Simulação dos fluxos de sedimentos na América do Sul

Abstract

Os fluxos de sedimentos fornecem fertilização natural e suportam a biodiversidade e estabilidade estrutural de ecossistemas aquáticos. A América do Sul (AS) é o continente com a segunda maior taxa de transporte de sedimentos. Contudo, a compreensão da dinâmica dos fluxos de sedimentos nesta região ainda não foi completamente explorada. Grandes mudanças têm ocorrido no continente, como nos padrões das precipitações, no uso e cobertura e do solo e aumento do número de reservatórios nos rios, mudanças essas que apresentam grande potencial para afetar os fluxos de sedimentos. Além disso, o continente Sul-Americano apresenta grande heterogeneidade em sua composição, com cadeias montanhosas como os Andes capazes de produzir elevadas cargas de sedimentos e extensas planícies de inundação como o Pantanal, capazes de reter grandes quantidades. Assim, o objetivo principal dessa pesquisa é compreender a dinâmica espaço-temporal dos fluxos de sedimentos na América do Sul a partir do uso de um modelo hidrológico-hidrodinâmico de sedimentos diário para a escala continental. Para isso, foi desenvolvido o modelo MGB-SED AS que permitiu simular os processos de erosão, transporte e deposição de sedimentos em escala continental, considerando ainda os efeitos de remanso e interações dos fluxos entre os rios e as planícies de inundação. O modelo foi calibrado e validado em diversas etapas, utilizando 595 estações in situ com informações de descarga de sedimentos em suspensão, informações de estudos regionais relacionados tanto a descarga em suspensão quanto de leito e dados de um modelo global. Na primeira etapa foi realizada uma simulação sem reservatórios a fim de compreender uma situação mais naturalizada dos fluxos em suspensão. Posteriormente foram realizadas simulações para cenários que considerassem as alterações das precipitações, do uso e cobertura do solo e a presença de reservatórios a fim de compreender o impacto dessas mudanças nos fluxos de sedimentos entre 1984 e 2019. Por fim, o último capítulo desta tese apresenta os impactos das mudanças climáticas projetadas para 2021-2055 nos fluxos de sedimentos da AS. Os resultados da primeira etapa mostraram que a AS exporta cerca de 1 Gt/ano de sedimentos em suspensão em condições naturais (sem barramentos), sendo os rios Amazonas, Orinoco, La Plata e Magdalena os principais responsáveis. Das cargas de sedimentos em suspensão que chegam aos rios, 12% ficam posteriormente depositadas em planícies de inundação. Observou-se que a performance do modelo foi melhorada por considerar um método de propagação hidrodinâmica, o que é essencial para regiões com planícies de inundação. A modelagem também permitiu identificar que o aumento da vazão nem sempre resulta em aumento da CSS/QSS. Especialmente em rios com grandes planícies de inundação, os picos da vazão e da CSS/QSS podem acontecer com até meses de diferença. Na segunda etapa, os resultados mostraram que 51% dos principais rios da AS experimentaram mudanças significativas no transporte de sedimentos entre 1984 e 2019, sendo 36% devido ao desmatamento na Amazônia e ao barramento dos rios e 15% devido às mudanças nas precipitações. Além disso, estimou-se uma redução de 10% no aporte médio de sedimentos para os oceanos, estando esse valor associado principalmente com as usinas hidrelétricas implantadas nesse período no rio Madeira e no rio Paraná e às reduções de precipitações no rio Bermejo. As mudanças identificadas têm afetado muitos rios, ecossistemas e populações humanas que vivem próximos a esses ambientes aquáticos. Por exemplo, a implantação de reservatórios tem reduzido o aporte de sedimentos para os oceanos induzindo a erosão costeira, o que pode gerar um grande impacto em ecossistemas peculiares, como as praias de lama entre as fozes dos rios Amazonas e Orinoco. Por fim, estimou que no futuro, devido as projeções de mudanças climáticas, ocorrerá uma redução da descarga sólida e de outras variáveis hidrossedimentológicas na região centro-norte e um aumento na região centro-sul da AS e um aumento no oeste da Amazônia. As maiores reduções significativas da descarga sólida total (QST) foram estimadas para os rios Doce (-54%), Tocantins (-49%) e Xingu (-34%), enquanto os maiores aumentos foram estimados nos rios Alto Paraná (409%), Juruá (46%) e Uruguai (40%). Observou-se que as mudanças previstas de ocorrer nas descargas líquidas e sólidas podem fazer com que haja uma diferente composição nas águas da bacia Amazônica no futuro.

Sediment flows in rivers provide natural land fertilization and support biodiversity and the structural stability of the aquatic ecosystem. South America (SA) is the continent with the second-highest sediment transport globally. However, understanding sediment flows dynamics in this region has been poorly identified and explored. Major changes have occurred on the continent, such as precipitation patterns, land use and land cover, and the increase in the number of reservoirs in rivers. These changes have great potential to affect sediment flows. Besides, the South American continent shows high heterogeneity in your composition, presenting mountain ranges such as the Andes that are important sediment providers and large wetlands as the Pantanal that are important sinks. Thus, the main goal of this research is to comprehend the spatiotemporal dynamics of SA sediment flows from the use of daily sediment hydrologic-hydrodynamic for continental scale. For this purpose, the MGB-SED AS model was developed to simulate the processes of sediment erosion, transport and deposition at a continental scale, including the backwater effects and flows exchanges between the rivers and floodplains. The model was calibrated and validated in several stages, using 595 in situ stations with information on suspended sediment discharge, regional studies related to suspended and bedload sediments, and data from a global model. In the first stage, a simulation without reservoirs was performed to comprehend a potential natural situation of suspended sediment flows. Simulations were subsequently run for scenarios that considered changes in precipitation, land use and land cover, and the presence of reservoirs to understand the impact of these changes on sediment flows between 1984 and 2019. Finally, the last chapter of this thesis show the impacts of projected climate changes to 2021-2055 in the SA sediment flows. The first stage results showed that SA exports about 1 Gt/year of suspended sediments under natural conditions (without dams). The main contributors were the Amazon, Orinoco, La Plata, and Magdalena rivers. Of the suspended sediment loads reaching the rivers, 12% is deposited in floodplains. It was observed that the model performance was improved by considering a hydrodynamic propagation method, which is essential for regions with floodplains. The modeling also allowed identifying that an increase in water discharge does not always increase SSC/QSS. Especially in rivers with large floodplains, the peaks of flow and SSC/QSS can occur up to months apart. In the second stage, results showed that 51% of the main SA rivers experienced significant changes in sediment transport over this period, with 36% due to Amazon deforestation and river damming and 15% due to precipitation changes. We estimated a 10% reduction in the average sediment delivery (t/year) to the oceans, mainly associated with hydropower dams in the Madeira and Paraná rivers and decreased precipitation in the Bermejo River basin. The changes identified have affected many rivers, ecosystems, and human populations living near these aquatic environments. For example, the construction of reservoirs has reduced sediment supply to the oceans, inducing coastal erosion, which can greatly impact peculiar ecosystems, such as the mud beaches between the mouths of the Amazon and Orinoco rivers. Lastly, it was estimated that in the future, due to projections of climate changes, a reduction in the sediment discharge and other sedimentological variables in the center-north region, and an increase in the center-south region of SA, and also an increase in the western Amazon will happen. Major significant reductions in the total sediment discharge (QST) are expected to happen in the Doce (-54%), Tocantins (-49%) and Xingu (-34%) rivers, while the major increases is expected to happen in the Upper Paraná (409%), Juruá (46%) and Uruguay (40%) rivers. It was observed that predicted changes in water and sediment discharges can induce a different water composition in the Amazon basin in the future.