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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
Instituto de Geociências e Ciências Exatas
Campus de Rio Claro
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA
PERSONALIZADA EM SISTEMA DE INFORMAÇÕES
GEOGRÁFICAS, PARA IDENTIFICAR ÁREAS DE RISCO A
INUNDAÇÃO EM OBRAS LINEARES: UMA APLICAÇÃO
PRÁTICA EM DUTOVIAS
FABIANO FELIPE CUCOLO
Orientador: Prof. Dr. Juércio Tavares de Mattos
Rio Claro (SP)
2008
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Livros Grátis
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Milhares de livros grátis para download.
2
Agradecimentos:
A meus pais que sempre apoiaram neste projeto.
A família que sempre este ao lado nos momentos para que ele fosse concluído com
êxito,
Aos amigos que reconheceram o potencial profissional
As empresas Imagem Geossistemas, Cognatis Geomarketing, Diagonal Urbana e
Unibanco S.A, que possibilitaram recursos e tempo para que pudesse me dedicar a
este estudo.
E aos professores Elias e Juércio que foram meus mentores na execução deste
projeto, dando a oportunidade dentro da UNESP para que ele se realizasse.
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Comissão Examinaodra
Prof. Dr. Juércio Tavares de Mattos
Prof. Dr Elias Carneiro Daitx
Dra. Alessandra Acorsi
FABIANO FELIPE CUCOLO
Aluno
Rio Claro, 10 de dezembro de 2008
Resultado: APROVADO
4
ÍNDICE
pág
1. INTRODUÇÃO.........................................................................................6
2. OBJETIVOS............................................................................................7
2.1 Objetivo Principal.................................................................................7
2.2 Objetivos Específicos...........................................................................7
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA--------------------------------------------------------8
3.1 Aplicações dos SIG em Bacias Hidrográficas...................................8
3.2 Formas de Disponibilização e Exploração de Dados
Hidrometeorológicos Integrados a um SIG............................................20
4. ÁREA DE ESTUDO................................................................................24
4.1 Caracterização Geomorfologica..........................................................25
4.2 Clima.......................................................................................................25
5. BASE DE DADOS.................................................................................26
6. MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................28
6.1 Recursos de informática e Geoprocessamento..............................28
6.2 Diagrama de fluxos de trabalho........................................................29
6.3 Método de Elaboração de MNT para análise hidrológica................30
6.4 Método Curva Número........................................................................33
6.5 Obtenção do Mapa de Risco de Inundação......................................35
7. RESULTADOS OBTIDOS.......................................................................45
8. CONCLUSÕES......................................................................................46
9. BIBLIOGRAFIA......................................................................................52
5
RESUMO
Este trabalho atende projetos que pretendem utilizar análises hidrológicas em
sistemas de informação geográfica até então pouco exploradas. Analises
hidrológicas para inundação são realizadas a anos, porem ainda pouco exploradas
quando o assunto é voltado ao mapeamento. Este projeto tem como objetivo
determinar uma análise geográfica sobre inundação, explorando os métodos
disponíveis para sistema de informações geográficas, assim como explorá-los
detalhadamente. Neste estudo a aplicação se deu em uma obra linear – dutovia.
ABSTRACT
This work meets projects that intend to use hydrological analysis in geographic
information systems, today few explored. Hydrologic analysis for flooding are carried
out to years, but still poorly exploited when it is back to mapping. This project to
determine a geographical analysis of flood, exploring the methods available for
geographic information systems, and exploit them further. In this study the application
was in a pipeline
6
1 INTRODUÇÃO
A evolução dos recursos computacionais ao longo dos últimos 40 anos vem
permitindo esforços contínuos no desenvolvimento dos Sistemas de Informação
Geográfica (SIG). Inúmeras transformações estão acontecendo em todas as áreas,
em decorrência do processo de integração com os softwares de Sistemas de
Informação Geográfica.
O fato que realmente justifica todas estas transformações é a maneira como
as abordagens dos temas diretamente relacionados à natureza espacial de
determinadas variáveis podem ser realizadas. De modo sinótico, variáveis e espaço
podem ser analisados e visualizados com maior riqueza de interpretação, além de
proporcionar rapidez e eficiência nas avaliações.
Na área de Recursos Hídricos esta demanda também se repete. A exigência
cada vez maior de decisões rápidas no planejamento e gerenciamento dos Recursos
Hídricos, a necessidade de centralização das informações hidrológicas, e de
ferramentas de suporte à decisão são alguns dos fatores primordiais da necessidade
de se utilizar os softwares SIG. Neste trabalho, o termo “ferramentas” é utilizado
para designar uma função ou conjunto de funções específicas, geradas por
programação.
Este trabalho foi idealizado aproveitando-se a fase de desenvolvimento e
aplicações de softwares SIG no Brasil. Objetiva auxiliar, esclarecer e propor formas
de utilização de software SIG em análises hidrológicas, especialmente no propósito
específico de identificar áreas com risco de inundação ao longo de dutovias.
A aplicação em dutovias proposta neste trabalho pretende servir também de
referencia para outros tipos de empreendimentos lineares, como rodovias e
ferrovias.
7
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Principal
Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver um aplicativo
personalizado em Sistema de Informações Geográficas, para identificar e quantificar
áreas de risco à inundação.
2.2 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos são:
- A partir de dados topográficos, elaborar modelo numérico de terreno (MNT)
apropriado para finalidades hidrológicas.
- Simular a taxa de escoamento superficial, utilizando o método Curva Número.
- Determinar períodos de chuvas máximas a partir de uma coleta temporal obtidas
por estações meteorológicas.
- Apresentar métodos de espacialização de dados pluviográficos e pluviométricos.
- Definir o processo analítico para operacionalização de áreas de risco a inundação.
8
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta revisão é apresentada em duas partes. A primeira expõe a evolução das
aplicações dos SIG em análises hidrológicas. A segunda parte da revisão, considera
as formas de disponibilização e exploração dos dados hidrometeorológicos
integrados em ambiente SIG.
3.1 Aplicações dos SIG em análises hidrológicas
A revisão deu-se através do levantamento de trabalhos desenvolvidos que
utilizam a modelagem digital de terreno como forma de explorar as características
topográficas das bacias hidrográficas, determinar os caminhos de maior fluxo e fazer
a delimitação das bacias e em conseqüência a análise espacial. Moore, Grayson e
Ladson (1991) fazem uma revisão sobre a importância da modelagem digital de
terreno nas aplicações hidrológicas, levando-se em consideração a deficiência de
muitos modelos hidrológicos ainda em uso, que não representam os efeitos do fluxo
d’água tridimensionalmente. O grande desafio atual são os métodos que estão
sendo desenvolvidos para representar o Modelo Numérico do Terreno (MNT) em
modelos hidrológicos.
A maioria dos MNT são produzidos são gerados por interpolação linear de
mapas com curvas de nível e têm um erro de estimativa de meio intervalo de
contorno e um erro absoluto inferior a dois intervalos de contorno. Os modelos
digitais têm imprecisões inerentes não somente quando representam uma superfície,
mas também nos seus dados constituintes.
Moore, Grayson e Ladson (1991) também fizeram uma análise dos dados de
elevação. Os atributos topográficos de uma determinada região podem ser
calculados diretamente de um modelo digital de terreno usando-se somente os
valores pontuais, sem que seja necessário o ajuste de uma superfície. Essa
consideração é restrita aos modelos digitais baseados em malhas e não produzem
resultados fisicamente realísticos, principalmente no cálculo das direções de fluxo
em áreas planas. O método mais comum de estimativa dos atributos topográficos é
9
feito através da superfície de terreno ajustada. O ajuste é realizado através de
interpolação linear ou não linear.
Um grande problema na análise dos dados digitais de elevação nas
aplicações hidrológicas é a definição dos caminhos de drenagem, quando o modelo
digital contém depressões ou áreas planas. Algumas depressões podem existir
devido a dados errados e outras podem ser características naturais ou escavações
(Jenson e Domingue, 1988; Hutchinson, 1989). O’Callaghan e Mark (1984) e Jenson
(1987) propuseram algoritmos para gerar modelos digitais de terreno sem
depressões, obtidos de dados de elevação em malhas regulares. Se as depressões
são hidrologicamente significantes o volume pode ser calculado. Jenson e Domingue
(1988) também usaram um modelo digital de terreno sem depressões para o cálculo
das direções de fluxo. O procedimento de Jenson e Domingue foi baseado no
algoritmo discutido por Mark (1983) e O’Callaghan e Mark (1984).
Moore, Grayson e Ladson (1991) ressaltam que em muitos países
desenvolvidos, há falta de dados para o planejamento de projetos e normalmente a
primeira informação obtida é o mapa topográfico da região. Destes, os dados de
elevação e os atributos topográficos podem ser calculados e utilizados no
planejamento das redes de dados, isto é, no monitoramento hidrológico, pesquisas
de solo e biológicas.
Moore, Grayson e Ladson (1991) também comentam sobre as propriedades
do solo. Em 1989, o Soil Conservation Service numa discussão sobre a utilidade das
unidades de solo numa região, concluíram que as futuras pesquisas de solo devem
incluir mais informações sobre a forma da superfície da terra e que os parâmetros de
forma deveriam refletir nos efeitos combinados dos processos hidrológicos e de
erosão. Os modelos digitais de terreno são vistos como os dados básicos para
fornecer estas informações que devem ser fornecidas através dos SIG. Uma das
razões da tecnologia SIG ser prontamente adotada é porque permite que a
informação espacial seja mostrada de maneira interativa, compreensível e de forma
visual. A distribuição espacial dos atributos topográficos e índices podem ser
mostrados como isolinhas ou mapas planimétricos coloridos, projeções isométricas
coloridas ou numericamente na forma de distribuições de freqüências acumuladas.
10
Estas apresentações permitem ler rapidamente e sentir a variabilidade espacial de
uma série de processos que ocorrem na bacia.
Segundo as avaliações de Moore, Grayson e Ladson (1991), os últimos dez
anos têm sido de grandes esforços em direção ao desenvolvimento de modelos
computacionais baseados em dados de elevação digital como entrada básica.
Mark (1988) identificou vários algoritmos para a determinação da drenagem,
baseando-se em modelos digitais de terreno ajustados com malhas quadradas
regulares. Os algoritmos mais comumente usados na determinação de áreas de
drenagem e redes de fluxo foram propostos por O’Calaghan e Mark (1984).
Outros métodos operacionalmente viáveis e mais rápidos foram
desenvolvidos por Jenson (1985) e Jenson e Domingue (1988), este é o que está
sendo mais usado. Inclusive pelo módulo Spatial Analyst do aplicativo ArcGIS. Outra
variação de O’Callaghan e Mark (1984) também está sendo usada.
Moore, Grayson e Ladson (1991) também fazem uma caracterização
importante do desenvolvimento dos modelos hidrológicos em alguns períodos:
O período de 1960-1975 pode ser visto como a era da modelagem hidrológica
por causa do crescente conhecimento das deficiências dos métodos antigos e a
crescente disponibilidade dos computadores. Isto proporcionou a utilização dos
métodos numéricos em hidrologia e na modelagem hidrológica. Em 1962 foi
desenvolvida a primeira versão do Stanford Watershed Model (SWM).
Os modelos hidrológicos desenvolvidos nesta época geralmente eram
utilizados para a previsão de vazões. Houve um rápido desenvolvimento de
algoritmos matemáticos para a descrição de processos hidrológicos que foram
incorporados em muitos modelos hidrológicos. A maioria dos modelos era
essencialmente formada por modelos concentrados, ou seja, os parâmetros e
variáveis variam somente com o tempo.
11
O período de 1975-1985 pode ser visto como a era da modelagem de
transporte. Durante esta época os problemas com o meio ambiente tornaram se de
grande prioridade, incluindo-se todas as formas de poluição. Estes modelos eram
muito pobres com relação aos efeitos da topografia da bacia, sendo incapazes de
fornecer estimativas distribuídas espacialmente. As características de fluxo que
variam espacialmente, tais como, profundidade e velocidade são as que dirigem os
mecanismos para transporte de sedimentos e nutrientes. Os resultados destes
modelos podem ser impróprios no planejamento do uso da terra e nas decisões de
gerenciamento.
Nos últimos anos tem-se dado mais ênfase à necessidade de prever os
processos hidrológicos variáveis espacialmente em resoluções mais precisas. É a
chamada era da modelagem espacial. Os dados de elevação digital e as
características das bacias sensoriadas remotamente, tais como, cobertura vegetal,
tipo de solo, são dados de entrada essenciais para a nova geração de modelos
hidrológicos e de qualidade da água. A estrutura básica dos modelos hidrológicos
permite que se usem os processos distribuídos espacialmente.
Tarboton, Bras e Iturbe (1991) tratam de métodos de extrair uma rede de
maior fluxo dos modelos de elevação digital. Eles sugerem um critério para a
determinação da densidade de drenagem apropriada. Este critério é o de extrair
basicamente a resolução mais alta, ou seja, uma densidade de fluxo que tente se
aproximar da drenagem existente. O procedimento adotado neste critério foi
apresentado e testado em 21 séries de dados de elevação digital distribuídos pelos
Estados Unidos. Segundo os autores desta pesquisa, alguns cuidados devem ser
tomados para garantir que as redes de fluxo sejam extraídas dos modelos digitais de
terreno em uma escala apropriada.
Os pioneiros na descrição quantitativa de uma rede de fluxos foram os
pesquisadores Horton (1932, 1945), Strahler (1952, 1957) e Shreve (1966). Algumas
terminologias foram adotadas devido a eles. Como exemplo, a rede de fluxos foi
idealizada como uma árvore, onde a raiz é a exutória (o ponto de saída mais à
jusante), fontes são pontos a montante, e o ponto onde dois canais se unem formam
um canal a jusante e é chamado junção ou nó. Os segmentos de canais têm
12
algumas propriedades como: comprimento, altura, declividade média e área
contribuinte.
A última década foi a do interesse crescente no uso dos dados de elevação
digital, em geomorfologia e hidrologia, especificamente para a análise dos canais.
Maidment (1992a) em seu trabalho fez a caracterização de um software SIG
para análises hidrológicas, com relação a estrutura dos dados fundamentais.
Segundo o autor, o SIG pode ter seis estruturas de dados fundamentais: pontos,
linhas, polígonos, malhas (grids), TIN (malhas triangulares irregulares) e redes. Os
elementos espaciais básicos na análise hidrológica são as bacias, os aqüíferos, os
rios, os lagos e os estuários e outros. Estes elementos requerem uma adaptação
com a estrutura fundamental dos dados do SIG, para poder se adequar à
representação espacial.
Alguns modelos hidrológicos simples podem ser feitos dentro do SIG, tais
como o cálculo da vazão de projeto, usando-se o método racional. Mas muitos SIG,
atualmente, fazem interfaces com modelos hidrológicos externos, onde o SIG é
usado para calcular os valores de alguns parâmetros de entrada dos modelos e
mostrar os resultados dos mesmos.
Três formas de representação do terreno podem ser usadas: malhas
retangulares, malhas triangulares irregulares (TIN) e contornos topográficos. As
linhas de contorno, ou curvas de nível, são as representações mais comuns de
terrenos em softwares SIG, mas têm que ser convertidas para malhas ou TIN para
se obter uma análise automatizada. Alternativamente, malhas ou TIN podem ser
construídos diretamente a partir dos dados de entrada, tais como pelo uso dos
modelos de elevação digital fornecidos pelo United Stated Geological Survey
(USGS) para malhas, ou dados de levantamento de solo para TIN. Se os métodos
de malha ou TIN são disponíveis, a delimitação da bacia e da rede de drenagem
podem ser feitas por rotinas automatizadas.
Definindo-se a bacia e a rede de drenagem, pode-se determinar as
características da bacia através de programas externos ao sistema
13
Maidment (1992b) em seu trabalho comenta as formas de aplicação de SIG
na definição de bacias de drenagem e rede de canais. Utilizando-se um espaço
geográfico arbitrário, como exemplo a representação topográfica. É possível
decompor este espaço em polígonos que compreendem áreas de drenagem e uma
rede fluvial. Na definição das áreas de drenagem e redes de rios, o esquema usual é
aquele em que a rede fluvial é determinada em primeiro lugar, através de um mapa,
ou usando-se o modelo de fluxo em malha ou TIN. A estrutura de dados de uma
bacia compreende os seguintes elementos:
-
um polígono que envolve a bacia e que fornecerá a sua área total;
-
um nó final indicando onde o fluxo d’água sai da bacia;
-
uma rede fluvial que é a série de todos os arcos a montante ao nó final.
A estrutura de dados da bacia define os dados geográficos necessários para
os modelos hidrológicos parametrizados: área da bacia, comprimento dos rios e a
direção do fluxo. A estrutura de dados da bacia fornece um modelo espacial que
pode ser usado para determinar os valores de outros parâmetros necessários na
modelagem hidrológica.
Shea et al (1993) usaram os softwares (SIG) como uma base de dados para
os modelos hidrológicos e hidráulicos, constituindo-se em um mecanismo eficiente
para o desenvolvimento de estudos no gerenciamento da água em grandes áreas.
Em 1984, foram utilizados computadores pessoais (PC) nas aplicações de
tecnologia SIG para o gerenciamento da água superficial no Distrito de Polk, na
Flórida Central. Na época do estudo, nenhum pacote de SIG suportava a integração
com as modelagens hidrológicas e hidráulicas existentes nos PC. No entanto, uma
combinação de tecnologias foi usada, incluindo um sistema de gerenciamento de
dados e um pacote de software SIG baseado em informações “raster”. Os modelos
HEC 1 e 2 foram integrados a estes pacotes através de programação para
desenvolver a análise hidráulica e hidrológica requerida. Dez cenários diferentes
foram examinados para cada uma das 784 sub-bacias compreendidas nesta área.
Um esforço de modelagem grande não teria sido possível sem o suporte do software
SIG.
14
Através do software SIG, pôde-se fazer o armazenamento e a recuperação
dos dados básicos. Desta forma, foi possível analisar o Distrito em muitos detalhes e
rapidamente avaliar os impactos de diferentes cenários de crescimento e a
calibragem do modelo também foi rápida e eficiente. Empregando-se os resultados
da análise hidrológica e hidráulica, foi possível identificar áreas onde o crescimento
poderia causar cheias localizadas ou poderia ser prejudicial para pontes e outras
estruturas ou para a qualidade da água local.
Adinarayama et al (1994) descrevem a metodologia desenvolvida para
produzir mapas de uso da terra, usando múltiplas fontes de dados integradas a um
SIG. Uma bacia hidrográfica é a unidade de base para o estudo, sendo adicionada à
mesma as informações hidrológicas e topográficas. Foram usadas imagens
multitemporais de satélites de diferentes estações agrícolas para produzir mapas de
cobertura do solo da bacia. A rede de drenagem, elevação e outros dados
topográficos foram digitalizados a partir de mapas. O SIG foi usado para integrar e
manipular esses dados. Este procedimento possibilitou que classes de uso da terra
que não podiam ser definidas a partir de imagens de espectros diferentes, fossem
distinguidas para preparar os mapas de uso da terra. Neste caso, também ficou
comprovado que o software SIG é uma ferramenta poderosa na análise e integração
de dados.
Eash (1994) desenvolveu um método para quantificar as características
físicas de uma bacia. O trabalho foi dividido em quatro fases.
A primeira prepara mapas digitais em SIG, representando o contorno de uma
bacia, a rede de drenagem, as curvas de nível e o comprimento do rio principal da
bacia. A delimitação da bacia e o comprimento rio principal da bacia foram feitos
manualmente, usando mapas topográficos na escala 1:250.000. A rede de
drenagem foi obtida usando um software SIG a partir de dados geográficos
digitalizados na escala 1:100.000.
A segunda e a terceira fases usam um software desenvolvido para conceder
atributos, especificando as características em 3 dos 4 mapas digitalizados e analisar
os 4 mapas para quantificar 24 características morfológicas da bacia.
15
Na quarta fase quantificam-se 2 características climáticas dos mapas
digitalizados através dos dados de precipitação. Compararam-se os métodos
manuais, com os medidos, concluindo que a utilização do software SIG para o
cálculo das características forneceu uma redução de tempo. Foram realizados testes
comparativos indicando que as medidas das características obtidas através do SIG
não são significativamente diferentes das obtidas manualmente.
Campbell (1994) ressalta que na literatura específica há ainda pouca
informação sobre o impacto que as aplicações de SIG exercem nos órgãos onde
estão sendo implementados. Com esta consideração em mente, este trabalho faz
uma avaliação de pareceres de 12 estudos de casos realizados em governos locais
na Inglaterra de 1991 a 1992. Esta avaliação foi dividida em 2 partes. A primeira
indicou o impacto do software SIG nas empresas locais com no mínimo 2 anos de
experiência. A segunda parte identificou as questões que são responsáveis pelas
restrições na implementação efetiva do software SIG. São poucas as organizações
que são essencialmente inovadoras. Como resultado da avaliação sugere-se que se
dê maior consideração ao impacto que o software SIG causa nos órgãos, onde são
implantados.
Em Smith e Maidment (1995) é apresentado o desenvolvimento de um banco
de dados hidrológicos, usando o aplicativo Arc/Info, da ESRI. Os softwares SIG
têm sido descritos como sistemas computacionais capazes de capturar, armazenar,
recuperar, analisar e visualizar os dados espaciais. O objetivo do software SIG é
capturar as observações do mundo real e simplificá-las, colocando os dados em
escala, entre os elementos gráficos, para os quais são relacionadas características
descritivas denominadas atributos. Os atributos são mantidos em um sistema de
gerenciamento de banco de dados, enquanto os elementos gráficos são descritos
por um dos dois tipos de estrutura espacial: vetorial ou raster (matricial). As
estruturas vetoriais são aquelas em que os elementos discretizados (pontos, linhas e
polígonos) são representados digitalmente por uma série de coordenadas
bidimensionais (x,y), que implicam em magnitude e direção.
16
O sistema desenvolvido pelos pesquisadores é formado por programas e
menus direcionados. Foi utilizada uma linguagem de alto nível conhecida como Arc
Macro Language (AML), com a qual o usuário pode automatizar seqüências de
comandos. Comandos condicionais e rotinas de “looping” que recuperam as
entradas do usuário criam interfaces de menu direcionadas, lêem e escrevem
arquivos e rodam programas externos, que permitem ao usuário determinar
interativamente alguns parâmetros hidrológicos, utilizados no cálculo da estimativa
de uma cheia de projeto.
No banco de dados, foram incluídos dados de topografia da região estudada.
Estes dados são representados através de modelos de elevação digital, os quais
contêm uma malha uniforme de elevações do solo. Este tipo de dados pode ser
usado para uma grande variedade de aplicações, incluindo delimitação de bacias. A
elevação assumida para uma célula dentro da malha representa a elevação do solo
no centro da célula. No banco de dados estão as principais estradas, características
do solo, chuva de projeto (intensidade, duração e freqüência), uso da terra e
localização de postos fluviométricos.
Foram desenvolvidos programas para relacionar espacialmente as
características do solo e o uso da terra com os coeficientes de escoamento
superficial para serem usados na determinação do “Número da Curva” (CN),
utilizado no método do “Soil Conservation Service”.
Um dos objetivos deste trabalho também foi identificar os procedimentos que
são comuns em todas as análises hidrológicas e desenvolver tais procedimentos até
minimizar o processamento em tempo real como: remover todas as falhas do modelo
de elevação digital; calcular as direções do fluxo, baseadas nos gradientes
calculados entre as células adjacentes; calcular o fluxo acumulado (através da
contagem do número de células que contribuem com o fluxo para uma célula);
estabelecer os cursos d’água como sendo aquelas células com o fluxo acumulado
superior a um limite estipulados.
Segundo Smith e Maidment (1995), os órgãos federais, estaduais e
municipais dos Estados Unidos usam os softwares SIG predominantemente para a
17
visualização de mapas e no gerenciamento de dados espaciais e não exploram os
cálculos que podem ser feitos com esta base de dados. Está havendo um aumento
de interesse nas aplicações, especialmente na área de hidrologia e hidráulica.
Os pesquisadores realizaram uma pesquisa junto aos órgãos federais,
estaduais e municipais dos Estados Unidos para saber quais os estados americanos
usam os SIG. Desta pesquisa foi constatado que dez estados usam o software SIG
apenas para a visualização de mapas e apenas um estado, Maryland, tem usado o
sistema com alguma finalidade hidrológica. Neste trabalho, foram discutidos os
conceitos considerados importantes para o sucesso da formação de bancos de
dados. Foram detalhados alguns requisitos para os dados, os métodos de
desenvolvimento para o banco de dados hidrológicos e os métodos empregados na
integração do sistema.
Jankowski (1995), na sua pesquisa aborda os problemas existentes nos
processos de decisão, com relação à escolha de um local para finalidades
específicas. Como exemplo, o autor comenta sobre a escolha de um local para
alocação do uso da terra. Esta escolha requer uma decisão que considere o impacto
da opção escolhida com relação a outras possíveis. Este processo de decisão
envolve prioridades políticas, incertezas e outros fatores. Pode ser realizado através
de métodos que fazem a decisão com múltiplos critérios. Esta pesquisa mostra como
pode ser feita a integração dos processos decisórios com um SIG.
Dourado (1998) explora no seu trabalho a utilização de ferramentas SIG em
modelos de simulação hidrológica. O software SIG é utilizado como gerador de
dados de entrada para um modelo de simulação hidrológica. As características
físicas da bacia hidrográfica são determinadas com o uso do SIG. O SIG utilizado foi
o IDRISI (Clark University). Apresenta no seu trabalho uma revisão bibliográfica de
SIG com aplicações em Recursos Hídricos de uma forma geral.
Garbrecht e Martz (2000) fazem uma síntese da importância da modelagem
digital de terreno na modelagem dos recursos hídricos. Os processos hidrológicos e
a distribuição dos recursos hídricos são comumente investigados pelo uso de
18
modelos distribuídos. Estes modelos necessitam de informações fisiográficas tais
como: comprimento dos rios, declividades, enfim necessitam das propriedades
geométricas das sub-bacias. Tradicionalmente, estes parâmetros são obtidos de
mapas ou levantamentos de campo, o que muitas vezes inviabiliza um estudo
hidrológico por falta destas informações. As informações digitais da topografia, ou
seja, os modelos digitais de terreno, nas últimas duas décadas estão aumentando
(Jenson e Domingue; 1988); (Mark,1984); (Moore et all, 1991); (Martz e Garbrecht,
1992) e as informações fisiográficas são obtidas diretamente das representações
digitais da topografia.
A obtenção automatizada dos dados topográficos de uma bacia hidrográfica
através de um modelo digital de terreno (MDT) é mais rápida, menos subjetiva e
fornece mais medidas reproduzíveis do que as técnicas manuais tradicionais
aplicadas aos mapas topográficos (Tribe, 1992). Estas informações digitais têm a
grande vantagem de serem prontamente importadas e analisadas por um software
SIG.
Maidment e Djokic (2000) apresentam trabalho de Olivera e Maidment (1998)
o CRWR (Center Research in Water Resources) - Prepro, um sistema de scripts
(programas) em ArcGIS-ArcINFO, desenvolvidos para extrair informações
topográficas, topológicas e hidrológicas de um modelo digital de terreno, com o
objetivo de gerar informações de entrada para o modelo HEC-HMS, onde HEC
(Hydrologic Engineering Center do US Army Corps of Engineers) e HMS (Hydrologic
Modeling System), o qual é um modelo chuva-vazão adicional ao HEC-1. O CRWR
tem ferramentas para a obtenção do traçado da rede de drenagem e a delimitação
de bacias hidrográficas.
Em Maidment e Djokic (2000) é apresentado um modelo hidrológico para a
Bacia de Buffalo Bayou usando SIG, a mesma foi simulada usando Hydrologic
Modeling System (HMS) com as entradas obtidas do SIG. A Bacia de Buffalo Bayou
cobre a maior parte da área metropolitana de Houston no Texas. As sub-bacias e a
rede de drenagem foram obtidas do modelo digital de terreno do USGS com células
com resolução de 30 m. Os dados de drenagem também foram obtidos do USGS
(United States Geological Surveys) e da EPA (Environmental Protection Agency). Os
19
parâmetros físicos das sub-bacias foram obtidos com a utilização dos programas do
CRWR-Prepro. Após os resultados obtidos através do uso das ferramentas SIG foi
realizada a verificação dos mesmos, calculando-se através dos procedimentos
tradicionais. Neste projeto, a aplicação das ferramentas SIG mostrou bom ajuste em
relação aos procedimentos tradicionais.
Rufino et al (2001) propõem a utilização do sensoriamento remoto (imagens
de satélite) como auxiliar na atualização de uma base de dados hidrográfica. Estão
aplicando esta técnica no Estado da Paraíba.
20
3.2 Formas de Disponibilização e Exploração de Dados
Hidrometeorológicos Integrados a um SIG
Alguns trabalhos têm sido publicados com relação à utilização dos SIG como
forma de apresentar e disponibilizar dados hidrometeorológicos. Entre eles estão:
Sznaider (2000) e Block (2000) apresentam o DTN (Data Transmission
Network) Weather Services, um sistema comercial que foi desenvolvido com o
objetivo de coletar, entre outros, dados climatológicos em tempo real de várias
fontes e disponibilizar produtos dos mesmos para a comunidade que trabalha com
os sistemas de informação geográfica. Atualmente há no mundo uma grande
quantidade de dados climatológicos disponíveis em formatos não compatíveis entre
si. Além disso, poucos dados são georegistrados em um formato padrão que permita
o acesso aos dados sem que haja necessidade de ser um meteorologista. O DTN
Weather Services coleta e processa todos os tipos de dados de tempo, incluindo
dados de radar, satélite, raios, observações de superfície e atmosféricas, entre
outros. Após serem coletados, os mesmos são processados e verificados quanto a
um controle de qualidade e então distribuídos aos usuários e arquivados. O
processamento dos dados envolve 2 passos fundamentais: central de
processamento e conversão dos dados para SIG. Na central de processamento dos
dados, medidas de controle de qualidade são aplicadas para verificar os dados
brutos quanto à recepção dos mesmos.
Algumas das fontes de dados do DTN Weather Services são:
- National Weather Service;
- National Center for Environmental Prediction;
- National Hurricane Center;
- Storm Prediction Center;
- Federal Aviation Authority;
- National Oceanic and Atmospheric Administration;
- Department of defense;
- European Center for Medium Range Weather Forecasting;
- European Organization for Exploitation of Meteorological Satellites;
21
- Canadian Atmospheric and Environmental Services;
- Japan Meteorological Agency;
- Global Atmospherics Incorporated;
Após serem processados, os dados são convertidos para formatos
específicos dos softwares SIG da ESRI (Environmental Systems Research Institute).
O usuário determina o formato desejado. Entre eles, estão disponíveis: point
shapefiles, polygon shapefiles e malhas. Com este trabalho o DTN Weather Services
pretende contribuir nas previsões de tempo via televisão, no gerenciamento dos
recursos hídricos, no monitoramento global do tempo, na área de geração de
energia, no monitoramento dos raios, no gerenciamento de emergências
(catástrofes), na agricultura entre outros.
O DTN Weather Services tornou-se um negócio da ESRI, são parceiros desde
1996 para viabilizar soluções com a tecnologia SIG em diversas áreas.
Rea (2000) relata a importância das agências federais na coordenação de um
banco com os contornos de bacias hidrográficas (WBD – Watershed Boundaries
Dataset), como uma prioridade para ser incluído na chamada infraestrutura de dados
espaciais nacionais – National Spatial Data Infrastructure (NSDI). Os propósitos do
NSDI com o banco de dados com os contornos de bacias hidrográficas são:
-
Ter uma série de dados digitais, consistente nacionalmente;
-
Contornos de bacias hidrográficas, baseados em mapas topográficos de
escala 1:24000;
-
Estabelecer os nomes das bacias hidrográficas formalmente;
-
Informações de atributo para identificar unidades a montante e a jusante;
Existem 3 grandes bancos de informações que devem ser relacionados: o
banco que contém os contornos das bacias hidrográficas nacionais, o banco com as
elevações de terreno também em dimensão nacional e o banco com a série de
dados hidrográficos. Esforços deverão ser realizados para resolver o problema das
inconsistências destes bancos para melhorar a qualidade dos dados. Os órgãos
estaduais e federais, entre outros, estão unindo esforços para a construção do WBD
22
(Watershed Boundaries Dataset), incluindo o US Geological Survey, o US
Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service and Forest
Service, o US Environmental Protection Agency, Bureau of Land Management,
National Oceanographic and Atmospheric Administration.
Segundo Andrews (2000) o National Hydrography Dataset (NHD) Reach
Addressing Database (RAD) é um banco de dados Oracle 8i, SDE 8.01. É projetado
para armazenar feições de recursos hídricos e registro de eventos de qualidade e
uso da água para aplicações de mapeamento e buscas. O NHD contém uma série
de dados digitais espaciais com informações sobre as feições hidrológicas, tais
como: lagos, poços, riachos, córregos, rios, açudes e reservatórios. O registro de
eventos é armazenado em forma de tabelas de atributos, correspondendo às feições
hidrográficas. Como exemplo, podem ser citados: pontos de poluição, estações de
monitoramento, usos, controles permitidos e padrões de qualidade da água. O NHD
tem 3 propósitos principais. O primeiro é fornecer e armazenar os dados espaciais
para aplicações de mapeamento. O segundo é fornecer estrutura para visualização
das tabelas de dados. O terceiro é fornecer uma estrutura de banco de dados de
modo a relacionar os vários componentes dos dados.
Hudgens e Maidment (2000) apresentam um trabalho realizado no Estado do
Texas (USA). O Texas Natural Resources Conservation Commission (TNRCC) tem
um projeto para modelar a disponibilidade da água, com o objetivo de melhorar os
modelos usados em cada bacia. Um esforço paralelo é feito pelo Estado com uma
iniciativa de mapeamento estratégico, que melhora a descrição dos dados
geoespaciais do Texas através de mapas digitais da topografia, redes de drenagem,
solos e ortofotografia. Como parte do projeto de modelagem do TNRCC, o Centro de
Pesquisa em Recursos Hídricos (CRWR) da Universidade do Texas, está usando
dados geoespaciais melhorados para determinar áreas de drenagem e propriedades
das bacias em locais estratégicos para retirada de água. Estas áreas de drenagem e
as propriedades das bacias são usadas para estimar as vazões em determinados
locais, baseando-se nas vazões conhecidas em locais onde existem postos de
medição de vazões. Como parte do processo de desenvolvimento dos dados para
cada bacia hidrográfica, um banco de dados é construído, e o mesmo contém:
23
-
Modelo digital de elevação de terreno (MDT);
-
Uma rede de drenagem mostrando os rios principais;
-
A localização de uma série de postos de vazões do USGS;
-
A localização de uma série de pontos de tomadas d ‘água;
-
Uma malha de precipitações médias anuais;
-
Uma malha com os valores do Número da Curva (CN) do Soil Conservation
Service;
24
4. LOCALIZAÇÃO DA ÁREA PILOTO
A área piloto onde foram realizadas as análises é uma bacia hidrográfica que
está localizada a noroeste do município de Campinas (Estado de São Paulo), no
trecho que é cortado pelo eixo da Rodovia Dom Pedro I. A figura 1 abaixo exibe o
mapa de localização
Figura 1:Mapa de Localização
25
4.1 Características Geomorfologicas
Campinas se localiza em uma área de transição entre o Planalto Atlântico
Paulista (região leste) e a Depressão Periférica (região oeste), com relevo bastante
ondulado e poucas áreas planas. O lugar mais alto da cidade está próximo ao
Observatório Municipal Jean Nicolini, localizado na Serra das Cabras, no distrito de
Joaquim Egídio, a uma altitude de 1020m. Dentro do perímetro urbano, entretanto, a
região mais alta está no Jardim São Gabriel, a 780m de altitude. A menor altitude se
verifica na região do Parque Itajaí, próximo ao Rio Capivari, a 555m.
4.2 Clima
Figura 2: Tempo Severo em Campinas
O clima de Campinas é classificado como Tropical de Altitude, com média de
temperatura de 21ºC, com predominância de chuvas no verão e com estiagens
médias de 30 a 60 dias entre os meses de julho e agosto e estiagens agrícolas que
podem chegar a 120 dias.
26
5. BASE DE DADOS
É chamado nesta pesquisa de base de dados às informações de interesse em
Recursos Hídricos e que podem ser utilizadas e de alguma forma exploradas nos
softwares SIG. Antes dos dados serem inseridos nos softwares SIG é importante
fazer um levantamento da disponibilidade e do formato no qual se encontram. E
principalmente se estão sobre uma mesma base cartográfica digital, isto é, nos
mesmos sistemas de projeção, “datum” e coordenadas e conhecer a qualidade dos
mesmos.
Neste trabalho, para efeito de apresentação são abordadas as bases de
dados geográficos e a base de dados hidrológicos (os atributos dos postos
hidrológicos). É apresentada uma definição de cada base, a importância da
qualidade, a preparação das bases como função da disponibilidade e do formato no
qual se encontram.
Define-se como dados geográficos os dados que descrevem qualquer parte
da superfície da Terra, ou seja, as feições do mundo real. Já os dados espaciais são
os dados geográficos que armazenam a localização geométrica de uma determinada
feição, como exemplo os mapas digitais. Análises mais detalhadas sobre os dados
geográficos podem ser encontradas em Câmara et al. (1996), Mendes e Cirilo
(2001).
A base de dados geográficos básica necessária para uso em Hidrologia é
representada pelos seguintes dados:
-
Hidrografia (dados vetoriais lineares);
-
Curvas de nível (dados vetoriais lineares);
-
Tipo de solos (vetorial ou matricial);
-
Imagens de satélite (dados matriciais);
-
Localização dos postos hidrológicos (vetorial-pontos);
-
Outros mais específicos;
27
Com relação aos dados vetoriais na forma de pontos, como exemplo a
localização dos postos, a probabilidade de erros é menor, pois para a entrada nos
softwares SIG depende apenas das coordenadas do mesmo. Um possível erro
existirá caso estas coordenadas não estejam corretas ou haja necessidade de uma
conversão da mesma para outro sistema de coordenadas.
No caso da hidrografia e das curvas de nível, as quais são informações
vetoriais lineares é necessário primeiro investigar em que condições de qualidade e
formato se encontram e analisar se as mesmas cumprem a necessidade à qual se
destinam. Com relação às imagens de satélite, podem ser utilizadas após o
processamento das mesmas. Estas informações estão cada vez mais sendo
utilizadas em Recursos Hídricos, como fonte de dados e como fonte de apoio às
informações básicas obtidas por postos de medição de dados.
A primeira providência a ser tomada antes de se utilizar um software SIG,
definida a região do estudo, é verificar a disponibilidade de mapas ou cartas em
escalas adequadas. Mapas de grande escala apresentam uma quantidade
significativa de detalhes para pequenas áreas. Mapas de pequena escala fornecem
uma descrição pouco detalhada de grandes áreas.
Feito isso, é necessário fazer um levantamento da disponibilidade de dados
geográficos para a região em estudo. Verificar se os mesmos já estão no formato
digital adequado de forma a serem utilizados no software SIG.
Neste estudo foram utilizados os dados das seguintes instituições:
- IBGE – Mapa de Solos – (www.ibge.gov.br)
- IBGE – Carta Topográfica – Folha Campinas (www.ibge.gov.br)
- DAEE – Dados Pluviométricos (www.daee.sp.gov.br)
- NASA – Imagem Landsat 7 ETM (www.nasa.gov)
Todos estes dados estão disponíveis gratuitamente em seus respectivos
endereços eletrônicos.
28
6. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste tópico serão apresentados ferramentas e métodos para estudos
hidrológicos em ambiente SIG. Todos os métodos são seguidos de exemplos onde
sua aplicação foi bem sucedida na prática.
Para organizar a seqüência das análises descritas por estes métodos, foi
utilizado o Processo Analítico (capítulo 1 do guia The ESRI Guide to GIS Analysis
Volume1: Geographic Patterns and Relationships), como mostra o exemplo abaixo:
Através do processo analítico chegou-se ao diagrama apresentado no item
6.2 que exibe a seqüência de análises deste projeto. Todas as etapas da análise
serão apresentadas nos tópicos seguintes deste capítulo.
6.1 Recursos de Informática e Geoprocessamento
O SIG adotado neste projeto foi o ArcGIS-ArcInfo Desktop (versão 9.3) com
as extensões Spatial Analyst, 3D-Analyst e Geostatistical Analyst, sendo que a
primeira se encarrega dos processos de análise espacial e álgebra de mapas, a
segunda é utilizado para criação e exibição de modelos numéricos de terreno e a
última para análises em geoestatística.
Este SIG possuí três aplicativos, sendo o ArcMap, responsável pelas análises
espaciais e construção dos mapas temáticos, o ArcCatalog, responsável pela
construção e manutenção do banco de dados geográfico e o ArcToolbox, que é a
biblioteca de funções de geoprocessamento.
29
Todos os processos foram executados no SIG ArcGIS-ArcInfo, com exceção
do cálculo de chuva máxima, onde será utilizada a planilha eletrônica Microsoft
Excel.
6.2 Diagrama de fluxos de trabalho
O diagrama exibe as etapas de processamento dos dados, ligados aos
métodos que foram submetidos. Estes métodos serão explanados nos próximos
itens deste capítulo.
Figura 3:Fluxograma da Metodologia.
30
6.3 Método de Elaboração de MNT para análise hidrológica
Seguindo a ordem da figura 3, este tópico exibe o processo de elaboração de um
MNT hidrologicamente correto, que represente analiticamente o escoamento
superficial. Este MNT é obtido através do processo de interpolação de dados. A
figura abaixo exibe resumidamente este processo:
Figura 4:Modelo esqumático do método de interpolação “topo to raster”.
A ferramenta Topo to Raster do ArcGIS Spatial Analyst é um método de
interpolação projetado especificamente para a criação de modelos digitais de terreno
hidrologicamente corretos. Ela é baseada no programa ANUDEM desenvolvido por
Michel Hutchinson (1988 – 1989). Veja Hutchinson e Downling (1991) para um
exemplo de aplicação significativa do ANUDEM para outras referências associadas.
Um breve resumo do ANUDEM e de outras aplicações são dadas por Hutchinson
(1993).
31
O procedimento de interpolação foi projetado para tirar vantagem dos tipos de
dados de entrada que geralmente estão disponíveis e as características conhecidas
das superfícies de elevação. Este método usa uma técnica de interpolação baseada
na interação entre diferenças finitas. Ele é otimizado para a eficiência computacional
de métodos locais de interpolação como o Inverso da Distância Ponderada (IDW –
Inverse Distance Weighted), sem no entanto perder a continuidade da superfície
proporcionada por métodos globais como o Spline e Kinging.
Pode-se dizer que ele é uma adaptação da técnica Spline (Wahba, 1990) na
qual a geração das irregularidades da superfície foi modificada de modo a permitir
que o MNT expresse mudanças abruptas no terreno, como as provocadas por rios e
vales.
A água é a principal força erosiva que determina a forma geral da maioria das
paisagens. Por esta razão, a maioria das paisagens possui muitos topos de morro
(locais mais altos) e poucas depressões (locais mais baixos), resultando num padrão
de drenagem conectado. A ferramenta Topo to Raster usa este conhecimento sobre
as superfícies e impõem restrições ao processo de interpolação que resultam em
estrutura de drenagem conectada e uma representação correta de vales e cursos
d’água. Esta condição imposta pela drenagem produz superfícies mais precisas com
menos dados de entrada. A quantidade de dados de entrada pode ter uma ordem de
magnitude menor do que a normalmente requerida para descrever adequadamente
uma superfície a partir de curvas de nível. Isto acaba minimizando os custos para se
obter um MNT confiável. A condição imposta pela drenagem também virtualmente
elimina qualquer necessidade de edição ou de pós-processamento para corrigir a
superfície gerada.
O programa atua de maneira conservadora na remoção de falhas em locais
que podem contradizer os dados de elevação fornecidos. Estes locais normalmente
aparecem descritas no relatório de processamento, e esta informação deve ser
usada para corrigir erros nos dados, em especial ao processar conjuntos grandes de
dados.
32
A função do processo de imposição da drenagem é remover todas as falhas
presentes no MNT gerado pela interpolação que não tenham sido identificados no
conjunto de dados de entrada. O programa assume que todos esses pontos não
identificados são erros, uma vez que eles não são comuns em paisagens naturais
(Goodchild e Mark, 1987).
O algoritmo que impõe a drenagem tenta eliminar os pontos de conexão de
drenagem que são plausíveis, mas na verdade não existem de fato, modificando o
MNT de maneira a deduzir as linhas dos cursos d’água ao usar como referência o
ponto mais baixo do leito dos rios.
A imposição da drenagem também pode ser complementada pela
incorporação dos dados das linhas dos cursos d’água, o que é útil quando um
posicionamento mais preciso da hidrografia é necessário.
As curvas de nível foram originalmente o método mais comum para
armazenamento e preservação da informação de elevação. Infelizmente este tipo de
dado é também o mais difícil para se utilizar apropriadamente em técnicas de
interpolação. Sua desvantagem é a falta de amostragem entre as isolinhas,
especialmente em áreas de pouca rugosidade.
No início do processo de interpolação, a ferramanta Topo to Raster usa a
informação fornecida pelas curvas de nível para gerar um modelo de drenagem.
Identificando as áreas de curvatura máxima em cada isolinha, as regiões de maior
declividade são individualizadas e rede hidrográfica é criada (Hutchinson, 1988).
Esta informação é usada para garantir propriedades hidrogeomórficas adequadas ao
MNT resultante da interpolação, e também pode ser utilizada para verificar a
precisão do MNT gerado.
Depois que a morfologia geral da superfície é gerada, as curvas de nível
também são usadas para interpolar o valor de elevação de cada célula.
Quando as curvas de nível são usadas para interpolar as informações de
elevação, todas as isolilnhas são lidas e generalizadas. Então um máximo de 50
33
pontos de dados dessas isolinhas são lidos para cada célula. Na resolução final,
apenas um ponto crítico é usado para cada célula. Por esta razão, ter uma alta
densidade com várias isolinhas passando pela mesma célula é redundante.
6.4 Método SCS – Curva Número
O SCS curva número é um método simples e eficiente para determinar a
expectativa de escoamento superficial, calculada a partir de uma eventual
precipitação.
O cálculo do método curva número é realizado utilizando no mínimo duas
informações geográficas:
- Mapa de uso e cobertura do solo
- Mapa de tipo de solo, classificado por grupos hidrológicos
O quadro 1 exibe a classificação feita sobre os tipos de solo, segundo o grau
de permeabilidade. Os valores variam de A para D, sendo que o grupo A
representam os solos com características mais arenosas, até a categoria D, que
representam solos argilosos, ou seja, os solos do grupo A são mais permeáveis que
os do grupo D, influindo assim na taxa de absorção e escoamento superficial.
No quadro 1 estão os principais grupos hidrológicos encontrados neste
estudo, seguido dos referentes tipos de solo:
Tipo de Solo
Categoria Hidrológica do Solo
(CHS)
PVA Distrófico + CX Tb Distrófico D
PVA Distrófico + PV Eutrófico + LVA Distrófico D
PVA Eutrófico + PV Eutrófico + LV Distrófico D
LVA Distrófico + LV Distrófico C
LVA Distrófico + CX Tb Distrófico B
LV Distrófico + LVA Distrófico + CX Tb
Distrófico D
Quadro 1 – Grupo Hidrológico de Solos
34
A figura 5 representa o mapa de solos com a classificação CHS utilizada no
estudo:
35
O mapa de uso do solo foi obtido através da técnica de sensoremanto remoto
de classificação não-supervisionada,algoritmo encontrado no aplicativo ArcGIS.
O quadro 2 exibe a classificação a combinação entre a informação geográfica
de solos e uso e cobertura do solo:
Categorias Hidrológicas dos Solos
Tipos de Uso e Cobertura do Solo
A B C D
Agricultura 65 75 82 86
Citros 39 52 66 71
Pasto 49 69 79 84
Reflorestamento 36 60 70 76
Cerrado 30 46 63 66
Vegetação de Várzea 45 66 77 80
Mata e cerrado 15 44 54 61
Área Urbana 51 68 79 84
Quadro 2 – Valores de curva número.
Os valores de curva número (tendendo a 100) indicam solos apresentando
superficialmente condições de menor infiltração das águas pluviais e portanto maior
chance de escoamento superficial.
O cálculo da taxa de escoamento superficial é realizado utilizando a equação
SCS:
O valor Q, representa o resultado final que se
pretende chegar, isto é, uma camada de
informação geográfica que representa a taxa
de escoamento superficial (runoff)
P é a precipitação obtida através do
cálculo de chuvas máximas.
36
O cálculo de S é gerado a partir da camada de informação geográfica
resultante da combinação de solo e uso e cobertura vegetal já classificada com o
método CN.
O coeficiente I é uma constante que pode ser calibrada de acordo com a
situação de saturamento hídrico do solo.
Neste estudo foi utilizado o coeficiente de I com valor II, correspondente a
uma condição de solo semi-saturado, devido as condições anteriores de
precipitação.
Os valores de precipitação adotados foram do ano de 1976, no mês de
janeiro, a partir das estações do DAEE, exibidas no quadro 3.
PREFIXO NOME_DO_POSTO
ENTIDADE MUNICÍPIO
D3-035 Pedra Bela DAEE Pedra Bela
E3-017 Vinhedo DAEE Vinhedo
E3-076 Piracaia DAEE Piracaia
E3-049 Santa Isabel DAEE Santa Isabel
E3-054 Paratei DAEE Guararema
Quadro 3: Descrição dos postos pluviométricos do DAEE.
37
6.5 Obtenção do Mapa de Risco de Inundação
A bacia hidrográfica é o elemento espacial essencial para os estudos e
análises realizadas em Recursos Hídricos. Devido a sua importância decidiu-se
avaliar a metodologia aplicada no software SIG utilizado na pesquisa. Esta
metodologia de obtenção do mapa de risco de inundação, e em conseqüência da
delimitação das bacias hidrográficas, utiliza como dado de entrada o modelo
numérico do terreno. Neste software, existem funções hidrológicas desenvolvidas
pela ESRI, que analisam o Modelo Numérico do Terreno (MNT) e geram os
prováveis caminhos de fluxo e, em conseqüência, delimitam as bacias hidrográficas
e determinam as regiões de acumulo da água proveniente do escoamento
superficial.
Este item aborda os conceitos utilizados em cada fase da metodologia
incorporada ao aplicativo SIG ArcGIS – ArcINFO
pela ESRI. Os algoritmos inerentes
a cada função hidrológica, desenvolvidos pela ESRI, não são disponibilizados ao
usuário.
Caso o usuário opte por um SIG com política de software livre, algoritmos
semelhantes encontram-se no aplicativo SIG SPRING, desenvolvido pelo Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
Existem ainda alguns estudos que tratam dos métodos para se determinar a
rede de drenagem de uma região e conseqüentemente se obter a área de drenagem
da respectiva rede. Entre os estudos, estão alguns mais recentes como o de Perez
(2000), Garbrecht e Martz (2000), Olivera e Maidment (2000), Djokic e Ye (2000) e
Saunders (2000).
A metodologia aplicada no SIG utilizado nesta pesquisa é a chamada D8
(Deterministic – 8 Node), apresentada em detalhe em O’ Callaghan e Mark (1984).
Este método define a rede de drenagem a partir de um MNT na forma matricial
(raster) utilizando uma analogia com o fluxo da água sobre a superfície da terra.
Garbrecht e Martz (2000) tratam em detalhe deste método.
38
Em um SIG, o terreno é representado pelas células de um MNT. O caminho
percorrido pela água sobre o MNT pode ser traçado célula por célula utilizando uma
função de modelagem hidrológica, a direção de fluxo.
O método D8 identifica o caminho mais íngreme para o fluxo entre cada célula
de um MNT e suas 8 células vizinhas, por isso o nome do método, D8.
A Figura 6 apresenta o esquema de codificação das direções de fluxo
utilizados no método D8.
Figura 6: Esquema com as codificações das direções do fluxo.
O chamado ponto de escoamento ou fonte é o local (célula) através do qual a
água flui de uma célula a outra. Cada célula da malha é cercada por 8 células
vizinhas. Quatro das quais estão sobre os eixos principais (Norte, Sul, Leste e
Oeste), e quatro estão sobre as diagonais. Pelo método D8, a água na célula pode
fluir para uma e somente uma das células vizinhas. A direção deste fluxo é a do
caminho mais íngreme. As direções do fluxo são codificadas no ArcGIS ArcINFO por
potências de 2 (20=1, 2¹=2, 2²=4, 2³=8, 24 =16, 25 =32, 26=64, 27 =128) a partir de
Leste, no sentido horário, como pode ser observado na Figura 1.
O modelo D8 é uma simplificação do caminho verdadeiro do fluxo da água
que pode se dar em qualquer direção. Alguns pesquisadores, entre eles (Freeman,
1991; Quinn et al, 1991; Costa-Cabral e Burges, 1994) deram algumas alternativas
ao método D8 que representariam de uma forma mais real como a água fluiria
através do terreno, permitindo que o fluxo tenha mais de uma direção. Mas estas
alternativas tornariam a aplicação do método inviável em termos de processamento,
39
e em termos do resultado final não melhorariam a determinação das áreas com risco
de inundação.
O modelo D8 apresenta dificuldades na identificação da direção do fluxo
quando existem depressões ou áreas planas no MNT. Muitas vezes as depressões e
as áreas planas são originadas de erros resultantes da interpolação numérica
quando da geração do MNT.
A dificuldade originada deste fato é que o fluxo nestas células ficaria
comprometido, pois nenhuma célula vizinha teria elevação inferior e
conseqüentemente o fluxo não poderia passar para nenhuma célula vizinha.
Para que isso não ocorra, as depressões e as áreas planas são removidas.
Após as áreas planas ou depressões serem identificadas no MNT, devem ser
corrigidas para que se possa obter a rede de drenagem ou rede de fluxo do MED.
Existem vários métodos utilizados na correção ou no preenchimento dessas células
que representam áreas planas ou depressões. Jenson e Domingue (1988), Martz e
De Jong (1988), Freeman (1991), discutem alguns métodos para a correção dessas
depressões.
No capítulo 6.3, foram realizadas as correções do MNT para uso em análises
hidrológicas, excluindo as depressões provenientes da interpolação.
A figura 7 mostra simplificadamente a obtenção de uma malha com as
direções do fluxo
40
Figura 7: Exemplo de malha de direção de fluxo.
A Figura 6 apresenta como se define a malha com as direções de fluxo a
partir de um MNT. Analisando-se a primeira célula superior à esquerda, compara-se
o valor da elevação da célula em análise com elevação (258), com os valores das
células vizinhas com elevação (297, 275 e 57). A regra do método D8 diz que a água
flui da célula em análise para o caminho mais íngreme.
Este caminho é determinado calculando-se a declividade da célula em
análise, com relação as suas células vizinhas. Faz-se a diferença das elevações da
célula em análise com relação as suas células vizinhas. Esta diferença é dividida
pela distância de centro a centro de cada célula. Na horizontal e vertical a distância
41
coincide com o lado da célula, na diagonal multiplica-se o lado da célula por 2 , por
ser uma célula quadrada. A direção do fluxo se dá na direção da maior declividade
obtida. A direção do fluxo obtida em função do caminho mais íngreme é
representada no esquema com as direções de fluxo por uma seta azul, no sentido
do fluxo. Assim são determinadas todas as direções de fluxo. Para armazenar as
direções calculadas representadas esquematicamente na Figura 7 por setas azuis, o
método D8 adotado no aplicativo ArcGIS ArcINFO
utiliza um esquema de codificação
para as direções de fluxo, representado por potências de 2. Por exemplo, observa-se
que para a célula com elevação (258), cuja direção calculada, é da célula com
elevação (258), para a célula com elevação (57), o valor do código da direção é
representado por 2. Este procedimento é repetido para todas as células do MNT.
A partir da malha com as direções de fluxo, é possível determinar a malha
com os possíveis caminhos de fluxo. Isto é realizado, ligando-se as células de centro
a centro, seguindo-se a direção do fluxo obtida para cada célula. Após todas as
células serem verificadas, é possível obter a malha com os possíveis caminhos de
fluxo, como pode ser observado na Figura 8.
Desta forma simplificada, é possível caracterizar o fluxo da água de forma
unidimensional, ou seja, é possível descrever um fluxo com uma rede
unidimensional sobre uma superfície bidimensional.
Na Figura 8, é possível visualizar um exemplo de uma matriz com os códigos
das direções de fluxo (segundo o método D8), um esquema ilustrativo das direções
de fluxo e todos os possíveis caminhos de fluxo (rede de fluxos), obtidos através da
malha de direções de fluxo.
42
Figura 8: Caracterização dos caminhos de fluxo.
Como pode ser observado na Figura 8, a malha da esquerda é uma malha
com uma representação dos possíveis caminhos de fluxo. Nesta malha, foram
inseridos números em cada célula, que representam a soma das células que fluem
de montante na direção daquela célula. Por exemplo, o valor acumulado obtido para
a célula que está na linha 2, coluna 2 é igual a 6. Isto significa, que 6 células fluem
na direção desta célula. Da Figura 8, observa-se que existem 6 células interligadas a
montante desta célula. Isto pode ser comprovado, observando-se a direção das 6
células interligadas, na malha com as direções de fluxo da Figura 6. A malha da
direita, na Figura 8 é a malha que representa o fluxo acumulado resultante.
Nas análises hidrológicas, uma das malhas mais importantes é a malha de
fluxo acumulado (“flow accumulation”). Esta é a malha utilizada na determinação da
rede de drenagem e potencial risco de inundação.
43
Através da malha de fluxo acumulado, obtém-se a rede de fluxos a qual é
definida como a seqüência das células cujo valor do fluxo acumulado excede um
valor de base (“threshold value” ou “cell threshold”). A extração da rede de drenagem
é feita baseando-se nesta malha e no valor de base adotado. Pode-se escolher se
os fluxos acumulados obtidos farão ou não parte desta rede de drenagem. Isto
depende da escolha do valor de base (“threshold value”) para que a célula seja
considerada como fazendo parte da rede de drenagem o valor de base é definido
como o número mínimo de células a montante da célula em questão.
A Figura 9 mostra a malha com o resultado da escolha do valor de base para
a determinação da rede de fluxo. Neste caso foi escolhido o valor igual a 4. Isto
significa que as células com valor de fluxo acumulado no mínimo igual a 4
pertencerão à rede de fluxos.
Figura98: Malha de fluxo acumulado a partir da escolha do valor de base.
A Figura 4 mostra em amarelo só as células cujo valor do fluxo acumulado é
igual ou superior a 4 (valor de base adotado). Apenas estas células representarão a
rede de fluxos.
O valor de base (“threshold value” ou “cell threshold”) é essencial na
determinação da rede de drenagem. Se o valor de base escolhido é muito baixo a
44
rede de drenagem é exageradamente detalhada. Se o valor é muito alto poderá
resultar em uma rede de drenagem muito simplificada, que se afasta muito da
realidade. Portanto, a rede de drenagem é definida pelas células com valor de fluxo
acumulado maior ou igual ao valor de base escolhido. Um valor inicial normalmente
adotado para o valor de base é de 1000 células. Este valor é adotado como padrão
no aplicativo ArcGIS ArcINFO.
Segundo experiências de Maidment (2001), a faixa normalmente utilizada
para este valor, está entre 100 e 10.000 células. Mas, na prática é importante
analisar visualmente a rede de drenagem resultante, para avaliar se a mesma é ou
não, representativa da hidrografia real. Caso se considere insuficiente, adota-se um
valor maior, e assim procede-se até chegar a uma rede de drenagem com a
densidade desejada.
45
7. RESULTADOS OBITIDOS
O resultado da análise a partir da modelo exposto na Figura 3 (capítulo 6.1),
exibe o Mapa de Inundação (Figura 10). Este modelo apresenta sua variabilidade de
acordo com os dados de precipitação e escala de coleta das informações
cartográficas.
46
No Mapa de Inundação, pode-se observar os principais pontos de contato
entre as áreas com grande volume de água durante a precipitação do período de
análise e as faixas de dutovias.
O resultado desta análise exibe as áreas sujeitas a inundação na forma de
drenagens, porém este padrão cartográfico carrega uma informação quantitativa
referente ao escoamento real da água naquele momento da precipitação.
A Tabela 1 abaixo exibe o total de chuva que precipitou no período analisado.
Os valores representam o valores em mm de chuva por estação de coleta do DAEE,
cada coluna representa a evolução temporal em minutos da quantidade de chuva.
PREFIXO
Total ch_10´
ch_20´
ch_30´
ch_60´
ch_120´
ch_180´
ch_360´
ch_720´
ch_1080´
ch_1440´
D3-035 2560
1.44
0.78
0.536
0.418
0.314
0.269
0.183
0.11
0.104
0.091
E3-017 1779
1.41
0.89
0.73
0.571
0.386
0.295
0.186
0.111
0.091
0.082
E3-076 1212
0.4
0.33
0.32
0.296
0.259
0.211
0.128
0.088
0.062
0.057
E3-049 1203
1.01
0.84
0.716
0.538
0.375
0.261
0.204
0.122
0.082
0.062
E3-054 1202
2
1.485
1.65
1.123
0.63
0.429
0.216
0.108
0.078
0.071
TOTAL 7956
6.26
4.325
3.952
2.946
1.964
1.465
0.917
0.539
0.417
0.363
Tabela 1: Valores de chuva em mm X tempo em minutos
O Mapa de Inundação utilizou os valores totais, obedecendo a condição
hidrológica II do método CHS, que representa solos em condições intermediárias de
saturação pela água.
Ainda analisando o mapa encontram-se valores de precipitação variando de
1202 mm até 2560 mm de chuva. A sua maior concentração ocorreu ao norte da
área de estudo, próximo ao município de Bragança Paulista. Esta precipitação
ocorreu no dia 16/01/1978.
O resultado encontrado indica ainda que a área de estudo possuí uma forte
tendência ao escoamento superficial, com valores acima de 60, como indica a
Tabela 2:
47
VALOR CN
ÁREA
(KM2)
% DA
ÁREA
30 8,22 0,12
49 6,52 0,10
51 3,87 0,06
63 1558,25 23,49
66 1050,25 15,83
79 2094,30 31,57
84 499,48 7,53
86 874,42 13,18
100 539,07 8,13
ÁREA
TOTAL
6634,37
MÉDIA CN
68
Tabela 2: Valores de CN encontrados na área de estudo
.
Através do cálculo de CN apresentado no Capítulo 6.4 e utilizando os dados
de precipitação máxima e valor de CN, obteve o resultado do escoamento
superficial. Nota-se um grande volume de água concentrado ao norte desta região
com valores variando entre 2300 a 2500 mm/min.
No Mapa de Inundação, foram identificados os principais trechos de
cruzamento das dutovias da Petrobras e TBG, com os pontos de grande acumulo de
água, o que sugere o maior risco a inundação.
Na tabela 3 exibe os principais pontos de risco a inundação, utilize o Mapa de
Inudação para identificar a localização dos pontos. Observe os valores de acumulo
de água em mm/minuto.
48
PONTOS DE RISCO A INUNDAÇÃO
Valores em mm/min
PETROBRAS TBG
PETR-01 8.718 TBG-01 45.627
PETR-02 12.004
PETR-03 24.500
PETR-04 21.635
PETR-05 67.433
Tabela 3: Trechos de dutovia identificados em pontos de risco a inundação
Os trechos com maior risco identificados são:
- Petrobras: PETR-05, com 67.433 mm/min, próximo ao município de
Paulínia-SP.
- TBG: TBG-06, com 45.627 mm/min, próximo ao município de Piracaia-SP.
49
8. CONCLUSÕES
A conclusão pode ser distribuída em dois tópicos relatando as condições
satisfatórias que atenderam os objetivos do trabalho, assim como os pontos que
poderão ser melhorados em aplicações futuras utilizando este conjunto de métodos
expostos neste trabalho.
As condições satisfatórias atingiram os objetivos referentes a automação do
processo de análise e potencial do uso de um SIG para a análises referentes a
inundação, tais como:
- Em um SIG é possível espacializar o processo de acumulação de água,
identificando os principais pontos sujeitos a uma inundação, assim como sua
precisão na mensuração dos valores de escoamento superficial.
- É possível repetir diversas vezes os ensaios substituindo os valores de
chuva, uso do solo, solo e elevação.
- A aplicação se estende em várias escalas de trabalho, desde escalas
regionais, tais como utilizadas neste projeto, assim como em micro-bacias, em
escalas grandes (escalas de levantamento topográfico local).
- A atual configuração dos computadores e dos aplicativos SIG suportam uma
grande quantidade de dados para o processamento em curto espaço de tempo.
- A ferramenta SIG possibilita ainda simulação em tempo real e espaço-
temporal, simulando casos de emergência, podendo ser utilizada em casos voltados
para a Defesa Civil.
- A aplicação se estende do uso em obras lineares como dutovias, podendo
ser aplicadas a qualquer caso em que se deseja obter mapas de inundação.
Neste projeto houve uma limitação na elaboração do banco de dados
geográficos, onde foram utilizados dados de fontes públicas e gratuitas, no qual nem
50
sempre possuem grande integridade, ou ainda, pouca riqueza de quando se trata de
detalhamento em escalas de trabalho grandes e locais.
As possibilidades que poderão ser exploradas em trabalhos futuros que
devem ser testadas com grande chance de êxito e maior riqueza na análise dos
dados são referentes ao mapeamento de base, fundamental em qualquer análise
SIG. Abaixo são listados os principais itens que devem ser explorados com maior
profundidade em trabalhos futuros
- Mapas de solos: o mapa obtido neste projeto, retrata uma condição muito
generalizada da realidade quando se quer estudar situações de escoamento
superficial, num estudo voltado a análises de dutos, é necessário levantar os dados
de solo em campo se possível para obter uma boa acuracidade desta informação. O
mapa do IBGE é útil quando se quer identificar os principais pontos de estudo em
áreas grandes, como a deste estudo.
- Imagem de satélite e mapa de uso do solo: atualmente existem diversos
sensores para os mais diversos tipos de aplicações de mapeamento através de
sensoriamento remoto, mas nunca esteve tão prático e rápido obter um excelente
mapeamento de uso do solo a partir de sensores de alta resolução espacial. Além
de ter disponíveis estes sensores, ainda existem aplicativos poderosos para
processar estas imagens com rapidez a acuracidade. Podemos citar exemplos de
aplicativos como o ERDAS da Leica Geosystems ou o ENVI da ITT, ambos possuem
ferramentas de extração de dados de imagens de alta resolução. Hoje possuímos a
disposição cenas do Satélite Quickbird e WorldView, ambos da Digital Globe, assim
como o Ikonos, todos com ótima resolução espacial para mapeamentos até a escala
1:5000.
- Obtenção do CN: através das imagens citadas acima, assim como um bom
levantamento dos tipos de solos, a acuracidade da taxa de escoamento superficial
obtida pelo método CHS aumenta exponencialmente, garantindo o bom resultado
em análises de precisão em escalas de até 1:5000.
51
- Mapas Digitais e recursos de publicação de mapas: com os recursos de
publicação de mapas na internet, ou em sistemas locais, é possível dispor os
resultados de uma análise como esta em mapas digitais interativos, dando ao
usuário maiores oportunidade para explorar os dados das áreas afetadas pela
inundação.
Especificamente o resultado deste trabalho, atingiu-se o objetivo de identificar
as áreas de risco a inundação próximos aos dutos, porém não é possível explicar o
real risco que eles podem correr devido as condições de mapeamento em escala
regional e generalizada.
Porém este resultado já minimiza o levantamento de dados e mapas nas
escalas grande e detalhadas, já que a obtenção destes dados tem custo elevado,
tanto na aquisição de imagens de satélite, custos de levantamento de campo, custos
de processamento em gabinete destes dados.
Com este resultado o analista pode se dirigir as áreas identificadas num
estudo como este, e obter os dados para uma análise detalhada somente na área
que realmente oferece risco.
52
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