Climate and Land Cover Driven Redistribution of Water Balance in Bengaluru’s Source Watersheds: Implications for Regional Water Security

Resumo Técnico: Redistribuição do Balanço Hídrico Impulsionada pelo Clima e pela Cobertura do Solo nas Bacias de Origem de Bengaluru

Problema
Bengaluru, uma região metropolitana em rápida expansão no sul da Índia, enfrenta desafios intensificados de segurança hídrica impulsionados pela rápida urbanização e pela crescente dependência de transferências de água externas de bacias de origem distantes e sensíveis ao clima (principalmente as bacias do Cauvery e Arkavathi). Embora estudos anteriores tenham examinado a escassez de água e os impactos individuais das bacias, há uma carência de estruturas espacialmente explícitas que integrem trajetórias climáticas futuras com mudanças dinâmicas na cobertura do solo para avaliar a redistribuição hidrológica em múltiplas bacias de origem ao longo de horizontes de longo prazo. Compreender como a precipitação, a evapotranspiração, o escoamento superficial e a infiltração coevoluem sob mudanças acopladas de clima e cobertura do solo é crítico para o planejamento de adaptação regional, mas permanece insuficientemente compreendido em regiões urbanas externamente dependentes e com restrições de dados.

Metodologia
O estudo emprega um modelo de balanço hídrico baseado em matriz (raster) e espacialmente explícito, denominado Modelo de Particionamento de Excedente Espacial (SSPM). Esta ferramenta diagnóstica é projetada para regiões onde modelos hidrológicos altamente parametrizados são limitados pela disponibilidade de dados.

• Entradas de Dados: O modelo integra um conjunto de 12 Modelos de Circulação Geral (GCMs) do CMIP6 provenientes do conjunto de dados NEX-GDDP (1985–2100) sob os cenários SSP245 e SSP585. As trajetórias de cobertura do solo são derivadas do conjunto de dados LUH2, enquanto as características do solo e do terreno utilizam dados do SoilGrids e SRTM/HydroSHEDS.
• Estrutura do Modelo: O SSPM opera em uma grade espacial de 1 km com resolução temporal mensal.
  1. Evapotranspiração: A Evapotranspiração Real (AET) é estimada usando uma formulação do tipo Fu-Budyko, restringida por um parâmetro de paisagem ($\omega$) derivado das frações de uso do solo do LUH2 (agregadas em classes de floresta, natural e manejada).
  2. Particionamento do Excedente: O excedente de água ($S = P - AET$) é particionado em escoamento superficial e infiltração usando coeficientes de escoamento que variam anualmente. Esses coeficientes são funções baseadas em regras de textura do solo, declividade e cobertura do solo (floresta, pastagem, cultura agrícola, solo nu, urbano).
  3. Premissas: A estrutura trata a infiltração como um proxy de primeira ordem para o potencial de recarga do lençol freático e assume que a variabilidade do armazenamento de curto prazo é negligenciável em comparação com os fluxos cumulativos ao longo de horizontes de longo prazo.
• Análise: O estudo analisa períodos históricos (1985–2014) e futuros (2015–2100). A significância estatística das tendências é avaliada usando o teste de Mann-Kendall e o estimador de inclinação de Sen. As bacias são classificadas em regimes hidrológicos (dominados por escoamento superficial, dominados por infiltração ou equilibrados) com base nos índices relativos de escoamento-para-precipitação (RO/P) e infiltração-para-precipitação (IN/P).

Principais Resultados

• Dinâmicas de Precipitação e AET: A precipitação projetada aumenta significativamente, com uma média de 12–21% sob o SSP245 e 16–40% sob o SSP585 até o final do século. Em contraste, a AET apresenta mudanças de longo prazo comparativamente limitadas, diminuindo ligeiramente no meio do século e mostrando uma recuperação mínima até o final do século. Consequentemente, a AET não aumenta proporcionalmente com a precipitação.
• Redistribuição do Excedente de Água: A falta de aumento proporcional da AET leva a uma amplificação substancial do excedente de água, que é redistribuído principalmente em escoamento superficial e infiltração. Ambos os componentes mostram tendências crescentes significativas, com a infiltração aumentando em ~34–54% e o escoamento superficial em ~24–46% sob cenários de altas emissões até 2100.
• Heterogeneidade Espacial: Embora o gradiente de precipidade oeste-leste persista, os cenários futuros amplificam os contrastes regionais existentes. As bacias do sul e do oeste (ex: Kabini, Cauvery) exibem aumentos fortes tanto no escoamento quanto na infiltração. Por outro lado, as bacias do norte e periurbanas (ex: Kolar, Bengaluru Norte) permanecem dominadas pelo escoamento superficial devido a restrições persistentes da superfície terrestre (impermeabilidade) que limitam a capacidade de infiltração.
• Mudanças de Regime Hidrológico: As bacias históricas eram predominantemente dominadas pelo escoamento superficial. Os cenários futuros, particularmente o SSP585, impulsionam uma transição para regimes mais heterogêneos. Muitas bacias mudam para estados dominados pela infiltração ou estados equilibrados, embora as bacias urbanizadas do norte mantenham características dominadas pelo escoamento.
• Concentração Sazonal: As mudanças estão fortemente concentradas durante a estação das monções (junho–outubro), que responde pela maioria dos aumentos de escoamento e infiltração. Os períodos pré-monção e pós-monção mostram mudanças modestas, mas uma variabilidade crescente, particularmente sob o cenário SSP585.

Principais Contribuições

• Estrutura Diagnóstica: O estudo fornece uma abordagem diagnóstica parcimoniosa e transferível (SSPM) para avaliar a redistribuição hidrológica impulsionada pelo clima em regiões de rápida urbanização e com restrição de dados. Prioriza a consistência espacial e a interpretabilidade sobre a simulação precisa de fluxos.
• Diferenciação Regional: A pesquisa quantifica como as mudanças acopladas de clima e cobertura do solo criam trajetórias hidrológicas divergentes entre as bacias de origem, indo além de avaliações regionais uniformes para identificar zonas específicas de aumento de infiltração versus geração de escoamento.
• Classificação de Regime: A introdução de um sistema de classificação de regime hidrológico (baseado em razões de tendência em vez de magnitudes absolutas) revela uma mudança de sistemas uniformemente dominados pelo escoamento para sistemas funcionalmente diferenciados sob condições climáticas futuras.

Significância e Implicações
O artigo argumenta que a mudança ambiental regional intensifica a redistribuição do excedente de água no espaço e nas estações, em vez de produzir respostas hidrológicas uniformes. Os achados sugerem que:

1. Estratégia de Gestão: Estratégias de gestão de água uniformes são provavelmente ineficazes. Bacias com potencial de infiltração crescente devem ser priorizadas para intervenções de recarga de lençol freático, enquanto bacias dominadas pelo escoamento requerem estratégas focadas na captura de águas pluviais e infraestrutura de drenagem.
2. Vulnerabilidade Sazonal: A concentração das mudanças hidrológicas durante a monção, juntamente com o aumento da variabilidade, destaca a necessidade de gerir extremos intra-anuais para mitigar inundações e garantir a disponibilidade na estação seca.
3. Resiliência Urbana: A persistência de regimes dominados pelo escoamento em áreas periurbanas ressalta o papel crítico das restrições da superfície terrestre (impermeabilidade) em limitar a recarga, sugerindo que o planejamento urbano deve abordar a capacidade de infiltração para apoiar a segurança hídrica de longo prazo.

O estudo conclui que integrar percepções de escala de bacia informadas pelo clima no design de infraestrutura e no planejamento do uso do solo é essencial para melhorar a segurança hídrica de Bengaluru e de regiões metropolitanas similares dependentes de bacias de origem sensíveis ao clima. A estrutura serve como uma ferramenta para avaliar mudanças relativas de partição espacial e temporal para informar estratégias de adaptação.