Brasília

A implementação dessa iniciativa teve início com uma introdução teórica sobre os aspectos de sustentabilidade de bacias hidrográficas e sobre risco hídrico. As principais metodologias e modelos utilizados foram apresentadas, bem como uma breve descrição das bacias estudadas. Os resultados obtidos no estudo foram estabelecidos em termos da sustentabilidade integrada das bacias por meio da aplicação do índice ISB, como sua sustentabilidade hídrica, e com o índice SDRH. Após a aplicação do ISB, as bacias do Descoberto e do Paranoá apresentaram, no cenário atual (2015-2018), um nível médio de sustentabilidade (0,66 e 0,68, respectivamente). Os fatores que limitaram a sustentabilidade dessas bacias foram a baixa disponibilidade per capita de água e as respostas inadequadas de gestão frente às ameaças observadas. No caso do índice SDRH, a sustentabilidade hídrica, no cenário atual, foi de 0,32, 0,66, e 0,58 para as bacias do Descoberto, Paranoá e Rodeador (microbacia-alvo), respectivamente. Nos cenários futuros de clima (2040 e 2070), a sustentabilidade hídrica desta última caiu significativamente, em função da redução da precipitação. O risco hídrico da bacia do ribeirão Rodeador, cujo modelo desenvolvido utilizou o conceito de probabilidade de falha de sistemas, passou de 11%, no cenário atual, para valores superiores a 50%, nos anos de 2040 e 2070, principalmente em função da redução da oferta de água, resultante da diminuição da precipitação futura. Apesar de existirem incertezas relativas aos cenários de clima futuro, decorrente de eventuais erros nas projeções dos modelos GCM, a utilização de distintos modelos climáticos, em distintas escalas de regionalização, contribuiu para sua redução. Além disso, como o modelo de risco hídrico é estocástico, as incertezas dos dados foram incorporadas ao resultado das predições. Ao final do Relatório, medidas de adaptação para o enfrentamento dos impactos previstos nos diferentes cenários do Estudo foram propostas, bem como recomendações para a adequada utilização dos resultados apresentados no Documento. METODOLOGIA As metodologias utilizadas no estudo, incluindo a descrição das bacias estudadas, os indicadores de sustentabilidade hídrica e integrada, o desenvolvimento do modelo de risco hídrico, as fontes e o tratamento dos dados secundários e os distintos cenários utilizados. Bacias Estudadas As bacias analisadas no presente estudo de sustentabilidade e risco hídrico foram aquelas consideradas estratégicas para o abastecimento de água do Distrito Federal, e previamente definidas no âmbito Projeto CITinova/CGEE. Nesse sentido, foram selecionadas as bacias do rio Paranoá, a do rio Descoberto e a bacia do ribeirão Rodeador, tomada como piloto para a análise de risco hídrico. A descrição de cada uma dessas bacias é feita a seguir. Bacia do Rio Paranoá Situada na região central do Distrito Federal, a bacia do rio Paranoá tem uma área total de 1.056 km². Trata-se de uma bacia estratégica, onde está localizada a capital da república e onde vivem mais de 500 mil pessoas. A bacia do Paranoá recebe, em média, uma precipitação anual de 1.500 mm, apresenta um relevo suave-ondulado e é coberta dominantemente por latossolos argilosos. A vazão média anual de longo termo do rio Paranoá, em sua barragem, é 14 m³/s. O uso predominante do solo na bacia é o urbano, com áreas remanescentes de vegetação de cerrado. O lago Paranoá, formado artificialmente em 1960, tem um volume útil de 35 hm³, sendo um reservatório de usos múltiplos, servindo para a geração de energia, a diluição de esgoto tratado, receptor de drenagem urbana, sendo também um importante ecossistema de diversas espécies de peixes e anfíbios, bem como local de esportes e lazer para a população de Brasília. A demanda de água per capita é da bacia do Paranoá é relativamente alta (1.400 hab/hm³). Durante a crise hídrica de 2016-2018, o lago Paranoá tornou-se um manancial de abastecimento suplementar para a cidade, reduzindo a pressão sobre o Sistema Descoberto. No presente estudo, foram aplicados à bacia do rio Paranoá os índices de sustentabilidade hídrica (SDRH) e de sustentabilidade de bacias (ISB), ambos no cenário atual. Bacia do Rio Descoberto A bacia do rio Descoberto tem, no interior do Distrito Federal, uma área total de 801 km² (Figura 2.2). Seu relevo é suave-ondulado, com latossolos dominando a paisagem, tendo os usos agropecuário e cerrado nativo como dominantes. A precipitação média anual na bacia é de 1.400 mm e a vazão média afluente ao seu reservatório é de 8 m³/s. O lago do Descoberto tem uma área de drenagem de 431 km² e um volume útil de 86 hm³, aportando uma vazão firme de 5,2 m³/s, capaz de abastecer 1,7 milhão de pessoas. A bacia do rio Descoberto é também uma importante produtora de hortifrútis, com o uso intensivo de irrigação. A demanda específica de água na bacia do Descoberto é elevada (6.000 hab/hm³), tornando-a uma bacia com alto estresse hídrico (FALKENMARK; WIDSTRAND 1992). Em 2017, o reservatório do rio Descoberto sofreu um deplecionamento significativo, mesmo operando abaixo da sua vazão de projeto. A causa do rebaixamento abrupto do reservatório, que chegou a 5% do volume útil no final de 2017, foi a sequência de seis anos seguidos de precipitação abaixo da média histórica, ocasionando um processo de persistência hidrológica (CHAVES; LORENA, 2019) Na bacia do rio Descoberto, foram aplicados os índices de sustentabilidade hídrica (SDRH) e de sustentabilidade de bacias (ISB), ambos no cenário atual. Bacia do Ribeirão Rodeador A bacia do ribeirão Rodeador é uma sub-bacia do Descoberto, com uma área total de 113 k². A bacia recebe uma precipitação média anual de 1.417 mm, possui um relevo plano a suave ondulado, com latossolos dominantes, onde predominam a agricultura irrigada e de sequeiro. Apesar de não regulado, o ribeirão Rodeador é um dos maiores contribuintes de água para o reservatório do Descoberto, a jusante, com uma vazão média anual de longo termo de 1,7 m³/s. A demanda de água na bacia do Rodeador, considerando as fontes superficiais e subterrâneas, é de 22 hm³/ano. Como a bacia do ribeirão Rodeador foi selecionada como uma bacia-piloto no presente estudo, a ela aplicaram-se o índice de sustentabilidade hídrica (SDRH) e o índice de risco hídrico (IRH), nos cenários atual e futuro (2040 e 2070). Índices de Sustentabilidade e de Risco Hídrico Na presente análise, foram aplicados às bacias selecionadas um índice de sustentabilidade hídrica, um índice de sustentabilidade de bacias e um índice de risco hídrico, desenvolvido especialmente para o estudo. No caso dos dois primeiros, eles foram selecionados na literatura internacional, usando-se critérios previamente estabelecidos, levando em conta os objetivos do estudo, as condições hidrológicas, ambientais e socioeconômicas das bacias estudadas, além da disponibilidade de dados, da robustez e da facilidade de uso, bem como da transparência e replicabilidade. Em função dos critérios utilizados, foram selecionados os índices de Sistema Dinâmico de Recursos Hídricos-SDRH (XU et al., 2002) e o Índice de Sustentabilidade de Bacias-ISB (CHAVES; ALÍPAZ, 2007), ambos publicados no periódico internacional Water Resources Management (Springer). Durante uma Oficina Técnica, realizada em julho de 2019 na sede da SEMA-DF, os índices pré-selecionados foram apresentados a gestores e representantes da sociedade civil do Distrito Federal, onde sugestões de ajustes foram apresentadas, as quais foram incorporadas no estudo. Índice de Sustentabilidade Hídrica Desenvolvido por Xu e colaboradores, o índice SDRH avalia a performance de sistemas hídricos a partir do grau de comprometimento da oferta de água pela demanda, em bacias hidrográficas. Assim, o SDRH realiza o balanço entre as médias da oferta e demanda de água nas bacias (XU et al., 2002): SDRH = ((O-D))/O se O>D [2.1] SDRH = zero se O≤D Onde: SDRH (0-1) = índice SDRH da bacia; D (hm3/ano) = demanda efetiva anual média de água na bacia; e O (hm3/ano) = oferta efetiva anual média de água na bacia. Uma vez calculado o SDRH pela equação 2.1, a sustentabilidade hídrica interanual foi classificada de acordo com a Tabela abaixo. Mais detalhes sobre o índice SDRH podem ser encontrados no trabalho de Xu et al. (2002). Índice de Sustentabilidade de Bacias No índice desenvolvido por Chaves & Alípaz (2007), a sustentabilidade integrada da bacia é dada pela média aritmética dos escores obtidos nas quatro linhas e três colunas de uma matriz, onde os indicadores são as linhas (H, E, L, P), e as colunas representando a Pressão, o Estado e a Resposta, observadas na bacia. A matriz completa do ISB, com os valores e escores dos parâmetros, é apresentada no Apêndice. As pequenas adaptações feitas no ISB para sua adequação às condições das bacias do Paranoá e Descoberto dizem respeito ao indicador de Hidrologia-Qualidade, proposta durante a Oficina do Projeto CITinova, em 2019. Nesse sentido, o parâmetro de demanda bioquímica de oxigênio-DBO, do índice original, foi substituído pelo fósforo total e pelo Índice de Qualidade de Água- IQA da bacia. Esta substituição era prevista no artigo de Chaves & Alípaz (2007) sempre que o parâmetro de qualidade mais crítico para a situação local fosse distinto do sugerido originalmente no artigo (DBO). Uma vez obtidos os escores relativos aos indicadores H, E, L e P, bem como os escores relativos à Pressão, Estado e Resposta (ver Apêndice 1), a sustentabilidade integrada da bacia, no período selecionado, foi calculada através da equação (CHAVES; ALÍPAZ, 2007): ISB= (H+E+L+P)/4 [2.2] Onde: H (0-1) = indicador de hidrologia; E (0-1) = indicador de meio ambiente; L (0-1) = indicador de vida humana; e P (0-1) = indicador de políticas públicas ou governança. Como consequência da média aritmética da equação 2.1, tanto os indicadores como o índice ISB variam entre 0 e 1. Semelhantemente ao índice SDRH, a sustentabilidade integrada calculada pelo ISB é classificada em três faixas: Além da média global de sustentabilidade da bacia, dada pela equação 2.2, e a sua respectiva classificação, é possível identificar na Tabela A1 (Apêndice) quais são os gargalos individuais (parâmetros com escores ≤ 0,5) que afetam sua sustentabilidade global, permitindo que os fatores limitantes possam ser mitigados. Maiores detalhes sobre o índice ISB podem ser obtidos em Chaves & Alípaz (2007). Finalmente, a sustentabilidade integrada das bacias do Descoberto e Paranoá, calculadas pelo ISB, foram comparadas com a sustentabilidade de bacias brasileiras e latino-americanas, calculadas pelo mesmo índice. Índice de Risco Hídrico Para avaliar o risco hídrico intra-anual da bacia-piloto do ribeirão Rodeador, considerando os aspectos dinâmicos de oferta e demanda de água durante os períodos seco e chuvoso do ano, foi desenvolvido no presente estudo um modelo computacional de risco, visando complementar a análise de sustentabilidade hídrica inter-anual, estimada pelo índice SDRH. Tomando a probabilidade de falha como o indicador de risco de um sistema, representado pela bacia hidrográfica, o risco é dado pela seguinte equação (HARR; 1987): R = pf = P (C < D) [2.3] Onde: R = risco de falha do sistema; P = função de probabilidade; C = capacidade do sistema; e D = demanda sobre o sistema. Tomando agora a oferta de água (O) como a capacidade do sistema (bacia) e a demanda de água (D) como a demanda sobre ele, e sabendo que estas são variáveis aleatórias, com distribuições e potencialmente correlacionadas entre si, suas distribuições e sua matriz de variância-covariância devem ser obtidas para a estimativa do risco R. Definindo-se agora a margem de segurança (Ms) como a diferença entre a oferta e a demanda de água, temos que Ms = O – D (GANOULIS, 2009). Assim, o risco hídrico, dado pela probabilidade de falha de abastecimento da bacia, será a probabilidade de Ms ser igual ou menor a zero, ou seja: R = pf = P (Ms ≤ 0) [2.4] Onde: Ms= margem de segurança (O – D) do sistema (bacia). Dividindo-se agora o valor médio esperado da margem de segurança pelo seu desvio-padrão, obtém-se o Índice de Confiabilidade do Sistema (Ic) (HARR, 1987): Ic = E[Ms] / s[Ms] [2.5] Onde: Ic = índice de confiabilidade do sistema; E[Ms] = média da margem de segurança; s[Ms] = desvio-padrão da margem de segurança. Como a margem de segurança média de um sistema hídrico é a diferença das médias da oferta e da demanda, o coeficiente de variação da margem de segurança é dado pela seguinte equação (MCCUEN; SNYDER, 1986): V[Ms] = V[O – D] = V[O] + V[D] - 2 r s[O] s[D] [2.6] Onde: V[Ms] = coeficiente de variação da margem de segurança do sistema; V[O] = coeficiente de variação da oferta; V[D] = coeficiente de variação da demanda; r = coeficiente de correlação entre a oferta e a demanda; s[O] = desvio-padrão da oferta; e s[D] = desvio-padrão da demanda. Reconhecendo o fato de que a equação 2.5 é a recíproca do coeficiente de variação da margem de segurança do sistema, temos que: V[Ms] = s[Ms] / E[Ms] [2.7] Onde: V[Ms] = coeficiente de variação da margem de segurança do sistema. Tendo em vista que a equação 2.7 é o complemento da probabilidade de falha (eq. 2.4), o índice de risco hídrico, dado pela probabilidade de falha do sistema, é a recíproca da equação 2.7, ou seja: 〖IRH=p〗_f=1-ψ[(E[O]-E[D])/√(s^2 [O]+ s^2 [D]-2 r s[O] s[D])] [2.8] Onde: IRH = índice de risco hídrico, estimado pela probabilidade de falha, pf; E[O] = média da oferta mensal de água; E[D] = média da demanda mensal de água; s[O] = desvio-padrão da oferta; s[D] = desvio-padrão da demanda; r = coeficiente de correlação entre a oferta e a demanda; Ψ[•] = o valor da função de distribuição normal, obtido através da função DISTNORMP( ) do MS-Excel. Na equação 2.8, o operador Ψ [•] requer que as distribuições da oferta e da demanda de água sejam normais. Para testar a normalidade das distribuições de oferta e demanda de água, foi utilizado o teste de Kolmogorov-Smirnov (HAAN, 1994). Assim, conhecendo-se as distribuições da oferta e da demanda média mensal de água na bacia, e de sua correlação, obtém-se a probabilidade de falha do sistema, que é um indicador imparcial do risco hídrico intra-anual. Graficamente, a probabilidade de falha (pf), tomada como aqui como o Índice de Risco Hídrico-IRH, é representada pela área do cruzamento das caudas das distribuições de oferta (O) e demanda de água (D), indicando aquelas situações onde a demanda é maior que a oferta, sendo ambas variáveis aleatórias. Assim, a equação 2.8, representada graficamente pela Figura 2.4, foi utilizada para a estimativa do risco hídrico intra-anual da bacia do Rodeador, a partir dos dados de ofertas e demandas médias anuais de água da bacia. Tanto o índice de risco hídrico-IRH como o teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov foram programados em um macro do MS-Excel, o qual é disponibilizado junto com este volume, permitindo o seu cálculo a partir dos valores mensais de oferta e demanda de água das bacias. Fontes e de Dados e sua Compilação Como os índices ISB e SDRH demandam dados secundários locais, incluindo aqueles relativos à hidrologia, ao meio ambiente, à sócio-economia e aos aspectos de governança, estes foram levantados, sempre que possível, em bases de dados oficiais. Tanto a bacia do Descoberto como a do Paranoá atenderam ao critério de tamanho do ISB, ou seja, área da bacia inferior a 2.500 km² (CHAVES; ALÍPAZ, 2007). Suas áreas são de 801 e 1.056 km², respectivamente. No caso do SDRH, não há critério em relação a área mínima ou máxima da bacia (XU et al., 2002). No tocante às informações hidrológicas, foram utilizados dados de vazão de postos pluviométricos e fluviométricos existentes nas bacias, bem como dados de qualidade de água dos principais parâmetros químicos, físicos e biológicos. A base de dados incluiu o Hidroweb da ANA (http://www.snirh.gov.br/hidroweb/publico/medicoes_historicas_abas.jsf), bem como dados repassados pela Adasa e pela Caesb. Já em relação aos dados socioeconômicos, as informações para os índices SDRH e ISB foram obtidas a partir do banco de dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE, da Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios – PNAD, da Companhia de Planejamento do Distrito Federal - Codeplan (população por RA) e do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento - PNUD (IDH). Já as informações ambientais (áreas naturais remanescentes, Unidades de Conservação, parques, etc.) foram obtidas da base de dados da Secretaria de Estado de Desenvolvimento Urbano e Habitação - SEDUH-DF/GeoPortal (https://www.geoportal.seduh.df.gov.br/mapa/). Para a obtenção dos dados sobre regulação e gestão ambiental e de recursos hídricos, foram levantadas as leis, resoluções, outorgas de uso de água (superficial e subterrânea), Zoneamento Ecológico-Econômico do Distrito Federal - ZEE-DF, planos de recursos hídricos e de bacias, bem como dados de questionários, que foram aplicados a gestores e a representantes da sociedade civil organizada. As projeções de precipitação (P) e temperatura (T) médias anuais para distintos cenários futuros de emissões de GHG foram obtidas do estudo do CPTEC-INPE (2019), realizado para o Distrito Federal e a RIDE. As projeções foram geradas pelo modelo HadGEM2/Eta, numa grade de 5x5 km. A Tabela 2.4 apresenta os dados utilizados no estudo, com a respectiva fonte e finalidade. Cenários Utilizados na Análise No caso dos índices ISB e SDRH das bacias do Descoberto e do Paranoá, estes tiveram sua sustentabilidade calculada no cenário atual de clima, disponibilidade de água, uso do solo, e políticas públicas. No ISB, aplicado às bacias do Paranoá e Descoberto, o cenário atual compreendeu um período de quatro anos (2015 a 2018), conforme recomendado por Chaves e Alípaz (2007). Para o índice SDRH, aplicados às bacias do Descoberto, Paranoá e Rodeador, o cenário atual de oferta de água considerou o período entre 1999 e 2018, e o de demanda o ano de 2017 (UNESCO, 2017). Já no caso do ribeirão Rodeador, distintos cenários de clima e demanda de água, atuais e futuros, foram aplicados aos índices SDRH e IRH. Esses cenários são apresentados a seguir. Cenários de Oferta de Água No caso da aplicação do índice SDRH às bacias dos rios Descoberto e Paranoá, a oferta de água no cenário atual utilizou a série de vazões médias anuais de longo prazo (1999-2018), as quais foram somadas ao volume médio anual remanescente de seus principais reservatórios. A demanda de água nas bacias foi baseada nas vazões outorgadas das fontes superficial e subterrânea, no ano de 2017 (Unesco, 2017). Para o índice ISB, o cenário atual de oferta de água e dos outros indicadores socioeconômicos e ambientais levou em conta o período entre 2015 e 2018. No caso do índice IRH, o cenário atual de oferta de água intra-anual utilizou a série histórica de vazões naturalizadas em seu exutório, no período entre 1999-2018 (20 anos). A demanda de água, por sua vez, levou em conta as outorgas de água na bacia, em 2017. Os períodos utilizados nos cenários atuais dos índices ISB, SDRH, e IRH são apresentados na Tabela 2.5. Os cenários futuros de oferta de água utilizados para os índices SDRH e IRH na bacia do ribeirão Rodeador utilizaram projeções de temperatura (T) e precipitação (P) anuais, calculadas pelo modelo HadGEM2 e regionalizadas em células de 5x5 km pelo modelo Eta (Inpe, 2019). Diferentes cenários de emissões de gases estufa do IPCC foram utilizados, nos anos de 2040 e 2070 (Tabela 2.6, Figura 2.5). No cenário atual, a oferta de água na bacia do Rodeador foi tomada como a vazão média de longo termo (1999-2018) em sua foz, depois da reconstituição da vazão natural (OLIVEIRA et al., 2008), retirando-se assim o viés da vazão consuntiva, ou seja: Qn = Qo + Qc [2.9] Onde: Qn (m3/s) = vazão natural reconstituída; Qo (m3/s) = vazão observada; e Qc (m3/s) = vazão consuntiva na bacia. Nos cenários futuros, a oferta de água na bacia do Rodeador foi obtida através de simulações com o modelo hidrológico de Gardner (2009), usando as projeções de P e T anuais do modelo HadGEM2/Eta, para os anos de 2040 e 2070. Assim, a vazão específica média anual na bacia do Rodeador foi calculada a partir da seguinte equação (GARDNER; 2009): Qe = P • e (-ET/P) [2.10] Onde: Qe (mm) = escoamento total anual específico na bacia; P (mm) = precipitação anual média na bacia; e ET (mm) = evapotranspiração potencial anual na bacia. O valor de ET anual na bacia, nos distintos cenários, foi obtido para a bacia através da equação de Holland (1978): ET = 1,2•1010e (-4620/Tk) [2.11] Onde: ET (mm) = evapotranspiração potencial anual média na bacia; Tk (o Kelvin) = temperatura média anual na Bacia (TKelvin=TCelcius +273,2). Como se trata de um modelo do tipo Budyko, a equação 2.10 não requer calibração prévia (GARDNER; 2009). Por outro lado, ela foi validada na bacia do Rodeador, usando a série histórica de P, T, e Q, obtendo-se um erro relativo inferior a 5%, considerado aceitável. Cenários de Demanda de Água No caso do índice ISB, o cenário atual de demanda de água tomou como base o consumo médio de água das regiões administrativas, servidas pelos mananciais das bacias do Descoberto e Paranoá, no período entre 2015 e 2018. Para o índice SDRH, a demanda atual de água para as três bacias estudadas foi tomada como a soma das outorgas de água superficial e metade das outorgas subterrâneas no ano de 2017. Isto decorreu do fato de que há uma captura parcial do escoamento de base do rio pelo bombeamento dos poços tubulares na bacia (USGS, 2012), principalmente naquelas com sistemas porosos dominantes, como é o caso do Rodeador. Nos cenários de 2040 e 2070, as demandas de água no ribeirão Rodeador tomaram como base as projeções da evolução da demanda de água na bacia no ano de 2026 (UNESCO, 2017). Análise dos Resultados e Recomendações de Gestão A partir dos resultados dos índices SDRH e ISB, bem como do índice IRH, eles foram classificados em alto, médio e baixo, de acordo com as respectivas metodologias. Além disso, foram identificados os gargalos que contribuíram para a redução dos índices, e posteriormente feitas recomendações visando aumentar a sustentabilidade hídrica e integrada das bacias estudadas, bem como diminuir seu risco hídrico. Comparações com os Resultados de outras Bacias De forma a avaliar o grau de sustentabilidade hídrica e integrada das bacias analisadas, os resultados comparados com os resultados obtidos em distintas bacias brasileiras e estrangeiras. Além disso, os resultados dos índices SDRH e IRH, calculados no cenário atual na bacia do ribeirão Rodeador, foram comparados com aqueles dos cenários futuros de clima (RCP 4.5 e 8.5), em 2040 e 2070, de forma a avaliar o impacto das mudanças climáticas e da variação da demanda para o risco e a sustentabilidade hídrica na bacia. Incertezas Associadas à Sustentabilidade e ao Risco Hídrico Como no caso dos índices, os dados utilizados e as projeções futuras possuem distintos graus de incertezas. Assim, ambos os casos foram analisados, bem como a incerteza nos resultados obtidos, de forma a balizar o processo de tomada de decisão. Estratégias de Adaptação às Ameaças Futuras Uma vez avaliados os impactos das ameaças das mudanças climáticas e do aumento da demanda de água para a sustentabilidade e para o risco hídrico na bacia do Rodeador, foram propostas medidas de adaptação seguindo as diretrizes utilizadas pela União Européia. Adaptado de ECE (2009). Estas medidas de adaptação incluem diferentes instrumentos legais, regulatórios, econômicos, de governança e educativos, seguindo sempre o processo de gestão adaptativa.