Post on 17-Apr-2015
Física do Ambiente
Objetivos:
Entender como as mudanças do uso da terra afetam os fluxos de matéria e energia em diferentes escalas temporais e espaciais, e formular modelos capazes
de representar essas mudanças.
Física do AmbienteManaus, maio de 2005
Atividades propostas
I O desenvolvimento de modelos matemáticos em diferentes escalas para a simulação de processos
hidrológicos e da dinâmica de carbono;
II O desenvolvimento de ferramentas de software necessárias ao armazenamento e manipulação de
informação geo-espacial, que possibilitem o uso por tomadores de decisão dos modelos de ambientes;
III O Mapeamento funcional de ambientes como ferramenta
necessária à generalização de modelos de larga escala para toda a bacia Amazônica;
IV Água superficial e subterrânea.
Subprojeto I: Estudos numéricos e
observacionais da dinâmica de água e
carbono em áreas de florestas e pastagem na
Amazônia Central.
Localização da bacia Asu (Landsat)
(Fonte: Hodnett et al. 2004)
Representação esquemática da instrumentação da bacia Asu
WATER TABLE
TDR PIT (15 m)DEEP SOIL MOISTURE (LOGGED)
DIPWELLS FOR WATER LEVEL
4.8 m ACCESS TUBES FOR SOIL MOISTURE (WEEKLY)
DISCHARGE, EC AND DOC MEASUREMENT (UV-VIS)
INTERFLOW PITS
TENSIOMETERS & THETAPROFILE PROBES AT RESPIRATION MEAS. SITES
INTERFLOW PITS
TENSIOMETERS & THETAPROFILE PROBES AT RESPIRATION MEAS. SITES
TOWER -CLIMATE - AWS
HEAT & CO2 FLUX -SONIC + IRGA
WATER QUALITYSAMPLINGWATER QUALITYSAMPLING
RAINFALL– Chuva– Escoamento– Armazenamento Subterrâneo – Umidade do solo– Interceptação– Evaporaço– Fluxo de CO2 – DOC– POC
O que aprendemos nos estudos na bacia Asu?
Medidas mensais/ Estimativas de fluxo de água e energia.
0
50
100
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003
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003
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003
1/20
04
mm
/mo
nth
Rainfall Discharge Evaporation Interception
Características da chuva
Two dry seasons
aggregated
Two wet seasonsaggregated
R
h/m m
d
h
J u l / 2 0 0 2 – S e p / 2 0 0 3 4 . 1 9 2 . 0 9
O c t / 2 0 0 3 – A p r / 2 0 0 4 5 . 4 2 2 . 6 3
Perdas por interceptação
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313
Events
Rai
nfal
l (m
m)
Gross rainfall Interception loss
m m %
G r o s s r a i n f a l l 2 8 6 9 . 1 2
T h r o u g h f a l l 2 3 5 7 . 4 3 8 2 . 2
S t e m fl o w 2 3 . 8 1 0 . 8
I n t e r c e p t i o n 4 8 7 . 8 9 1 7 . 0
I n t e r c e p t i o n
%
J u l / 2 0 0 2 – S e p / 2 0 0 3 2 1 . 9
O c t / 2 0 0 3 – A p r / 2 0 0 4 1 2 . 1
• A variabilidade interanual e intrasazonal tem forte impacto sobre a interceptação
•A interceptação tem forte impacto no balanço hidrológico
Armazenamento no transecto hidrológico
0
20
40
60
80
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Distance from stream (m)
Hei
gh
t ab
ove
str
eam
at
gau
ge
(m)
T12, 13
T8, 9
T6, 7
T4, 5
T3 T1, 2
STREAM
15M SHAFTwith TDR
DELTA-T PROFILE PROBES MAX. WATER LEVEL (16 JULY 2002)
BOREHOLES
LIMIT OF CLAY LAYER
TRANSMISSION ZONE(also unsaturated)
SATURATED ZONE
UNSATURATED ZONE (soil)
Variação sazonais de armazenamento subterrâneo
0
4
8
12
16
01/11/01 31/01/02 02/05/02 01/08/02 31/10/02 30/01/03 01/05/03 31/07/03 30/10/03 29/01/04
He
igh
t ab
ove
dat
um
(m
)
7m 67m 150m
215 m 272 m 403 m
510 m 780 m
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
01/01/02 02/04/02 02/07/02 01/10/02 31/12/02 01/04/03 01/07/03 30/09/03 30/12/03
Gro
un
dw
ate
r g
rad
ien
t (m
m-1
)
10 - 67m
67 - 150m
150 - 215m
215 - 272m
272 - 403m
403 - 510m
510 - 780m
•O pico de recarga no platô ocorre no ápice da estação seca.
•Isso faz que o fluxo base seja máximo na estação seca, aumentando a capacidade de regularização da bacia.
Impacto da variabilidade interanual do clima sobre o ciclo hidrológico: Armazenamento
na bacia
1800
2300
2800
3300
3800
4300
5/11/2001 13/2/2002 24/5/2002 1/9/2002 10/12/2002 20/3/2003 28/6/2003 6/10/2003 14/1/2004
Sto
rag
e (
mm
)
350
400
450
500
550
600
Un
sa
tura
ted
sto
rag
e (
mm
)
Total Saturated Unsaturated
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700
Total Storage (mm)
Dis
char
ge
(mm
/day
)
Before October 2002 After october 2002
Baseflow [mm/day] = 1.801 10-7 Storage2 + 6.04 10-5 Storage - 0.6294
Impacto da variabilidade interanual do clima sobre o ciclo hidrológico: Descarga
Discharge Rainfall Transpiration Interception ΔStorage(mm day-1) (mm day-1) (mm day-1) (mm day-1) (mm day-1)
01/10/2001-30/09/2002 3.941 8.538 3.464 0.984 0.14901/10/2002-30/09/2003 2.445 5.98 3.28 0.901 -0.64601/10/2003-31/12/2003 2.943 6.932 3.346 0.906 -0.263
Impacto da variabilidade interanual do clima sobre o ciclo hidrológico: Descarga
•Não é possível fechar o balanço hidrológico em uma escala anual.
•A variabilidade interanual desempenha um papel significativo no armazenamento. Este mecanismo de memória pode ser muito importante durante anos climáticos extremos (e.g. El Niño/La Niña).
Mecanismos de Geração de escoamento: o problema da escala
Seções transversais em uma área 15 km ao leste da bacia Asu. (Fonte: Chauvel et al., 1987)
Escalonamento da informação hidrológica
O baixio é certamente a principal fonte de escoamento rápido. Isto se deve a que a área de baixio da Asu é maior do que as das micro-bacias previamente estudadas na região.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
09/12/2001 08/02/2002 10/04/2002 10/06/2002 10/08/2002 10/10/2002 10/12/2002
Dis
char
ge
(mm
/0.5
h)
Actual discharge Predicted baseflow
Como as áreas de baixio ocupam apenas 1/3 da bacia Asu, e o percentual de escoamento rápido é da ordem de 15 %, deve existir alguma fonte de escoamento rápido além do baixio.
Acreditamos que essa fonte é fluxo de retorno gerado em áreas de convergência de relevo localizados na maiores declividades.
Esse mecanismos devem atuar somente durante eventos chuvosos muito intensos.
Clay cap50% clay
Throttle layer
Phreatic surface
Return flow & surface runoff (in concave areas)
0
1
2
3
4
5
6
0.3 0.4 0.5 0.6
Volumetric water content (m3 m-3)
De
pth
(m
)
Faz Dimona, 6 Feb 1992
Faz Dimona, 18 Feb 1993
Asu, 28 Aug 2003
Asu, 11 Jan 2002
Plateau
Fluxos de Carbono Orgânico dissolvido (DOC)
DOC responde à irradiação na faixa
visível e UV absorvendo radiação. A taxa de absorção pode ser calibrado
em relação à concentração de
DOC.
Quanto carbono orgânico dissolvido é exportado pela bacia Asu?
Este estudo indica que, se contabilizadas as
exportações de carbono orgânico pelo
escoamento superficial (com valor médio 18 g
m-2ano-1), reduziria a magnitude do
sumidouro na floresta tropical (100-700 g m-
2ano-1) de 2-18% para esta bacia.
O fluxo exportado é dominado pela fração na forma de DOC, constituindo entre 84–87% do fluxo total de carbono exportado no meio aquático.
Aspectos hidroquimicos da geração de escoamento da bacia Asu
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
09/03 16:30 10/03 00:00 10/03 07:30 10/03 15:00 10/03 22:30
DO
C, E
C a
nd
pH
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
Dis
charg
e
DOC EC pH discharge
0
5
10
15
20
25
16/05 11:30 16/05 19:00 17/05 02:30 17/05 10:00
DO
C,
EC
and
pH
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Dis
char
ge
DOC EC pH Discharge
Evento de 8,8 mm de chuva durante 1,5 horas, após 30 minutos sem chuva.
Evento de 12.0 mm durante meia hora, após 6.52 dias sem chuva
O estudo indica que a parte do carbono exportada pelo meio aquático (na forma de DOC) provem do baixio!
Por isso, o entendimento dos mecanismos de geração de
escoamento são determinantes para entender
o ciclos de carbono e nutrientes dos ecossistemas
de floresta.
O carbono orgânico dissolvido está correlacionado com a condutividade
elétrica (ao menos na bacia Asu)
y = 0.4687x + 0.9389R2 = 0.6949
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
DOC vs EC
Como condutividade elétrica é fácil de medir, pode-se rapidamente generalizar estes resultados a um grande número
de bacias.
Entendendo o impacto da mudança de uso da terra na
resposta hidrológica
Com apoio do Geoma e do PDBFF estamos instrumentando uma microbacia de pastagem ma fazenda Colosso (ZF3), visando compara o impacto das mudanças de uso da terra sobre os fluxos hidrológicos.
Podemos modelar matematicamente um sistema
complexo e estender essa informação a toda a bacia?
Uma tentativa usando o modelo Topog
Problema: o Topog não é muito amigável e é de difícil adaptação!!
0
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100
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15/12/2001 25/03/2002 03/07/2002 11/10/2002 19/01/2003 29/04/2003 07/08/2003 15/11/2003
Dis
char
ge (
mm
/wee
k)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Rai
nfal
l (m
m/w
eek)
Observ. TOPOG Rainfall
8.5(13.84)26.14
1.86
55.2
(41.0)
Tot
al E
vapo
tran
spir
atio
nT
otal
Eva
potr
ansp
irat
ion
36.5(49.3)
100 %
Asu Catchment Water balanceDec/2001 – Oct/2003
O problema da escala: na bacia de floresta, iniciamos estudos visando entender os efeitos de escala em bacias de floresta.
Seção Perímetro (km) Área (km2)
1 5,22 1,16
2 11,8 6,6
3 17,7 13,1
Slop e
colo ur scale 10 ̂ 0
0.75 or more
0.60 - 0.75
0.50 - 0.60
0.40 - 0.50
0.30 - 0.40
0.20 - 0.30
0.10 - 0.20
0.05 - 0.10
less than 0.05
cm
c
c = cm (1-(1-f )1/b)
f = Ai / At
10
S1m
i
ci
A estratégia de escalonamento de informação hidrológica: função de distribuição de probabilidades
E o estudo de tendências em séries hidrológicas existentes?
Tendências observadas no Rio Tocantins
Tese de Doutorado de Claudia Linhares (orientada por Vianey)
VAZÃO ANUALJi-Paraná
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
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Anos
Vaz
ão (
mm
)
1984
2001
0.1
1
10
100
1000
0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00
Precipitação mensal (mm)
Co
efic
ien
te d
e es
coam
ento
1977-1981
1991-2001
Influência do desflorestamento na
dinâmica da Resposta Hidrológica na Bacia do
Rio Ji-Paraná/ROClaudia de Albuquerque Linhares
Tese de Doutorado em Sensoriamento Remoto
Publicado no XII SBSR - Goiânia
19781978Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
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idro
lógi
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
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1978 1980 1983
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Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19851985
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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2.500
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19861986
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19871987
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19881988
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19911991
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992
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a H
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19921992
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
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1.500
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993
Anos
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a H
idro
lógi
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Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19931993
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
a de
D
esfl
ores
tam
ento
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19941994
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
500
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1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
a de
D
esfl
ores
tam
ento
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19951995
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
500
1.000
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
a de
D
esfl
ores
tam
ento
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19961996
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
a de
D
esfl
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tam
ento
0,20
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Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19971997
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
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D
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tam
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0,20
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Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19981998
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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Anos
Prec
ipita
ção
Tax
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D
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tam
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0,20
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0,50
0,60
Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
19991999
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Anos
Prec
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ção
Tax
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0,20
0,30
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Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
20002000
Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO
0
500
1.000
1.500
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3.000
3.500
1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Anos
Prec
ipita
ção
Tax
a de
D
esfl
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tam
ento
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Res
post
a H
idro
lógi
ca
Precipitação (mm) Taxa de Desflorestamento (km2/ano) Resposta Hidrológica
20012001
1978 4% de
desflorestamento
2001 55% de
desflorestamento