APLICAÇÃO DO ÍNDICE AGREGADO DAS ALTERAÇÕES HIDROLÓGICAS NA DEFINIÇÃO DA BARRAGEM DE MENOR IMPACTO

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1 APLICAÇÃO DO ÍNDICE AGREGADO DAS ALTERAÇÕES HIDROLÓGICAS NA DEFINIÇÃO DA BARRAGEM DE MENOR IMPACTO Camilla Hellen Peixoto de Lima 1 *; Fernando Genz 2 ; Lafayette Dantas da Luz 3 ; Renato Nascimento Elias 4 Resumo Uma vez que inúmeros estudos apontam impactos reais e potenciais decorrentes da implantação de barragens e que os rios regulados são física e ecologicamente diferentes de rios não regulados, cada vez mais a avaliação das alterações hidrológicas que podem ser causadas pelas barragens, ainda na fase de projeto, torna-se um tema de estudo importante. Vários índices foram desenvolvidos para tal propósito, dentre eles o Indicators of Hydrological Alteration (IHA), porém, estes indicadores não têm como resultado final um número único, dificultado em alguns casos a interpretação do resultado. Pensando nisso, alguns autores desenvolveram um índice agregado de alterações hidrológicas baseado nos indicadores do IHA. Este estudo testou um deles, o Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA), na definição, dentre um conjunto da barragens hipotéticas sob mesmo regime hídrico, qual seria de baixo/menor impacto. O AIHA foi coerente em apontar que barragens de maior capacidade de armazenamento tem um potencial maior de alteração do regime hidrológico e conseguiu identificar dentre diversas alternativas qual seria a de menor impacto. Ele também sugeriu que, dentre os cenários de barragens de pequena capacidade de armazenamento, a demanda não consuntiva causaria maior impacto enquanto que nos de grande capacidade o efeito de maior impacto vincula-se à demanda consuntiva. Palavras-Chave alterações hidrológicas; barragens. APPLICATION OF THE AGGREGATE INDEX OF HYDROLOGICAL ALTERATION IN THE DEFINITION OF LOWER IMPACT DAM Abstract Since numerous studies demonstrate actual and potential impacts resulting from the implementation of dams and that regulated rivers are physically and ecologically different from unregulated rivers, assessing the hydrological changes that can be caused by dams during its design phase becomes an important subject of study. Several indices were develop for this purpose, including the Indicators of Hydrological Alteration (IHA), but these indicators do not have at the end of its use a single number as a result, hampering in some cases the interpretation of results. Trying to solve this question, some authors developed an aggregated index of hydrological changes based on the IHA indicators. This study tested the Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA), in the definition of a set of hypothetical dams under same water regime, which cause low/minor impact. The AIHA was consistent in pointing out that dams with a large storage capacity have a greater potential to change the hydrological regime and was able to identify among several alternatives, which would cause less impact. This index also suggested that among the scenarios of dams with small storage capacity, the non-consumptive water demand would cause greater 1 Laboratório de Recursos Hídricos e Meio Ambiente (LABH2O), Programa de Engenharia Civil, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, camillahpl@gmail.com 2 Pesquisador associado ao Departamento de Engenharia Ambiental, Escola Politécnica Universidade Federal da Bahia UFBA, fgenz@pq.cnpq.br 3 Departamento de Engenharia Ambiental e do Mestrado em Meio Ambiente, Águas e Saneamento da Universidade Federal da Bahia, lluz@ufba.br 4 Laboratório de Recursos Hídricos e Meio Ambiente (LABH2O), Programa de Engenharia Civil, Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa em Engenharia COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, rnelias@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 impact while in the dams with large storage capacity the effect of greater impact has a link to the consumptive water demand. Keywords hydrological alterations; dams. INTRODUÇÃO A implantação de barragens quase sempre é vista pela sociedade de forma positiva, uma vez que traz consigo diversos benefícios tais como, energia mais barata, correntes navegáveis, ausência de inundações devastadoras, diminuição de secas, porém, rios regulados são ecologicamente e fisicamente diferentes de rios não regulados (COLLIER et al., 2000). Impactos decorrentes da implantação de barragens tem sido descritos por diversos autores dentre eles Poff & Hart (2002), cita algumas destas alterações que tem significância ecológica e ramificações em escala espacial e temporal: alteram o fluxo de sedimento e águas a jusante do barramento, o que pode modificar os ciclos biogeoquímicos assim como as estruturas e a dinâmica dos habitats aquáticos e zonas ripárias; modificam a temperatura da água, o que pode influenciar a bioenergética de alguns organismos e seus sinais vitais; e elas criam barreiras no movimento de organismos e nutrientes no sentido montante-jusante e vice versa. Diversos estudos têm avaliado as alterações decorrente da implantação de barragens ao redor do mundo, tais como: Nilsson et al.(2005), apresentou uma visão global dos impactos causados por barragens em grandes rios e mostrou que mais da metade deles foram afetados por elas (172 de 292); Burke et al. (2009), demonstrou que a Barragem Libby no Canadá-Estados Unidos modificou significantemente o regime do Rio Kootenai; Batalla et al. (2004), estudaram os impactos de barragens no Rio Ebro e seus tributários, na Espanha; no Brasil Genz & Luz (2009), fizeram uma avaliação das alterações hidrológicas no baixo trecho do Rio São Francisco e Silva et al. (2014) avaliaram as alterações da barragem de Pedras Altas na bacia do Rio Itapicuru. Porém apesar da crescente preocupação com as alterações hidrológicas decorrentes da implantação de barragens, no geral, o licenciamento ambiental brasileiro não requer estudos complexos que contemplem uma mensuração do grau de alteração hidrológica decorrente da implantação de barragens ainda na fase de projeto, aceitando muitas vezes apenas uma caracterização do que irá mudar no regime hídrico do rio. Diversos índices e indicadores foram desenvolvidos para auxiliar nesse tipo de análise, dentre eles um índice agregado de alterações hidrológicas chamado de Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA). Este índice é baseado no conjunto de indicadores de alteração hidrológica de relevância ecológica (o Indicators of Hydrologic Alteration (IHA). Este estudo teve como objetivo utilizar o AIHA, proposto por Dittmann et al. (2009) e adaptado por Bizzi et al. (2012), para a definição, dentre um conjunto de barragens hipotéticas, de qual configuração seria a de menor impacto. Em estudos que considerem muitas alternativas de projeto, com barragens com condições físicas e locacionais diversas, se torna difícil a identificação daquelas que possam gerar menor impacto sobre o regime hidrológico e, potencialmente, sobre o ecossistema. Pretende-se neste estudo, em que 16 alternativas de barragens hipotéticas foram consideradas, avaliar e oferecer um procedimento que viabilize, a gestores e projetistas, a identificação e opção por alternativas que resultem em menor impacto sobre o regime hidrológico ou, ainda, possam otimizar os parâmetros de projeto na tentativa de reduzir ainda mais possíveis resultados indesejáveis. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 MATERIAIS E MÉTODOS Definição dos cenários de barragens hipotéticas do estudo Para definir a barragem de menor impacto foi selecionado um conjunto de cenários de barragens hipotéticas. Em seu estudo, Lima (2014) avaliou como as mudanças nas variáveis de projeto de barragens influenciavam as alterações hidrológicas. Para isso, propôs 32 cenários hipotéticos obedecendo os requisitos do Planejamento Fatorial, onde diferentes características de projeto foram representadas, dentre elas: demanda hídrica do reservatório, tipologia de vale, vazão remanescente e capacidade de armazenamento. Neste artigo somente foram utilizados 16 cenários dos 32 propostos por Lima (2014), sendo os cenários selecionados aqueles referentes às barragens com regime fluvial perene (8 de pequena capacidade de armazenamento e 8 de grande). A descrição de cada cenário encontra-se no Quadro 1. Quadro 1: Cenários alternativos utilizados para ambas capacidades de armazenamento Número do cenário Demanda Tipologia VR 1 DNC VE VR5% 2 DNC VE VR20% 3 DC VE VR5% 4 DC VA VR20% 5 DC VA VR5% 6 DNC VA VR20% 7 DNC VA VR5% 8 DC VE VR20% DNC-Demanda não consuntiva/ DC-Demanda consuntiva/ VE-Vale encaixado/ VA-Vale aberto/ VR-Vazão Remanescente Fonte: Adaptado de Lima (2014) Vale a pena ressaltar que: a capacidades de armazenamento consideradas como pequena corresponde ao volume equivalente a 5% da vazão média anual (10 m³/s) afluente à Barragem de Apertado, no Rio Paraguaçu, a qual foi tomada como referência inicial para as características analisadas, por representar um padrão típico da região de interesse. As barragens consideradas como de grande capacidade correspondem ao volume equivalente a 85% da mesma vazão média. Os valores de vazão remanescente foram 5% e 20% das vazões regularizadas com 90% de garantia. Simulação da operação dos reservatórios Para todos os cenários utilizados, Lima (2014) simulou no modelo Water Evaluation and Planing System (WEAP) o balanço hídrico dos reservatórios. Gerando dados de vazão alterada pela operação das barragens que serviram de base para a etapa seguinte: avaliação das alterações hidrológicas. Avaliação das alterações hidrológicas com o Indicators of Hydrologic Alteration (IHA) De posse dos dados de vazão referente ao regime natural não alterado e das séries de vazão alteradas obtidas a partir das simulações com o WEAP, Lima (2014) aplicou o Indicators of Hydrologic Alteration (IHA). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 O IHA é um conjunto de 32 indicadores hidrológicos de relevância ecológica (ver Quadro 2), que conseguem descrever como os padrões de uso da água de um rio o impactaram, estes indicadores foram desenvolvidos por Richter et al Neste estudo, utilizou-se os resultados do IHA calculados por Lima (2014) para aplicar o AIHA em cada cenário de barragem hipotética. Quadro 2: Sumário dos indicadores hidrológicos usados pelo método do IHA e alguns exemplos da sua influência no ecossistema Grupo estatístico do IHA Grupo 1 Magnitude das condições de vazão mensais Grupo 2 Magnitude e duração das vazões anuais extremas Grupo 3 Momento de ocorrência das vazões anuais extremas Grupo 4 Frequência e duração dos pulsos de vazões máximas e mínimas Grupo 5 Taxa e frequência de mudança no hidrograma Fonte: Adaptado de TNC, 2009 Parâmetros hidrológicos Valor médio para cada mês do calendário 13. Vazão máxima diária 14. Vazão mínima diária 15. Vazão máxima de 3 dias 16. Vazão mínima de 3 dias 17. Vazão máxima de 7 dias 18. Vazão mínima de 7 dias 19. Vazão máxima de 30 dias 20. Vazão mínima de 30 dias 21. Vazão máxima de 90 dias 22. Vazão mínima de 90 dias 23. Número de dias com vazão nula 24. Dia Juliano de cada máxima de 1 dia anual 25. Dia Juliano de cada mínima de 1 dia anual 26. Número pulsos de máxima em cada ano 27. Número pulsos de mínima em cada ano 28. Duração média do pulso de máxima anual (dias) 29. Duração média do pulso de mínima anual (dias) 30. Taxa de ascensão 31. Taxa de recessão 32. Número de reversões Influência no ecossistema Disponibilidade de habitat para organismos aquáticos e de umidade no solo para as plantas; e Temperatura da água, os níveis de oxigênio e fotossíntese na coluna de água. Criação de locais para colonização de plantas; Estruturação dos ecossistemas aquáticos por fatores abióticos e bióticos; Estruturação da morfologia do canal do rio e condições físicas do habitat; Volume de trocas de nutrientes entre rios e várzeas; e Duração das altas vazões para eliminação de resíduos, aeração de leitos de desova em sedimentos do canal. Sincronia com os ciclos de vida dos organismos; Previsibilidade/ evitabilidade de estresse para os organismos; Acesso a habitats especiais durante a reprodução ou para evitar a predação; e Gatilho para desova para peixes migradores/ de piracema. Frequência e magnitude do estresse de umidade do solo para as plantas; Disponibilidade de habitats de várzea para os organismos aquáticos; Trocas de nutrientes e matéria orgânica entre o rio e a planície de inundação; e Transporte do leito do rio, textura dos sedimentos do canal e duração dos distúrbios no substrato (altos pulsos). Estresse hídrico sobre plantas; e Aprisionamento de organismos em ilhas e várzeas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Definição cenário de menor impacto pelo Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA) Bizzi et al. (2012) relata que, apesar do método do IHA ser altamente aceito pela comunidade cientifica mundial, ele não fornece instruções de como colocar pesos diferentes para cada um dos indicadores utilizados, fazendo com que o julgamento da alteração seja deixado a critério do especialista que está fazendo o estudo. Pensando nisso Bizzi et al. (2012), propôs a utilização da adaptação de um índice que fosse capaz de agregar os resultados dos 32 indicadores dos IHA em um só número. Para isso ela usou em seu estudo dois índices; um deles foi o Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA). Este índice foi sintetizado por Dittmann et al. (2009) e adaptado por Bizzi et al. (2012), sendo resultado da seguinte expressão (equação 1): AIHA = w i δ i Onde, N 1 (1) i=1 w i é o peso selecionado para cada δ i; δ i é a média dos indicadores de alteração. Para a obtenção do δ i são aplicadas anteriormente duas equações, a equação (2) e equação (3), onde na equação (2) é calculado o δ i,j e na equação (3) a média dos indicadores de alteração. δ i,j = exp ( (z i,j m i ) 2 Onde, 2s i 2 ) (2) z i,j é o valor do indicador i no ano do horizonte de simulação j; m i é o valor da média ao longo dos anos dos i indicadores de referência (regime não alterado); s i o valor do desvio padrão ao longo dos anos dos i indicadores de referência (regime não alterado); δ i,j é a medida de probabilidade de que um aspecto hidrológico medido pelo indicador possa ser extraído pelo mesmo processo que gerou o regime hidrológico da condição de referência. δ i = 1 Onde, N y δ N i,j Y j=1 (3) N Y é o número de anos do horizonte de simulação para a condição de pré ou pós impacto; δ i,j é a medida de probabilidade de que um aspecto hidrológico medido pelo indicador possa ser extraído pelo mesmo processo que gerou o regime hidrológico da condição de referência. Em seu estudo Bizzi et al. (2012) adotaram diferentes pesos (w i ) para os δ i. Cada grupo do IHA teve o mesmo peso, baseado na divisão:1 [peso] /5 [número de grupos], resultando em 0,2 para ser divido dentro de cada grupo pelo número de parâmetros, [0,2/ número de parâmetros do grupo]). Por exemplo, o Grupo 1, possui 12 parâmetros, fazendo com que o peso de cada parâmetro fosse 0,2/12). Para esta análise foram mantidos estes pesos e, uma vez calculado o AIHA, quanto maior for a alteração, menor será o valor numérico do indicador final. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 RESULTADO E DISCUSSÃO Uma vez que de acordo com o AIHA, quanto maior for a alteração causada pela intervenção no rio menor será o valor do indicador, os resultados obtidos através da sua aplicação mostram que: 1) Como esperado, o regime não alterado (NA) apresentou o maior valor para o índice AIHA e todos os cenários que causaram alterações no regime hídrico foram numericamente menores (Quadro 3); Quadro 3 Valor do AIHA para os diferentes cenários Cenários de PC AIHA Cenários GC AIHA NA 0,730 NA 0,730 1 PC 0,627 1 GC 0,491 2 PC 0,627 2 GC 0,491 3 PC 0,648 3 GC 0,463 4 PC 0,633 4 GC 0,442 5 PC 0,647 5 GC 0,461 6 PC 0,627 6 GC 0,489 7 PC 0,627 7 GC 0,489 8 PC 0,632 8 GC 0,443 NA-Regime não alterado/pc-pequena capacidade de armazenamento/gc-grande capacidade de armazenamento 2) Para todos os cenários, as alterações decorrentes da implantação de barragens com grandes capacidades de armazenamento (volume equivalente a 85% da vazão média anual de 10 m³/s) foram maiores do que as de pequena capacidade de armazenamento (volume equivalente a 5% da vazão média anual). Este resultado sinaliza a importância do estudo de barragens com grandes capacidades de armazenamento, que geralmente alteram com mais magnitude o regime fluvial natural. 3) Dentro do conjunto dos cenários de barragens com pequenas capacidades de armazenamento, os cenários que causaram maior alteração foram o 1, 2, 6 e 7 (DNC), enquanto que os de menor impacto foram 3 e 5 (DC e VR5%). Neste conjunto de experimentos foi possível verificar que a demanda influenciou diretamente o impacto das barragens, uma vez que todos os cenários de demanda não consuntiva apresentaram o mesmo impacto independentemente da variação da tipologia de vale e vazão remanescente. 4) Para as grandes capacidades de armazenamento os cenários de maior alteração foram o 4 e 8 (DC e VR20%) e o de menor impacto foram os cenários 1 e 2 (DNC e VE). Para este conjunto de barragens, a demanda consuntiva foi mais impactante, é possível verificar que os maiores impactos estão vinculados aos cenários com essa característica em comum. CONCLUSÃO O Aggregate Index of Hydrological Alteration (AIHA) foi coerente em apontar que barragens de maior capacidade de armazenamento tem um potencial maior de alteração do regime hidrológico e conseguiu identificar dentre diversas alternativas de barragem qual seria a de menor impacto. Para o regime hídrico estudado, os resultados encontrados apontam as barragens de pequena capacidade de armazenamento de demanda não consuntiva como mais impactantes enquanto que nas de grande capacidade o efeito deste tipo de demanda é oposto. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Em função dos resultados apresentados, este índice poderia ser uma das ferramentas utilizadas pelos órgãos gestores na avaliação das diversas alternativas de projeto apresentadas pelos empreendedores durante estudos para licenciamento de barragens, ainda na fase de projeto, uma vez que nem sempre existe ou é proposta uma boa métrica de comparação entre as diversas alternativas propostas. As sugestões para trabalhos futuros com este índice agregado são: avaliação dos efeitos cumulativos de diversas barragens em um mesmo curso de rio; estudo dos efeitos da operação de barragens de usos múltiplos em épocas de escassez hídrica; e utilizar diferentes pesos para os grupos e parâmetros do IHA, com base na importância ecológica de tais eventos ou métricas hidrológicas, de forma a verificar qual a sensibilidade deste índice agregado de alteração hidrológica dentro de cada cenário proposto. AGRADECIMENTOS Ao apoio da CAPES, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. REFERÊNCIAS [TNC] THE NATURE CONSERVANCY. Indicators of Hydrologic Alteration Version 7.1 User's Manual, BATALLA, R. J.; GÓMEZ, C. M.; KONDOLF, G. M.. Reservoir-induced hydrological changes in the Ebro River basin (NE Spain). Journal of Hydrology, , p BIZZI, S.; PIANOSI, F; SONCINI-SESSA, R. Valuing hydrological alteration in multiobjective water resources management. Journal of Hydrology, , p BURKE, M.; JORDE, K.; BUFFINGTON, J. M. Application of a hierarchical framework for assessing environmental impacts of dam operation: Changes in streamflow, bed mobility and recruitment of riparian trees in a western North American river. Journal of Environmental Management, , p. S224-S236. COLLIER, M.; WEBB, R. H.; SCHMIDT, J. C. DAMS AND RIVERS: A Primer on the Downstream Effects of Dams. U.S. GEOLOGICAL SURVEY: Circular 1126, 2000, ed. 2. DITTMANN, R.; FROEHLICH, F.; POHL, R; OSTROWSKI, M. Optimum multi-objective reservoir operation with emphasis on flood control and ecology. Natural Hazards Earth System Sciences, 2009, 9, p GENZ, F.; LUZ, L. D. Avaliação das alterações hidrológicas no baixo trecho do Rio São Francisco. Anais do XVII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, LIMA, C. H. P. Avaliação das alterações hidrológicas a jusante de barragens por meio de análise de sensibilidade à variação de variáveis de projeto. Dissertação (mestrado) Universidade Federal da Bahia. Escola Politécnica, NILSSON, C.; REIDY, C. A.; DYNESIUS, M.; REVENGA, C. Fragmentation and Flow Regulation of the World s Large River System. Science, April, 2005, Vol. 308, p POFF, N. L.; HART, D. D. How Dams Vary and Why It Matters for the Emerging Science of Dam Removal. BioScience, August, Vol. 52, n 8, p RICHTER, B. D.; BAUMGARTNER, J.V.; POWELL, J.; BRAUN, D.P. A Method for Assessing Hydrologic Alteration with Ecosystems. Conservation Biology, August, Vol. 10, n 4, p SILVA, L. C.; FONTES, A. S; SILVEIRA, A. N.; LIMA, C. H. P.; VIEIRA, L M. S.; GENZ F. Estudo das alterações hidrológicas decorrentes da operação do reservatório de Pedras Altas. Anais do XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, Natal, RN, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7