física do ambiente objetivos: entender como as mudanças do uso da terra afetam os fluxos de...

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

150

200

250

300

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400

450

10/2

001

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001

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02

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3/20

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02

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10/2

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003

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003

12/2

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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140

160

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

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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

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

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

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

1978

Anos

Prec

ipita

ção

Tax

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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

Dinâmica Hidrológica na Bacia do Rio Ji-Paraná/RO

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

1978 1980

Anos

Prec

ipita

ção

Tax

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ores

tam

ento

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idro

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ca


19801980


0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

1978 1980 1983

Anos

Prec

ipita

ção

Tax

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D

esfl

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tam

ento

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0,50

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lógi

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19831983


0

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1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984

Anos

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ipita

ção

Tax

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19841984


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1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985

Anos

Prec

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19851985


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1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986

Anos

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19861986


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1.000

1.500

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2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987

Anos

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19871987


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500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988

Anos

Prec

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ção

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ca


19881988


0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991

Anos

Prec

ipita

ção

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tam

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idro

lógi

ca


19911991


0

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1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992

Anos

Prec

ipita

ção

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esfl

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0,40

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a H

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lógi

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19921992


0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993

Anos

Prec

ipita

ção

Tax

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a H

idro

lógi

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19931993


0

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1.000

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

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D

esfl

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tam

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0,30

0,40

0,50

0,60

Res

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a H

idro

lógi

ca


19941994


0

500

1.000

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

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D

esfl

ores

tam

ento

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

Res

post

a H

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lógi

ca


19951995


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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996

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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997

Anos

Prec

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1978 1980 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998

Anos

Prec

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Anos

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Anos

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20012001

1978 4% de

desflorestamento

2001 55% de

desflorestamento

física do ambiente objetivos: entender como as mudanças do uso da terra afetam os fluxos de...

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