A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS … · A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS UTILIZANDO A TÉCNICA DE DINÂMICA DE SISTEMAS Dissertação apresentada ao Programa

INSTITUTO DE EDUCAÇÃO TECNOLOGICA

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO

Cláudio Henrique Diniz Castro

A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS

UTILIZANDO A TÉCNICA DE DINÂMICA DE SISTEMAS

Belo Horizonte

2016

Cláudio Henrique Diniz Castro

A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS

UTILIZANDO A TÉCNICA DE DINÂMICA DE SISTEMAS

Dissertação apresentada ao Programa de Mestrado da Faculdade Ietec, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia e Gestão de Processos e Sistemas. Área de concentração: Engenharia e Gestão de Processos e Sistemas Linha de pesquisa: Gestão de Processos, Sistemas e Projetos Orientador: Prof. Dr. Mauri Fortes.

Belo Horizonte

Faculdade Ietec

2016

3

Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Gestão de

Processos e Sistemas

Faculdade Ietec

4

Dedico este trabalho à minha incansável esposa Luciene que com sua dedicação e confiança, me presenteava a cada dia com sua palavra de incentivo; dedico ainda a meus filhos Alice e Henrique, como forma de incentivá-los na jornada da aquisição do conhecimento; por fim a meus pais José Henrique e Léia, na condução de minha criação e formação social.

5

AGRADECIMENTOS

Agradeço aos professores deste programa de mestrado na condução

perene e auspiciosa de seus trabalhos, em especial ao meu orientador, professor

Mauri Fortes pela convicção e confiança em minhas proposições.

Manifesto ainda o agradecimento às instituições que apoiaram este

trabalho, ao qual cito, a Faculdade Vale do Gorutuba pela generosidade e o Distrito

de Irrigação do Gorutuba pelas relevantes informações e parceria.

6

“Não se pode perder de vista que a gestão

de águas reflete os processos econômicos,

políticos e sociais que ocorrem no âmbito

de uma sociedade.”

Perry e Vanderklein

7

RESUMO

Atualmente a escassez da água tem se tornado um problema de grande

impacto social e econômico em regiões semiáridas, traduzindo-se em

desabastecimento e desemprego. Nestas regiões uma das políticas públicas utilizadas

na tentativa de minimizar este panorama é a construção de barragens de

abastecimento. Mas para assegurar o superávit hídrico, deve ser analisada as diversas

variáveis climáticas que influenciam diretamente a demanda da população, seja no

abastecimento humano ou na produção vegetal e animal. Assim é necessário o estudo

destes fatores que impactam diretamente na gestão dos recursos hídricos de maneira

lógica e cíclica.O objetivo do presente trabalho foi criar um modelo de dinâmica de

sistemas, capaz de simular cenários de utilização da água superficial, tendo como

elementos de análise os componentes do balanço hídrico de uma bacia hidrográfica e

por consequência sua influência embarragem de abastecimento. Foram utilizados o

comportamento da oferta e da demanda de águaque acomete a barragem de

abastecimento situada na Região Semiáridado Brasil e a influência dos diversos

setores sociais, ambientais e econômicos. Foi simulado o comportamento do

sistemaem um período de 45 anos, dos quais os 37iniciais foram baseados em dados

históricos da precipitação e os outros 8 provenientes do resultado da simulação. A

metodologia aplicada foi de levantamento de dados do balanço hídrico local, junto a

órgãos governamentais, a utilização da teoria de dinâmica de sistemas no

desenvolvimento de modelo discreto e simulação desteaplicado na gestão dos

recursos hídricose saída de resultados por meio do softwareVensim PLE ® (software

da Ventana Systems Inc.). Os resultados da simulação indicam que os mecanismos

atuais de controle e simulação de cenários são ineficazes e comprometem as políticas

públicas nas tomadas de decisões por parte do órgão gestor dos recursos hídricos;

especialmente quando não se leva em conta a variação temporal dos eventos. Assim

a dinâmica de sistemas apresenta-se como grande ferramenta de gestão na simulação

de cenários de forma rápida e confiável, capaz de auxiliar a tomada de decisão mais

correta, beneficiando todos os setores demandantes de água na busca de um

desenvolvimento sustentável.

Palavras-chave: Dinâmica de sistemas. Desenvolvimento Sustentável. Recursos

Hídricos. Vensin. Gestão. Barragem. Simulação.

8

ABSTRACT

The objective of this study was to create a system dynamics model,

capable of simulating scenarios of use of surface water, with the database

components of the water balance of a river basin and therefore its influence on

supply dam. We used the behavior of supply and demand of water that affects the

supply dam located in the semiarid region of Brazil and the influence of different

social, environmental and economic sectors. It is simulated system behavior over a

period of 45 years, of which 37 initial will be based on historical rainfall data and the

other 8from the simulation result, according to an average monthly rainfall. The

methodology applied was the collection of technical data relating to the water

balance components to government agencies, use of system dynamics theory in

the development of discrete model and simulation of applied in the management of

water resources and output results through Vensim software PLE ® (Ventana

Systems software Inc.). The simulation results indicate that the current control

mechanisms and simulation scenarios are ineffective and undermine public policies

in decision making by the managing body of water resources; especially when not

taking into account the temporal variation of events. So the system dynamics is

presented as a major management tool in simulation quickly and reliably scenarios,

can help making more correct decision, benefiting all demanding sectors of water

in the pursuit of sustainable development.

Keywords: System dynamics. Sustainable development. Water resources. Vensim.

Management. Dam. Simulation

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Delimitação do Semiárido e Polígono das Secas .............. 23

Figura 2 - Ciclo Hidrológico Médio Anual da Terra............................. 26

Figura 3 - Fluxos do Balanço Hídrico .................................................. 28

Figura 4 - Componentes da Bacia Hidrográfica .................................. 29

Figura 5 - Modelo genérico de analise em dinâmica de sistema ....... 36

Figura 6 - Diagrama de Enlace Causal................................................. 37

Figura 7 - Elementos Básicos da Modelagem ..................................... 37

Figura 8 - Mapa de Localização da sub-bacia do Alto Gorutuba ....... 42

Figura 9 - Vista área da Barragem Bico da Pedra ............................... 47

Figura 10 - Vista Aérea da Barragem Bico da Pedra, PGO e Perímetro Urbano ................................................................................... 48

Figura 11 - Localização da Barragem Bico da Pedra e Perímetros Irrigados .................................................................................. 49

Figura 12 - Esquema de Balanço Hídrico em Barragem ...................... 54

Figura 13 - Vazão Q7,10na Região Hidrográfica do São Francisco ....... 57

Figura 14 - Hydro-EconModel – HyDEM ................................................ 63

Figura 15 - Vensim® PLE Versão 6.3E ................................................... 70

Figura 16 - Dados de entrada e saída da calibração............................. 71

Figura 17 - Comportamento da Barragem (DAM) em equilíbrio. ......... 72

Figura 18 - Configurações do Modelo no Vensim® PLE ...................... 73

Figura 19 - Modelo HyDDEM com variáveis naturais ........................... 74

10

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Evolução da Área Irrigada na Bacia .................................... 44

Gráfico 2 - Disponibilidade Hídrica Superficial da Bacia. .................... 46

Gráfico 3 - Precipitação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba– 47 Anos ........................................................................................ 50

Gráfico 4 - Precipitação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba– 20 Anos ........................................................................................ 50

Gráfico 5 - Precipitação Mensalna sub-bacia do Alto Gorutuba– Ano 2013 ...........................................................................................51

Gráfico 6 - Vazão Base Média– 35 Anos ............................................... 52

Gráfico 7 - Variação de Cotas da Barragem – 20 Anos ........................ 52

Gráfico 8 - Volume Captado – Atores Sociais – 10 Anos ..................... 53

Gráfico 9 - Precipitação Pluviométrica Anual - Semiárido do Brasil .. 55

Gráfico 10 - Volume de Água da Barragem - HyDDEM com variáveis naturais ................................................................................... 75

Gráfico 11 - Situação Problema 01 – Área da Bacia Hidráulica ............. 77

Gráfico 12 - Situação Problema 02 – Estiagem no Período de 01 ano .. 78

Gráfico 13 - Situação Problema 03 – Êxodo Regional ........................... 79

Gráfico 14 - Situação Problema 04 – Ampliação da Área Irrigada. ....... 80

11

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Aspectos Demográficos do Semiárido ............................... 22

Quadro 2 - Período de Renovação da Água .......................................... 25

Quadro 3 - Distribuição de Água na Terra ............................................ 32

Quadro 4 - Diferenças entre as modelagens Soft e Hard ..................... 39

Quadro 5 - Fontes utilizadas na caracterização da área de estudo .... 41

Quadro 6 - Evaporação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba ........... 51

Quadro 7 Condutividade hidráulica K em função do tipo de solo ...... 59

Quadro 8 - Principais variáveis e descrições do ModeloHyDDEM ...... 64

12

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANA Agência Nacional de Águas

CEEIBH Comitê Especial de Estudos Integrados de Bacias Hidrográficas

CIGB Comissão Internacional de Grandes Barragens

CMMAD Comissão Mundial para o Meio Ambiente e o Desenvolvimento

CODEVASF Companhia de Desenvolvimento do Vale do São Francisco

DIG Distrito de Irrigação do Perímetro Gorutuba

FAO Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação

HyDDEM Hydro-EconModel- (Modelo de Sustentabilidade Hídrica)

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

IGAM Instituto Mineiro de Gestão das Águas

INMET Instituto Nacional de Meteorologia

OMM Organização Meteorológica Mundial

ONU Organização das Nações Unidas

PNRH Política Nacional de Recursos Hídricos

PRH Plano de Recursos Hídricos

SUDENE Superintendência de Desenvolvimento do Nordeste

SDEP System Dynamics Education Project

SNRH Sistema Nacional de Recursos Hídricos

UNESCO United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization

WCD Comissão Mundial sobre Barragem

13

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ......................................................................... 15

1.1 ASPECTOS CRÍTICOS DA GESTÃO E ENGENHARIA HÍDRICA BRASILEIRA............................................................ 15

1.2 A DINÂMICA DE SISTEMAS E A GESTÃO E ENGENHARIA HÍDRICA BRASILEIRA............................................................ 16

1.3 OBJETIVOS ............................................................................. 17

2 REVISÃO 1: VARIÁVEIS DE DEFINIÇÃO DO PROBLEMA HÍDRICO BRASILEIRO ........................................................... 19

2.1 REGIÃO SEMIÁRIDA DO NORDESTE E POLÍGONO DAS SECAS ..................................................................................... 19

2.2 CICLO HIDROLÓGICO, BALANÇO HÍDRICO E BACIA HIDROGRÁFICA ..................................................................... 24

2.3 DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL .................................. 29

2.4 RECURSOS HÍDRICOS........................................................... 30

2.5 GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS ..................................... 33

3 REVISÂO 2: DINÂMICA DE SISTEMAS ................................. 35

3.1 BASE PARA O DESENVOLVIMENTO DO MODELO DE DINÂMICA DE SISTEMAS ...................................................... 35

3.2 DEFINIÇÃO DE MODELO ....................................................... 38

4 METODOLOGIA ...................................................................... 40

4.1 CARACTERIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA EM ESTUDO .................................................................................. 41

4.2 PERÍMETRO DE IRRIGAÇÃO DO GORUTUBA ..................... 46

4.3 ELABORAÇÃO DE BALANÇOS DE RECURSOS .................. 49

4.4 DADOS HIDROMÉTRICOS ..................................................... 50

4.5 ELABORAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO ............................... 53

4.6 PRECIPITAÇÃO – P ................................................................ 55

4.7 ESCOAMENTO SUPERFICIAL – RO (RUNOFF) ..................... 56

14

4.8 VAZÃO BASE – QB ................................................................. 56

4.9 INFILTRAÇÃO – I .................................................................... 58

4.10 EVAPORAÇÃO–EEEVAPOTRANSPIRAÇÃO - ETO............... 59

4.11 OVERFLOW - OV ..................................................................... 60

4.12 OFFER–OF ............................................................................... 61

4.13 MODELO DE DINÂMICA DE SISTEMAS – HYDRON-ECONMODEL (HYDDEM) ....................................................... 61

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................. 70

5.1 SOFTWARE DE CRIAÇÃO DO MODELO............................... 70

5.2 CONFIGURAÇÃO DO MODELO ............................................. 70

5.3 CALIBRAÇÃO DO MODELO .................................................. 71

5.4 VERIFICAÇÃO DO MODELO .................................................. 72

5.5 VALIDAÇÃO DO MODELO ..................................................... 73

5.6 RESULTADOS DO MODELO .................................................. 76

5.6.1 RESULTADO DA SITUAÇÃO PROBLEMA 01 ....................... 77




6 CONCLUSÕES ........................................................................ 81

7 REFERÊNCIAS ....................................................................... 82

15

1 INTRODUÇÃO

1.1 Aspectos críticos da Gestão e Engenharia Hídrica Brasileira

Por ser elemento físico fundamental para a vida, qualquer alteração no

abastecimento de água leva a problemas imediatos de sustentabilidade, como

definido pela Organização das Nações Unidas (ONU). (TUNDISI, 2003; SOUZA,

2004).

Assim, evidencia-se que o problema da eficiência na gestão de recursos

hídricos é bastante complexo, devido às influências ambientais, sociais e

econômicas. Além da diversidade de agentes, interesses, percepções e

alternativas do uso dos recursos hídricos. Faz-se necessário então criar um modelo

operacional eficaz de tomada de decisão nas estruturas do gerenciamento dos

recursos hídricos para garantir o uso sustentável da água pela população, indústria

e agricultura irrigada, estabelecendo prioridades no uso desse recurso,

evidenciando seu valor econômico e, assim, estimular seu uso racional e

responsável (SÁNCHEZ-RÓMAN et al., 2009).

A grande disponibilidade hídrica no Brasil levou à disseminação popular

de que a água é um recurso inesgotável. Sabe-se que 97% da água do planeta

encontra-se nos oceanos e não pode ser usada diretamente para irrigação, uso

doméstico ou uso industrial. Geleiras e calotas polares de difícil acesso contém 2%

da água do planeta, restandoapenas 1% a ser usada diretamente pelo homem

(TUNDISI, 2003).

O Brasil tem uma superfície territorial de 851 milhões de hectares, destes

29% ou, aproximadamente 249 milhões de hectares são explorados pela atividade

agropecuária. Plantações e pastagens utilizam, respectivamente, 77 e 172 milhões

(ha) (CHRISTOFIDIS, 2002). É estimado que o país possua 30 milhões de hectares

com potencial para o desenvolvimento sustentável da agricultura irrigada (ANA,

2009).

O problema social da escassez de água traduz-se, em última instância,

em milhões de mortes causadas por doenças, má nutrição e fome crônica (ARAIA,

16

2009). Situado do “Polígono das Secas”, o norte de Minas Gera is destaca-se pela

implantação de diversos perímetros irrigados: Jaíba (24.076 ha utilizados com

previsão de operação para 100.000 ha), Gorutuba (5.286 ha), Lagoa Grande (1.660

ha) e Pirapora (1.261 ha) (CODEVASF, 1999). Estes resultados positivos deveram-

se à instalação de barragens de captação e distribuição de águas pela iniciativa

governamental. Mais especificamente, o Projeto de Irrigação do Gorutuba, tem sua

operação localizada na região dos municípios de Janaúba e Nova Porteirinha.

Ambos os municípios apresentaram grande expansão da área de agricultura

irrigada, com destaque para a cultura de banana-prata-anã.

A contribuição de grandes infraestruturas hidráulicas, conhecidas por

barragens, para o desenvolvimento econômico e social permanece controversa.

Esta controvérsia decorre do fato de que, com demasiada frequência no passado,

a construção de barragens tem trazido menos benefícios do que o previsto e

resultou em custos sociais e ambientais significativos, conforme World Conference

Dam (WCD, 2000).

Historicamente, projetos de grandes barragens muitas vezes não levam

em conta os impactos ambientais e a população afetada pela construção e

operação da barragem. Infelizmente, decisões de construção de barragens não

necessariamente levam em conta o fator humano (BEEKMAN, 2002).

Os recursos hídricos advindos das barragens são amplamente usados

em irrigação principalmente em regiões agrícolas áridas e semiáridas, onde a

suplementação da precipitação natural é necessária (FARIAS et al., 2000). De

acordo com (CHRISTOFIDIS, 1997; FAO, 2002 apud AMORIM et al., 2008) cerca

de 70% de toda água de boa qualidade disponível no planeta é utilizada pelo setor

agrícola.

1.2 A Dinâmica de Sistemas e a Gestão e Engenharia Hídrica Brasileira

Os fundamentos da modelagem de dinâmica de sistemas foram

determinados por Jay Wright Forrester em meados da década de 1950. Mas

especificamente, as técnicas de modelagem e simulação por meio da dinâmica de

sistemas têm-se demonstrado acuradas e adequadas a uma vasta gama de

17

problemas de gestão hídrica, desde o seu lançamento (ROGERS; FIERING, 1986).

A base lógica da dinâmica de sistemas permite o desenvolvimento de modelos de

simulação voltados à área de recursos hídricos, sejam estes complexos, e, até

mesmo com variáveis e parâmetros subjetivos (SIMONOVIC, 2000).

O conceito central da dinâmica de sistemas está em entender como os

objetos de um sistema interagem entre si através de laços causais de

realimentação, em que a variação de uma variável afeta outras, aparentemente

sem conexão. Com o passar do tempo, as variáveis que apresentam mudanças

espaciais-temporais alteram a variável original, e assim consecutivamente (SDEP,

2005).

Em comparação aos modelos de simulação convencionais, a abordagem

da dinâmica de sistemas é mais eficaz ao indicar como diferentes alterações de

elementos básicos afetam todo processo. Portanto, é útil para representar sistemas

complexos com influências de elementos sociais ou econômicos (XU et al., 2002).

Tendo em vista o complexo quadro de interesses no uso da água

existente nas bacias hidrográficas, especialmente quando tais bacias possuem

barragem de abastecimento, o presente trabalho tem por objetivo analisar o

comportamento da oferta e da demanda de água que incide sobre as grandes

infraestruturas hidráulicas, conhecidas por barragens e promover ações e

mecanismos que visem à eficiência da gestão dos seus recursos hídricos por meio

da dinâmica de sistemas.

1.3 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de um

programa de análise dinâmica de sistemas hídricos, com capacidade de avaliar

sistemas hídricos municipais.

Os objetivos específicos são:

a) Avaliar a oferta de água e a sua contribuição ao sistema composto por

agentes naturais, tais como rios, córregos e chuvas;

18

b) Avaliar a demanda de água dos agentes sociais, tais como população,

indústria e agricultura irrigada;

c) Desenvolver um modelo de dinâmica de sistemas por meio da construção

de diagramas de causalidade, de estoques e fluxos, capaz de simular a

oferta, a demanda e a retroalimentação do sistema, objetivando a eficiência

da gestão dos recursos hídricos.

19

2 REVISÃO 1: VARIÁVEIS DE DEFINIÇÃO DO PROBLEMA HÍDRICO

BRASILEIRO

2.1 Região Semiárida do Nordeste e Polígono das Secas

O Diário Oficial da União (DOU) do dia 30 de março de 2004 publicou a

Portaria Interministerial nº 6, assinada pelos ministros da Integração Nacional e do

Meio Ambiente, instituindo um grupo de trabalho, sob a coordenação do Ministério

da Integração Nacional, para apresentar critérios de redefiniçãoda Região

Semiárida do Nordeste e Polígono das Secas, a fim de orientar políticas públicas

de apoio ao desenvolvimento da região.

Foram apresentadas cinco alternativas de delimitação da Região

Semiárida do Nordeste pelas várias instituições participantes do Grupo

Interministerial de Trabalho:

a) Índice de Aridez de Thorntwaite, de 1941, apresentado conjuntamente

pela Companhia de Desenvolvimento do Vale do São Francisco -

CODEVASF e Secretaria de Recursos Hídricos do Ministério do Meio

Ambiente, bem como pela EMBRAPA e Agência Nacional de Águas -

ANA;

b) Fator de Risco de Ocorrência de Seca, sugerido pela Agência

Nacional de Águas;

c) Unidades Geossistêmicas, apresentadas pelo Banco do Nordeste em

colaboração com a FUNCEME;

d) Isoieta de 800mm, defendida pela Agência de Desenvolvimento do

Nordeste; e

e) Percentual Diário de Déficit Hídrico, apresentado por INPE/CPTEC.

Considerando os objetivos de política econômica e a consequente

necessidade de nortear as diretrizes de ação e as operações de financiamento na

sub-região, principalmente as relativas ao Fundo Constitucional do Nordeste (FNE)

20

(criado pela Constituição de 1988), e após considerar várias alternativas técnicas

de delimitação da região Semiárida do Nordeste, a SUDENE optou pelo critério das

precipitações médias anuais. A escolha do indicador climático se deu pela

simplicidade técnica requerida para sua utilização, bem como pela sua

objetividade, por se tratar de dados resultantes de medições diretas e sistemáticas

efetuadas ao longo de séries históricas de duração, consideradas suficientes para

caracterizar tipo climático, e, sobretudo, pela eficácia do resultado obtido em

função da existência de um grande número de postos da rede meteorológica do

Nordeste. Em decorrência da decisão da Superintendência regional, e pelo fato de

vários estudos climáticos anteriores já terem identificado a coincidência do limite

da região de clima semiárido do Nordeste brasileiro com a isoieta de 800mm os

técnicos, Carlos José Caldas Lins e Ivonete Sultanum Burgos (1989), pertencentes

ao quadro de pessoal da Autarquia Regional, desenvolveram um estudo, adotando

a técnica de traçado de isoietas para delimitação do espaço geográfico contínuo,

caracterizado pelo domínio do clima semiárido.

Como a semiaridez é uma qualidade do clima, fenômeno estrutural por

natureza, convém considerar, para os cálculos dos indicadores, séries temporais

de dados de aproximadamente 30 anos, como recomenda a Organização Mundial

de Climatologia, para se evitar ou, no mínimo, reduzir, no cálculo das médias,

possíveis distorções produzidas por eventuais fenômenos meteorológicos

(conjunturais). Por outro lado, como ocorrem mudanças climáticas no longo prazo,

recomenda-se atualizar o estudo de redelimitação do semiárido a cada dez anos.

Recomendou-se, também, não utilizar mais o Polígono das Secas como

instrumento legal de delimitação de áreas do Nordeste sujeitas às secas, uma vez

que após a criação da Região Semi-árida, pela Lei Federal n° 7.827, de 27 de

setembro de 1989, a delimitação anterior perdeu o sentido.A Figura 1 apresenta a

delimitação do Semiárido e Polígono das Secas.

O semiárido nordestino tem como traço principal as frequentes secas

que tanto podem ser caracterizadas pela ausência, escassez, alta variabilidade

espacial e temporal das chuvas. Não é rara a sucessão de anos seguidos de seca.

21

As características do meio ambiente condicionam fortemente a

sociedade regional, a sobreviver principalmente de atividades econômicas ligadas

basicamente à agricultura e a pecuária. Estas se realizam sempre buscando o

melhor aproveitamento possível das condições naturais desfavoráveis, ainda que

apoiadas em base técnica frágil, utilizando na maior parte dos casos, tecnologias

tradicionais. No Quadro 1 observa-se os seus aspectos demográficos.

Os recursos hídricos caminham para a insuficiência ou apresentam

níveis elevados de poluição. A flora e a fauna vêm sofrendo a ação predatória do

homem, e os frágeis ecossistemas regionais não estão sendo protegidos,

ameaçando a sobrevivência de muitas espécies vegetais e animais e criando riscos

à ocupação humana, inclusive associados a processos, em curso, de

desertificação.

22

Quadro 1 - Aspectos Demográficos do Semiárido

Estado Semiárido

Número de Municípios Área (Km²) População (Hab)

AL 13 3.136,80 445.334

BA 107 200.582,4 2.813.225

CE 41 20.823,6 1.045.273

MA - - -

MG 61 80.212,9 1.174.058

PB 47 6.036,5 620.329

PE 39 9.255,0 1.094.582

PI 48 89.275,7 420.397

RN 12 2.405,9 260.290

SE 28 7.967,6 359.801

Total 396 419.696,40 8.233.289

Fonte: BRASIL, 2005. Nota: Adaptado pelo autor.

23

Figura 1 - Delimitação do Semiárido e Polígono das Secas


24

2.2 Ciclo Hidrológico, Balanço Hídrico e Bacia Hidrográfica

A água da Terra encontra-se em permanente movimento, constituindo o

Ciclo Hidrológico. Efetivamente, desde os primórdios dos tempos geológicos, a

água (líquida ou sólida) que é transformada em vapor pela energia solar que atinge

a superfície da Terra (oceanos, mares, continentes e ilhas) e pela transpiração dos

organismos vivos, sobe para a atmosfera, onde esfria progressivamente, dando

origem às nuvens. Essas massas de água voltam para a Terra sob a ação da

gravidade, principalmente nas formas de chuva, neblina e neve.

O ciclo hidrológico é responsável pelo movimento de enormes

quantidades de água ao redor do mundo. Parte desse movimento é rápido, pois,

em média, uma gota de água permanece aproximadamente 16 dias em um rio e

cerca de 8 dias na atmosfera, no Quadro 2 apresenta-se este período de

renovação. Entretanto, esse tempo pode estender-se pormilhares de anos para a

água que atravessa lentamente um aquífero profundo. Assim, as gotas de água

reciclam-se continuamente (UNESCO, 1997).

Para satisfazer à demanda de água, a humanidade tem modificado o

ciclo hidrológico desde o início de sua história, mediante a construção de poços,

barragens, açudes, aquedutos, sistemas de abastecimento, sistemas de drenagem

projetos de irrigação e outras estruturas. Os governos e entidades públicas gastam

grandes importâncias de dinheiro para implementar e manter essas instalações.

No entanto, apesar dessas iniciativas, em 1995, aproximadamente 20% dos 5,7

bilhões de habitantes da Terra sofriam com a falta de um sistema de abastecimento

confiável de água e, além disso, mais de 50% da população não dispunha de um

sistema adequado de instalações sanitárias (OMM/UNESCO, 1997).

25

Quadro 2 - Período de Renovação da Água

Reservatórios Período médio de renovação

Oceanos 2.500 anos

Águas subterrâneas 1.400 anos

Áreas Permanentemente Congeladas 9.700 anos

Geleiras em Montanhas 1.600 anos

Solos Congelados 10.000 anos

Oceanos 2.500 anos

Fonte: SHIKLOMANOV, 1997. Nota: Adaptado pelo autor.

Anualmente, cerca de 119.000 km³ de água são precipitados sobre os

continentes, dos quais aproximadamente 74.200 km³ evapotranspiram retornando

à atmosfera em forma de vapor, 42.600 km³ formam o escoamento superficial e

2.200 km³ formam o escoamento subterrâneo. Assim, esses 42.600 km³

constituem, em média, o limite máximo de renovação dos recursos hídricos no ano

(SHIKLOMANOV, 1999) conforme pode ser visto na Figura 2.

26

Figura 2 - Ciclo Hidrológico Médio Anual da Terra

Fonte: SHIKLOMANOV, 1998; LIMA, 2000. Nota: Adaptado pelo autor.

Onde temos: Pc = Precipitação dos continentes, Evtc =

evapotranspiração nos continentes, ESs = escoamento superficial, ESB =

escoamento básico ou subterrâneo, Po = precipitação nos oceanos e Eo =

evaporação nos oceanos.

De acordo com Harrison e Pearce (2000), apenas 5% (cinco por cento)

de toda superfície terrestre são desérticas, mas as regiões áridas e semiáridas

associadas afetam 1/3 (um terço) da superfície da terra.

Sabe-se que os processos evaporativos têm grande importância no ciclo

hidrológico e por consequência no balanço hídrico. De toda precipitação que ocorre

sobre os continentes, 57% evapora, enquanto que nos oceanos a evaporação

corresponde a 112% do precipitado. Em uma região semiárida cerca de 96% da

precipitação total anual pode evaporar. A evapotranspiração diária pode variar em

uma faixa de 0-12 mm dia-1. Durante uma chuva intensa a evaporação é reduzida

ao mínimo em função das condições de saturação do ar. Entretanto, a

evapotranspiração entre as tormentas é normalmente suficiente para retirar

27

completamente a umidade do solo em regiões áridas e tem influência significativa

em sua umidade e nas respostas hidrológicas futuras em todos os lugares

(PORTO, 2006).

Há que se considerar também as questões relacionadas à retenção de

parte da precipitação acima da superfície do solo. A interceptação pode ocorrer

devido a vegetação ou outra forma de obstrução ao escoamento. O volume retido

é perdido por evaporação, retornando a atmosfera. Este processo interfere no

balanço hídrico da bacia hidrográfica, funcionando como um reservatório que

armazena uma parcela da precipitação. A tendência é de que a interceptação

reduza a variação da vazão ao longo do ano, retarde e reduza o pico das cheias

(BLAKE, 1975).

O balanço hídrico segundo a Figura 3 é a contabilização da água do solo,

resultante da aplicação do Princípio de Conservação de Massa. A variação de

armazenamento de água no volume considerado (∆ ARM), por intervalo de tempo,

representa o balanço entre o que entrou e o que saiu de água do volume de controle

(PEREIRA et al., 2002). Genericamente, o balanço hídrico pode ser representado

por:

Entradas – P=Precipitação, I= Irrigação, O= Orvalho, Ri= Escorrimento

Superficial, DLi= Drenagem Lateral e AC= Ascensão Capilar.

Saídas – ET= Evapotranspiração, Ro – Escorrimento Superficial (Runoff), DLo=

Drenagem Lateral e DP= Drenagem Profunda.

28

Figura 3 - Fluxos do Balanço Hídrico

Fonte: PEREIRAet al., 2002. Nota: Adaptado pelo autor.

O ciclo hidrológico é normalmente estudado com maior interesse na fase

terrestre, onde o elemento fundamental de análise é a bacia hidrográfica - área de

captação natural da água da precipitação que faz convergir os escoamentos para

um único ponto de saída, seu exutório (Q). Compõe-se basicamente de um

conjunto de superfícies vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos

de água que confluem até resultar um leito único no exutórioconforme a Figura 4

(PEREIRA et al., 2002).

Uma bacia hidrográfica consiste em um conjunto de terras que agem

também como um reservatório de águas e sedimentos drenado por um canal

principal e seus afluentes e subafluentes, que constituem um sistema de transporte

de água e sedimentos. Sua formação se dá através de desníveis nos terrenos,

orientando o curso das águas, das áreas mais altas para as áreas mais baixas.

29

Figura 4 - Componentes da Bacia Hidrográfica

Fonte: PEREIRA et al., 2002. Nota: Adaptado pelo autor.

A bacia tem como entrada de água, as precipitações, cuja água escoa a

partir das maiores elevações do terreno, em direção aos vales, formando

enxurradas. Os vales concentram o escoamento em córregos, riachos e ribeirões,

que confluem para forma o canal principal do rio da bacia.

É a área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou um

sistema conectado de cursos d’água, tal que toda vazão efluente seja

descarregada por uma simples saída (VIESSMAN et al., 1972).

2.3 Desenvolvimento Sustentável

Desenvolvimento sustentável é o conceito que leva em consideração o

desenvolvimento (crescimento) econômico respeitando a sustentabilidade social e

ecológica. É um desenvolvimento economicamente viável/rentável, social e

ecologicamente sustentável; a fim de suprir as necessidades das gerações do

presente sem comprometer a sobrevivência das futuras gerações (CMMAD, 1988).

O destaque do Relatório da Rio 92 é sem dúvida a elaboração de um

novo conceito de desenvolvimento sustentável. Este novo conceito apresenta

30

limites não absolutamente estabelecidos pelo nível de desenvolv imento

tecnológico e social, mas particularmente no que diz respeito aos recursos

ambientais e pela capacidade da natureza de absorver os efeitos das atividades

antrópicas (LAYRARGUES, 1997).

O assunto “desenvolvimento sustentável” surgiu a partir de estudos da

ONU sobre as mudanças climáticas, como uma resposta para a humanidade

perante a crise social e ambiental pela qual o mundo passava a partir da segunda

metade do século XX. Estes estudos foram liderados pela Comissão Mundial para

o Meio Ambiente e o Desenvolvimento - CMMAD, também conhecida como

Comissão de Brundtland, presidida na época pela norueguesa

GroHaalenBrundtland. Durante o processo preparatório à Conferência das Nações

Unidas (Rio 92) foi desenvolvido um relatório que ficou conhecido como “Nosso

Futuro Comum”. Tal relatório contém informações colhidas pela comissão ao longo

de três anos de pesquisa e análise, sobre as questões sociais, principalmente no

que se refere ao uso da terra, sua ocupação, suprimento de água, abrigo e serviços

sociais, educativos e sanitários, além de administração do crescimento urbano

(BARBOSA, 2008).

2.4 Recursos Hídricos

Considera-se, atualmente, que a quantidade total de água na Terra, de

1.386 milhões de km³, tem permanecido de modo aproximadamente constante

durante os últimos 500 milhões de anos. Vale ressaltar, todavia, que as

quantidades estocadas nos diferentes reservatórios individuais de água da Terra

variaram substancialmente ao longo desse período, conforme apresentado no

Quadro 3 (SHIKLOMANOV, 1999).

Segundo a Política Nacional de Recursos Hídricos (PNRH), os recursos

hídricos são bens de domínio público escassos, cuja gestão deve ser conduzida de

forma integrada, participativa e articulada entre os diversos órgãos gestores e

setores usuários, para que sejam asseguradas condições quantitativas e

qualitativas adequadas de fornecimento de água para as atuais e futuras gerações

(ANA, 2004).

31

Os recursos hídricos podem ser usados de maneira mais eficiente

através da combinação de uma nova tecnologia com aquela já existente, obtenção

de melhores informações, uso mais sensato, adotando-se novas técnicas agrícolas

e de irrigação que possam contribuir para a redução do consumo de água até

alcançar níveis sustentáveis (BANCO MUNDIAL, 2010).

De acordo com o Banco Mundial (2010), a humanidade precisará equilibrar o aumento

de produção com a proteção dos seus recursos naturais; o que significa gerir a água,

o solo, as florestas e a biodiversidade de maneira mais eficiente, com a finalidade de

obter os produtos e serviços necessários à sociedade sem comprometer ainda mais

o meio ambiente por seu uso excessivo, poluição ou ocupações de áreas indevidas.

A gestão da água mostra-se fundamental diante de toda a problemática que traz a sua

escassez. Portanto, estudos que possam trazer informações sobre essa problemática

e sobre as perspectivas futuras diante dos fatos e cenários de uso da água poderão

subsidiar tomadas de decisão em termos de formação de políticas de intervenção e

de gestão desse bem (GOULART JUNIOR et al., 2011).

A crise de água não é consequência apenas de fatores climáticos e

geográficos, mas principalmente do uso irracional dos recursos hídricos. Entre as

causas do problema figuram: o fato de a água não ser tratada como um bem

estratégico no país, a falta de integração entre a Política Nacional de Recursos

Hídricos - PNRH e as demais políticas públicas, os graves problemas na área de

saneamento básico e a forma como a água doce é compreendida, visto que muitos

a consideram um recurso infinito (SILVA, 2012).

32

Quadro 3 - Distribuição de Água na Terra

Reservatório Volume (10³km³) % do Volume Total % do Volume de Água Doce

Oceanos 1.338.000,0 96,5379 -

Subsolo: 23.400,0 1,6883 -

Água doce 10.530,0 0,7597 30,0607

Água salgada 12.870,0 0,9286 -

Umidade do solo 16,5 0,0012 0,0471

Áreas congeladas: 24.064,0 1,7362 68,6971

Antártida 21.600,0 1,5585 61,6629

Groenlândia 2.340,0 0,1688 6,6802

Ártico 83,5 0,0060 0,2384

Montanhas 40,6 0,0029 0,1159

Solos congelados 300,0 0,0216 0,8564

Lagos: 176,4 0,0127 -

Água doce 91,0 0,0066 0,2598

Água salgada 85,4 0,0062 -

Pântanos 11,5 0,0008 0,0328

Rios 2,1 0,0002 0,0061

Biomassa 1,1 0,0001 0,0032

Vapor d'água na atmosfera 12,9 0,0009 0,0368

Armazenamento total de água salgada

1.350.955,4 97,4726 -

Armazenamento total de água doce 35.029,1 2,5274 100,0

Armazenamento total de água

1.385.984,5 100,0 -

Fonte: SHIKLOMANOV, 1998. Nota: Adaptado pelo autor.

33

2.5 Gestão de Recursos Hídricos

A partir da década de 1960, tem sido verificado, muito em função dos

modelos de crescimento e desenvolvimento implementados, que a água vem se

tornando um fator cada vez mais critico para o desenvolvimento econômico e social

de longo prazo, bem como para a sustentabilidade ambiental. De acordo com

Garrido (2004), a primeira grande dificuldade para a gestão de recursos hídricos

provém de sua distribuição irregular, espacial e temporal, em praticamente todo

planeta.

Historicamente, torna-se o marco da gestão de recursos hídricos no

Brasil o Código das Águas decretado em 10 de julho de 1934, pelo então

Presidente Getúlio Vargas. Até hoje, apesar de mais de 75 anos de homologação,

o Código da Águas é considerado pela Doutrina Jurídica como um dos textos

modelares do Direito Positivo Brasileiro, pois ainda constitui o elemento básico da

substancialidade da norma, encontrando-se a maioria de seus dispositivos

perfeitamente atual neste início de novo século (CEDRAZ, 2003).

Pode se afirmar que o movimento a favor da instalação de um sistema

nacional de gestão de recursos hídricos começou a avançar nos anos de 1978

através de portarias interministeriais, que recomendaram a classificação e o

enquadramento das águas do país, e criaram e regulamentaram o Comitê Especial

de Estudos Integrados de Bacias Hidrográficas – o CEEIBH. A partir desse

momento o debate da gestão por bacia hidrográfica cresceu de sobre maneira.

Criou-se grande expectativa em torno do estabelecimento do Sistema Nacional de

Recursos Hídricos - SNRH, que deveria trazer, em seu conjunto, as normas e

diretrizes que permitiriam a colocação em prática de vários instrumentos indutores

do uso racional da água (FERNANDES; GARRIDO, 2002).

Ocorre que esse sistema novo de gestão trazia consigo o ineditismo da

gestão compartilhada, conferindo importante papel aos usuários das bacias, aos

poderes executivos detentores de domínio sobre as águas e, principalmente, à

sociedade civil organizada. Entretanto, tais recompensas viriam encontrar o Estado

brasileiro ainda imergindo em um período de arbítrio, que se estendera de 1964 a

1985, espaço longo o suficiente para que o mesmo se houvesse desacostumado

34

ao cumprimento de suas funções básicas de dar sustentação aos sistemas de

educação, saúde, segurança e de assegurar o desenvolvimento regional integrado

(CEDRAZ, 2003).

O movimento dos estados atuou como forte impulso ao Governo da

União que somente a partir de 1995, colocou na ordem do dia a questão do SNRH,

do que resultaram grandes avanços, tendo sido a promulgação da Lei nº 9.433/97

a mais importante dessas conquistas. Mas é ainda a falta de aplicação de alguns

instrumentos de política que faz com que o setor não esteja marchando com o vigor

que se observa em outros países mais desenvolvidos (FERNANDEZ; GARRIDO,

2002).

35

3 REVISÂO 2: DINÂMICA DE SISTEMAS

3.1 Base para o Desenvolvimento do modelo de Dinâmica de Sistemas

A dinâmica de sistemas, originalmente concebida por Jay W. Forrester,

em 1958, foi desenvolvida para simular sistemas complexos com uma rede

interativa de informações técnicas e de relações não-lineares. Com foco na

resolução de problemas, a dinâmica de sistemas foi desenvolvida para

compreender as interações entre processos físicos, os fluxos de informação e

política intervenções para proporcionar uma plataforma sólida de teste das várias

utilidades das alternativas políticas em questão (FORRESTER, 1971; STERMAN,

2000).

A dinâmica de sistemas desenvolveu-se quase junto com o Pensamento

Sistêmico, que aponta para uma visão de mundo onde os inter-relacionamentos

esuas estruturas condicionam o comportamento dos sistemas que nos rodeiam. A

Dinâmica de Sistemas permite fazer modelos da maioria dos sistemas conhecidos

e, com o apoio de alguns softwares para uso em computadores pessoais, podem

simular o comportamento desses sistemas ao longo do tempo (COSTA, 2004).

Como o estudo dos sistemas a construção de modelos com o apoio da

dinâmica de sistemas implica em processos de ensino-aprendizagem inter e

transdisciplinares. Desde o desenvolvimento de alguns softwares de dinâmica de

sistemas (como o Vensim), esta abordagem tornou-se mais “amigável” e a sua

aplicação ganhou popularidade em vários domínios de investigação. Em especial,

com a capacidade de realizar interações entre os complexos econômicos e

ambientais, a dinâmica de sistemas tem sido aplicada na construção de modelos

de desenvolvimento sustentável, sistemas ambientais, planejamento energético e

modelagem ecológica entre outros (JIN; XU; YANG, 2009).

Conforme Costa (2004), os resultados em um modelo genérico de

dinâmica de sistema são apresentados no saldo (estoque), que representa o

acúmulo no sistema resultante da diferença entre variáveis (fluxos) de entrada e

saída retratando o estado do sistema em dado ponto no tempo, como pode ser

36

observado na Figura 5. Já os fluxos resultam de decisões dos agentes e políticas

sobre um sistema afetando o estoque.

Figura 5 - Modelo genérico de analise em dinâmica de sistema

Fonte: COSTA, 2004. Nota: Adaptado pelo autor.

Os modelos causais são diagramas que servem para descrever uma

situação-problema de acordo com o que pensa cada observador. São modelos que

procuram explicitar as relações de causa e efeito dentro do contexto do problema,

é o primeiro passo para compreender-se de forma gráfica as relações de feedback

que existem entre eles. Através dos modelos causais é possível:

a) maior compartilhamento de informações;

b) maior participação na construção do modelo e

c) maior comprometimento na execução da solução proposta para o

problema (VILLELA, 2005; VITOR et al., 2007).

O diagrama causal representado na Figura 6 representa as relações de

influência que há entre os elementos de um determinado sistema, ele permite

conhecer as relações que são estabelecidas entre as variáveis componentes desse

sistema: positiva (+) quando as variações ocorrem de maneira a balancear o

sistema e negativas (-) quando as variações ocorrem de maneira a reforçar o

sistema (FIGUEIREDO, 2009; SANNINO, 2006).

37

Figura 6 - Diagrama de Enlace Causal

Fonte: KAUFFMAN, 1991. Nota: Adaptado pelo autor.

O diagrama de fluxos e estoques, conforme a Figura 7, são

representações mais elaboradas da dinâmica de funcionamento dos sistemas,

possibilitando que haja uma operacionalização no sistema, ou seja, a visualização

de seu comportamento por meio de modelos de simulação computacional. Por trás

de todo modelo de estoque e fluxo, existe um sistema de equações matemáticas

que é usado pelo programa de simulação para traçar a dinâmica do sistema

modelado (VILLELA, 2005).

Figura 7 - Elementos Básicos da Modelagem

Fonte: VILLELA, 2005. Nota: Adaptado pelo autor.

38

Estoques representam o estado de um recurso, isto é, acumulações e

retiradas de algum recurso como, por exemplo, quantidade de água retirada,

quantidade de trabalhadores, área cultivada, ou número de habitantes de um

determinado local.

Fluxos produzem mudanças nas variáveis estoques, mostram atividades

que produzem taxa de crescimento ou redução dos estoques, tal como o

movimento de materiais e informações dentro de um sistema, como por exemplo,

fluxo de água de uma barragem, fluxo de pessoas numa estação rodoviária.

Variáveis auxiliares, podem processar informações a respeito dos

estoques e fluxos, ou ainda representar fontes de informação externa ao sistema,

como por exemplo, a taxa de consumo de água de determinada cultura em m³ por

hectare.

Conectores são as ligações de informações que conectam Estoques e

Fluxos, podendo realizar ligações de um ponto para diversos pontos,

demonstrando a causalidade positiva ou negativa.

3.2 Definição de Modelo

Radzicki (1997) define um modelo como uma representação externa e

explícita de parte da realidade percebida pela pessoa que deseja usar aquele

modelo para entender, mudar, gerenciar e controlar parte daquela realidade.

Segundo Mohpatra et al. (1994), os objetivos para a construção de um modelo do

sistema real são:

a) entender como um sistema real trabalha;

b) ter capacidade de reconhecer os fatores que exercem grande influência no

controle do comportamento do sistema;

c) experimentar e determinar as consequências da implantação de várias

formasde controle e políticas;

d) alcançar uma função de controle viável;

39

e) ter capacidade de compartilhar com outros o processo de investigação e seus

resultados.

Maami e Cavana (2000 apud BASTOS, 2003) apresentam a distinção

entre modelagem soft ou mental e modelagem hard ou formal. Modelagem soft,

defendida por diversos autores, refere-se à abordagem conceitual e contextual que

busca maior realismo, pluralismo e uma intervenção mais holística que a

modelagem hard. Os conceitos de modelagem soft e hard são também

relacionados às ideias de qualitativo e quantitativo. Observa-se no Quadro 4 estas

diferenças.

Quadro 4 - Diferenças entre as modelagens Soft e Hard

HARD (Formal) SOFT (Mental)

Definição do Modelo Apresentação da Realidade Um método para gerar debates

Definição do problema Uma única dimensão Múltiplas Dimensões

Agentes / Organizações Não são levados em conta Partes integrantes do modelo

Dados / Informações Quantitativos Qualitativos

Objetivos Soluções e otimizações Insight e aprendizagem

Resultados Produtos ou recomendações Aprendizado em grupo.

Fonte: NAAMI; CAVANA (2000 apud BASTOS, 2003). Nota: Adaptado pelo autor.

40

4 METODOLOGIA

A metodologia utilizada objetiva a criação de um modelo hard

computacional, que seja reflexo do sistema dinâmico que ocorre entre a oferta e a

demanda de água em uma barragem de abastecimento. Para isto foi utilizada a

teoria da Dinâmica de Sistemas, auxiliado pelo software Vensin PLE da Ventana

Systems.

Este modelo será denominado Hydro-EconModel – HyDDEM e sua

definição é Modelo de Sustentabilidade Hídrica que tem como principal função,

auxiliar a gestão de recursos hídricos como ferramenta robustana simulação de

cenários, fornecendo informações imprescindíveis para a correta promoção de

políticas públicas fundamentadas na eficiência da gestão de recursos hídricos.

Incialmente foi caracterizada a Bacia Hidrográfica a ser estudada,

levando-se em conta aspectos como clima, vegetação, geologia, solos, águas

superficiais e manejo.

Na sequencia elabora-seo balanço de recursos com a aquisição de

dados hidrológicos reais em bacia hidrográfica que possua barragem de

abastecimento que seja utilizada por diversos atores sociais, tais como população,

indústrias, perímetros irrigados, projetos públicos como exemplo o de Arranjo

Produtivo Local – APL, na área de aquicultura (Piscicultura), perenização de cursos

d’água, dentre outros possíveis.Os dados foram obtidos de órgãos oficiais do

governo, tais como, CODEVASF, Distrito de Irrigação do Perímetro Gorutuba - DIG,

ANA, Instituto Mineiro de Gestão das Águas - IGAM, dentre outros.

Após aquisição destes dados, analisam-se os componentes do balanço

hídrico considerando as ofertas e as demandas de água na bacia hidrográfica

estudada. Estes componentes foram imprescindíveis na criação do modelo.

Por fim, realizou-se a modelagem levando em consideração os enlaces

causais, diagramas de fluxos e retroalimentação de equilíbrio ou reforço que os

componentes do sistema possuem, além das interferências no estoque principal

que é a barragem.

41

4.1 Caracterização da Bacia Hidrográfica em Estudo

A área de estudo localiza-se em sub-baciadenominada Alto Gorutuba

pertencente à Bacia do Verde Grande que é um importante afluente da margem

direita do rio São Francisco.O Quadro 5 apresenta as fontes de caracterização dos

principais aspectos da área utilizados.

Quadro 5 - Fontes utilizadas na caracterização da área de estudo

Tema Principais Fontes

Aspectos Gerais ANA (2002) Projeto de Gerenciamento Integrado das Atividades Desenvolvidas em Terra na Bacia do São Francisco, Sub-projeto 4.2A, MMA (2007), IBGE (2005), CIM (IBGE, 2003).

Hidrografia Base hidroreferenciada (ANA, 2007), CODEVASF, Cartas Topográficas (Mapeamento Sistemático Brasileiro).

Uso e Ocupação MMA (2007), IBAMA (2008), IEF (2008), imagens de satélite Landsat TM 5 de agosto de 2008.

Climatologia e Percipitação

INMET (2009) e Hidroweb (ANA, 2009).

Disponibilidade Hídrica Superficial

Sistema de Informações Hidrológicas (Hidroweb) da Agência Nacional de Águas (ANA).

Qualidade das Águas Superficiais

CODEVASF (2004). Projeto de Irrigação Estreito; Instituto Mineiro de Gestão das Águas (IGAM).

Irrigação Socioeconômica

IBGE (1980, 1985, 1995); Rural Minas (1996); Sistema Integrado de Informações Ambientais – SIAM, IBGE, PNDU. Atlas do Desenvolvimento Humano; IPEA; IBGE / RAIS Ministério do Trabalho (2007).

Projeções Demográficas

IBGE (2000) Censo Demográfico; IBGE (1996 e 2006). Censos Agropecuários; IBGE (2004, 2005 e 2007). Projeções Populacionais; IGBE (1998/2007).


A caracterização da sub-bacia do Alto Gorutuba é proveniente da criação

do Plano de Recursos Hídricos da Bacia Hidrográfica do rio Verde Grande - PRH

42

Verde Grande, que visa articular os instrumentos da Política Nacional de Recursos

Hídricos e embasa as ações para a gestão e o uso múltiplo e integrado dos

recursos hídricos superficiais e subterrâneos.

Figura 8 - Mapa de Localização da sub-bacia do Alto Gorutuba


A sub-bacia do Alto Gorutuba possui 2.134,30 km² o que representa 7%

da bacia do Verde Grande, localizam-se nela os municípios de Janaúba, Nova

Porteirinha e Riacho dos Machados, sendo que os dois primeiros terão maior

importância neste estudo. Seu principal cursod’água é o Rio Gorutuba, principal

afluente da barragem de estudo denominada Bico da Pedra.

O principal demandante de água para abastecimento urbano é o

município de Janaúba que possuía no início da operação da barragem

aproximadamente 42.000 habitantes (IBGE, 1980). O último censo indica uma

população próxima de 67.000 habitantes em 2010 (IBGE, 2010). Portanto o

crescimento populacional avançou a uma taxa de crescimento de 56% em 30 anos

Alto

Gorutuba

43

e neste período a taxa de crescimento anual foi de 1,48% e mensal de 0,1232%.

Já estimativa populacional para o ano de 2015 foi de 70.886 habitantes (IBGE,

2016).

O regime pluviométrico mostra que a bacia é caracterizada por dois

períodos bem distintos. A estação chuvosa se estende de outubro a março, quando

ocorre cerca de 93% da chuva anual, e a seca, de abril a setembro.

A precipitação média anual na bacia, considerando o período base de

1979 a 2002, é de 866 mm. Os mais altos índices pluviométricos ocorrem nas

cabeceiras da bacia, atingindo 1.030 mm/ano, e vão diminuindo gradualmente em

direção ao centro e nordeste da bacia, até atingir valores inferiores a 750 mm/ano.

A bacia apresenta grande variabilidade interanual da precipitação.

Analisando uma série de dados de 24 anos, observa-se que em 3 anos (1979, 1985

e 1992) a precipitação ultrapassa os 1.200 mm/ano, enquanto em 7 anos os valores

foram inferiores a 650 mm/ano (1982, 1984, 1986, 1990, 1993, 1996 e 2001),

caracterizando assim anos de maior seca.

As classes de solos predominantes na bacia são os Latossolos

Vermelho-Amarelos e Vermelho (57% da área total), os Argissolos Vermelho-

Amarelos e Vermelho (26%) e os Neossolos (12%).

Os Latossolos são passíveis de ampla utilização, que inclui culturas

anuais, perenes, pastagens e reflorestamento, sendo que um fator limitante

normalmente é a baixa fertilidade, que pode ser superada com a aplicação de

corretivos e fertilizantes. Este tipo de solo é que mais caracteriza a área do

Perímetro Irrigado do Gorutuba, localizado a jusante da Barragem Bico da Pedra

na sub-bacia do Alto Gorutuba.

O uso do solo característico em nossa área de estudo tem como

relevantes, a Agricultura Irrigada com 3,15 % da área total da sub-bacia,

agropecuária com 21,8 % da área total da sub-bacia, Mata Ciliar com 5,59 % da

área total da sub-bacia, Silvicultura com 4,77 % da área total da sub-bacia e

Vegetações Arbustiva e Arbóreo-Arbustiva com 62,04 % da área total da sub-bacia.

44

A agricultura na bacia do Verde Grande implantou-se a partir de duas

frentes. Foram instalados na bacia grandes projetos de irrigação, destinados

inicialmente à produção de cereais e, posteriormente, direcionados para a

produção de frutas, especialmente banana. Nestes perímetros irrigados, o volume

maior de produção tem como base uma agricultura empresarial e é mais exigente

tanto em termos de investimento quanto em termos de manejo.

Nos cultivos permanentes, as principais culturas, em termos de área

ocupada, no período 2002/2003, foram a banana (73% da área total) e a manga

(10%), que são seguidos pelo coco (5%) e o limão (4%).

A produção agrícola dasub-baciado Alto Gorutuba possui destacada

participação da fruticultura, sendo a banana o principal produto dos municípios de

Janaúba e Nova Porteirinha. A banana é produzida por médios e grandes

produtores. O município de Janaúba sedia a Associação Central dos Fruticultores

do Norte de Minas – ABANORTE que congrega 16 associações, cooperativas,

sindicatos e empresas ligadas ao agronegócio com cerca de 3.500 produtores

rurais.

A irrigação merece destaque na sub-bacia do Alto Gorutuba, pois

proporcionalmente a sua área é a região com maior densidade de áreas irrigadas,

ocupando cerca de 6.746,46 há, conforme Gráfico 01, que apresenta a evolução

da área irrigada na Bacia do Verde Grande.

Gráfico 1 - Evolução da Área Irrigada na Bacia


45

A disponibilidade de água nos rios da bacia do rio Verde Grande é

especialmente importante para uma região com intenso desenvolvimento da

irrigação e, por outro lado, situada em um clima semi-árido. Para sua avaliação

foram consideradas vazões de estiagem, nos trechos onde não houver

barramentos que alterem o regime fluvial, e a vazão regularizada com 95% de

garantia somada à vazão incremental de estiagem, em seções a jusante de

reservatórios de regularização.

Cabe destacar que as 3 barragens de grande porte da bacia foram

construídas para atender os perímetros públicos de irrigação.Dentre elas e situada

na sub-bacia do Alto Gorutuba temos a Barragem do Bico da Pedra, cuja operação

foi iniciada em 1979 para atender aos perímetros de irrigação da Lagoa Grande e

Gorutuba, com volume projetado para 705 hm³ e útil de 481 hm³com regularização

de 3,1 m³/s.

O consumo de água na bacia em termos médios anuais é da ordem de

9,3 m³/s. Em termos de tipo de usos, predomina a irrigação, que responde por

90,1% (8,4 m3/s), seguida da dessedentação animal (6,4%) do abastecimento

humano urbano e rural (3,1%) e da indústria (0,4%). As vazões registadas na Sub-

bacia do Alto Gorutuba são de 0,044 m³/s para dessedentação animal, 0,019 m³/s

para consumo humano urbano, 0,003 m³/s para consumo humano rural, 0,005m³/s

para consumo industrial e 1,41 m³/s para irrigação, de um total de 1,481 m³/s de

consumo total.

O balanço hídrico na Bacia do Verde Grande apresenta-nos um quadro

crítico conforme observa-se na Figura 11.

46

Gráfico 2 - Disponibilidade Hídrica Superficial da Bacia.

Fonte: BRASIL, 2001.

4.2 Perímetro de Irrigação do Gorutuba

A região compreendida pelo Vale do Rio Gorutuba (abrange as cidades

de Janaúba, Nova Porteirinha, Porteirinha e Riacho dos Machados) caracteriza-se

pelo clima tipo semiárido, com precipitação anual média de 850 mm, distribuídas

entre os meses de novembro a março, e um forte período de estiagem nos sete

meses restantes do ano.

Por outro lado, os solos apresentam boas características físicas e

químicas que, aliadas à técnica de irrigação, transformou esta região no mais

importante polo de fruticultura do Estado de Minas Gerais, gerando e distribuindo

recursos substanciais para a economia local, através da produção e

comercialização de frutas e seus derivados para todo o Brasil.

A base desse desenvolvimento é a presença de um bom manancial de

água superficial decorrente da construção, pela CODEVASF, da Barragem do Bico

da Pedra, que serve como fonte permanente de água para uso na irrigação.A

Barragem do Bico da Pedra apresenta na Figura 12 seu maciço, que possibilita a

ocupação de uma área total de 3.830 ha pela bacia hidráulica (espelho d’água),

47

com a função de armazenar água para irrigação, perenização do Rio Gorutuba,

abastecimento humano e recreação. Sua capacidade projetada era de 705 hm³,

mas devido ao assoreamento aferidopor batimetria realizada em 2007 pela

CODEVASF, atualmente seu volume máximo é de 560,33 hm³ e sua cota máxima

é 553,19 m.

A construção desse empreendimento permitiu a criação de uma forte

agricultura irrigada consolidada, com a presença de dois perímetros de irrigação,

o Perímetro de Irrigação Gorutuba - PGO e o Perímetro Lagoa Grande – PLG.

Conforme o DIG (2016), a área total irrigável dos dois perímetros é de

6.545,95 ha, sendo 2.459,54 ha irrigáveis para 380 pequenos produtores e

4.086,41 ha irrigáveis para 113 médios e grandes produtores, tendo como

principais culturas a banana, manga, mamão, uva, goiaba e produção de sementes.

Desse total de 6.545,95 ha potencialmente irrigáveis, estão sendo utilizados

aproximadamente 4.825,00 ha, ou seja, 25% da área não estão sendo utilizado,

em virtude da restrição hídrica, o que representa uma redução de mais de 2.600

empregos diretos e indiretos na região e prejuízos na ordem de R$ 25 milhões ao

ano. As Figuras 10 e 11 apresentam detalhes dos perímetros PGO e PLG.

Figura 9 - Vista área da Barragem Bico da Pedra

Fonte: CODEVASF, 2007.

48

Figura 10 - Vista Aérea da Barragem Bico da Pedra, PGO e Perímetro Urbano

Fonte: Google Earth, 2015. Nota: Dados trabalhados pelo autor em software de tratamento de imagem.

49

Figura 11 - Localização da Barragem Bico da Pedra e Perímetros Irrigados

Fonte: DIG, 2000.

4.3 Elaboração de Balanços de Recursos

A metodologia a adotar para a elaboração de balanços de recursos e

necessidades de água pode ser sistematizada esquematicamente da seguinte

forma:

a) promover a coleta de dados sobre elementos climatológicos e hidrométricos,

no que se refere às águas superficiais;

b) caracterizar a bacia hidrográfica onde está inserida a barragem de

abastecimento;

c) inventariar os utilizadores da água (atores sociais) e proceder a inquéritos de

forma a determinar os consumos de água imputáveis às várias utilizações

especialmente irrigação;

50

d) tratar os dados referentes às necessidades de água, em particular da bacia

hidrográfica e procurando prever a evolução futura das necessidades.

4.4 Dados Hidrométricos

a) Precipitação: Dados pluviométricos de estação meteorológica da Agência

Nacional de Águas – ANA.Utilizou-se uma faixa temporal entre 1994 – 2013,

com média mensal de 753 mm.Estão representados nos Gráficos 3, 4, 5.

Gráfico 3 - Precipitação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba– 47 Anos

Fonte: ANA, 2013. Nota: Adaptado pelo autor.

Gráfico 4 - Precipitação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba– 20 Anos


51

Gráfico 5 - Precipitação Mensal na sub-bacia do Alto Gorutuba– Ano 2013


b) Evaporação: Foram fornecidos dados evaporativos da bacia hidráulica da

barragem, pelo DIG conforme o Quadro 6.

Quadro 6 - Evaporação Média na sub-bacia do Alto Gorutuba

MÊS EVAPORAÇÂO (mm)

MÊS EVAPORAÇÂO (mm)

Janeiro 114 Julho 182

Fevereiro 128 Agosto 199

Março 133 Setembro 207

Abril 140 Outubro 205

Maio 159 Novembro 145

Junho 162 Dezembro 111

Fonte: DIG, 2003. Nota: Adaptado pelo autor.

c) Vazão Base: Foram fornecidos dados da contribuição dos afluentes da

barragem referentes aos anos de 1939 à1988 pelo DIG, conforme Gráfico 06.

52

Gráfico 6 - Vazão Base Média– 35 Anos


d) Cotas da Barragem: Foram fornecidos dados de cotas da barragem referentes

aos anos de 1985 à 2014 pelo DIG conforme o Gráfico 7.Utilizou-se esta faixa

temporal de 20 anos para maior proximidade da realidade.

Gráfico 7 - Variação de Cotas da Barragem – 20 Anos


e) Volume Captado: Foram fornecidos dados de captação de água na barragem

pelos principais usuários pelo DIG conforme o gráfico 8, tendo como

referênciao período de 2003 à 2012.Utilizou-se esta faixa temporal de 10 anos

53

para maior proximidade da realidade. Estes dados foram disponibilizados

oficialmente pelo DIG ao autor desta pesquisa.

Gráfico 8 - Volume Captado – Atores Sociais – 10 Anos


4.5 Elaboração do Balanço Hídrico

É muito importante a constante avaliação do balanço hídrico de uma

barragem, pois pode haver muita evaporação e infiltração na região havendo

necessidade de se reexaminar o volume do reservatório constantemente.

Não adianta somente calcular o volume necessário para um

empreendimento, pois o balanço hídrico é vital em caso de retirada de água para

irrigação ou para tratamento de água.

O objetivo é utilizar uma metodologia de aplicação do balanço hídrico de

uma barragem de abastecimento para ver o comportamento da mesma durante um

determinado tempo. Em casos especiais, deverá ser feito estudo aprofundado e

detalhado do balanço hídrico, com análises mais rigorosas, conforme recomendado

pelo Georgia (2016).

54

A equação básica do balanço hídrico está baseada na equação da

continuidade da massa. Em um determinado sistema a água que entra ( I) menos a

água que sai (O) é igual a variação do volume num determinado tempo (dS/dt). Um

sistema pode ser composto de vários subsistemas que na verdade são novos

sistemas em separado, como, infiltração, precipitação, volume de entrada, etc.

O sistema escolhido denomina-se de volume de controle no qual o fluido

é tratado como massa concentrada num ponto do espaço.

A metodologia a para a elaboração de balanço hídrico aplicará a Lei da

Conservação da Massa ao Volume de Controleapresentado na Figura 12,

conformeStateofGeorgia, 2016.Esta pode ser sistematizada esquematicamente da

seguinte forma:

Figura 12 - Esquema de Balanço Hídrico em Barragem

Fonte: GEORGIA..., 2016. Nota: Ilustração gerada a partir de dados extraídos do relatório.

Diferença de armazenamento = Entradas – Saídas

∆V = ∑ I - ∑ O

Sendo:

∆V = variação do volume no tempo que consideraremos de um mês(m³)

∑ I = somatório dos volumes de água que entram no sistema isolado (m³)

∑ O= somatório dos volumes de água que saem do sistema isolado (m³)

∆V = P + Ro + Qb – I – E – Eto – Ov - Ou

55

Sendo:

∆V = variação do volume no tempo de um mês(m³ / mês)

P =volume precipitado na superfície daágua (m³/mês)

Ro = escoamento superficial ou runoff da área que cai na represa (m³/mês)

Qb= volume referente a vazão base que chega à represa (m³/mês)

I = infiltração da água no solo na represa (m³/mês)

E = evaporação na superfície líquida da represa (m³/mês)

ETo =evapotranspiração de referência (m³/mês)

Ov= overflow, isto é, volume que sairá da represa (m³/mês)

Ou= volume retirada para outros fins, tal como irrigação (m³/mês).

4.6 Precipitação – P

Trata-se da precipitação diáriaem milímetros que pode ser compilada em

média mensal ou anual, estaobtida por pluviômetros na região e registrada por

órgãos oficiais como ANA, IGAM, DIG, INMET, dentre outros. O Gráfico 9 nos

apresenta a variação da precipitação entre os anos de 2007 a 2015.

Gráfico 9 - Precipitação Pluviométrica Anual - Semiárido do Brasil

Fonte: INMET, 2015.

56

4.7 Escoamento Superficial – Ro (Runoff)

A precipitação caindo no solo, uma parte se infiltra, outra escoa,

formando o escoamento superficial, ou seja, o runoff. Num curto intervalo de tempo

podemos deixar de considerar a evapotranspiração. Uma parte da precipitação fica

aderida as folhas e a superfície impermeável e consideramos então que 10% da

precipitação ficamretidas por aderência e devido a isto que consideramos somente

90% do runoff.

Ro = (P/1000) x A x AD x Rv

Sendo:

Ro = Escoamento superficial ou runoffmensal (m³/mês)

P = Precipitação do mês (mm)

A= Área total da bacia (m²)

AD = Coeficiente de aderência (Percentual)

Rv = Coeficiente Volumétrico (adimensional)= (0,05 + 0,009) x AI

AI = Área impermeável (Percentual)

4.8 Vazão Base – Qb

A vazão base pode levar em conta ou não a recarga do aquífero. Estafaz

referência à contribuição de um curso d’água e a recarga pelas águas de chuva na

barragem. Neste estudo iremos utilizar para cálculo, tanto a vazão base Qb, quanto

a recarga Rr. Caso considerar a vazão base, poderíamos estimá-la usando a vazão

Q7,10 conforme método de Regionalização Hidrográfica de Pallos et al., (2011).

Para o caso da Barragem localizada na cidade de Janaúba com P= 800

mm/ano situada na Região Hidrográfica do São Francisco, segundo o Atlas Digital

das Águas de Minas, região Norte de Minas Gerais, podemos considerar a vazão

Q7,10 de 0,0275L/s x há ou 2,7 L/s x km² conforme a Figura 13. A área de

57

contribuição para formar uma vazão base deve ser no mínimo de 10ha (STATE OF

GEORGIA, 2016).

Figura 13 - Vazão Q7,10na Região Hidrográfica do São Francisco

Fonte: ANA, 2011.

Para aferir a Recarga do Aquífero – Rr, utilizou-se a fórmula empírica

para Recarga Média Anual desenvolvida por Kumare e Seethpathi (2002).

Rr = 1,37 x (P – 388)0,76

Sendo:

Rr = Recarga do aquífero subterrâneo devido somente as águas de chuva (mm)

P = Precipitação média anual da estação (mm)

Então tem-se:

Rr= 1,37 x (800 – 388)0,76 = 0,021 L/s x ha

Neste caso, orientado pela literatura, iremos adotou-se como fator de

segurança apenas 50% desta vazão. Portanto tem-se:Rr =0,021 / 2 = 0,0105 L/s x

ha.

Rr = 0,0105 L/s x há

58

4.9 Infiltração – I

A infiltração é o processo pelo qual a água das chuvas, da neve derretida

ou da irrigação penetra nas camadas superficiais do solo e se move para baixo em

direção ao lençol d’água segundo Rawlsetal, (1993). A infiltração é um fenômeno

complexo, difícil de ser determinado com exatidão e que varia no tempo e no

espaço.A taxa de infiltração pode variar de acordo com a estrutura do solo e com

a quantidade de água já contida no mesmo, esta taxa é alta quando o solo ainda

não está saturado, mas é reduzida consideravelmente a medida que o solo se

aproxima da saturação.Para calcular a infiltração da água no solo usou-se a

equação formulada na Lei de Darcy que em 1856 estudando a permeabilidade na

zona saturada, Henry Darcy concluiu que para um filtro de área (A) comprimento

(L), a vazão constante será:

Q= K x A x G

Sendo:

Q = Vazão constante que passa pelo cilindro (m³/dia)

A= Área da seção transversal do cilindro (m²)

K = Condutividade Hidráulica (m/dia)

G = Gradiente Hidráulico (m/m)

Na prática pode-se adotar para áreas planas o gradiente hidráulico G= 1

e para áreas com declividade maiores que 4H: 1V gradiente hidráulico G= 0,5.

59

Quadro 7 Condutividade hidráulica K em função do tipo de solo

TIPO DE SOLO K (mm/h) K (m/dia)

Areia 201,06 4,96

Areia Franca 61,21 1,45

Franco Arenoso 25,91 0,61

Franco 13,21 0,31

Franco Siltoso 6,86 0,16

Franco Argilo Arenoso 4,32 0,10

Franco Argiloso 2,29 0,05

Franco ArgiloSiltoso 1,52 0,04

Argila Arenosa 1,27 0,03

Argila Siltosa 1,02 0,02

Argila 0,51 0,01

Fonte: GEORGIA, 2016. Nota: Adaptado pelo autor.

4.10 Evaporação–EeEvapotranspiração - ETo

Existem duas evaporações importantes, a evapotranspiração do solo

com as plantas e a evaporação somente da superfície liquida.

A evaporação da superfície líquida é geralmente maior que a

evapotranspiração onde são consideradas as plantas.

Para o cálculo da evaporação da superfície líquida tem-se o Método de

Penman-Monteith, mas a falta de informações climáticas oficiais para a região

estudada inviabiliza a aplicação empírica do método.

60

Segundo Suassuna (2002), percebe-se a relevância de estudos para

minimizar as perdas nos corpos d’água, dentre essas, destaca-se o entendimento

da evaporação, uma variável crítica dentro do balanço hídrico de regiões

semiáridas, chegando a representar 92% do volume médio precipitado anual.

Estudos realizados no semiárido estimam que cerca de 40% das águas

acumuladas em reservatórios se perde com a evaporação.

Portanto utilizo:

E = VB x 0,4

Sendo:

E = Evaporação na Barragem (mm/mês)

VB= Volume de Água da Barragem (m³/mês)

0,4 = Índice correspondente à perda de 40 % do volume de água por evaporação

ETo = PMAx 0,92

Sendo:

ETo = Evapotranspiração na Bacia Hidrográfica (mm/ano)

PMA = Precipitação Média Anual (mm/ano)

0,92 = Índice correspondente à perda de 92 % do volume de água

4.11 Overflow - Ov

Considera-seuma barragem como um sistema isolado aberto. Entra

água e sai água. O volume de água liquida sai pelos extravasores e segue adiante

em caso de sangramento da barragem, ou ainda quando é necessária uma vazão

de perenização do curso d’água a jusante da barragem. É o overflow.Em nosso

estudo o overflow é de

Ov = Sg+Pz

61

Sendo:

Sg = Volume de água em período de sangramento (m³/s)

Pz = Volume de água utilizado na perenização do curso d’água a jusante (m³/s)

4.12 Offer–Of

O volume de água que sai pelos canais e segue adiante em caso de

fornecimento aos atores sociais – A, tais como o Projeto de Irrigação, Companhia

de Abastecimento de Água, Projetos Públicos, Indústrias, etc. É o offerou oferta de

água da barragem que sai do sistema.

Of = A1+A2+A3...+AN

Sendo:

A = Atores Sociais com consumo em (L/s)

4.13 Modelo de Dinâmica de Sistemas – Hydron-EconModel (HyDDEM)

O volume de água da barragem “DAM” (ɧ1) é influenciada positivamente

e de maneira natural por 03 componentes do balanço hídrico sendo que de maneira

direta a precipitação (ɧ11) que ocorre sobre a sua superfície além da vazão base

(ɧ12) que é a oferta dos cursos d’água e inclui a recarga do aquífero, sendo que de

maneira indireta pelo escoamento superficial (ɧ13) que ocorre em sua bacia

hidráulica. As influências negativas que ocorrem de maneira natural são a

evaporação (ɧ14) que ocorre diretamente na lâmina d’água da barragem, a

evapotranspiração (ɧ15) na bacia hidráulica e a infiltração (ɧ16) que ocorre no fundo

da barragem, já as que ocorrem de maneira antrópica são o overflow (ɧ17) que pode

ser por transbordamento da barragem ou pelo ato de perenizar o curso d’água à

jusante da barragem e por fim o offer (ɧ18) que é a saída de água que abastece os

atores sociais, tais como, população, indústria, irrigação e projetos

socioeconômicos como a piscicultura. Isto resulta na seguinte equação:

62

𝑑

𝑑𝑡ɧ1 =ɧ1+ɧ12+ɧ13+ɧ14+ɧ15+ɧ16+ɧ17+ɧ18

A partir da equação formulada e de outros possíveis componentes que

influenciam o sistema proposto, chegou-se ao modelo de dinâmica de sistemas

representado na Figura 14.

Para um melhor entendimento, foi criado o Quadro 8 contendo as

principais variáveis do modelo HyDDEM, divididos por configurações iniciais,

ajustes do modelo, características naturais, entradas naturais, saídas naturais,

características populacionais e agentes antrópicos. Além de suas descrições e

dados quantitativos.

63

Figura 14 - Hydro-EconModel – HyDEM

Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.

Quadro 8 - Principais variáveis e descrições do ModeloHyDDEM

(Continua)

VARIÁVEL DESCRIÇÃO EQUAÇÃO ALCANCE UNIDADES

Variáveis de Configurações do Modelo

Início da Simulação (INITIAL TIME)

Variável de controle interno do software. Indica o limite inferior da simulação. (COSTA, 2004).

= 0 0 – ∞ Adimensional (Dmnl)

Final da Simulação (FINAL TIME)

Variável de controle interno do software. Indica o limite superior da simulação. (COSTA, 2004).


Ciclos (TIME STEP)

Indica a quantidade de ciclos de cálculo em cada unidade de tempo. (COSTA, 2004).

= 0.125 (08 ciclos por unidade de tempo)

0.0078125 - 1

Adimensional (Dmnl)

Frequência de registros (SAVEPER)

Indica a frequência na qual a saída vai ser registrada / guardada. (COSTA, 2004).


Unidade de Tempo (Units for Time)

Indica a unidade de tempo utilizada na simulação. (COSTA, 2004).

= month (meses)

Anos – Segundos

Adimensional (Dmnl)

65

Tipo de Cálculo

(IntegrationType)

Varia entre Euller e RK4, sendo que este último é mais eficiente. (VALLE, 2012).

= RK4 Euller – RK4

Adimensional (Dmnl)

Variáveis de Ajustes do Modelo

Conversão de unidades (CONVERT)

Cada 1 mm de chuva medido em estação meteorológica corresponde ao volume de 0,001 m³ ou 01 litro.

Tipo - Constant

(0.001)

0 – ∞ Adimensional

(Dmnl)

Unidade de tempo (TIME)

Indica a unidade de tempo durante a execução do Software. É importante para verificar as variáveis. (COSTA, 2004).

- 0 – ∞ Adimensional (Dmnl)

Retardo em Evento

(DELAY)

Possibilita um ajuste no início de um novo evento. Se inicia no t=0 pode iniciar no t=5. (COSTA, 2004).

Tipo - Auxiliary

(Delay Fixed (1,448,201)

Variável Adimensional (Dmnl)

Principais Variáveis de Utilização do Modelo (CARACTERÍSTICAS NATURAIS)

Área da Bacia (BASIN AREA)

Área da Sub-Bacia do Alto Gorutuba. (ANA, 2011). Tipo - Constant

2,134e+9 (m²)

Área da Barragem

(DAM AREA)

Área da Barragem do Bico da Pedra localizada na cidade de Janaúba/MG Brasil. (DIG, 2016).

Tipo - Constant

3,83e+7 (m²)

66

Principais Variáveis de Utilização do Modelo (ENTRADAS NATURAIS)

Precipitação (RAINFALL TAB)

A quantidade de água de chuva aferida em estação meteorológica, mês/mês 447 medições ou 37 anos. Entre Outubro de 1978 a Dezembro de 2015. Acrescida de mais 13 pontos com precipitação média = 57 mm/mês (DIG, 2016).

Tipo – Lookup [(0,0)-(447,700)]

1 – 369,7 (mm/month)

Escoamento Superficial

(RUNOFF)

A quantidade de água de chuva que ao cair na Bacia Hidrográfica escoa em direção aos cursos d’água ou diretamente na barragem. (ESTADO DA GEÓRGIA, 2015).

Tipo - Auxiliary

(RAINFALL * BASIN AREA * Rv * 0.8)

2.9e7 – 3.9e7

(m³/month)

Vazão Base (BASE FLOW)

Q7,10 = 2,7 L/s x km²; convertendo teremos 149.366,85 m³/mês em bacia com 2.134,3 km². (HIDROTEC, 2011).

Tipo - Constant

149.366,85 (m³/month)

Recarga do Aquífero(AQUIFER BASE)

Rr = 1,05 L/s x km²; convertendo teremos 149.366,85 m³/mês em bacia com 2.134,3 km².(HIDROTEC, 2011).

Tipo - Constant

60.022.94 (m³/month)

Precipitação Média

(AVERAGE RAINFALL)

Precipitação Média nos últimos 08 anos. Distribuído por meses. (INMET,2015).

Tipo – Constant (688/12)

57,3 (mm/month)

Principais Variáveis de Utilização do Modelo (SAÍDAS NATURAIS)

Infiltração

(INFILTRATION)

Calculada pela Lei de Darcy. (TOMAZ, 2007).

Média das cotas em 03 anos é 541,0 =à área de 9,87 km² (1/4 da máxima). (DIG,2016).

Tipo - Auxiliary

[(DAM AREA/4)* G*K*30]

6,7e6 (m³/month)

67

Evaporação

(EVAPORATION TAB)

Tabela contendo evaporação mensal do reservatório em 01 ano. (DIG,2016).

Tipo – AuxiliarywithLookup

((0,0)-(12,200))

0 - 200 (mm/month)

Evapotranspiração

(EVAPOTRANSPI-RATION)

Índice de 92% em reservatórios, frente ao volume médio precipitado anual. (SUSSSUNA,2002).

Tipo - Auxiliary

[AVERAGE RAINFALL*CONVERT*0,9*(DAM AREA /4)]

505.000 (m³/month)

Variáveis de Utilização do Modelo (CARACTERÍSTICAS POPULACIONAIS)

População

(POPULATION)

Estoque do crescimento populacional. População inical 43.000 hab. (IBGE, 1980).

Tipo - Level

43.000 Habitantes (Person)

Taxa de Crescimento

(GROWTH RATE)

Índice de crescimento baseado na média local em 30 anos. (IBGE, 2015).

Tipo - Constant

0,0012 Adimensional (Dmnl)

Taxa de Urbanização

(URBAN RATE)

Índice de influência direta no consumo de água. (CODEVASF, 2010).

Tipo - Constant

0,84 Adimensional (Dmnl)

Taxa de Consumo de Água Urbana

(AVERAGE WATER CONSUMPTION)

Índice de influência direta no consumo de água. (ANA, 2010).

Tipo - Constant

6 (m³/month)

68

Variáveis de Utilização do Modelo (SAÍDAS ANTRÓPICAS)

Perenização

(PERPETUATION RIVER)

Volume de água utilizado para manter perene o curso d’água. (DIG,2016).

Tipo - Auxiliary

1e+006 (m³/month)

Consumo Industrial

(INDUSTRIAL DEMAND)

Volume de água utilizado para o uso industrial em dado momento. (DIG,2016).

Tipo – Auxiliary

(10000*Time/ DELAY)

0 – 5,4e+006

(m³/month)

Consumo de Projetos Especiais

(FISH PROJECT)

Volume de água utilizado em Projetos Especiais, neste estudo Pisicultura. (DIG,2016).

Tipo – Auxiliary

(150000*Time/ DELAY)

0 – 81e+006

(m³/month)

Consumo do Projeto de Irrigação

(IRRIGATION PROJECT)

Volume de água utilizado para o uso em Irrigação, neste estudo Projeto Gorutuba - PGO. (DIG,2016).

Tipo – Auxiliary

(5,8E+006*Time*NIP)

5,8E+006 (m³/month)

Expansão do Projeto de Irrigação

Volume de água utilizado para o uso em Irrigação, neste estudo Expansão do Projeto Gorutuba - PGO. (DIG,2016).

Tipo – Auxiliary

(Irrigation Area*Rate Consumption* Time)

150 – 85,7e+006

(m³/month)

69

(NEW IRRIGATION PROJECT - NIP)

Taxa de consumo da cultura

(RATE CONSUMPTION)

Índice de consumo de água da cultura de banana por m² de plantação. (DIG,2016).

Tipo – Constant

0,3 (m³/month)

Área de Expansão da Irrigação

(IRRIGATION AREA)

Área disponível dentro do PGO. Inicia o processo com 50ha até 2.000 ha (DIG,2016).

Tipo – Level

(Irrigation Area*Growth Rate Irrigation/DI)

500000 (m²)

Taxa de Expansão da Irrigação

(GROWTH RATE IRRIGATION)

Índice de influência direta no consumo de água irrigada em projeção.

Tipo - Constant

0,01 Adimensional

(Dmnl)

Inicio da Expansão (DI - DELAY IRRIGATION)

Período no modelo de início da expansão. Tipo – Level Delay Fixed

(95,448,94)

Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 Software de Criação do Modelo

O software utilizado para promover os resultados deste estudo

apresentado na Figura 15, foi o Vensim® PLE para Windows® versão 6.3E

registrado pelo autor.

Figura 15 - Vensim® PLE Versão 6.3E

Fonte: Elaborado pelo autor, 2016. Nota: Figura extraída do Software Vensin.

5.2 Configuração do Modelo

O princípio da simulação foi definido com base no ano hidrológico

brasileiro eem dados de precipitação do início da operação da barragemem 01

deOutubro de 1978.Utilizamosnesta simulação uma faixa temporal de 45 anos

(1978-2023) capaz de contemplar eventos catastróficos sejam eles em períodos de

estiagens ou períodos de inundações.Este período definido corresponde a 540

meses que graficamente concebe um ponto capaz dereferenciar um mês e ano

específico. Assim, 01 de outubro de 1978 corresponde ao tempo1do gráfico de

resultados.

71

5.3 Calibração do Modelo

Dentro dos 37anos iniciais, correspondentes ao período de outubro de

1978 a dezembro de 2015, foram utilizados dados empíricos quanto ao

componente de entrada chuva (rainfall) e de saída evaporação (evaporation).

Neste período, utilizou-se dados de entrada e saída iguais, segundo Figura 16,

sendo todas as demais variáveis consideradas nulas. Foi utilizado para fins de

projeção e analise de tendência.

Figura 16 - Dados de entrada e saída da calibração


Observa-se na Figura 17 que o sistema comportou coerentemente,

sendo que a saída anula a entrada.

72

Figura 17 - Comportamento da Barragem (DAM) em equilíbrio.


5.4 Verificação do Modelo

Este modelo foi verificado em três aspectos:

Coerência na conceituação do modelo com a metodologia referenciada.

Consistência das unidades utilizadas e sua relação com a realidade.

Estabilidade dos resultados quanto ao aumento do tempo de integração.

Aferiu-se então que o modelo com suas variáveis atende aos principais componentes

do balanço hídrico; as variáveis tiveram suas unidades temporais convertidas para o

mesmo período da entrada de dados; e foi utilizado um intervalo de tempo de 0,03125

meses (menos que 01 dia) para o cálculo das integrações tipo RungeKuttade 4ª ordem

a fim de comprovar a estabilidade, conforme a Figura 18.

73

Figura 18 - Configurações do Modelo no Vensim® PLE


5.5 Validação do Modelo

Para validação deste modelo, utilizaremos um fato histórico no

comportamento do balanço hídrico da região estudada. Após 01 ano

aproximadamente de operação da barragem, esta promoveu seu primeiro

sangramento com registros pelo Distrito de Irrigação do Gorutubano ano de 1979;

atingindo além de sua capacidade máxima de retenção que era projetada para 705

hm³.No modelo iremos retirar a ação antrópica e aferir seu comportamento com as

entradas e saídas naturais apresentada na Figura 19.

74

Figura 19 - Modelo HyDDEM com variáveis naturais


Ao rodarmos o modelo HyDDEM apenas com os as variáveis que

influenciam o sistema de maneira natural, conseguimos aferir graficamente através

da proporção de áreas o volume final. Este cálculo de balanço tem os dados

principais apresentados no Gráfico 10, que são a área das regiões X1, X2 e X3,

sendo que a área X1 tem capacidade de 128 Milhões de m³ ou 128,00 hm³.

75

Gráfico 10 - Volume de Água da Barragem - HyDDEM com variáveis naturais

Fonte: Elaborado pelo autor, 2016. Nota: Gráfico extraído do Software Vensin.

Para o cálculo utilizaremos uma regra de três simples, sendo que as

áreas foram aferidas em software CAD, através da importação do arquivo tipo

Windows Metafile (.wmf) proveniente do gráfico gerado no Vensim.

Portanto teremos:

Vt = [(X2-X3) * (V1÷X1)]

Sendo:

Vt = Volume total disponível no período de 01 ano

X1 = Área relativa ao volume conhecido

X2 = Área relativa ao volume de entrada desconhecido

X3 = Área relativa ao volume de saída desconhecido

V1= Volume relativo a área conhecida

76

Após a realização dos cálculos teremos o volume total disponível em

período de um ano aproximadamente Vt= (3.035,5) * (0,295) = 865,50 hm³.

Salientando que a diferença de 150,0 hm³ aproximadamente se dá aos seguintes

fatores, volume que estará em vazão durante o sangramento dentro de um período

de tempo; além de vazões iniciais de fornecimento de água urbana, irrigação,

dentre outros possíveis fatores antrópicos.

Esta validação possibilita a independência do modelo frente a dados

subjetivos, uma vez que foi testado com dados históricos de uma boa variedade de

fontes oficiais nos âmbitos Federal, Estadual e Local. Os resultados apresentados

abaixo refletem uma modelagem de informações que estão de acordo com os

dados e experiências históricas ocorridas.

5.6 Resultados do Modelo

Os resultados do modelo HyDDEM são apresentados nessa seção,

utilizando as saídas de informações tratadas pela modelagem via Vensim, através

de informações suplementares fornecidas sempre que necessário. A ênfase será

na simulação de situações problema tendo como eixo as quatroconsiderações

abaixo:

1. A área projetada para a inundação da Barragem, conhecida por Bacia

Hidráulica é apropriada às condições climáticas locais?

2. Caso ocorra uma seca de grandes proporções que perdure por um ano, qual

o comportamento do sistema, especialmente frente ao abastecimento da

agricultura irrigada?

3. No caso de um êxodo regional para o município abastecido pela barragem,

podendo atingir um índice de crescimento de 5% ao mês, qual pressão

ocorrerá no sistema de abastecimento?

4. Qual impacto ocorreria caso o projeto de irrigação fosse ampliado, a partir de

uma área inicial com cincohectares e crescimento de 13% ao mês?

77

5.6.1 Resultado da Situação Problema 01

Inicialmente há uma tendência natural de imaginar que quanto maior a

bacia hidráulica ou lâmina d’água mais estável será o comportamento da barragem

e sua tendência seria no sentido do aumento da oferta. Mas o Gráfico 11 demonstra

uma tendência contrária, uma vez que os fatores climáticos como precipitação e

evaporação, neste caso tem relevância e estão incluídos no cálculo do modelo.

A caracterização das curvas é a seguinte, “AREA ORIGINAL” tem

3.830,0 ha; a “AREA-” tem 383,0 ha; a“AREA+” tem 38.300 há e a “AREA OK” tem

2.000,0 ha.

Neste caso, a simulação indica que se a Área destinada a Bacia

Hidráulica atual não é apropriada a região implantada. Constata-se que se esta

tivesse a metade da área original, o sistema trabalharia em superávit.

Gráfico 11 - Situação Problema 01 – Área da Bacia Hidráulica


78


Esta situação merece novamente uma analise gráfica conforme

realizada para validação do modelo no Item 5.5.O resultado será quantificar a

demanda registrada na situação natural, que indica a escassez hídrica que

ocorrerá durante o ano. O Gráfico 12 apresenta a variação gráfica das situações

naturais e extremas.

Após a realização dos cálculos teremos o volume total perdido em

período de um ano aproximadamente Vt= (2.749) * (1.37) = 3.780,0 hm³.

Anualmente no período simulado a demanda da irrigação é de 69,6 hm³.

Neste caso, a simulação indica que haveria um caos no principal

demandante antrópico de água que é a irrigação; demonstrando a gravidade desta

situação que da mesma forma recairia sobre a população.

Gráfico 12 - Situação Problema 02 – Estiagem no Período de 01 ano


79


Em uma situação de grande aumento populacional devido à imigração, o

impacto deste fator dentro do sistema irá ocorrer de forma crescente exponencial e

não linear caso ocorresse naturalmente. A situação, foi simuladaem um período de 8

anos e 4 meses e um crescimento de 5% ao mês. O resultado será quantificar a

diferença registrada nas duas situações, frente o comportamento da barragem. O

gráfico 13, apresenta a variação gráfica das situações naturais e extremas.

A população estimada com crescimento natural (POP ORIGINAL) possibilita ao

final do período que a barragem possua121,68 hm³ de água. Na situação extrema de

crescimento (POP IMIGRAÇÃO) a quantidade de água será de 90,51 hm³. Portanto

ocorrerá um déficit de 31,17 hm³ no volume total de água da barragem.

A simulação indica que os órgãos governamentais deveriam agir com políticas

públicas para conter este crescimento que afetaria não somente o volume de água na

barragem, mas também nos serviços públicos urbanos quanto ao fornecimento de

água e tratamento de esgoto. Outro ponto que pode ser posteriormente analisado é a

vazão máxima do sistema e se esta satisfaria a demanda simulada.

Gráfico 13 - Situação Problema 03 – Êxodo Regional


80


A necessidade de ampliação do sistema econômico em momento de

crise abrevia o aumento da taxa de desemprego, especialmente dentro de

situações onde expansão da área de irrigação não é possibilitada, devido à falta

de previsibilidade do sistema.

A simulação original utilizou a possibilidade de expansão de área inicial

com 50 ha a uma taxa de crescimento de 1% ao mês.

A simulação denominada Expansão apresenta no ponto 500 uma

tendência de queda brusca no volume de água devido o aumento de 1% para 8

%na área irrigada por mês. Esta tendência segue até o ponto 539 onde o volume

de água chega a zero conforme observado no Gráfico 14.

O resultado demonstra que se não ocorrer ajustes nas variáveis do

sistema, a área irrigada não deverá ser ampliada para que o sistema não entre em

déficit.

Gráfico 14 - Situação Problema 04 – Ampliação da Área Irrigada.


81

6 CONCLUSÕES

Neste trabalho, o modelo de dinâmica de sistemas proposto apresentou

a variação do estoque de água em uma barragem, ao longo do tempo, observando

os principais componentes do balanço hídrico e seus demandantes sociais. É

possível dimensionar quantitativamente a influência das variáveis presentes no

modelo e realizar simulações capazes de auxiliar os gestores de recursos hídricos

em suas tomadas de decisão e proposições viáveis de políticas públicas que visem

o uso sustentável da água.

A possibilidade de simulação com faixas temporais de 60 anos é capaz

de nos indicar possíveis colapsos no sistema e promover estudos mais rigorosos

para tal entendimento; ou seja, o modelo denominado HyDDEM é capaz de revelar

uma possível situação escondida (hidden).

A utilização de dados históricos mensais da precipitação ocasionada

pelas chuvas valorizou nosso modelo, pois, cada ponto representado no eixo das

abcissas representará um mês e ano dentro do calendário gregoriano. Podendo

indicar uma faixa temporal de uma ocorrência.

A metodologia utilizada apresentou-se adequada quanto a validação e

robustez do modelo, gerando resultados e comportamento próximo da realidade.

Restando comprovado a ineficácia nas tomadas de decisões de políticas

públicas, quanto ao dimensionamento e localização de barragens, pois, neste

estudo, área destinada à bacia hidráulica da barragem (3.830 ha) não é apropriada

a região (Semiárido Brasileiro) em relação a seus elementos e fatores climáticos.

O modelo apresentado é uma grande ferramenta de gestão na simulação

de cenários de forma rápida e confiável, capaz de auxiliar a tomada de decisão

mais correta, beneficiando todos os setores demandantes de água na busca de um

desenvolvimento sustentável. Demonstrando que Dinâmica de Sistemas é uma

ferramenta de apoio à decisão útil para a sustentabilidade dos recursos hídricos e

gestão. Os resultados da simulação nos darão novos insights sobre sistema de

abastecimento de água integrado em barragens.

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A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS … · A GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS DE BARRAGENS UTILIZANDO A TÉCNICA DE DINÂMICA DE SISTEMAS Dissertação apresentada ao Programa