O que mantém as águas fluindo em nossos rios?
Repensando a hidrogeologia para aperfeiçoar as políticas públicas
What maintains the waters flowing in our rivers? Rethinking hydrogeology to improve public policy Vitor Vieira Vasconcelos1 Recebido: 21 de junho de 2015 / Aceito: 17 de dezembro de 2015 O Autor 2016. Este artigo é publicado com acesso livre em Springerlink.com
Resumo Este artigo discute como novas contribuições da ciência hidrogeológica nos séculos XX e XXI permitiram uma melhor compreensão sobre os processos que afetam a manutenção da vazão dos rios. Discute-se, além disso, a forma como esse conhecimento foi transmitido para além do meio acadêmico e foi gradualmente incorporado pelas políticas públicas de gestão de recursos naturais. Apresenta-se o desenvolvimento de diversas abordagens para entender entre a relação e o manejo de aquíferos, vegetação e vazão fluvial, passando pelas concepções de balanço hídrico, recarga de aquíferos, efeito pistão, efeitos sazonais, vazão de segurança e vazão sustentável. Adentrase, ainda, nos desafios contemporâneos para modelagem do funcionamento dos processos hidrológicos que integram águas subterrâneas e superficiais. São apresentados exemplos de pesquisas aplicadas no Brasil, que evidenciam os processos e estimulam a reflexão sobre as estratégias de gestão das águas. Sob a luz desses estudos de caso, propõem-se diferentes estratégias, adaptadas para cada contexto hidrogeológico específico, com o objetivo de maximizar a recarga de aquíferos e a manutenção do fluxo de base. Com base nessas estratégias, o papel de barraginhas de infiltração e outras técnicas de recarga artificial são reavaliadas sob o contexto da mitigação de impactos ambientais na manutenção da vazão dos rios. São debatidas algumas propostas de aprimoramento das políticas públicas relacionadas a pagamento de serviços ambientais para estimular o investimento em recarga de aquíferos e manutenção do fluxo de base, no intuito de alcançar situações de tripla vitória (win-win-win) para conservação ambiental, agricultores e usuários de água, ao mesmo tempo em que se previne a especulação imobiliária rural. Por fim, é desenvolvido um modelo conceitual da disseminação do conhecimento hidrogeológico em políticas públicas, e seus desafios e possibilidades são discutidos. Vitor Vieira Vasconcelos
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Asia Centre, Stockholm Environment Institute, 15th Floor, Witthyakit Building, 254 Chulalongkorn University, Chulalongkorn Soi 64, Phyathai Road, Pathumwan, Bangkok 10330, Thailand
Palavras-chave Hidrologia, Hidrogeologia, Gestão Ambiental, Políticas Públicas, Gestão de Recursos Hídricos. Abstract This article discusses how new contributions from hydrogeological science in the twentieth and twentyfirst centuries have allowed for a better understanding of the processes that affect the maintenance of river flows. Moreover, the way in which this knowledge has been conveyed beyond academia and has been gradually incorporated into public policy for natural resource management is also discussed. This article explains the development of several approaches used to understand the relationships among the management of aquifers, vegetation and river flows, including water balance, aquifer recharge, piston effect, seasonal effects and safe and sustainable yields. Additionally, the current challenges regarding the modeling of hydrological processes that integrate groundwater and surface waters are discussed. Examples of studies applied in Brazil that demonstrate these processes and stimulate thought regarding water management strategies are presented. In light of the case studies, it is possible to propose different strategies, each adapted for a specific hydrogeological context to maximize aquifer recharge or base flow maintenance. Based on these strategies, the role of infiltration ponds and other artificial recharge techniques is re-evaluated in the context of the mitigation of environmental impacts on the maintenance of river flows. Proposals to improve public policies regarding the payment of related environmental services to stimulate investment in aquifer recharge and the maintenance of base flows, for which the goal is to attain win-win-win situations for the environment, farmers, and water users while preventing land speculation, are discussed. Lastly, a conceptual model for the dissemination of hydrogeological knowledge in public policies is provided, and its challenges and possibilities are discussed. Keywords Hydrology, Hydrogeology, Environmental Management, Public Policies, Water Resources Management.
Appl Water Sci Introdução As necessidades humanos por fins de dessedentação e produção têm sido uma motivação constante para o estudo dos recursos hídricos desde o início da civilização. Embora naturalistas tenham estudado os processos hidrológicos nos ambientes naturais por vários séculos e construtores práticos tenham adquirido o conhecimento empírico necessário para prover a água necessária à sociedade durante a história humana, a hidrologia foi reconhecida como campo específico de conhecimento pela primeira vez no século XVII (Jones et al., 1963). Desde então, hidrologistas foram desenvolvendo seus princípios matemáticos e experimentais baseando-se nos resultados de estudos hidráulicos realizados inicialmente por físicos, e a partir daí contribuindo para o incremento do conhecimento técnico necessário para as construções para abastecimento de água superficial e subterrânea (Bras, 1999; Dooge, 2004). Posteriormente, nos séculos 20 e 21, o crescimento significativo na quantidade de dados disponíveis e nas técnicas de modelagem computacional permitiram avanços adicionais no entendimento dos processos hidrológicos. Não obstante, para compreender o ciclo das águas no planeta Terra, o estudo isolado dos recursos hídricos não é suficiente. Haja vista que a água circula através da atmosfera, biosfera, solos e rochas, é necessário compreender como esses sistemas absorvem, armazenam e liberam água. Para avançar nessas fronteiras de conhecimento, a hidrologia tem interagido com muitas outras ciências (Jones et al., 1963, p. 3), incluindo meteorologia, climatologia, geologia, geomorfologia, agronomia e biologia. Em consonância com esse amplo escopo, no século XX hidrologia foi definida como “a ciência que lida com as águas da Terra; sua ocorrência, circulação e distribuição; suas propriedades químicas e físicas; sua reação com o meio ambiente circundante, incluindo sua relação com os seres vivos. O domínio da hidrologia abarca a totalidade da história da água na Terra” (Federal Council for Science and Technology, 1962, p. 2). Um aspecto específico do ciclo das águas que tem intrigado muitos pesquisadores no decorrer da história pode ser expresso como: “o que alimenta os rios depois que o escoamento superficial pós-chuva cessou?” Homero (1000 AC), Tales (650 AC) e Platão (427-347 AC) sugeriram que as águas dos oceanos fluiriam para as nascentes das montanhas através de canais subterrâneos, ao passo que Aristóteles propôs uma explicação alternativa: o vapor atmosférico em cavernas subterrâneas condensaria, resultando em fluxos capilares através de finas veias nos solos e rochas, até chegar às nascentes (Todd e Mays, 2005, p. 3). Plínio, o ancião (77-79 DC) reconheceu a relação entre a evapotranspiração das árvores, mudanças no uso do solo e o fluxo de água nas nascentes (McGuire e Likens, 2011, p. 3-4). Tolman (1937) conta sobre a crença popular,
antes do século XX, de que rios subterrâneos alimentariam as nascentes. A veracidade da teoria da infiltração das águas subterrâneas foi objeto de intenso debate entre acadêmicos, do século XVII até o século XIX (Meinzer, 1934, p. 12). Depois do século XIX, o desenvolvimento da geologia e seu diálogo com a hidrogeologia proveu a base para o entendimento sobre o armazenamento e fluxo de água através dos poros do solo e dos aquíferos. Durante os séculos XX e XXI, o desenvolvimento econômico global acarretou o aumento da demanda por recursos hídricos, particularmente nos crescentes centros urbanos e para fins de irrigação. Adicionalmente, os impactos ambientais da poluição e mudanças no uso do solo resultaram em alterações no ciclo hidrológico, frequentemente de maneiras até então não previsíveis. A necessidade de gestão dos recursos hídricos emergiu em várias políticas públicas orientadas a mediar conflitos e planejar o uso sustentável das águas. Em face desses desafios, as pesquisas sobre a relação entre vazão dos rios, águas subterrâneas e mudanças no uso dos solos e das águas levaram um aprimoramento quanto ao entendimento dos processos referentes à manutenção das vazões dos rios, especialmente nos períodos de estiagem. Conforme os consensos entre grupos acadêmicos se sucediam, a transmissão desses conhecimentos para a sociedade se dava de maneira diferenciada, influenciando certos grupos na maneira de lidarem com a conservação do meio ambiente e a gestão dos recursos naturais. O objetivo deste texto é retomar esses desenvolvimentos, além de apontar os desafios para disseminação do conhecimento hidrogeológico e para a gestão sustentável dos recursos hídricos. Uma revisão da história da hidrogeologia anterior ao século XX está além do escopo deste artigo. Para além de uma revisão generalista do conhecimento hidrogeológico, este artigo foca na emergência de conceitos e paradigmas selecionados especificamente por se referirem às relações entre aquíferos, vegetação e rios, particularmente aqueles de maior influência sobre as políticas públicas, tais como: balanço hídrico, recarga de aquíferos, efeito pistão, efeitos sazonais, vazão de segurança e vazão sustentável. Utilizando exemplos aplicados no Brasil, este artigo discute essa teorias hidrogeológicas e investiga como elas podem ser utilizadas nas políticas de gestão de recursos hídricos. Como uma contribuição conceitual, a análise desses estudos de caso leva a uma discussão sobre novas oportunidades para aplicação das políticas públicas na mitigação de impactos de atividades humanas sobre os fluxos de águas subterrâneas, de forma a intervir com métodos para incrementar a infiltração das águas das chuvas de forma sustentável por meio do pagamento por serviços ambientais. Por fim, um modelo conceitual de disseminação de conhecimentos hidrogeológicos em políticas públicas é discutido por um viés multidisciplinar, para analisar seus desafios e potencialidades.
Appl Water Sci A reflexão sobre vegetação ciliar, recarga e descarga de aquíferos e políticas públicas de uso do solo e uso de água Os Movimentos Ambientalistas e a Preservação dos Rios A partir da década de 1960, iniciou-se uma intensificação das preocupações sociais com relação à conservação do meio ambiente e ecologia (Gonçalves, 2008). Entre as preocupações com a manutenção das florestas e dos animais silvestres, as preocupações com a poluição do ar e das águas também se faziam presentes. Mesmo que o ambiente terrestre fosse mais frequentemente a bandeira dos movimentos ambientais, o ambiente aquático também passava a ter sua atenção. Nesse contexto, a preocupação em “salvar os nossos rios” passava principalmente por preservar a vegetação nativa no entorno das nascentes, rios e lagos. Nesse esteio, em diversos países foram desenvolvidos diversos mecanismos legais e de políticas públicas protegendo ou estimulando a regeneração da vegetação ripária e de áreas úmidas. A contiguidade espacial entre a vegetação ripária e o rio facilitava a transmissão à população de a “saúde” dos rios dependia dessa vegetação. Junto a isso, assomavam-se relatos populares de que riachos e rios que antes eram abundantes em águas estavam secando, o que poderia ser devido a esse desmatamento (Santos et al., 2006 ). Os relatos populares possuem papel relevante na disseminação social das preocupações ambientais, embora tornem difícil de separar o fato hidrológico da redução na vazão da posição utópica que poderia dar contornos favoráveis a um passado idílico frente aos desafios do presente. Também é interessante atentar que a percepção popular da “morte” dos rios, em muitos casos, deve-se não apenas à redução na vazão hídrica, mas também, em grande parte, ao assoreamento de seus leitos, mesmo que ainda exista água embebida no manto de sedimentos acrescido ao leito, e que tais fenômenos geralmente são indiferenciados nos relatos pessoais. Não obstante, essa preocupação levou a diversas pesquisas acadêmicas que procuravam evidenciar, frente à hipótese de redução de vazão dos rios, quais seriam as causas desses impactos ambientais. Essas pesquisas, como discutido nas próximas seções desse artigo, trariam novas contribuições ao modo de entender os processos hidrológicos. O Balanço Hídrico e a Recarga de Aquíferos Conforme a compreensão dos processos hidrogeológicos foi desenvolvida e disseminada na segunda metade do século XX, passou-se a atentar mais para a importância de se compreender a contribuição dos fluxos de água
subterrânea para a manutenção dos rios e nascentes, especialmente nos períodos de estiagem. Essa concepção esteve aliada a ideia de que o ciclo hidrológico poderia ser entendido por meio do “balanço hídrico”, tal como uma contabilidade entre entradas e saídas de água em seus sistemas de fluxos superficiais, subsuperficiais (solos) e profundos (aquíferos). Análises de isótopos da água corroboravam a hipótese de que a água se movimentava mais lentamente no aquíferos do que no escoamento superficial, aflorando nos rios após períodos de até milhares de anos (BALEK, 1988). Por ser um fluxo mais lento, assegurava-se a vazão nos rios nos períodos sem chuvas, em que a influência do escoamento superficial já cessara a bastante tempo. É interessante notar que, nos esquemas mais simplificados de balanço hídrico, convencionou-se a considerar a vegetação como um elemento que retira água de circulação, por meio da evapotranspiração. Do ponto de vista da quantidade de vazão do sistema hídrico, a vegetação passaria a ser um elemento negativo, mas, do ponto de vista da qualidade das águas, a vegetação continuava a ter um papel importante como um buffer contra contaminação e contra o assoreamento dos cursos de água. Além disso, também não se diminui o valor ecológico da vegetação nativa, e seu suporte para a sustentação da fauna nativa. Por outro lado, também se passou a se preocupar também com os impactos das mudanças de uso do solo (como o desmatamento e sua substituição por pastagens, culturas ou áreas urbanas) sobre separação entre os fluxo de infiltração e escoamento superficial. A redução na infiltração das águas subterrâneas, em função de certas mudanças na cobertura do solo, diminuiria também o fluxo dos aquíferos nos rios, podendo até inverter o fluxo, ou seja, o rio poderia passar a perder mais água para o aquífero, de modo a balancear a déficit hídrico neste último. Apesar de toda a superfície não impermeabilizada poder contribuir para a recarga dos fluxos subsuperficiais e subterrâneos, haveria algumas áreas com características ambientais especiais, e que seriam mais importantes para a recarga de aquíferos, tais como: áreas mais planas, solos arenosos e profundos, áreas sobre aquíferos porosos, áreas como menor compactação de solos, entre outras (Vasconcelos et al., 2013b). Sob uma perspectiva de bacias hidrográficas, nas áreas mais elevadas ocorreria o predomínio dos processos de recarga de aquífero, enquanto nas porções próximas às nascentes e aos rios predominaria o processo de recarga, e entre essas duas áreas poderia haver um trecho em que nenhum dos dois processos seria atuante, predominando o transporte dos fluxos subterrâneos (Souza e Fernandes, 2003). Doravante, tanto no meio técnico quanto acadêmico, convenciona-se denominar certas porções espaciais como “áreas de recarga”, as quais mereceriam uma atenção especial para a manutenção dos processos de infiltração das águas (Martins Junior et al., 2006).
Appl Water Sci Todavia, mais uma guinada de pensamento ainda estava por vir. Com base nas hipóteses levantadas por Beven (1989), Kirchner (2003) analisou a variação de traçadores de datação geoquímica ao longo do período pós-eventos de precipitação, e pôde perceber que a maior parte do incremento imediato da vazão pós-chuva era constituído de água “velha”, proveniente do aquífero profundo, e não do escoamento superficial ou subsuperficial, como seria esperado. Além disso, durante o período de estiagem, a maior parte da vazão seria constituída não de água proveniente do aquífero profundo, mas sim de água proveniente do fluxo subsuperficial dos solos. Sua interpretação, denominada de “efeito pistão”, infere que, analogamente a um sistema de vasos comunicantes, a precipitação nas áreas de recarga da bacia causa ondas de pressão sobre os aquíferos, com efeito direto em sua descarga nos rios. Nas baixadas dos vales, por sua vez, as terras argilosas e com mais matéria orgânica fazem com que o fluxo subsuperficial seja retardado e diluído em um período de tempo mais amplo. A proposta de Kirchner (2003) foi corroborada posteriormente pelos estudos de Gonzales et al. (2009). Influência Sazonal da Vegetação na Vazão dos Cursos de Água Ao longo da segunda metade do século XX, vários estudos foram realizados, tanto nas escalas de perfis de solo quanto em bacias hidrográficas, procurando aperfeiçoar a compreensão e quantificar o efeito da vegetação e das mudanças de uso do solo sobre a vazão dos rios. Para além dos balanços hídricos simplificados que estimavam uma contabilidade de ciclos de um ano hidrológico, essas novas pesquisas puderam lançar luz sobre efeitos sazonais e mesmo em escalas temporais mais detalhadas. Tal detalhamento na escala temporal possui importância fundamental na gestão das águas, pois nos períodos de maior precipitação, as vazões máximas podem causar danos por inundações, enquanto nos períodos de estiagem, as vazões mínimas apresentam o período mais crítico para a alocação entre os diversos usos da água demandados. Bruijinzeel (2004), após uma extensa revisão bibliográfica dos estudos realizados sobre esse tema até então, sintetizou conclusões importantes sobre a influência das florestas e do desmatamento sobre as vazões sazonais dos rios. Os diversos estudos corroboraram a hipótese de que as florestas em estado clímax consumiriam parte das águas do ciclo hidrológico anual, devido à evaporação, mas garantiriam uma maior vazão no período das estiagens, em virtude de permitirem maior infiltração nas águas do solo e por contribuírem com o aumento do percentual de matéria orgânica dos solos. Os solos com maior potencial de matéria orgânica podem reter até 20 vezes mais água dos que os solos sem matéria orgânica, de acordo com Shaxton e Barber (2003), e essa água é liberada mais lentamente nos
fluxos subsuperficial. As mudanças de cobertura vegetal, de florestas para outros tipos de vegetação ou uso do solo, tenderiam a aumentar a vazão anual dos rios, mas a diminuir a vazão nos períodos de estiagem. Por outro lado, Bruijinzeel (2004) destaca que uma vegetação em estágios sucessionais iniciais, em que os espécimes ainda apresentam em processo acelerado de crescimento, a demanda de água por evapotranspiração e por incorporação nos tecidos vegetais é bem mais elevada, podendo reduzir as vazões inclusive nos períodos de estiagem. Posteriormente, Wickel (2009) e Wickel & Bruijinzeel (2009) apresentaram novas sínteses de experiências corroborando essas mesmas hipóteses, e estendendo o foco das hipóteses de Bruijinzeel (2004) das florestas para as demais formas de vegetação nativa. A concepção desses autores é de que cada forma de vegetação nativa estaria naturalmente adaptada a função do terreno no ciclo hidrológico (em seus processos superficiais e subterrâneos), e que a intervenção humana nessa vegetação nativa levaria à impactos negativos no ciclo hidrológico. As conclusões de Bruijinzeel (2004), Wickel (2009) e Wickel & Bruijinzeel (2009) contribuíram para o entendimento de que a preservação das vegetações ripárias poderia contribuir para a manutenção das vazões dos rios nos períodos de estiagem, contrapondo-se às concepções de balanços hídricos simplificados nos quais essas matas trariam um efeito sempre negativo em virtude da evapotranspiração. É interessante notar que os instrumentos legais e administrativos criados para proteger as vegetações ripárias e áreas húmidas tornam-se novamente, nessa concepção, importantes para manutenção do ciclo hidrológico nos períodos de estiagem.
A reflexão sobre o efeito do uso das águas subterrâneas na vazão dos rios Descobrindo que as águas subterrâneas se movem Paralelamente às pesquisas sobre o efeito da vegetação no ciclo hidrológico, outra linha de pesquisas se desenvolveu acerca da gestão do uso das águas subterrâneas e dos efeitos desse uso na vazão dos rios. Ao longo dos séculos XIX e no início do século XX, as águas subterrâneas eram consideradas legalmente tais como recursos minerais. Na legislação de vários países, tais como da Índia (Cullet, 2006; 2007), o proprietário de um terreno tinha direito sobre as águas que estavam sob o solo. Em outros países, como no Brasil, em que o direito mineral estava desvinculado do direito de propriedade do solo, a exploração de águas subterrâneas com fins comerciais também era regulada pelo órgão institucional das concessões de direito à exploração minerária. Ao longo das décadas, a legislação sobre os recursos hídricos superficiais tendeu considerar cada vez mais seu caráter de rede integrada de drenagem e a necessidade de
Appl Water Sci considerar o bem público acima dos bens privados (como assegurar o abastecimento urbano ou o direito básico à dessedentação humana). Porém, o direito sobre as águas subterrâneas, bem como os efeitos de sua interação com as águas superficiais, geralmente vinha a reboque dos desenvolvimentos do direito sobre as águas superficiais, por duas razões. A primeira razão é que, normalmente, os conflitos por uso da água se iniciavam com o esgotamento das águas superficiais, mais fáceis de serem captadas. Em segundo lugar, as dinâmicas da circulação hídrica subterrânea eram mais difíceis de serem compreendidas e monitoradas, dificultando a sua regulação. Um exemplo de persistência dessas visões é que, em muitos países, como no Brasil, a legislação de águas superficiais de bacias que atravessam unidades federativas internas (mais de um Estado) atribui competência de gestão à União (ao governo nacional), mas a gestão das águas subterrâneas continua restrita à gestão dos Estados (Vasconcelos et al., 2013a). À medida que se consolidou a visão de que as águas subterrâneas movem-se de um terreno para outro, e que a captação em um terreno afeta os demais, começaram-se a desenvolver procedimentos técnicos e mecanismos legais para resolver esses conflitos. Os procedimentos mais básicos referem-se a testes de interferência na vazão de poços, caso se pleiteie a instalação de poços dentro de um raio de proximidade de outros já existentes. Tais testes, embora tragam um subsídio de informação para entender a interação entre dois poços, ainda não possibilitavam um entendimento do efeito das extrações por sobre os aquíferos, nem sua interação com os recursos hídricos superficiais e seus impactos ecológicos. Modelando e Gerindo Aquíferos em sua Interação com os Rios Conforme o conhecimento geológico e hidrogeológico tornou-se mais amplo, foi possível individualizar certos conjuntos aquíferos, nos quais sistemas de rochas portadoras de água poderiam ser incorporadas em cálculos
Fig. 1 Relação entre a depleção das reservas subterrâneas e da vazão dos rios, ao longo da vida de um poço. Adaptado de Barlow e Leake (2012, p. 14).
de balanço hídrico. Além disso, o monitoramento desses aquíferos demonstrou que, em muitos deles, estaria havendo uma sobre-explotação das águas subterrâneas, levando ao rebaixamento das reservas de água subterrâneas. A partir do paradigma do balanço hídrico, os modelos mais simples mantinham a entrada de água no aquífero (vinda das chuvas) como médias constantes, e os usuários de poços deveriam então se limitar a retirar anualmente apenas o que pudesse ser recarregado pelas chuvas, limite definido sob o nome de “vazão de segurança” (safe yield) (Lee, 1915). Dessa forma, prevenia-se o deplecionamento das reservas subterrâneas. Esses foram os primeiros modelos de gestão de águas subterrâneas, usualmente como um novo departamento dentro das instituições governamentais que já geriam as águas superficiais. Não obstante, esses modelos de gestão das águas subterrâneas foram severamente questionados por Bredehoeft et al. (1982) em seu texto “Groundwater – The water-budget myth” (Águas subterrâneas – o mito do balanço hídrico). Utilizando as próprias bases teóricas do balanço hídrico, e comparando com as equações existente de modelagem de águas subterrâneas, esses autores mostraram como, mantendo a recarga pelas chuvas constante, todo uso de água subterrânea em geral iria se refletir, mais cedo ou mais tarde, em um decréscimo correspondente das águas das que vertiam dos aquíferos para os, ou em um aumento das águas que vertiam dos rios para os aquíferos, ou em um impacto ecológico na vegetação ripária que utilizaria as águas subsuperficiais para evapotranspiração. Nesse processo, ilustrado na Figura 1, os poços inicialmente afetariam mais o rebaixamento dos aquíferos, mas gradualmente passariam a explotar a água que fluiria nos rios. Todavia, para fins de gestão, é importante mencionar que esse processo, dependendo da agilidade da transmissão da água no aquífero e da proximidade entre o poço e o rio, poderia demorar desde alguns dias até milhares de anos.
Appl Water Sci Dessa forma, em uma bacia hidrográfica já com conflitos por uso das águas superficiais, a exploração das águas subterrâneas iria diminuir ainda mais a vazão dos rios e assim agravar esses conflitos, além de agravar os impactos ambientais sobre a vegetação ripária (Figura 2). Demonstrava-se, pois, a necessidade de uma gestão conjunta das águas subterrâneas e superficiais. Sophocleous (2000; 2012) relata como o Kansas foi pioneiro nessa gestão integrada, ao desenvolver sistema de gestão que, com vistas a obter vazões mínimas desejadas nos cursos de água, manejava de maneira conjunta os direitos de extração subterrânea e superficial.
Fig. 2 Impacto de longo prazo da extração de água subterrânea, sobre o nível freático e sobre a vegetação ripária. O nível do aquífero freático representa uma simplificação, mostrando o nível médio e não a variação sazonal. Ao passar pela vegetação ripária, o nível médio do aquífero freático diminuiria devido à evapotranspiração pelas plantas hidrófilas (Sophocleous, 2002), embora contribua para manter uma vazão mínima para o rio durante a vazão seca.
Dessa maneira, a discussão sobre o gerenciamento das águas subterrâneas mostrou ser necessário ir além do conceito de “vazão de segurança”, para abarcar um novo conceito, chamado de “vazão sustentável” (sustainable yield). Mais além do que prevenir o rebaixamento dos aquíferos, a extração as águas subterrâneas deveria agora levar em conta a manutenção da vazão dos rios e da vegetação ciliar, bem como os efeitos econômicos e sociais dos diferentes cenários de extração (Alley e Leak, 2004). Do ponto de vista gerencial, a “vazão sustentável” deveria ser definida não mais apenas pela modelagem quantitativa das águas, mas por um processo participativo em que os diversos usuários entravam em um acordo sobre as possibilidades de uso dos recursos hídricos com seus diferentes impactos ambientais, sociais e econômicos em diferentes horizontes de tempo (Maimone, 2004). É interessante frisar que essa ampliação para o conceito de “vazão sustentável” se deu concomitante (e em diálogo) com a ampliação do conceito de “gestão das águas” para “manejo integrado de recursos hídricos”, o qual também progressivamente passou a incorporar uma visão integrada entre gestão de águas superficiais, águas subterrâneas e suas interações com os demais sistemas ambientais, econômicos e sociais (Al Radif, 1999; Thomas e Durham, 2003).
Desafios para a construção de modelos hidrológicoshidrogeológicos A eficácia dessa gestão integrada entre os recursos hídricos subterrâneos e superficiais depende em muito da viabilidade técnica e operacional em construir modelos confiáveis que incorporem o sistema hídrico de maneira ampla. Usualmente, esses modelos foram originalmente construídos a partir de assumpções para aquíferos porosos e homogêneos, o que dificulta sua aplicação para aquíferos em rochas fraturadas ou cársticas. Além disso, os modelos mais simples pressupunham uma conexão direta com os rios, ou seja, sem considerar a deposição de argila no leito dos rios, que dificultaria a interação entre esses rios. Conforme os modelos foram evoluindo, passaram a incorporar diversos módulos opcionais que se propõem a modelar heterogeneidades do aquífero (como barreiras ou mudanças nas propriedades ao longo do aquífero) bem como sua interação com a heterogeneidade do material do leito do rio. Porém, conforme se tornam mais complexos, esses modelos passam a requerer informações detalhadas de campo, que em muitos casos se tornam operacionalmente inviáveis, e são substituídas por mais assumpções, estimativas e calibragens que tornam bastante instáveis os resultados dos modelos (Vermue, 2009). Konikow (1986) e Balleau & Mayer (1988) mostram como diferentes opções de modelagem podem gerar resultados totalmente opostos em modelos de interação entre águas subterrâneas e superficiais. Além disso, a construção desses modelos tem se dado primariamente a partir do conhecimento de hidrogeólogo, focando em aspectos hidráulicos das rochas e sedimentos, mas prestando pouca atenção à interação com os ecossistemas, especialmente os ecossistemas ripários hidrófilos e higrófilos. Sophocleous (2002) indica como o rebaixamento do nível freático e a diminuição do fluxo nos solos próximo aos rios (denominando-se zona hiporréica) causa danos ecológicos às vegetações ripárias. Conjugando essa percepção com os estudos de Bruijinzeel (2004), Wickel (2009) e Wickel & Bruijinzeel (2009), a degradação da vegetação ripária diminuiria a matéria orgânica nesses solos e acarretaria uma ainda menor capacidade de manutenção da vazão dos rios nos períodos de estiagem.
Exemplos de Pesquisas Realizadas no Brasil O propósito desta seção é ilustrar alguns casos práticos dos processos discutidos neste artigo. Os resultados de pesquisas realizadas no Brasil são analisados utilizando-se os conceitos e teorias apresentados nas seções anteriores deste artigo. O estudo de Tucci (2002) mostrou como, em coerência com as proposições de Bruijinzeel (2004), o desmatamento progressivo da bacia internacional do rio da Prata, após a
Appl Water Sci década de 1960, com substituição por lavouras sazonais, acarretou em um aumento na vazão média anual de suas sub-bacias (Rios Paraguai, Uruguai e Paraná) (Figura 3). O estudo atribuiu parte dessas mudanças às alterações no uso do solo e parte aos efeitos da variabilidade climática. Esse estudo possui relevância, pois Bruijinzeel (2004) alertava para a carência de estudos de larga escala temporal e espacial para estudar os efeitos da vegetação na vazão dos cursos de água. Também é relevante o estudo de Neves (2011) ao monitorar a vazão de veredas, que são um tipo de vegetação ripária higrófila típica de nascentes no bioma Cerrado (savana brasileira). Monitorando diariamente a vazão de veredas degradadas e não degradadas (Figuras 4 e 5), foi possível observar que, embora a vereda não degradada apresente uma vazão anual várias vezes menor do que a degradada, a vereda não degradada consegue manter uma vazão média de 3 l/s no período seco, enquanto que a vereda degradada não apresenta vazão em praticamente todo o período seco. A comparação dos dois gráficos de vazão permite inferir como grande parte da vazão das chuvas, na vereda conservada, seria consumida por evapotranspiração da vegetação, embora também mantenha a vazão de base no período seco. Os estudos de comparação de vazão de veredas degradadas e não degradadas conduzidos por Maffia et al. (2009) e Pereira (2010) também corroboram padrão análogo. Apesar desses estudos haverem sido conduzidos em pequenas bacias de surgências que não eram sujeitas a inundação, as contribuições acumuladas dessas mudanças de vazão em grandes bacias que abarquem diversas nascentes Fig. 3 Média móvel de dez anos das vazões no rio Paraguai em Pilcomayo, Uruguai em Paso de Los Libres e Paraná em Posadas. Fonte: Tucci (2002)
degradadas poderia levar a uma intensificação significativa de riscos de enchentes. O efeito da textura dos solos e de seu teor de matéria orgânica, bem como a textura da matriz da rocha dos aquíferos, sobre a vazão dos rios no período seco pode ser analisado nas Figuras 6 a 11. Nessas figuras, atenta-se para o contraste entre dois tipos de geossistemas: no Noroeste e no Sul do Estado de Minas Gerais. Por um lado, no Noroeste do Estado, os aquíferos porosos de arenitos e sedimentos arenosos inconsolidados geram solos com textura média a arenosa e pouca matéria orgânica, formando geossistemas que, apesar de apresentarem a maior vazão de poços, apresentam baixa contribuição de vazão específica para os rios nos períodos mais secos (Q7,10 – menor vazão por um período de 7 dias com recorrência de 10 anos). Por outro lado, no Sul do Estado, sobre aquíferos fraturados de granito, gnaisse e xisto, a vazão dos poços é mínima, mas os solos de textura relativamente mais argilosa e com mais matéria orgânica apresentam uma contribuição na vazão específica do Q7,10 muito maior. O norte e nordeste do Estado apresenta baixa precipitação hídrica e aquíferos fraturados, gerando baixa capacidade tanto referente à vazão de poços quanto ao Q7,10. No extremo oeste do Estado, além da relativamente menor pluviosidade, o aquífero poroso constitui a área de recarga de um aquífero regional muito mais amplo (o aquífero Guarani), o ocasionando alta infiltração das chuvas relativamente abundantes, mas pouca contribuição para os rios e mesmo pouca acumulação em aquíferos locais passíveis de extração por poços.
Appl Water Sci Fig. 4 Vazão de uma vereda não degradada, em resposta a eventos de precipitação. Vereda Almescla, na Área de Proteção Ambiental – APA – Pandeiros, Estado de Minas Gerais, ano hidrológico de setembro de 2009 a agosto de 2010. Fonte: Neves (2011).
Fig. 5 Vazão de uma vereda degradada, em resposta a eventos de precipitação. Vereda Pindaibal, na Área de Proteção Ambiental – APA – Pandeiros, Estado de Minas Gerais, ano hidrológico de setembro de 2009 a agosto de 2010. Fonte: Neves (2011).
Por fim, torna-se interessante o estudo de Vasconcelos (2014), na Bacia do Rio Paracatu, no noroeste de Minas Gerais. Foram utilizados filtros recursivos de sinais para separar os padrões de fluxo rápido (imediato pós-chuva), interfluxo (primeiras semanas após a chuva) e fluxo de base (subsistente no semestre seco) em sub-bacias aninhadas, posteriormente dividindo os valores de vazão pela área de cada trecho das sub-bacias para entender as diferenças de vazão específica de cada trecho para cada tipo de fluxo (Figura 12). Comparando à caracterização geoambiental da bacia (Figuras 13 a 15), foi possível perceber que as áreas com neossolos quartzarênicos sobre aquíferos porosos profundos de arenito, embora sejam potencialmente as áreas de maior infiltração das águas das chuvas, também apresentaram maior contribuição de fluxo rápido para os rios (seguidas de perto pelas áreas com aquíferos cársticos); ao passo que as áreas com latossolos
e cambissolos de textura argilosa sobre aquíferos fraturados de argilito contribuem com maior manutenção do fluxo de base dos rios.
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Fig. 6 Vazão de poços no Estado de Minas Gerais. Adaptado de Ramos (2006)
Fig. 7 Q7,10 no Estado de Minas Gerais. Adaptado de Ramos (2006)
Fig. 8 Sistemas de rochas portadoras de aquíferos em Minas Gerais. Adaptado de Bomfim (2010)
Fig. 9 Conteúdo de matéria orgânica nos solos do Estado de Minas Gerais. Adaptado de Minas Gerais (2007)
Fig. 10 Textura dos solos do Estado de Minas Gerais. Adaptado de Minas Gerais (2007)
Fig. 11 Pluviosidade no Estado de Minas Gerais. Normal climatológica anual. Adaptado de IGAM (2014)
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Fig. 12 Vazão específicas de sub-bacias na Bacia do Rio Paracatu, para o fluxo total, fluxo de base, interfluxo e fluxo
rápido
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Fig. 13 Sistemas de rochas portadoras de aquíferos na bacia do rio Paracatu. Bases cartográficas de Martins Junior (2006).
Fig. 14 Solos predominantes na bacia do rio Paracatu. Bases cartográficas de Martins Junior (2006).
Repensando o Manejo da Infiltração das Águas
Fig. 15 Sistemas geomorfológicos da bacia do rio Paracatu. Bases cartográficas de Martins Junior (2006).
A análise das figuras 7 e 15 leva a entender que cada tipo de geossistemas solo vs. rocha portadora de aquífero apresenta diferentes potencialidades e necessidades de gestão do uso da água. Em uma perspectiva de planejamento territorial, empreendimentos com maior uso de água subterrânea poderiam ser instalados preferencialmente nas áreas de maior potencial de infiltração e aquíferos profundos porosos, assegurando a sustentabilidade das reservas hídricas subterrâneas. Por outro lado, a gestão sustentável do uso do solo e da água nas áreas de latossolos sobre rochas argilosas torna-se prioritária para evitar conflitos envolvendo atividades dependentes da vazão no período seco, tais como irrigação e hidrelétricas a fio d’água. Tanto nas áreas de maior favorabilidade de infiltração quanto naquelas onde há maior contribuição para o fluxo de base, podem-se aproveitar melhor os efeitos das ações de manejo do solo e das águas, tais como barragens de retenção e infiltração de águas pluviais, plantio direto e/ou em nível, terraceamento, entre outros, em uma estratégia de manejo integrado de ocupação do solo, recursos hídricos subterrâneos e superficiais. Todavia, em uma transição entre o paradigma inicial de valorização das áreas de recarga e o paradigma posterior do “efeito pistão”, ações como a implantação de barragens de retenção e infiltração de águas pluviais devem ser avaliados mais na perspectiva de recarregar o aquífero, mas nem tão diretamente para a manutenção dos fluxos de base. Alguns estudos de monitoramento dessas barraginhas de
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infiltração têm mostrado que, normalmente, a retenção das águas dura apenas algumas semanas depois da chuva; porém, a longo prazo, a vegetação (natural ou exótica) a jusante dessas barragens torna-se mais viçosa pela disponibilidade estendida de água e contribui com maior matéria orgânica para o solo, indiretamente melhorando o fluxo de base dos rios nas estiagens (Barros, 2006). As duas abordagens complementares estão expressas nos fluxogramas A e B da Figura 16. Neste texto, conjugando os conceitos até aqui apresentados, propomos como possibilidade que os impactos da explotação de poços sobre a vazão de base dos rios podem ser mitigados pela construção de barragens de infiltração locadas entre o poço e o corpo de água
superficial. Tal esquema de mitigação torna-se especialmente útil em bacias onde já há conflito pelo uso das águas superficiais e subterrâneas. O esquema de mitigação é apresentado na Figura 17, em analogia com o impacto da extração já apresentado na Figura 3. O número de barragens de infiltração a serem construídas, pareado ao seu tamanho, deveria ser proporcional à quantidade de água extraída, porém o número exato para uma reparação do efeito irá variar em função das interações da circulação hídrica da água infiltrada nas barragens em função do volume de precipitação captada, do tipo de solo e do tipo de vegetação. Outras técnicas para aumentar a infiltração, tais como terraceamento, podem ser empregadas de maneira análoga.
Fig. 16 Efeitos da recarga induzida de aquíferos. A Efeitos diretos. B Efeitos indiretos
Fig. 17 Efeito de longo prazo das bacias de infiltração (barraginhas) na mitigação do impacto da extração de água subterrânea, em relação ao nível freático e à vegetação ripária.
Outro instrumento de interesse para a gestão conjunta entre uso do solo e da água subterrânea e superficial é a do
1 As barraginhas de infiltração discutidas neste artigo são receptáculos artificiais escavados para coletar água de escoamento
pagamento por serviços ambientais. Embora esquemas de pagamento ambiental direcionados para a manutenção de mananciais para uso urbano de metrópoles como Nova York e São Paulo tenham demonstrado relativo sucesso (Kane & Erickson, 2007; Padovezi et al., 2012), diversas tentativas de pagamento por serviços ambientais em que o poder público remunera proprietários pela simples conservação de vegetação nativa (sem um usuário direcionado dos serviços ambientais) têm entrado em descrédito ou estagnação no Brasil (Paolucci, 2013) e em outros países (Pattanayak et al., 2008), em vista da baixa percepção da população e do governo sobre o custo/efetividade desses programas. De forma a contrapor esse formato, um esquema interessante seria de que o pagamento pela conservação da vegetação nativa fosse obrigatoriamente direcionado para que o proprietário invista em infraestrutura de conservação da água e do solo, superficial durante eventos de precipitação pluvial, onde as águas coletadas podem então infiltrar-se lentamente no solo.
Appl Water Sci tais como terraceamento e barragens de infiltração (Jourdain et al., 2014). Dessa forma, o produtor rural é beneficiado por uma melhoria em sua produtividade por hectare, enquanto os demais usuários de água são beneficiados tanto pela recarga dos aquíferos e pela manutenção da vazão de base dos rios. Além disso, evitase que o pagamento por serviços ambientais seja direcionado para especuladores que não estariam interessados em produzir na terra, mas apenas deixá-la improdutiva mesmo que não estivessem recebendo pelo pagamento dos serviços ambientais. Por fim, o direcionamento desses programas para áreas que se já encontram em conflitos por uso da água auxilia no suporte popular para a continuidade desses programas.
Disseminação do Conhecimento Hidrogeológico Como forma simplificada de se discutir a disseminação dos conhecimentos hidrogeológicos, apresenta-se o esquema da Figura 18, em que as pesquisas acadêmicas hidrogeológicas seriam progressivamente incorporadas por núcleos mais amplos da sociedade.Entretanto, o esquema apresentado na Figura 1 não apresenta uma via linear de mão única para disseminação de conhecimento. Conforme tratado em detalhes por Vasconcelos et al. (2013a), não se pode deixar de reconhecer que a construção do conhecimento hidrogeológico se deu em grande parte em virtude do diálogo interdisciplinar. Ademais, a forma de reflexão, difusão, incorporação e aplicação dos conhecimentos hidrogeológicos, em termos práticos, depende do histórico de formação e de atuação de cada um dos atores participantes nesse processo, envolvidas em diferentes graus em cada uma das seguintes atividades: • pesquisa acadêmica; • formação de opinião (mídia e ensino); • formulação de leis e políticas públicas; • execução de políticas públicas (órgãos governamentais);
• •
aplicação de leis (advogados e juízes); consultoria para empreendimentos usuários de recursos hídricos, ou que afetam a qualidade/quantidade desses recursos. Todavia, conforme se tornava mais complexa essa compreensão da relação entre recarga e a descarga de aquíferos a partir do século XX, como apontado ao longo deste artigo, também se tornava cada vez mais difícil a sua disseminação para outros círculos além dos hidrogeólogos. Palestras e cursos de formação para os demais profissionais de recursos hídricos permitiam repassar os conceitos básicos com relativa facilidade. Porém, para partir da compreensão geral para a efetiva aplicação em avaliações quantitativas em situações práticas das políticas de gestão de recursos hídricos, era necessária uma capacitação técnica muito mais completa e dispendiosa. Para os demais profissionais de meio ambiente, a facilidade em incorporar a avaliação dos efeitos das alterações ambientais sobre os recursos hídricos subterrâneos e superficiais passava a depender bastante de sua formação prévia e de seu interesse nessa temática. Se a aplicação em casos concretos isolados já encontrava dificuldades, a incorporação sistemática para aplicação geral das políticas de meio ambiente tornava-se um desafio muito maior. Para a população em geral, porém, a disseminação do conhecimento sobre os processos hidrogeológicos é um grande desafio. Em primeiro lugar, explicar sobre algo que não se encontra dentro do âmbito de visão, mas justamente abaixo da paisagem observável, gera dificuldades de compreensão de como a água circula nos solos e aquíferos. Além disso, a diversidade dos fatores que influenciam nos processo de recarga dos aquíferos (pluviosidade, vegetação, declividade, solos, porosidade/fraturamento de aquíferos, estratigrafia geológica, profundidade do nível dos aquíferos em relação ao solo e ao nível dos cursos de água, entre outros), em constante interação entre si, gera uma complexidade difícil de ser transmitida em contextos de educação ambiental que normalmente requerem uma didática simples e sintética.
Hidrogeólogos Profissionais de Recursos Hídricos Profissionais de Meio Ambiente População em Geral Fig. 18 Grupos de disseminação do conhecimento hidrogeológico.
Appl Water Sci Conclusões A percepção popular da “morte dos rios” foi um dos fatores estimulantes para o desenvolvimento da pesquisa sobre a circulação hídrica entre águas subterrâneas e superficiais. Essas pesquisas desenvolveram formas de abordagem como as de balanço hídrico, recarga de aquíferos, efeito pistão, e relação entre vegetação hiporréica e vazão dos rios. A pesquisa hidrogeológica também tem permitido entender como a os recursos hídricos subterrâneos não são recursos minerais imóveis e sua gestão deve ser integrada à dos recursos hídricos superficiais. Percebe-se, também, que a retirada de água subterrânea não deveria ser limitada apenas pelo potencial da recarga dos aquíferos, mas em uma visão mais abrangente que considere os impactos sobre as vegetações ripárias e sobre a manutenção das vazões dos rios.
Todavia, a modelagem e a gestão da relação entre os aquíferos com os rios, não desconsiderando sua passagem pela zona hiporréica, ainda é um grande desafio, em temos de complexidade técnica e operacional. Diferentes geossistemas, com solos, relevo e rochas portadoras de aquífero distintas, possuem processos diferenciados e também potenciais de uso múltiplo sustentável distintos da água e da terra. Os estudos de caso no Brasil ilustraram como esses paradigmas emergentes da hidrogeologia podem auxiliar na elucidação de padrões complexos de informação ambiental. A Tabela 1 apresenta as principais contribuições de cada estudo de caso. A Tabela 2 resume as principais influências, nas políticas públicas, dos principais desenvolvimentos na hidrogeologia discutidos neste artigo.
Tabela 1 Contribuições da análise de cada estudo de caso
Estudo de Caso Bacia do Rio Paraná
Veredas Almescla e Pindaibal Diversidade hidrogeológica no Estado de Minas Gerais Diversidade hidrogeológica na bacia do rio Paracatu
Abordagem Hidrogeológica Balanço Hídrico e influência da mudança do uso do solo na vazão total dos rios Influência da mudança no uso do solo e da degradação de áreas úmidas na vazão sazonal Efeitos da textura de solos, teor de matéria orgânica e textura da matriz de rochas dos aquíferos, nas vazões de poços e de rios durante a estação seca Efeito da textura do solo nos componentes de fluxo, efeito pistão
Principais contribuições Mudanças de floresta para culturas sazonais aumentam a vazão anual dos rios, inclusive em grandes bacias Áreas úmidas degradadas diminuem o fluxo de base na estação seca e aumentam o escoamento superficial na estação chuvosa Áreas com solos arenosos e aquíferos porosos possibilitam boa vazão de poços, mas baixa manutenção de fluxo de base. Matéria orgânica, argila e precipitação pluvial são fatores essenciais para a manutenção do fluxo de base Solos arenosos sobre aquíferos porosos favorecem o efeito pistão, enquanto solos argilosos favorecem a manutenção do fluxo de base
Tabela 2 Influencia do conhecimento hidrogeológica nas políticas públicas de gestão dos recursos hídricos
Abordagem hidrogeológica Balanço hídrico Recarga de aquíferos
Efeito pistão
Efeitos sazonais das mudanças de uso do solo Vazão de segurança Vazão sustentável
Implicações nas políticas públicas As águas subterrâneas podem ser geridas tomando-se em conta as entradas (infiltração das chuvas no solo) e saídas (descarga nos rios, uso por seres humanos e pela vegetação) A gestão do uso do solo e medidas estruturais podem ser implementadas para aumentar a infiltração das chuvas no solo e, consequentemente, aumentar a disponibilidade de águas subterrâneas Conservar aquíferos e solos que contém maior teor de argila e matéria orgânica é mais importante para a manutenção das vazões dos rios durante a estação seca, enquanto aquíferos porosos sobrepostos por solos arenosos apresentam fluxo hídrico mais rápido e podem ser melhor gerenciados como reservatórios recarregáveis para uso da água subterrânea Controlar o desmatamento das florestas e áreas úmidas pode melhorar a manutenção dos fluxos dos rios durante a estação seca e auxiliar na regulação de enchentes durante a estação chuvosa Restringir o uso de águas subterrâneas para que se mantenha dentro do limite de infiltração da chuva preveniria a depleção das reservas de águas subterrâneas Os limites para o uso de águas subterrâneas devem levar em conta as influências sobre a vazão dos rios e sobre a vegetação ripária, bem como os seus impactos econômicos e sociais
Appl Water Sci A construção de bacias de infiltração de águas pluviais pode ser utilizada efetivamente como uma estratégia de mitigação dos impactos ambientais sobre a circulação hídrica. Além disso, programas de pagamento por serviços ambientais podem ser ajustados para focar mais diretamente ações que garantam a manutenção da vazão dos rios em contextos em que seu uso é mais demandando, como os mananciais de abastecimento urbano ou bacias com conflitos por uso da água. Apesar de todos esses desenvolvimentos na forma de entender os processos hidrogeológicos e sua gestão, talvez o principal desafio ainda seja com transmitir esses conhecimentos para fora do meio acadêmico da hidrogeologia. Estratégias de treinamento de profissionais de recursos hídricos e meio ambiente, bem como a divulgação simplificada para a população em geral são vias salutares para alcançarmos uma gestão sustentável dos recursos hídricos.
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