Identification of Hydrologic Landscapes in Brazilian river basins and their application as indicators of water yield and storage

Resumo Técnico: Identificação de Paisagens Hidrológicas em Bacias Hidrográficas Brasileiras e sua Aplicação como Indicadores de Rendimento e Armazenamento de Água

Problema
As bacias dos rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí (PCJ) no sudeste do Brasil representam uma região socioeconomicamente ativa e crítica, enfrentando escassez hídrica significativa apesar da alta pluviosidade. A área é caracterizada por intensa pressão antropogênica decorrente da expansão urbana e agrícola, juntamente com a degradação da cobertura original da Mata Atlântica. Embora a região possua nascentes abundantes, o declínio da disponibilidade de água per capita ameaça seu potencial econômico. Os modelos de classificação hidrológica existentes frequentemente dependem de séries hidrométricas de longo prazo ou carecem de resolução para identificar simultaneamente áreas favoráveis tanto para o rendimento de água (produção) quanto para o armazenamento de água. Existe uma lacuna específica na literatura quanto à aplicação da classificação de Paisagens Hidrológicas (PH) em bacias hidrográficas brasileiras para o duplo propósito de identificar zonas de produção e de armazenamento de água.

Metodologia
Este estudo aplicou a estrutura de Paisagens Hidrológicas (PH), proposta originalmente por Winter (2001) e refinada por Wolock et al. (2004), às bacias do PCJ. Diferente de aplicações anteriores em larga escala que atribuíam um único valor de região de Paisagem Hidrológica (RPH) a sub-bacias inteiras, esta pesquisa adotou uma abordagem de classificação de alta resolução, pixel a pixel (30 m × 30 m), conforme proposto por Brown et al. (2014).

A metodologia integrou quatro unidades de avaliação hidrológica em um único Plano de Informação (PI) utilizando Sistemas de Informação Geográfica (SIG):

1. Relevo: Derivado de um Modelo Digital de Elevação SRTM de 30m, reclassificado em classes de Plano, Transicional e Montanhoso com base na declividade.
2. Permeabilidade do Solo: Avaliada via Condutividade Hidráulica Saturada ($K$) utilizando dados de Oliveira (1999), reclassificada em Baixa, Moderada e Alta.
3. Permeabilidade do Aquífero: Caracterizada por dados de fluxo específico ($Q_e$) do banco de dados SAP, reclassificada em Baixa, Moderada e Alta.
4. Clima: Sintetizado através do Índice de Umidade de Feddema ($I_f$), calculado a partir da média de 20 anos de precipitação e evapotranspiração potencial (método de Thornthwaite & Mather), reclassificado em Úmido, Úmido/Molhado e Muito Úmido.

Essas unidades foram sobrepostas para gerar 57 Regiões de Paisagem Hidrológica (RPH) distintas. Para validar a classificação, o estudo utilizou dados de vazão de 20 anos (2001–2020) de 27 estações fluviométricas. Duas métricas principais foram calculadas:

• Razão de Rendimento de Água ($R/P$): A razão entre o rendimento anual de água e a precipitação.
• Parâmetro de Fuh ($m$): Um parâmetro adimensional derivado da equação de Fuh, que reflete características da bacia, como declividade, infiltração e capacidade de armazenamento.

Principais Resultados

• Classificação: O estudo identificou 57 RPH únicas dentro das bacias do PCJ. Um achado significativo foi que aproximadamente 48,8% da área da bacia combina baixa permeabilidade do aquífero com baixa permeabilidade do solo, criando condições desfavoráveis para o armazenamento de água e recarga do aquífero.
• Determinantes do Rendimento de Água: A validação revelou que o rendimento de água ($R/P$) correlacionou-se mais fortemente com a condutividade hidráulica saturada do solo ($R^2 = 0,102$), seguida pela declividade ($R^2 = 0,015$) e pelo Índice de Umidade de Feddema ($R^2 = 0,006$). O alto rendimento de água foi observado em áreas montanhosas com solos permeáveis e climas úmidos.
• Determinantes do Armazenamento de Água: O parâmetro $m$, indicativo de capacidade de armazenamento, mostrou uma correlação positiva com a condutividade hidráulica saturada ($R^2 = 0,192$) e uma correlação inversa com a declividade ($R^2 = 0,128$). O alto potencial de armazenamento foi associado a terrenos planos ou transicionais e alta permeabilidade do aquífero.
• Capacidade Dual: Uma correlação positiva estatisticamente significativa ($R^2 = 0,46$) foi encontrada entre o fator $m$ e a razão $R/P$. Isso indica que bacias específicas podem suportar simultaneamente alto rendimento de água e alta capacidade de armazenamento.
• Cenários Favoráveis: Dois cenários foram definidos para cada objetivo:
  • Rendimento de Água: Áreas favoráveis concentram-se em regiões montanhosas com climas úmidos/muito úmidos. O Cenário 1 exigia alta permeabilidade do solo, enquanto o Cenário 2 incluía áreas de baixa permeabilidade do solo.
  • Armazenamento de Água: Áreas favoráveis localizam-se em terrenos planos/transicionais com alta permeabilidade do aquífero e do solo sob climas úmidos/muito úmidos.
• Distribuição Espacial: As áreas favoráveis tanto para rendimento quanto para armazenamento localizam-se principalmente na sub-bacia do Rio Corumbataí (jusante), sobrepondo-se ao Aquífero Guarani. Notavelmente, essas zonas favoráveis situam-se a montante de grandes centros urbanos como Piracicaba e Campinas.

Significância e Alegações
O artigo alega que o método de classificação de PH é uma ferramenta de baixo custo e transferível para identificar áreas prioritárias para conservação e alocação de recursos em regiões com escassez hídrica. Ao passar das médias de microbacias para a classificação ao nível de pixel, o estudo permite a delineação precisa de condições hidrológicas que de outra forma permaneceriam indetectadas.

Os autores enfatizam que a identificação de áreas com altos valores de $R/P$ e altos valores de $m$ demonstra que as bacias hidrográficas podem suportar simultaneamente a produção e o armazenamento de água. Essa capacidade dual apoia intervenções direcionadas, como o reflorestamento e o investimento em infraestrutura, especificamente na sub-bacia do Corumbataí e nas zonas de recarga do Aquífero Guarani. O estudo conclui que, embora as interações específicas dos parâmetros sejam únicas para as bacias do PCJ, a metodologia fornece um arcabouço robusto para compreender como os fatores fisiográficos interagem para influenciar o comportamento hidrológico, auxiliando assim no manejo sustentável sob condições de escassez hídrica. Os autores alertam que esses achados específicos não devem ser generalizados para outras bacias sem uma análise localizada.