Delimitação dos divisores de água da bacia e sub-bacias e delineamento dos

A modelagem hidrológica simula os processos físicos que ocorrem em um sistema hidrológico. Estes modelos necessitam de informações fisiográficas, tais como a configuração da drenagem da bacia, a delimitação e a subdivisão da bacia em sub- bacias, inclinação e comprimentos de seções de canais, áreas, comprimentos e encostas das sub-bacias, bem como informações sobre o tipo e cobertura do solo. Estes parâmetros eram obtidos tradicionalmente a partir de mapas analógicos ou de medições de campo. Cerca de duas décadas atrás, essas informações começaram a ser extraídas de Modelos Digitais de Elevação (MDE) e imagens de satélite.

Os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) desempenham um papel fundamental nesse sentido, não só na integração de informações, mas na capacidade de extrair automaticamente os parâmetros necessários para a modelagem hidrológica, através de operações espaciais usadas em algoritmos desenvolvidos para esta finalidade. Estes algoritmos permitem extrair informações hidrológicas do MDE, vincular esta informação aos modelos ou pacotes de modelos hidrológicos e realizar o pós- processamento, ou seja, recuperar as saídas dos modelos e representá-las no mesmo ambiente SIG.

O MDE é uma estrutura de dados numéricos que representam a distribuição espacial da altitude da superfície (FELICÍSIMO, 1994). Os mais comuns são de estrutura raster, consistindo de uma malha ou matriz de células quadradas com a informação de elevação em cada célula.

O modelo digital de terreno (MDT o MDE), é a base que possibilita as análises necessárias a conclusão dos estudos de relevo em geral. A partir dele é possível determinar as inclinações, as exposições do terreno ao sol e outras análises que se fizerem necessárias. Utilizando-se as curvas hipsométricas e os pontos cotados, com a extensão 3D Analyst, e o método de interpolação TIN (Triangular Irregular Network), é gerado o MDE.

A partir do TIN, é gerado um arquivo Matricial ou Raster (GRID), com o atributo de elevação, através do comando convert – Tin to Raster referente ao divisor de águas da bacia (divisor topográfico). Após a geração do divisor de águas converte-se este

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limite em um arquivo raster, com a extensão Spatial Analyst, através do comando

convert – features to raster. Por fim, foi realizada a multiplicação do limite pelo grid,

obtendo-se assim o arquivo raster somente da bacia hidrográfica em estudo.

Os dados topográficos têm sido amplamente requisitados nas análises ambientais aplicadas à micro bacias. A disponibilidade crescente de bases topográficas digitais, aliada ao uso dos SIG, tem impulsionado o desenvolvimento automático de extração de variáveis topográficas.

A utilização de modelos de elevação obtidos por sensores orbitais representa uma alternativa de grande interesse para suprimir a carência de mapeamentos em diferentes regiões do planeta. Avanços tecnológicos de grande impacto foram alcançados nos últimos anos. A Missão Topográfica por Radar ou Shuttle Radar

Topography Mission (SRTM) foi um importante marco desse avanço.

A extração dos divisores de água e da rede de drenagem automática se realiza com base em um MDE (Modelo Digital de Elevação). O delineamento de canais de drenagem e divisores de água é o ponto de partida para o traçado de micro bacias e a organização funcional de seus elementos para modelagem da hidrologia fluvial. A rede de drenagem é uma das mais importantes características do terreno para a indicação de diferenças entre solos. O Padrão de drenagem, definido pelo arranjo espacial dos rios e seus afluentes, foi amplamente explorado na definição de zonas homólogas em estudos de segmentação do meio físico.

As técnicas de extração de informações da drenagem se baseiam em características qualitativas (forma ou tipologia) e quantitativas (ordem de ramificação, distribuição, densidade e freqüência).

Os canais de drenagem podem ser descritos sob diferentes aspectos e formas, nas quais se apoiam as diferentes metodologias para seu levantamento a partir do relevo (ESRI, 1992, FELICÍSIMO, 1994). Entre essas, pode-se adotar como critério para sua identificação um nível mínimo de convergência (curvatura horizontal) ou de área de captação (fluxo acumulado). De forma mais simples, pode ser determinado por todos os pontos de mínimo em seções transversais dos vales, ou ainda como todos os pontos cuja vizinhança contém uma única direção indicando altitude abaixo da cota local.

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Frequentemente, é necessário modificar o MDE original antes de iniciar os procedimentos para cálculo dos parâmetros a fim de forçar a formação de canais. Esta modificação é muitas vezes necessária em áreas planas, onde a preparação do MDE é muito mais complexa do que nas áreas íngremes. Este procedimento chamado Stream - Burning (gravação dos canais) consiste em impor a rede de drenagem ao MDE, de modo que ao realizar a análise de fluxo, este é forçado a seguir para o ponto de partida. A rede de drenagem é um dado vetorial usada para verificar as direções de fluxo calculado, mas neste caso e previamente convertido para raster será usado para modificar o original MDE, obtendo assim um conjunto de dados com mais precisão.

Diversas ferramentas desenvolvidas para extrair informação automática e desenhar linhas de fluxo e sub-bacias do MDE estão disponíveis na atualidade. Geralmente elas fazem parte de módulos ou subprogramas que funcionam em ambiente SIG. O software ArcGis, por exemplo, possui um módulo incorporado para a hidrologia. Na Figura 2.2 pode-se observar o fluxograma de procedimentos com os comandos para geração da hidrologia. Os passos básicos são:

1. Correção das planícies e depressões que aparecem em MDE origem (Fill Sink)

As áreas planas são as células ou grupos de células no MDE original sem orientação. Existem vários algoritmos para corrigir esta situação, basicamente, avaliar a tendência das células vizinhas. As depressões são células onde convergem todas as vizinhas ao redor e não encontram saídas. Para solução deste problema faz-se um processo de filtragem que suaviza o relevo, eliminando estas células atípicas através de um processo de preenchimento (Fill Sink - enchimento de poços). Esta confere a consistência da drenagem, eliminando possíveis áreas de sumidouros que ocasionam retenção de fluxo.

2. Determinar a direção de fluxo para onde flui cada célula (Flowdirection) Baseia-se em determinar um padrão de movimento a partir da orientação de cada célula, calculado com base nas declividades. Realiza-se a partir de uma janela de células nxn e se avalia o comportamento da célula central com relação às vizinhas. O princípio básico do movimento é o menor potencial, ou seja, a direção de maior declive.

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e DEMON. O mais comumente usado é D8 que considera oito endereços de saída para uma célula. A direção do fluxo é o caminho de menor resistência que vai percorrer uma gota de água drenando por gravidade a partir de um ponto superior para uma elevação mais baixa (WILSON et al, 2007).

3. Calcular a acumulação de fluxo. (Flowaccumulation)

Determina todas as células que drenam para uma em particular. Parte de avaliar o caminho de fluxo para cada célula a partir da grade de direções de fluxo. Desta forma as células que têm o maior acúmulo de fluxo, irão formar os canais de drenagem.

4. Identificar as linhas de rede de drenagem

Baseia-se em determinar as redes de drenagem a partir da acumulação de fluxo, considerando aquelas com um determinado valor de acumulação (umbral) a partir do qual a célula começa a escorrer. Para tal utiliza-se uma condição (CON) ou Map Algebra, geralmente Acumulação de fluxo > 1000, dependendo da densidade de drenagem desejada.

5. Contorno da bacia a partir da identificação de um ponto de saída (outlet)

Determina a área de contribuição de um ponto de saída ou de fechamento da bacia, tendo em conta a rede de drenagem calculada no ponto anterior e do conceito de "umbral".

6. Divisão da bacia em sub-bacias (Watershed)

Baseia-se em dividir a bacia contribuinte em subunidades hidrológicas. Existem vários critérios para realizar esta subdivisão, considerando-se pontos de saída usando a rede de drenagem e usando uma área mínima denominada "umbral". O último é usado no programa SWAT atribuindo uma área mínima para a sub-bacia como uma porcentagem da área total da bacia. Este processo é a primeira tentativa até chegar à resolução e detalhe desejados.

7. Conversão da grade de sub-bacias e da rede de drenagem na forma matricial em vetorial, obtendo os limites das bacias e a rede de drenagem na forma de vetor.

Realiza-se a vetorização dos elementos até aqui determinados, tais como bacia hidrográfica, sub-bacias e redes de drenagem.

8. Cálculo de propriedades da bacia e da rede de drenagem. Extração de pontos de elevação mínima e máxima do MDE para o cálculo das declividades, áreas,

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perímetro e comprimentos.

Figura 2.2 Diagrama de fluxo para geração da hidrografia a partir do Modelo Digital de Elevação em ArcGis.

2.11.2 Geração da Cobertura e Uso da terra.