Base de dados

Para o estudo foram utilizados os seguintes modelos de Digitais de Elevação: TOPODATA e ASTER-GDEM, ambos de resolução espacial de 30 m. Os MDEs utilizados neste trabalho foram obtidos através de técnicas distintas. O ASTER-GDEM foi obtido através da estereoscopia das cenas satélite ASTER (ABRAMS e HOOK, 2001), já o TOPODATA é um produto do MDE SRTM 1 (interferometria), em que os dados passaram por um refinamento no tamanho das células de 90 m para 30 m, sendo interpolados pelo método geoestatístico de krigagem (VALERIANO e ROSSETTI, 2008; VALERIANO e ROSSETTI, 2012).

Além destes dados, foram utilizadas também cartas topográficas de escala 1:50.000 e 1:100.000. Estas cartas topográficas foram digitalizadas para delimitação de bacias hidrográficas e extração da rede hidrográfica

As cartas foram confeccionadas através de levantamentos estereofotogramétrico entre as décadas de 1960 e 1970 pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) e DSG (Diretoria de Serviço Geográfico do Exército Brasileiro), sendo estas disponibilizadas gratuitamente pelo Instituto de Terras, Cartografia e Geociências (ITCG) do Estado do Paraná.

4.2.3 Extração de dados

Primeiramente, foram definidas quais sub-bacias teriam os parâmetros geomorfométricos avaliados. Para tanto foram delimitadas todas as sub-bacias da bacia hidrográfica do Rio Ivaí, que somam no total 138. A delimitação foi realizada através do MDE TOPODATA, juntamente com as cartas topográficas da bacia hidrográfica do rio Ivaí. Estas cartas foram utilizadas para correção das áreas das bacias.

Após o procedimento, foi verificada a relação entre área de drenagem das sub-bacias e área total da bacia hidrográfica do rio Ivaí (Figura 4-2). A partir desta verificação optou-se pela avalição somente das sub-bacias que representassem área superior a 0,3% da bacia rio Ivaí, o que corresponde a sub-bacias com área de drenagem superior a aproximadamente 100 km².

Figura 4-2 - Relação entre a área da bacia hidrográfica dp Rio Ivaí e suas Sub-bacias

Conforme este procedimento, para a bacia hidrográfica do rio Ivaí há 58 sub-bacias com área de drenagem >100km², o que corresponde à 85,5% (31.311 km²) da área total da bacia do rio Ivaí. A Figura 4-3 traz a localização das 58 sub-bacias e suas respectivas confluências com o Rio Ivaí.

Nesse sentido, a rede hidrográfica foi extraída destas bacias das cartas topográficas de forma manual. Esta primeira delimitação de sub-bacias e extração da rede hidrográfica com base nas cartas topográficas 1:50.000 e 1:100.000 serviu como base para avaliação da qualidade dos dados extraídos através dos MDEs TOPODATA e ASTER-GDEM.

Figura 4-3 - Localização das confluências selecionadas no contexto da bacia hidrográfica do Rio Ivaí.

 Procedimento automático de delimitação de bacias hidrográficas e extração da rede hidrográfica

Há várias técnicas para a delimitação de bacias hidrográficas e extração de uma rede hidrográfica a partir de um MDE, mas a mais recorrente na literatura utiliza o princípio da progressão natural, em que a água é movida pela ação da gravidade e conduzida pela topografia. Neste método há a determinação da direção do fluxo de cada célula que se dá a partir dos valores de elevação do MDE, utilizando o conceito de que a água segue o caminho definido pela linha de maior declividade. Assim, cada célula verte em outra dependendo da inclinação local (diferença de altura entre células vizinhas) formando conjunto consistente de depressões (talvegues ou vales) que podem ser deduzidas.

Na literatura há três tipos de algoritmos para determinar a direção do fluxo, que são: unidirecional, multidirecional e bidimensional. Porém, a maioria dos métodos de extração de rede hidrográfica utiliza o algoritmo unidirecional de 8 conectividades, também conhecido como D8, desenvolvido por O’Callaghan e Mark (1984). Este se baseia na determinação da direção do fluxo para cada célula a partir dos valores de elevação dos seus vizinhos imediatos e seleciona a célula seguinte com maior declividade.

O algoritmo de fluxo D8 considera oito células seguindo as direções cardeais diagonais a partir de um ponto central (Figura 4-4), as direções de fluxo são então múltiplos de π /4, com uma aproximação entre 0 e ± π /8, não sendo capaz de simular a direção do fluxo efetiva. Outro limite de precisão deste método está relacionado a células vizinhas com altitudes semelhantes. Isto implica na escolha da célula que possui direção mais ao norte (JENSON et al., 1988).

Figura 4-4 – Cálculo da direção de fluxo utilizando o algoritmo de fluxo D8 (Adaptado: ESRI, 2012).

Apesar destes limites de precisão do algoritmo de fluxo D8, este é amplamente utilizado para estudos de grande escala, devido à sua simplicidade. Além disso ele é comumente integrado às ferramentas hidrológicas de plataformas de SIGs.

Neste trabalho o procedimento de extração da rede hidrográfica e delimitação das sub- bacias hidrográficas foi realizado no programa computacional ArcGIS 10.1 (ESRI, 2012), que dispõe de ferramentas para extração e delimitação automática. Para os procedimentos de extração e delimitação utilizou-se a extensão Spatial Analyst – Hydrology, que envolve os

seguintes procedimentos: a correção do MDE ou preenchimento de depressões (“fill”), a obtenção das direções de fluxo (“flow direction”), o fluxo acumulado (“flow accumulation”) e, por fim, é realizada a extração da hidrografia pela ferramenta “Stream Order” e a delimitação das sub-bacias através da ferramenta “Watershed”.

MDEs que possuem células vazias ou falhas, localizadas principalmente em terrenos planos e depressões, são um problema quando se utiliza o algoritmo D8 para definição automática da direção de fluxo. Sendo assim, essas áreas necessitam de tratamento diferenciado para eliminação ou correção destas áreas antes da determinação da direção do fluxo. A ferramenta fill elimina essas falhas como exemplificada na Figura 4-5. Conforme ESRI (2012), essas falhas (sinks e peaks - sumidouros e cumes) são muitas vezes os erros derivados da resolução dos dados ou o arredondamento de elevações para o valor inteiro mais próximo.

Figura 4-5 - Representação da correção de falhas realizada através da ferramenta “fill”.

4.2.4 Definição e avalição das variáveis geomorfométricas

Os estudos geomorfométricos utilizam variáveis para o entendimento da dinâmica processo-resposta do modelado da superfície terrestre, representando numericamente a morfologia da superfície terrestre (CHEREM, 2008). As variáveis geomorfométricas utilizadas neste estudo foram selecionadas de diversos trabalhos da literatura especializada (Quadro 4-1), sendo estes comumente utilizados para quantificação e caracterização da morfologia de bacias hidrográficas.

Com estas variáveis pretende-se obter indicadores para a descrição das sub-bacias que integram a bacia hidrográfica do Rio Ivaí, dando subsídio à avalição da influência dos fatores regionais e locais sobre as confluências de canais.

Quadro 4-1- Variáveis geomorfométricas utilizadas neste estudo.

Variáveis Discrição Forma de extração

do valor Autor

Altitude

Distância vertical medida entre um determinado ponto, e

o nível médio do mar.

Automático -

Amplitude Altimétrica Diferença entre maior e menor

cota altimétrica numa bacia Automático Strahler (1952)

Ângulo de Confluência

Formado por canais que possuem um ponto como

intersecção

Automático Howard (1971) Área de Drenagem Superfície total da bacia Automático Horton (1945)

Coeficiente de Compacidade

Relação entre perímetro e círculo de área igual ao da

bacia (= 1, > enchente). Kc = , P √A Villela e Mattos (1975) Comprimento do Canal Principal

Distância entre a foz e bifurcação que deu origem a

maior ordem

Automático Horton (1945) Comprimento Total dos

Canais

Comprimento de todos os segmentos de canais que

formam as bacias Automático Horton (1945) Declividade Inclinação da superfície do terreno em relação à horizontal. Automático - Densidade de Drenagem

Relação entre comprimento da rede de drenagem e área da

bacia. Dd =

∑ L

A Horton (1945)

Dimensão Fractal Caracteriza a complexidade

dos canais quanto à forma. Automático Taborton et al. (1988)

Distância Vetorial do Canal Principal

Distância vetorial entre os

extremos do canal Automático Horton (1945)

Índice de Circularidade Tende para a unidade na forma _{circular, diminui ao alongar. Ic =} π ∗ A

P Miller (1958)

Índice de Conformação Razão entre a área da bacia e _{um retângulo Kf =} A

Lax Horton (1945)

Índice de Rugosidade

Relação entre a amplitude altimétrica e a densidade de

drenagem. Ir =

H

Dd Strahler (1952)

Ordem de Canais

Classificação que reflete o grau de ramificação ou bifurcação dos canais fluviais

dentro de uma bacia hidrográfica

Automático Strahler (1952)

Perímetro Comprimento divisor _topográfico Automático - Razão do Relevo

Relação entre a amplitude altimétrica e o comprimento da bacia Rr = H L Schumm (1956) Razão do Relevo Relativo

Relação entre a amplitude altimétrica e o perímetro da

bacia Rrl =

H

P Strahler (1952)

Sinuosidade

Relação entre o comprimento do canal principal e a distância

vetorial entre os extremos do canal

Para escolher o MDE apropriado para esta extração de dados geomorfométricos, primeiramente fez-se uma avalição da qualidade das informações obtidas em função da resolução dos MDEs ASTER-GDEM e TOPODATA. Esta avalição visa verificar a influência da escala nos parâmetros geomorfométrica extraídos. Para tanto, os MDEs foram reamostrados para pixels com dimensões de 60 m, 120 m e 240 m. Esse procedimento consiste na degradação da resolução espacial do MDE para uma resolução mais grosseira, utilizada para posterior derivação das direções de fluxo e cálculo de variáveis geomorfométricas. Este procedimento foi realizado no programa computacional ArcGIS 10.1, utilizando a ferramenta resampling.

Para a extração das variáveis geomorfométricas foi utilizado o ArcGIS 10.1 e o programa computacional SSM (Self-Similarity Map). O SSM foi desenvolvido pelos INRA (Institut National de la Recherche Agronomique - França), laboratório AMAP (botAnique et bioinforMatique de l’Architecture des Plantes - França) e o departamento de ecologia no IFP (Institut Français de Pondicherry - Índia) . As duas propriedades principais do programa computacional SSM são: i) a caracterização espacial da rede de drenagem através de vetores e ii) a simulação de modelos (GAUCHEREL et al., 2011)