultura em kg/ha/cultura pela conta cultural do Banco do Nordeste (1997); Prc Preço médio unitário da cultura em R$/kg/cultura de acordo com a CEASA (2000); Cp Custo médio de produção anual da cultura em R$/ha/cultura (mão de obra, energia, insumos, etc) pela conta cultural do Banco do Nordeste (1997); Hdc Trabalho requerido médio por cultura em cada ano (homens/ano/cultura/ha) pela conta cultural do Banco do Nordeste (1997); Es Valor percentual da eficiência do sistema de distribuição (canais e tubulações) para irrigação por cultura; Ea Valor percentual da eficiência da

6 aplicação da irrigação por cultura; Pirr Custo do investimento de implantação do sistema em R$/ha de acordo com a conta cultural do Banco do Nordeste (1997); Vu Vida útil do sistema de irrigação em anos; Pa Taxa anual de amortização do investimento em %/ano, Acmax- Área máxima de cada cultura por perímetro em ha. O plano cultural, coeficientes de cultivo e o sistema de irrigação para cada cultura nos três perímetros estão apresentados na Tabela 2 a seguir: Tabela 2 Plano cultural, coeficiente de cultivo e sistema de irrigação para os três perímetros Culturas J F M A M J J A S O N D Sistema irrigação Banana 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 Aspersão Tomate 0,45 0,75 1,15 0,80 Sulco Melancia es 0,75 1,00 0,75 Aspersão Feijão 0,70 1,10 0,90 Aspersão Feijão es 0,70 1,10 0,90 Aspersão Milho 0,40 0,80 1,15 1,00 Aspersão Algodão es 0,45 0,75 1,15 0,75 Aspersão Cana de açúcar 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Aspersão es- entressafra Fonte: Engenharia de irrigação: hidráulica dos sistemas pressurizados, aspersão e gotejamento (Gomes, 1999) Reservatórios - Para o reservatório Goitá foi considerado volume de espera no mês de julho de m 3. Fez-se obrigatório o atendimento prioritário da demanda de 4,0m 3 /s, 3,8m 3 /s e 3,6m 3 7s para ETA para o abastecimento urbano, de acordo com cada cenário, sendo exigida a preservação da sustentabilidade hídrica dos reservatórios. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 3 apresenta a área total máxima planejada, otimizada e percentual atendido para cada um dos cenários, bem como a receita líquida otimizada por cultura e por perímetro. Observa-se que o cenário C1A obteve o maior percentual de área atendida, ou seja, 57 % da área máxima planejada foi atendida pelo modelo de otimização, houve um aumento na receita líquida dos cenários C1A e C1B em relação ao C1 de 2,5 % e 7,2 %, respectivamente. Isto

7 significa que ao se reduzir a necessidade de abastecimento urbano em 5% e 10%, pode haver um acréscimo de área irrigada de 8,7% e 4,8% e de receita líquida com irrigação e piscicultura de 2,5% e 7,2%, respectivamente. Tabela 3 - Receita líquida otimizada por cultura e por perímetro (em Reais x 1000) e áreas totais (ha) PERÍMETRO 1 PERÍMETRO 2 PERÍMETRO 3 ANO MÉDIO CULTURAS C1 C1A C1B Banana 5324, , Tomate 9495, , ,06 Melância (entressafra) 513,08 516,22 502,76 Feijão (safra) 118,23 6,4 13,01 Feijão (entressafra) 11,87 59,99 4,78 Milho 2,91 0,15 23,37 Algodão (entressafra) 1,5 16,18 22,81 Cana-de-açúcar -1,42-2,01-3,28 Banana 20535, , ,9 Tomate 9498, , ,23 Melância (entressafra) 2,23 753, Feijão (safra) 57,58 3,05 0,26 Feijão (entressafra) 383,51 579,63 271,03 Milho 47,67 881,41 893,42 Algodão (entressafra) 17,12 16,05 83,64 Cana-de-açúcar -0,46-4,53-41,96 Banana , ,9 Tomate 7123,4 7124, ,75 Melância (entressafra) 510,57 517,6 518,91 Feijão (safra) 0,23 93,11 36,85 Feijão (entressafra) 9,24 51,5 3,01 Milho 444,86 445,53 141,57 Algodão (entressafra) 23,72 33,84 57,47 Cana-de-açúcar -9,36-2,06-0,99 Receita Total/perímetros (x1000) Líquida % da RlL em relação ao cenário padrão 2,5 7,2 Área máxima planejada (ha) Áreas Irrigadas Área máxima otimizada (ha) 5798,3 6840,9 6373,5 Totais % da área atendida 48, ,1 CONCLUSÃO Uma redução na demanda urbana de água devido ao aproveitamento da água de chuva precipitada no meio urbano contribui em muito para um aumento dos benefícios econômicos e sociais obtidos com o uso do excedente de água para atividades de agricultura irrigada no meio rural. Neste estudo verificou-se um aumento de até 7,2% de receita líquida para uma redução na demanda urbana de 10%.

8 A aparente contradição entre uma área irrigada maior para o cenário C1A e uma receita líquida maior para o cenário C1B pode ser em razão da não linearidade do problema. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, P. R. G. S., CURI, W. F. e CURI, R. C. 2000, ORNAP na otimização de três perímetros irrigados abastecidos por dois reservatórios conectados em série. Anais do XXIX CONBEA, Fortaleza, CD-ROM. BANCO DO NORDESTE S/A 1997, Manual de Orçamentos Agropecuários, CENOP-CDE, Campina Grande - PB. CURI, W. F., CURI, R. C. e BATISTA, A. C. 1997, Alocação ótima da água do reservatório Engenheiro Arco Verde para irrigação via Programação Não-Linear, XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Anais em CD Rom, Vitória-ES. CURI, W. F.; CURI, R. C. 2001, ORNAP: Optimal Reservoir Network Analysis Program. In: XIV Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Anais em CD Rom, Aracajú, SE. CURI, W. F.; CURI, R. C. 1998, Um Modelo de Simulação para o Sistema de Reservatórios Coremas e Mãe D Água. In: Simpósio de Recursos Hïdricos do Nordeste. v.4, Campina Grande: Departamento de Eng. Civil/AERH, 1 CD. DANTAS NETO, J. 1994, Modelos de decisão para otimização do padrão de cultivo, em áreas irrigadas, baseados nas funções de resposta das culturas à água. Botucatu: UNESP. Tese de Doutorado. 125 p. GALVÃO, C. O., RABBANI, E. R. e RIBEIRO, M. M. R. 1994, Otimização do uso da água em reservatórios no semi-árido através da Programação Dinâmica, II Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, Fortaleza-Ceará. RODRIGUES, J. A. L.; COSTA, R. N. T.; FRIZZONE, J. A.; AGUIAR, J. V. 2000, Plano ótimo de cultivo no projeto de irrigação morada nova, Ceará, utilizando modelo de programação linear. Revista Irriga, UNESP-Botucatu, SP, v.5, n.3, p YEH, W. W-G. 1985, Reservoir Management and Operation Models: A State-of-the-Art Review, Water resources Research, v.21, n o 12, p