Efeitos de incêndios no balanço hídrico dos mananciais de uma grande metrópole neotropical: simulações usando o SWAT na interface solo-água-vegetação

The constancy of water supply in springs depends on the environmental services derived from soil-plant-topography interactions. Throughout the planet, forest fires constitute important agents of landscape transformation, interfering at multiple scales of the water and biogeochemical cycles. These fires destroy the plant cover, breaking the foundations of this delicate system and compromising therefore water availability. The Serra do Rola Moça state park (PERSM, MG, Brazil), harbors a complex of springs that supplies water to the city of Belo Horizonte and surroundings, the third largest Brazilian metropolis (5.873.841 inhabitants). This park is subjected to fires that often burn large extensions of campos, cerrado and gallery forests that are home to these springs. The effects of the fires on the water supply of this metropolis are unknown and, surprisingly, few studies have explored changes in spring water balance resulting from forest fires at a global level. In view of this knowledge gap, we used the hydrological model Soil and Water Assessment Tool – SWAT- to simulate the effects of fire on the aquifer recharge of the watershed that provides water to the region of Belo Horizonte. The model was fed and calibrated with historical hydroclimatic series, applying the regional fire regime for correct validation. In the first chapter, our results suggest that increasing burned campo and cerrado areas result in larger deficit of groundwater stock and reduce the flow of the springs. In addition, the model predicts pulsed floods in the rainy season and drought in the dry season. Because of the high frequency of fires in the PESRM in the last decades, in the second chapter we reconstructed the plant cover of the 1970’s using remote sensing techniques, and compared with the current cover. Our results estimated a shrinkage of 42% of forest together with expansion of campo and cerrado physiognomies. Possibly the forest retraction resulted from logging and fires that were theoretically more intense before the creation of the park in 1994. Simulations with SWAT suggest a partial disruption of the mechanisms that govern infiltration and runoff of rainfall, estimating annual losses of 18% of infiltrated water volume in the soil. Cumulative losses of groundwater recharge reduce the base flow of springs and lead to substantial water deficits that compromise the supply of the nearby urban area. This, associated with increasingly frequent years of drought and mining threats, lead to the hydrological collapse of the region. The results of this dissertation highlight the importance of evaluating the pressure imposed by fire associated with deforestation on terrestrial ecosystems with aquatic interface. Therefor, the use of models enabled simulations to predict and anticipate damages to urban water supply derived from the loss of ecosystem services provided by the vegetation cover.

A continuidade dos estoques de água nos mananciais depende dos serviços ambientais derivados das interações solo-planta-topografia. Em todo o planeta, incêndios florestais constituem importantes agentes de transformação da paisagem interferindo em múltiplas escalas dos ciclos biogeoquímicos e da água. Esses incêndios destroem a cobertura vegetal, rompendo as fundações desse delicado sistema, comprometendo, assim, a disponibilidade hídrica. O Parque Estadual da Serra do Rola Moça (PERSM, MG, Brasil) abriga um complexo de mananciais que abastecem a Grande Belo Horizonte, a terceira metrópole Brasileira em tamanho populacional (5.873.841 habitantes). Este Parque é sujeito a incêndios que frequentemente queimam grandes extensões de campos, cerrados e matas de galeria que abrigam as nascentes. No entanto, os efeitos desses incêndios sobre o abastecimento hídrico desta metrópole são desconhecidos e, surpreendentemente, poucos estudos exploraram mudanças no balanço hídrico de mananciais resultantes de incêndios florestais a nível global. Assim, diante desta lacuna no conhecimento, usamos o modelo hidrológico distribuído Soil and Water Assessment Tool (SWAT), para simular os efeitos do fogo na recarga dos aquíferos do complexo de mananciais que abastecem a Grande Belo Horizonte. O modelo foi alimentado e calibrado a partir de séries hidroclimáticas históricas, considerando o regime de incêndios ocorridos na região de estudo para correta validação. No primeiro capítulo, os resultados sugerem que o aumento das áreas de campo e cerrado atingidas pelo fogo eleva os déficits nos estoques de água subterrânea e reduz o fluxo de base dos mananciais. Além disso, o modelo prevê inundações na época chuvosa e escassez no período seco. Em razão da elevada frequência dos incêndios experimentado pelo PESRM nas últimas décadas, no segundo capítulo, usando técnicas de sensoriamento remoto, reconstituímos a cobertura vegetal da década de 1970 e comparamos com a atual. Os resultados permitiram estimar retração de 42% das matas e expansão de formações campestres e cerrado. Possivelmente, a retração das matas resulta de desmatamentos e incêndios que deveriam ser mais intensos antes da criação do Parque em 1994. Simulações com o SWAT apontam para a ruptura parcial dos mecanismos que governam a infiltração e escoamento superficial da água das chuvas, sendo estimadas perdas anuais de 18% do volume de água infiltrado no solo. As perdas cumulativas na recarga das águas subterrâneas reduzem o fluxo de base das nascentes e levam a déficits hídricos elevados que comprometem o abastecimento urbano. Isso, associado a anos de estiagem cada vez mais recorrentes e até ameaças de mineração, conduzem ao colapso hídrico da região. Os resultados desta tese evidenciam a importância de avaliar a pressão imposta pelo fogo associado a desmatamentos sobre ecossistemas terrestres com interface aquática. Assim a utilização de modelos permitiu a simulação para prever e antecipar prejuízos ao abastecimento hídrico urbano resultantes da perda de serviços ecossistêmicos propiciados pela cobertura vegetal.

FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais