Perspectivas sobre vazões de projeto em meio a mudanças climáticas e não estacionariedade

Abstract

Resumo: A estimativa adequada de eventos hidrológicos extremos é essencial para o dimensionamento e a verificação das condições de segurança de estruturas hidráulicas, em especial para obras de grande porte com potencial de danos socioeconômicos severos em caso de falha. Os eventos climáticos extremos se tornaram mais intensos e mais frequentes do que o que era observado no período pré-industrial, principalmente devido a intensificação do ciclo hidrológico dada a maior capacidade da atmosfera de reter vapor de água com a elevação na temperatura média global, em detrimento dos efeitos das mudanças climáticas. Diante do clima atual, crescem as incertezas para estimar magnitudes hidrológicas com alta recorrência, tanto pela perspectiva da utilização dos modelos computacionais que incorporam os cenários de aquecimento da superfície terrestre, quanto pela aplicação convencional de métodos estatísticos em séries históricas. Ao simular os efeitos das mudanças climáticas em projeções hidrológicas, as incertezas se associam a grande variedade de modelos climáticos disponíveis, com escalas espaciais distintas, gerados a partir de diferentes cenários de emissões de gases de efeito estufa, e, caso o objetivo seja o mapeamento de áreas suscetíveis a inundação, as condições de umidade antecedente do solo também exercem influência nos resultados. Em contrapartida, para estimar magnitudes com alta recorrência considerando apenas os registros históricos de determinada série hidrológica, existe a possibilidade de que os dados apresentem tendência temporal, em razão dos efeitos das ações antrópicas sobre o ciclo hidrológico. Com isso, há um problema conceitual na abordagem tradicionalmente adotada por análises de frequência de eventos extremos, que faz uso de métodos estatísticos fundamentados no princípio da estacionariedade, ou seja, de que os momentos estatísticos independem do tempo. Considerando a importância da determinação de vazões de alta recorrência para a avaliação de risco de obras hidráulicas, as condições de estacionariedade nas séries de vazões máximas anuais afluentes a 152 usinas hidrelétricas (UHEs) brasileiras foram avaliadas. Para tanto, foi utilizado o teste de Mann Kendall, na variante trend-free prewhitening, através do qual foram identificados indícios de não estacionariedade em 70 séries afluentes de UHEs, que no geral apresentaram mudanças abruptas na década de 90, conforme resultados obtidos com o teste de Pettitt. O método Empirical Quantile Mapping (EQM), geralmente utilizado para correção de viés em cenários de mudanças climáticas, é proposto como modelo de correção da não estacionariedade nas séries de vazões máximas anuais das UHEs com tendência temporal. Os resultados obtidos com o método EQM foram comparados aos do método da curva acumulativa de vazões, e da alternativa de truncamento da série histórica contida no período após a mudança abrupta nos dados. De modo geral, as vazões decamilenares estimadas pelos diferentes métodos de correção da não estacionariedade divergem entre si, mas para as UHEs Barra Bonita, Capivara, Itaúba, Moxotó, P. Afonso, Salto Caxias, Salto Osório, Salto Santiago e Xingó, os resultados convergiram para o cenário alarmante, de que as vazões de projeto adotadas para o dimensionamento dos vertedores existentes estão possivelmente subdimensionadas em contexto de não estacionariedade

Abstract: Adequate estimation of hydrological extremes is essential for designing and assessing the safety conditions of hydraulic structures, particularly for major infrastructure with potential for severe socio-economic impacts in case of collapse. The frequency and intensity of extreme hydrological events are higher than what was observed during the pre-industrial era, overall caused by the intensification of the hydrological cycle, given the increase of water-holding capacity in the atmosphere at higher temperatures due to global warming. At the current climate, the uncertainties regarding the estimation of hydrological values with high recurrence period are higher, either from the approach based on computational models that simulates the Earth's surface warming scenarios, or through the conventional statistical analysis that uses time series. The uncertainties in simulating the effects of climate change on hydrological projections are associated with the wide variety of climate models available, at different spatial scales, generated from a range of greenhouse gas emission scenarios and, if the aim is to map areas susceptible to flooding, the antecedent soil moisture conditions also influence the results. Meanwhile, when estimating high recurrence values considering only the historical records of a given hydrological series, there is a possibility that the data will show a trend, given the effects of anthropogenic actions on the hydrological cycle. Thus, there is a conceptual problem with the conventional approach to analyze the frequency of extreme events, which uses statistical methods based on the principle of stationarity, i.e. that the statistical properties are independent of time. Since it is crucial to determine high recurrence streamflow to assess the risk of hydraulic infrastructure, the stationarity conditions for the maximum annual daily streamflow at 152 hydropower plants (HPPs) in Brazil were evaluated. For this purpose, the Mann Kendall test was used, in the trend-free prewhitening form, which revealed signs of non-stationarity in 70 series of HPPs inflows, which overall showed abrupt changes in the 1990s, according to the results obtained with the Pettitt test. The Empirical Quantile Mapping (EQM) method, often used to correct bias in climate change scenarios, is proposed as a model for correcting non-stationarity in the maximum annual streamflow series of HPPs that showed time trends. The results obtained with the EQM method were compared to those of the cumulative flow curve method and the alternative of truncation the historical series contained in the period after the abrupt change in data. Overall, the 10,000-year flows estimated through different methods of correcting non-stationarity deviated from each other, but for the Barra Bonita, Capivara, Itaúba, Moxotó, P. Afonso, Salto Caxias, Salto Osório, Salto Santiago and Xingó HPPs, the results led to the alarming scenario that the design flows adopted for designing the existing spillways are possibly undersized in the non-stationarity context