INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS SOBRE ALGUMAS BACIAS HIDROGRÁFICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO: APLICAÇÕES DE SÉRIES TEMPORAIS PARA IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIA

Transcrição

1 INFLUÊNCIAS CLIMÁTICAS SOBRE ALGUMAS BACIAS HIDROGRÁFICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO: APLICAÇÕES DE SÉRIES TEMPORAIS PARA IDENTIFICAÇÃO DE TENDÊNCIA Monica Cristina Meschiatti Faculdade de Engenharia de Ambiental CEATEC/PUC-Campinas Júlio César Penereiro Grupo de Pesquisa em Modelagem Matemática CEATEC/PUC-Campinas Resumo: O objetivo desta pesquisa foi identificar a ocorrência de tendências em séries temporais relativas aos índices anuais de precipitação pluviométrica, temperatura média e vazão de rios, registradas em doze localidades pertencentes a algumas sub-bacias hidrográficas do Estado de São Paulo. Foram utilizadas as medições realizadas pelo Instituto Agronômico de Campinas (IAC) e pelo Sistema de Informações para o Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo (SigRH), com variabilidade temporal que depende da série estudada. Para cada série foram realizadas análises de regressão linear e os testes não paramétricos de Mann-Kendall e de Pettitt, visando identificar a presença de tendência. Os resultados confirmam que cinco rios analisados acusaram ocorrências de tendências positivas e para apenas um encontrou-se tendência negativa. Somente uma localidade apresentou aumento no índice de precipitação pluviométrica, enquanto que cinco registraram tendências positivas para a temperatura média. Nas demais localidades analisadas não foram verificadas indícios de tendências dessas variáveis climáticas. Palavras-chave: Tendência climática, séries temporais, educação ambiental. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Matemática e Física. 1. INTRODUÇÃO A possibilidade de mudanças no regime de temperatura e precipitação é frequentemente apontada como causa da interferência do homem no ambiente, especialmente devido aos desmatamentos [1] e pela crescente urbanização sem planejamento adequado [2]. Não obstante a essas interferências, sabe-se que o ciclo hidrológico de uma bacia hidrográfica é um processo complexo que também é influenciado pelas suas características físicas, pelo clima local, e pelas atividades humanas [3]. O acelerado desenvolvimento urbano e agroindustrial ocorrido nas últimas décadas em algumas regiões do Brasil tem provocado a degradação dos seus recursos hídricos, inclusive no que tange aos aspectos quantitativos e qualitativos. Esse problema vem ocorrendo devido, principalmente, ao uso da água e do solo sem um gerenciamento adequado e a quase ausência de tratamento do esgoto urbano e industrial [4]. Estudos sobre alterações nos padrões climáticos locais em bacias hidrográficas são de fundamental importância para verificar o comportamento desses sistemas ao longo dos anos. Essa conduta possibilita ter uma melhor compreensão desses sistemas ambientais e, com isso, realizar previsões visando o planejamento dos recursos de água por meio de reservatórios para abastecimento de cidades e geração de energia elétrica, dentre outros. Uma forma de estudar o clima local engloba análises nas instabilidades dos parâmetros climatológicos de dados em séries temporais, como temperaturas, precipitação pluviométrica, umidade relativa do ar e pressão atmosférica. Um método frequentemente empregado para essas análises é a verificação de tendência, ou seja, de alguma variação do parâmetro estudado, independentemente de suas causas. Para realizar análises mais confiáveis envolvendo as variáveis climáticas é necessário aplicar e analisar métodos estatísticos paramétricos e não paramétricos, que possam fornecer informações importantes para a investigação de tendências climáticas e, eventualmente, de outras variáveis relacionadas, como é o caso das vazões em rios. Neste sentido, métodos não paramétricos como os de Mann-Kendall e de Pettitt são frequentemente empregados, pois, segundo [5], eles possuem um maior embasamento estatístico para modelos teóricos de descrição climática. A fim de aprofundar os comentários acima citados, a presente pesquisa visa realizar uma análise exploratória das séries históricas dos índices anuais de temperatura média, precipitação pluviométrica e vazão em um rio, empregando regressão linear e a versão sequencial do teste de tendência de Mann-Kendall [6] e o teste de ruptura de Pettitt [7]. A partir desses testes, realizou-se um diagnóstico sobre possíveis mudanças em dados climatológicos (temperaturas médias e precipitações) e nas vazões de rios contidos em dez sub-

2 bacias hidrográficas distribuídas em doze localidades do Estado de São Paulo. 2. MATERIAS E MÉTODOS Foram utilizadas as medidas anuais dos índices de precipitações pluviométricas e temperaturas médias de algumas localidades, além das vazões hídricas de alguns rios próximos a essas localidades que envolveram algumas sub-bacias hidrográficas dispersas pelo território paulista. Os dados de precipitações e temperaturas médias são relativos às estações medidoras de responsabilidade do Instituto Agronômico de Campinas IAC <ciiagro.sp.gov.br>, enquanto que os de vazões, são os medidos pelas estações pertencentes ao Sistema de Informações para o Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado de São Paulo SigRH <sigrh.sp.gov.br>. A Figura 1 ilustra o mapa das sub-bacias hidrográficas do Estado de São Paulo, destacando as localidades onde foram coletadas as informações relativas à precipitação e temperatura média (indicados em vermelho) e à vazão (indicados em azul). Ressalta-se que os dados climáticos aqui empregados foram coletados no mesmo local, enquanto que os dados relativos às vazões foram aqueles que apresentavam a estação medidora (SigRH) mais próxima possível da localidade onde foram medidos os parâmetros climáticos (IAC). Todos os dados foram organizados e trabalhados por meio de gráficas em planilhas do aplicativo Microsoft Excel. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Optou-se ao longo dessa pesquisa por apresentar alguns resultados em forma gráfica, porém, complementando a esses, é apresentada uma tabela resumindo as informações obtidas nas análises estatísticas. Para a realização das análises, diversos procedimentos foram feitos por meio de planilhas eletrônicas aplicando os diferentes recursos ali existentes Testes paramétricos (Regressão linear) A fim de mostrar as aplicações do teste paramétrico de regressão linear, a Figura 2 ilustra três situações com comportamentos diferentes de cada série temporal estudada em dados desta pesquisa. O gráfico da Figura 2a mostra um acréscimo no comportamento da reta ajustada, que indica um aumento na temperatura média ( a > 0) para Ribeirão Preto entre 1953 e Entretanto, o gráfico da Figura 2b revela um comportamento estável ( a 0) do índice de precipitação para Limeira no período de 1934 a 2010, enquanto que o gráfico da Figura 2c indica uma diminuição do mesmo índice ( a < 0) para a cidade de Votuporanga entre 1989 e Figura 1. Mapa do Estado de São Paulo delimitando as sub-bacias hidrográficas e a localização das estações medidoras, cujos dados foram usados nesta pesquisa. O período estudado de cada série depende dos dados disponíveis de uma determinada estação medidora. Visando a realização de análises estatísticas, foram empregados os métodos paramétricos (regressão linear) e não paramétricos (de Mann-Kendall e de Pettitt), descritos em Penereiro e Ferreira [8]. Figura 2. Análise da regressão linear aplicada aos pontos suavizados para: (a) Temperatura média para Ribeirão Preto; (b) Precipitação pluviométrica para Limeira e (c) Precipitação pluviométrica para Votuporanga.

3 Entre as doze localidades analisadas, nas séries de Adamantina, Campinas e Votuporanga foram detectados indícios de diminuições nos regimes de precipitações ( a < 0). Para as séries dos rios Atibaia e Piracicaba também foram registrados indícios de decréscimos nos níveis de vazões desses rios. Entretanto, para todas as localidades foram encontrados indícios de aumento nos índices de temperaturas médias ( a > 0). No que concerne à qualidade dos ajustes efetuados, foram medidos os índices R 2 de cada série temporal. Vale salientar que quanto mais próximo da unidade o índice R 2 menor a dispersão dos dados e, consequentemente, melhor o ajuste efetuado. Essas informações, assim como a equação da reta ajustada podem ser visualizadas nos gráficos da Figura 2. O intervalo de confiança (IC95%), que significa a probabilidade do coeficiente angular de uma variável encontrar-se no intervalo calculado de 95% dos dados, também foi determinado para cada série. Esses valores dependem da variável que está sendo tratada, por isso há uma grande distribuição de intervalos. os limites críticos estabelecidos. No entanto, essa condição deixa de ser verdadeira quando os valores que estão em seguida ao valor crítico oscilam em intervalos próximos ao valor máximo. Nesta situação, o último valor do intervalo de oscilação indica o ponto de início da tendência [7] Testes não paramétricos Embora as análises de regressão mostradas anteriormente por meio de gráficos (como os da Figura 2) representem as possibilidades de eventuais tendências das séries de dados estudadas, os intervalos de confiança empregados para esse tipo de análise tornam-se limitados para tomar a decisão se a determinada a- mostra sofre ou não tendência. Por conseguinte, análises mais detalhadas e adequadas podem ser realizadas complementarmente, empregando-se outros testes estatísticos não paramétricos, como os testes de Mann-Kendall e Pettitt, que passam a ser analisados para cada variável estudada em algumas localidades e sub-bacias. Algumas formas gráficas dos testes de Mann-Kendall e de Pettitt obtidos nesse estudo para a variável climática temperatura média estão mostradas na Figura 3 para as cidades de Pindamonhangaba, Ribeirão Preto e Adamantina, respectivamente. Em ambos os testes as linhas horizontais pontilhadas indicam os limites dos intervalos de 5% e 10%. Vale ressaltar que, no teste de Mann-Kendall, a tendência é U são significativa quando os valores absolutos de ( ) maiores que os intervalos de confiança e o início dessa tendência pode ser identificado pela intersecção das curvas ( ) t n U (em traçado contínuo) e U * ( ) t n t n (em traçado pontilhado) nos gráficos da Figura 3 (parte inferior). Porém isso deve ocorrer dentro dos valores críticos dos intervalos de confiança [8 e 9]. No caso do teste de Pettitt (parte superior dos gráficos da Figura 3, mas obedecendo a mesma notação do teste anterior), o ponto de mudança brusca de K ( t) (tomado em módulo) ocorre quando este for maior que Figura 3. Exemplos dos testes de Mann-Kendall (inferior e na cor preta) e Pettitt (superior e em vermelho) para os dados de temperatura média nas localidades de (a) Pindamonhangaba, (b) Ribeirão Preto e (c) Adamantina. Como é possível verificar nos gráficos acima, identificou-se tendência na temperatura média para Pindamonhagaba e Ribeirão Preto, mas não para Adamantina, pois neste caso o teste de Pettitt não acusou mudança e nem cruzou os intervalos de 5% e 10%. Os resultados gráficos dos testes não paramétricos para o índice de precipitação e de vazão de rio em outras localidades analisadas neste estudo estão a- presentados nos gráficos das Figuras 4 e 5, respectivamente. Assim como para temperatura média, as linhas horizontais pontilhadas indicam os limites dos intervalos de 5% e 10%. A Tabela 1 resume todas as análises efetuadas para todas as séries temporais de precipitação (P), tempe-

4 ratura média (T) e vazão (V), estudadas e avaliadas empregando testes estatísticos não paramétricos. Nesta tabela encontram-se as localidades e rios que passam próximos a essas, além das variáveis analisadas, períodos dos dados trabalhados, resultados acusados por cada um dos testes ( dentro e fora, para afirmar ou não, se as curvas estatísticas estão entre os intervalos de confiança). A última coluna mostra a verificação se a tendência foi confirmada ou não, incluindo também, o ano a partir do início da ocorrência. Figura 4. Os testes não paramétricos aplicados aos dados de precipitação pluviométrica das localidades de (a) Pariquera-Açu e (b) Campinas. Inferior e na cor preta o teste de Mann-Kendall; superior e em vermelho o teste de Pettitt. Figura 5. Idem as figuras 3 e 4, porém aplicados às medidas das vazões dos rios (a) Sorocaba, (b) Piracicaba e (c) Atibaia. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS As análises exploratórias realizadas para os dados anuais de temperatura média das localidades trabalhadas não apresentaram indícios de tendências climáticas de queda em seus valores. Entretanto, os dados para essa variável nos municípios de Pindamonhangaba, Ribeirão Preto, Limeira, Tatuí e Votuporanga apresentaram tendência de elevação. Uma possível justificativa para esse aumento está nos crescimentos dessas cidades, interferindo no micro-clima de cada região. Nas demais localidades analisadas não ocorreram indícios de tendências dessa variável climática. No que concerne às séries de precipitação pluviométrica, observou-se que apenas para a localidade de Pariquera-Açú os testes de Mann-Kendall e Pettitt registraram tendências de elevação desse índice climático, com início aproximado no ano de Nas demais localidades analisadas não foram identificados indícios de tendências. Quanto ao regime hidrológico dos rios que drenam as sub-bacias analisadas, cinco séries indicaram haver tendência de elevação no índice de vazão (rios: Aguapeí, Paraíba do Sul, Pardo, Sorocaba e Turvo) e apenas para o rio Atibaia, na região de Campinas, foi possível registrar uma diminuição na vazão a partir de As análises não confirmaram qualquer tendência para os rios Camanducaia, Tietê (nas regiões de Mogi das Cruzes e de Buritama), Piracicaba (região de Artemis), Ribeira de Iguape e Taquari (na região de Itapeva). Assim, a identificação de alterações no comportamento da temperatura média, precipitação e vazão de um rio, por meio das análises de regressão linear, em consonância com os testes de Mann-Kendall e Pettitt, pode ser um instrumento eficiente nos estudos para possíveis tomadas de decisões quanto às estratégias para conter os impactos nos ecossistemas adjacentes a uma determinada sub-bacia hidrográfica. Além disso, esses testes podem desencadear eventuais identificações de alterações climáticas pela ocupação urbana ou no regime hídrico devido às ações humanas. Essas ações podem estar relacionadas com assoreamentos, lançamento de resíduos sólidos, entrada de operação de uma barragem formada por uma usina hidroelétrica, dentre outras possibilidades.

5 Maiores detalhes sobre este trabalho de pesquisa pode ser verificado no artigo submetido e recém-aceito para publicação na Revista Geográfica Acadêmica [10]. Tabela 1. Síntese das análises estatísticas empregando os testes Mann-Kendall e Pettitt para precipitação, temperatura média e vazão. Cidade Rio Série Período Mann-Kendall Pettitt Tendência Adamantina P Dentro Fora (?) T Dentro Fora (?) (Luisiana) Aguapei V Dentro Dentro (+)1971 Campinas P Dentro Fora (?) T Fora Dentro (?) (Itatiba) Atibaia V Dentro Dentro (-)1957 Monte Alegre do Sul P Dentro Fora (?) T Fora Dentro (?) (Monte Alegre do Sul) Camanducaia V Dentro Fora (?) Pindamonhagaba P Dentro Fora (?) (Cachoeira Paulista) Paraíba do Sul T Dentro Dentro (+)1968 V Dentro Dentro (+)1982 Guarulhos P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (+)1992 (Mogi das Cruzes) Tietê V Fora Fora (?) Buritama P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (-)2002 (Buritama) Tietê V Dentro Fora (?) Ribeirão Preto P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (+)1992 (Ribeirão Preto) Pardo V Dentro Dentro (+)1971 Limeira P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (+)1993 (Piracicaba) Piracicaba V Dentro Fora (?) Pariquera Açu P Dentro Dentro (+)1995 T Dentro Fora (?) (Eldorado) Ribeira de Iguape V Fora Fora (?) Tatuí P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (+)1972 (Tatui) Sorocaba V Dentro Dentro (+)1988 Itararé P Dentro Fora (?) T Dentro Fora (?) (Itapeva) Taquari V Dentro Fora (?) Votuporanga P Dentro Fora (?) T Dentro Dentro (+)1998 (Olimpia) Turvo V Dentro Dentro (+)1973 (?) significa tendência não detectada; (+) tendência crescente e (-) tendência decrescente com o ano de ocorrência a seguir. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao CNPq, através do programa PIBIC, além da PROPESQ e a Reitoria da PUC-Campinas, que concederam as bolsas de Iniciação Científica nos períodos e , respectivamente.

6 REFERÊNCIAS [1] Serra Filho, R. et al. (1975), Levantamento da cobertura vegetal natural e do reflorestamento no Estado de São Paulo. Boletim Técnico do Instituto Florestal, v.11, p [2] Karl, T. R. et al. (1988), Urbanization: its detection and effect in the United States climate record. Journal of Climate, v.1 n.11, p [3] Zhenmei, M. et al. (2008), Analysis of impacts of climate variability and human activity on streamflow for a river basin in arid region of northwest China. Journal of Hydrology, v.352, n.3-4, p [4] Groppo, J. D. et al. (2001), Análise de séries temporais de vazão e precipitação na bacia do rio Piracicaba. Revista Ciência & Tecnologia, v.8 n.18, p [5] Sansigolo, C. A.; Nery, J. T. (2000), Distribuição de extremos de temperatura mínima no estado do Paraná. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v.8, n.2, p [6] Sneyers, R. (1975), Sur l Analyse Statistique dês Séries d Observations. OMM - Organisation Météorologique Mondial, 192 p. [7] Pettitt, A. N. (1979), A non-parametric approach to the change-point problem. Applied Statistics, v.28 n.2, p [8] Groppo, J. D. et al. (2005), Análise de séries temporais de vazão e precipitação em algumas bacias do Estado de São Paulo com diferentes graus de intervenções antrópicas. Geociências, v.24 n.2, p [9] Penereiro, J. C.; Ferreira, D. H. L. (2011), Estatística apoiada pela tecnologia: uma proposta para identificar tendências climáticas. Acta Scientiae, v.13 n.1, p [10] Meschiatti, M. C. et al. (2012), Caracterização estatística de tendências em séries anuais de dados hidro-climáticos no estado de São Paulo. Revista Geográfica Acadêmica. aceito para publicação.