Base de informações geográficas

Os métodos aplicados sobre as fontes primárias de informação produziram os resultados necessários para a construção da base geográfica hidrorreferenciada. O processamento da hidrografia topologicamente consistente com a base de dados da SRTM produziu o MDEHC utilizado na construção da rede geométrica, no delineamento das áreas de drenagem e na extração das características físicas e pluviométricas associadas a cada célula, de 90 m, da rede de drenagem. Apesar de não participar das funções da aplicação, a ottocodificação das bacias e cursos d’água agregou valor ao BD devido à topologia incorporada aos identificadores.

5.1.1. Tratamentos topológicos e recondicionamento do MDE

Os tratamentos na hidrografia do IBGE (1:250.000), mapeada pelo SIGEO, identificaram um número reduzido de violações às regras topológicas estabelecidas, demonstrando, para a finalidade proposta, desempenho superior à hidrografia mapeada em escala 1:50.000, disponibilizada pelo LABGEO. No contexto de desenvolvimento da base de informações do sistema, julgou-se suficiente a escala 1:250.000.

Conforme apresentado pela Figura 5.1, para compatibilizar o maior nível de detalhamento da escala 1:50.000 com o formato requerido para a base hidrográfica, seria necessário digitalizar as áreas não mapeadas e corrigir inconsistências, como o grande número de trechos desconectados e o traçado das margens duplas.

Figura 5.1. Comparação entre as hidrografias nas escalas 1:50.000 e 1:250.000.

Observando-se a figura 5.1, percebe-se que há uma variação sistemática na ramificação da drenagem em uma mesma escala cartográfica. Este é um aspecto comum às diversas escalas disponibilizadas pelo IBGE, mas que não compromete as funcionalidades do banco de dados hidrorreferenciado. Entretanto, devido ao número reduzido e à menor gravidade das inconsistências topológicas, a hidrografia na escala 1:250.000 simplificou o tratamento e agilizou a construção da base geográfica.

Basicamente, os conflitos detectados estavam associados ou à presença de arcos fechados na hidrografia ou à segmentação dos trechos em dois ou mais arcos conectados. Visando o recondicionamento hidrográfico do MDE e a construção da rede geométrica, os polígonos foram separados da estrutura unifilar e os arcos segmentados foram reconstituídos em trechos únicos. As Figuras 5.2 e 5.3 ilustram os resultados dos tratamentos topológicos para adequar a estrutura da hidrografia.

Figura 5.2. Remoção dos polígonos para consistência da estrutura hidrográfica.

Figura 5.3. Simplificação dos trechos da hidrografia em segmentos simples.

Aplicada a metodologia de recondicionamento, com ênfase no aprofundamento das calhas dos cursos d’água, o MDE resultante foi considerado Hidrograficamente Consistente, pois a partir do novo grid de elevações foi possível delinear, numericamente, a rede de drenagem e as bacias de contribuição associadas a cada segmento de rio, cujos traçados seguiram a hidrografia oficial do IBGE. A Figura 5.4 apresenta a diferença na representação dos cursos d’água no MDE original da SRTM e no MDEHC e, a Figura 5.5, o comparativo dos divisores na região estuarina.

Figura 5.4. Comparação da demarcação hidrográfica entre o MDE-SRTM e o MDEHC.

Figura 5.5. Comparação do traçado dos divisores na região mais plana da bacia.

5.1.2. Construção da rede hidrográfica

O delineamento da drenagem a partir da hidrografia mapeada e das direções de escoamento do MDEHC resultou em uma malha hidrográfica com ramificação e trajetória equivalente à base oficial do IBGE. Analisando o traçado da drenagem numérica, observaram-se dois tipos de situação em que houve diferença no traçado das linhas calculadas em relação às linhas mapeadas. A Figura 5.6 apresenta um exemplo para cada tipo de situação em que houve esta discordância na hidrografia.

Na situação com maior número de ocorrências, o traçado da drenagem foi desviado da hidrografia oficial, seguindo o caminho de maior declividade sobre o terreno. Apesar de o MDEHC ter sido recondicionado por meio da imposição da hidrografia mapeada, onde o traçado oficial cruzou áreas de maior elevação, o delineamento com base nas direções de escoamento ajustou o traçado do curso d’água. Nestes casos, foi admitido o novo traçado, uma vez que todas as etapas da construção da base geográfica estão apoiadas na relação terreno-hidrografia.

Por outro lado, nos casos em que o traçado da drenagem foi influenciado pelo posicionamento das nascentes, foram realizadas edições manuais para corrigir o traçado dos cursos d’água. Foi significante o número de ocorrências em que a drenagem foi delineada no lado oposto das encostas, pois algumas nascentes do IBGE estão localizadas após os divisores de águas. Na correção do traçado, as nascentes foram recuadas nas encostas e em seguida a drenagem foi novamente delineada a partir da drenagem mapeada e das direções de escoamento.

Figura 5.6. Situações em que houve discordância no traçado da drenagem calculada em relação à hidrografia mapeada do IBGE (1:250.000).

A segmentação da drenagem e o delineamento das microbacias associadas a cada trecho de curso d’água integrou toda a superfície da bacia hidrográfica por meio dos identificadores globais das microbacias e segmentos da hidrografia. A Figura 5.7 apresenta uma amostra do resultado dos relacionamentos estabelecidos entre microbacias e segmentos de rio para a integração área-linha. Observa-se que a relação espacial entre os segmentos e as áreas de drenagem foi repassada ao relacionamento entre atributos (HydroIDs).

Figura 5.7. Relacionamentos entre as áreas de drenagem, os cursos d’água e a foz de cada microbacia.

Nesta estrutura, as áreas de drenagem, os segmentos da hidrografia e a foz das microbacias receberam identificadores únicos, os HydroIDs do modelo Arc Hydro. Além de um identificador global, observa-se que cada elemento armazena outros dois tipos de identificadores: um para se relacionar ao elemento da mesma classe situado a jusante (NextDownID); e outros para se relacionar com os elementos de outras classes de feição (ex.: DrainID e LineID). Segundo Olivera et al., (2002) os relacionamentos com base nos identificadores são particularmente importantes na navegação topológica envolvendo as bacias e os cursos d’água (montante e jusante) e na transferência de informações de uma classe de feições para outra.

A importância das conexões entre os elementos pode ser observada na estrutura da rede geométrica representativa da hidrografia. Apesar da rede geométrica (HydroNetwork) do sistema de gestão ter sido modificada, permaneceram incorporados os conceitos do modelo Arc Hydro. A Figura 5.8 apresenta a estrutura da rede geométrica, composta apenas por linhas e pontos, mas que mantém a relação com as microbacias por meio dos relacionamentos entre os identificadores de cada classe de feição.

Figura 5.8. Rede geométrica (HydroNetwork) e relacionamentos entre identificadores. A estrutura da rede geométrica modelada para apoiar as funcionalidades do sistema é composta por três classes de feição: HydroEdge representando as linhas da hidrografia; HydroJunction agrupando os pontos sequenciais sobre a drenagem; e HydroNetwork_Junction representando as nascentes dos mananciais. A rede geométrica construída para a bacia do rio Doce é composta por 19.366 segmentos de hidrografia (HydroEdges), 542.203 pontos (HydroJunctions) e 9.697 nascentes (HydroNetwork_Junctions). Os pontos sequenciais são responsáveis por relacionar as informações hidrológicas e administrativas com a rede geométrica.

Semelhante ao modelo ArcHydro, a Network incorpora relações entre as feições e entre as classes de feição, conforme ilustrado na Figura 5.9. Com cada segmento ou ponto relacionado com a feição de jusante, há a vantagem de se navegar a bacia por meio de consultas diretas nas tabelas do SGBDR.

5.1.3. Delineamento das áreas de drenagem

Com base nas direções de escoamento sobre o MDEHC, o delineamento das áreas de drenagem elementares, associadas a cada segmento de curso d’água, produziu 13.366 microbacias, que em seguida foram generalizadas em 17 sub-bacias associadas aos rios principais, mais a área incremental dos afluentes diretos do rio Doce. Por último, com a total generalização das microbacias, foi delimitado o contorno da bacia hidrográfica do rio Doce. A Figura 5.10 apresenta o resultado do processo de generalização das áreas de drenagem na bacia do rio Doce.

Figura 5.10. Resultados do processo de generalização das áreas de drenagem.

Assim como os relacionamentos espaciais foram incorporados às classes que compõem a rede hidrográfica, os três níveis de áreas de drenagem também possuem o aninhamento espacial representado por associações entre os identificadores globais. Como resultado da generalização, as áreas de drenagem ficaram aninhadas entre os níveis de organização, possibilitando que as áreas elementares herdassem atributos dos níveis superiores. A Figura 5.11 apresenta um exemplo da amarração digital presente nas classes de feição para representar esta herança hidrográfica.

5.1.4. Ottocodificação de bacias e cursos d’água

Outro resultado importante na estruturação digital dos elementos que compõem uma bacia hidrográfica foi a codificação das ottobacias. Apesar das relações de montante e jusante já estarem representadas nos relacionamentos entre os identificadores globais (HydroIDs), a codificação incorporou, por meio de um único atributo, a hierarquização das bacias hidrográficas, ou seja, a definição da posição relativa e o ordenamento entre as bacias e inter-bacias. Assim, a estruturação topológica por aninhamento de bacias hidrográficas e por conectividade dos cursos d’água foi garantida através de mais um identificador: o código Otto.

A Figura 5.12 apresenta uma amostra da estrutura topológica representada nas áreas de drenagem e também nos cursos d’água ottocodificados.

Figura 5.12. Amostra da base hidrográfica ottocodificada (bacias e cursos d’água). Utilizando a base geográfica compatível com a hidrografia mapeada na escala 1:250.000, o processo de ottocodificação automática produziu códigos até o nível 10, ou seja, foram gerados códigos com até 10 dígitos. A comparação com a base ottocodificada do SNIRH (ANA, 2010), que atingiu o nível 6 a partir da hidrografia ao milionésimo (1:1.000.000), evidenciou grave incompatibilidade entre os códigos Otto. Uma característica favorável da codificação de Pfafstetter é a possibilidade de detalhamento em escala maiores, pois o aumento na ramificação da drenagem implica apenas o acréscimo de dígitos aos códigos já existentes. No entanto, não foi o que se observou na comparação entre as bases ottocodificadas ao milionésimo (SNIRH) e na escala 1:250.000 (SIGWeb AQUORA). Conforme a situação apresentada pela Figura 5.13, houve contradições entre os códigos construídos a partir da hidrografia do milionésimo e a mapeada em escala 1:250.000.

Figura 5.13. Exemplo de contradição entre as codificações do SNIRH e do SIGWeb.

Na situação ilustrada pela figura 5.13 houve divergência na identificação das quatro maiores microbacias que receberam os dígitos pares, especificamente na comparação das áreas das microbacias 764468 (ANA) e 764462 (SIGWeb AQUORA). Percebe-se uma grande diferença no traçado dos divisores de água das microbacias e inter-bacias, certamente devido às fontes distintas dos modelos digitais de elevação que apoiaram o delineamento das áreas de drenagem.

Embora na documentação da construção da base ottocodificada da ANA (ANA, 2008) não se encontre uma especificação sobre a base altimétrica utilizada, pode-se afirmar que não se tratou de um MDE com resolução espacial que permitisse o delineamento das bacias em escalas mais detalhadas. Provavelmente, por ter adotado a hidrografia ao milionésimo como referência, o MDE utilizado no delineamento das microbacias da ANA foi gerado a partir de curvas de nível em escala 1:1.000.000. Com as diferenças grosseiras no traçado dos divisores de água a codificação do SNIRH mostrou-se incompatível com escalas mais detalhadas.

Ficou comprovado que para usufruir da escalabilidade da ottocodificação é importante que o MDE utilizado seja compatível com escalas maiores. Dessa forma, recomenda-se que as bases ottocodificadas sejam construídas de forma sistemática, utilizando o conceito de generalização geográfica, isto é, partindo do mapeamento com maior nível de detalhes e, em seguida, simplificar para as escalas menores. Como o MDE da SRTM pode ser considerado uma das melhores bases topográficas já disponibilizadas para nosso território (VALERIANO, 2004), a codificação do SIGWeb provavelmente será compatível com o detalhamento em escalas maiores.

5.1.5. Características físicas e pluviométricas

As características físicas foram extraídas com sucesso, célula a célula, da rede hidrográfica da bacia do rio Doce. Os resultados armazenados nos pontos da rede geométrica formaram uma base de informações contínuas, favorável à espacialização das equações para estimativa das vazões ao longo da drenagem. Como exemplo, a Figura 5.14 apresenta a rede geométrica da hidrografia (HydroNetwork) com as características físicas armazenadas no ponto (HydroJunction) correspondente à seção da hidrografia onde se encontra instalada a estação fluviométrica 56978000 – Santo Antônio do Manhuaçu.

Figura 5.14. Características físicas armazenadas na rede geométrica da hidrografia. As precipitações espacializadas sobre a bacia hidrográfica e processadas na área de drenagem de cada célula da hidrografia também estão armazenadas nos pontos sequenciais que compõem a rede geométrica. A Figura 5.15 apresenta as variáveis pluviométricas associadas à área de drenagem da estação fluviométrica Santo Antônio do Manhuaçu. A distribuição espacial das precipitações total anual, total dos semestres seco e chuvoso e a precipitação do mês mais chuvoso, que apoiou a regionalização das vazões máximas, é apresentada na Figura 5.16.

Figura 5.16. Distribuição espacial das precipitações na bacia do rio Doce.

Vale ressaltar que as variáveis armazenadas na rede geométrica não representam as chuvas que ocorrem em cada ponto, mas sim às lâminas médias precipitadas nas respectivas áreas de drenagem. Esta observação é importante uma vez que se pretende utilizar estas variáveis para correlacioná-las com as vazões nos cursos d’água, que dependem do regime hidrológico nas bacias de contribuição.

Ao se compararem as lâminas precipitadas nos pontos com as lâminas médias nas respectivas áreas de drenagem, observou-se que é pequena a diferença entre as variáveis pluviométricas. Mas apesar de as diferenças médias serem reduzidas, os desvios padrão demonstram que, em alguns casos, as diferenças são significativas. O Quadro 5.1 apresenta o resumo destas comparações. As características físicas e pluviométricas ajustadas nos modelos da regionalização encontram-se no Apêndice C. Quadro 5.1. Médias e desvios padrão das diferenças entre as precipitações pontuais e

médias nas áreas de drenagem das estações fluviométricas selecionadas Total Anual Semestre Chuvoso Semestre Seco Mês mais chuvoso Média (%) 3,4 4,0 1,8 2,6 Desvio padrão 6,5 8,1 8,7 7,1