UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
ADERSON DE SOUZA MAIA
UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE LIVRE E GRATUITO NA CARACTERIZAÇÃO MORFOMÉTRICA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA
Mossoró/RN (2018)
ADERSON DE SOUZA MAIA
UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE LIVRE E GRATUITO NA CARACTERIZAÇÃO MORFOMÉTRICA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA
Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal Rural do Semi- Árido - UFERSA, Centro de Engenharias, para a obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Paulo Cesar Moura da Silva.
Mossoró/RN (2018)
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M217u Maia, Aderson de Souza. Utilização de software livre e gratuito na caracterização morfométrica de uma bacia hidrográfica / Aderson de Souza Maia. - 2018. 41 f. : il.
Orientador: Paulo Cesar Moura da Silva.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil, 2018.
1. Geomorfometria. 2. Modelo digital de terreno. 3. Sistemas de informações geográficas.
I. Silva, Paulo Cesar Moura da , orient. II.
Título.
O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
ADERSON DE SOUZA MAIA
UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE LIVRE E GRATUITO NA CARACTERIZAÇÃO MORFOMÉTRICA DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA
Trabalho Final de Graduação apresentado à Universidade Federal Rural do Semi- Árido - UFERSA, Centro de Engenharias, para a obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Paulo Cesar Moura da Silva.
Defendida em: _18_ / _04_ / _2018_.
BANCA EXAMINADORA
_________________________________________
Prof. Dr. Paulo Cesar Moura da Silva. (UFERSA) Presidente
_________________________________________
Prof. Dr. Luis Cesar de Aquino Lemos Filho. (UFERSA) Primeiro Membro
_________________________________________
Prof. Me. Raimundo Fernandes de Oliveira Júnior (UFERSA) Segundo Membro
Dedico aos meus pais e a Deus
AGRADECIMENTOS
A meus pais, Mariana de Souza Maia e Telmo Florencio Maia, pelo amor, incentivo e confiança; pelos inúmeros conselhos e ensinamentos que fizeram com que me tornasse a pessoa que sou hoje; por sempre sacrificarem seus desejos para que as meus se tornassem possíveis.
Aos meus irmãos, Anderson de Souza Maia e Alysson de Souza Maia, por sempre estarem preocupados com o meu bem-estar, não permitindo que nada me faltasse e pelo apoio nas horas difíceis.
As amizades que conquistei na UFERSA, pela amizade verdadeira que construímos no decorrer desses anos; com vocês compartilhei desde os momentos de aflição antes das provas até os momentos de imensa felicidade a cada etapa concluída.
A meu orientador, Paulo Cesar Moura da Silva, que contribuiu significativamente para a realização deste trabalho e consequentemente para minha formação profissional. Obrigado por estar sempre disponível para sanar dúvidas, por sempre se preocupar se estava tudo caminhando bem.
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo avaliar as características morfométricas da bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros, localizada na região oeste do estado do Rio Grande do Norte. Para a caracterização morfométrica desta bacia foi necessário: a determinação da área, perímetro e comprimento axial da bacia, obtidos com o auxílio do software livre e gratuito QGIS 2.14.18 e seus complementos; o cálculo e interpretação dos índices que determinam a forma da bacia (coeficiente de compacidade, fator de forma, e índice de circularidade); e o cálculo e interpretação dos índices que caracterizam a drenagem da bacia (ordem da bacia, declividade média, densidade de drenagem, e índice de sinuosidade do canal principal). A bacia hidrográfica em estudo possui uma área de 2071 km² e perímetro igual a 380km, exibe forma alongada, assim, pouca propensão a ocorrência de enchentes, mas apresenta uma área considerável com baixa declividade próximo a parede da barragem, nesse local, a drenagem é bem mais lenta, o que facilita o acúmulo de água. Verificou-se um resultado satisfatório quanto à utilização do software QGIS na realização da morfometria visto que a utilização do mesmo se deu de forma simplificada e os resultados possuem coerência em relação aos dados reais.
Palavras-chave: Geomorfometria, modelo digital de terreno, sistemas de informação geográfica.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Padrões de drenagem. ... 17 Figura 2 – Divisão do globo m zonas UTM. ... 20 Figura 3 – Caminho preferencial de escoamento. ... 21 Figura 4 – Ilustração da operação executada pela extensão TAUDEM para definir o
fluxo do escoamento. ... 22 Figura 5 – Localização geográfica da Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos
Ferros. ... 23 Figura 6 – Fluxograma dos processos utilizados para a realização da morfometria. 28 Figura 7 – Hierarquia dos rios da Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros
... 31 Figura 8 – Mapa Hipsométrico da Bacia Hidrográfica de Pau dos Ferros ... 32 Figura 9 – Declividades da Bacia Hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros ... 33
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Padrões de drenagem. ... 16 Tabela 2 – Características dos tipos de vegetação existentes na Bacia Hidrográfica
da Barragem de Pau dos Ferros. ... 26 Tabela 3 – Comprimento dos rios de acordo com sua hierarquia. ... 32 Tabela 4 – Área ocupada de acordo com a classificação da declividade. ... 30 Tabela 5 – Resultados da caracterização morfométrica da bacia hidrográfica da
barragem de Pau dos Ferros. ... 35
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
SIG’s MDE’s QGIS GNU GDAL SRC UTM MC WGS IBGE SIRGAS EPSG TAUDEM USGS
Sistemas de Informações Geográficas Modelos Digitais de Elevação
Quantum GIS
General Public License
Geospatial Data Abstraction Library Sistema de Referência de Coordenadas Universal Tranversa of Mercator
Meridiano Central World Geodetic System
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas European Petroleum Survey Group
Terrain Analysis Using Digital Elevation Models Science for a Changing World
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 10
2 OBJETIVOS ... 12
2.1 OBJETIVO GERAL ... 12
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 12
3 REFERENCIAL TEÓRICO ... 13
3.1 ANÁLISE MORFOMÉTRICA ... 13
3.2 GEOPROCESSAMENTO E SIGS ... 17
3.2.1Sistema de Referência de Coordenadas ... 19
3.2.2O plug-in TAUDEM ... 20
4 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 23
4.1 LOCALIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA ... 23
4.2 CARACTERIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA ... 24
4.2.1Clima ... 24
4.2.2Geologia e Geomorfologia ... 24
4.2.3Vegetação ... 25
4.2.4Solo ... 26
4.3 ETAPAS DO PROCESSAMENTO ... 27
4.4 CONFECÇÃO DOS MAPAS ... 29
4.4.1Hierarquia fluvial ... 29
4.4.2Hipsometria ... 29
4.4.3Declividade ... 30
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 31
5.1 HIERARQUIA FLUVIAL ... 31
5.2 HIPSOMETRIA ... 32
5.3 DECLIVIDADE ... 33
5.4 CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS ... 34
6 CONCLUSÃO ... 37
REFERÊNCIAS ... 38
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1 INTRODUÇÃO
A definição de bacia hidrográfica tem sido utilizada como unidade de gestão da paisagem nas áreas relacionadas ao planejamento ambiental, principalmente na gestão dos recursos hídricos. Há muito tempo os hidrólogos têm reconhecido as ligações entre as características físicas de uma bacia hidrográfica e a quantidade de água que chega aos corpos hídricos, evidenciando que a sua utilização como unidade de planejamento e gerenciamento ambiental não é recente (PIRES et al., 2005).
Segundo Lima (1986), para entender o comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica faz-se necessário um estudo de suas características físicas (forma, relevo, área, geologia, rede de drenagem), geológicas (tipos de rochas e tipos de solos), e de vegetação como, por exemplo, o tipo de cobertura vegetal e suas inter-relações.
Essas características físicas são elementos de grande importância para avaliação do comportamento hidrológico das bacias hidrográficas, uma vez que, ao se estabelecerem relações e comparações entre eles e os dados hidrológicos conhecidos, é possível a determinação, de forma indireta, de valores hidrológicos em locais de interesse, que por algum motivo, tenham esses dados desconhecidos (VILLELA E MATTOS, 1975).
A falta de conhecimento das características hidrológicas é fator limitante para se alcançar a melhor associação entre as relações hídricas e ambientais. Para suprir essas limitações, técnicas de geoprocessamento vêm sendo utilizadas com diversas finalidades, por exemplo, como ferramentas fundamentais para a gestão do território e análise ambiental, em razão da sua abordagem múltipla e sua rapidez na geração de resultados precisos (FONSECA et al., 2013).
A delimitação de uma bacia hidrográfica é o procedimento inicial para análises hidrológicas ou ambientais, para isso, é comum a utilização de informações de relevo em formato de mapas e cartas, e devido à carga de subjetividade inerente a esses métodos manuais a precisão final e a reprodução dos resultados acabam sendo comprometidos, em razão disso se faz necessário a procura por métodos de maior confiabilidade. Assim, com o advento dos Sistemas de Informações Geográficas (SIG’s) e, consequentemente, o surgimento de formas digitais de representação do relevo, como os Modelos Digitais de Elevação (MDE’s), métodos
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automáticos para delimitação de bacias têm sido desenvolvidos desde então (GARBRECHT e MARTZ, 1999).
A utilização de um SIG possibilita a criação de uma base de dados segura e atualizável. O avanço da tecnologia e as melhorias que ocorreram na área computacional, transformaram os SIG’s nas ferramentas mais utilizadas para caracterização morfométricas em bacias hidrográficas, pois alia velocidade e precisão para estudos ambientais (CASTRO et al., 2015), embora muitas vezes possua um custo envolvido.
A Morfometria de bacias hidrográficas é um processo que pode ser realizado de forma automática e precisa, só que muitas vezes está associado a um custo alto com a licença de softwares específicos para esse fim. Dessa forma verifica-se a importância de se efetuar a caracterização morfométrica de uma bacia hidrográfica com a utilização um software livre e gratuito como é o QGIS.
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2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Realizar a análise morfométrica de uma bacia hidrográfica utilizando software livre e gratuito.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Delimitar a bacia hidrográfica utilizando a ferramenta TAUDEM 5.0 incorporado ao software QGIS 2.18.14.
Extrair as características necessárias à análise morfométrica utilizando o software livre e gratuito.
Verificar a eficiência do sistema em realizar estudo morfométrico de bacia hidrográficas.
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3 REFERENCIAL TEÓRICO
Bacia hidrográfica é definida por Silveira (2001) como a “área de captação natural da água da precipitação que faz convergir os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório”, sendo a mesma de fundamental importância na análise da fase terrestre do ciclo hidrológico.
A bacia hidrográfica é delimitada por um divisor que funciona como uma linha de separação entre as bacias hidrográficas, dividindo a contribuição da precipitação para cada bacia específica (VILLELA; MATTOS, 1975). Dada a dificuldade de se obter o local exato que separa as contribuições, Viessman et al. (1972) afirma que a área da bacia hidrográfica é definida topograficamente, sendo as elevações periféricas da bacia consideradas os divisores de água com outras bacias.
Nunes et al., (2006) define o estudo morfométrico de bacias hidrográficas como senda a análise quantitativa das relações entre a fisiografia da bacia e a sua dinâmica hidrológica, essa análise se mostra importante em diversos estudos, já que através da abordagem quantitativa realizada na morfometria, é possível a caracterização de forma confiável do comportamento hidrológico da bacia hidrográfica.
Segundo Lima (1986) é interessante o conhecimento dos parâmetros da morfometria porque: a área da bacia hidrográfica, por exemplo, tem influência sobre a quantidade de água produzida como deflúvio, a forma e o relevo; atuam sobre a taxa ou sobre o regime dessa produção de água, assim como sobre a taxa de sedimentação; e a extensão dos canais (padrão de drenagem) afetam a disponibilidade de sedimentos, bem como a taxa de formação do deflúvio.
3.1 ANÁLISE MORFOMÉTRICA
A morfometria de uma bacia hidrográfica é feita a partir de suas características geométricas, de relevo, e das características da rede de drenagem.
Na caracterização geométrica são determinados a área, o perímetro, o coeficiente de compacidade (Kc), o fator de forma (Kf), e o índice de circularidade (Ic). As características do relevo e da drenagem são definidas pela ordem da bacia, pela declividade média e sua distribuição dentro da bacia, pela densidade de drenagem (Dd) e pelo índice de sinuosidade do canal principal (Is).
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O coeficiente de compacidade (Kc) é a relação entre o perímetro da bacia e a circunferência de um círculo de área igual à da bacia, esse coeficiente é responsável por evidenciar a irregularidade da bacia. O coeficiente de compacidade mínimo, igual a 1,0, corresponde a uma bacia circular, e quanto mais irregular a bacia hidrográfica for, maior o seu coeficiente de compacidade (VILLELA; MATTOS, 1975). O coeficiente Kc pode ser determinado através da equação a seguir:
Kc = 0,28 P
√A [Eq. 1]
Em que:
Kc = Coeficiente de compacidade, adimensional;
P = Perímetro da bacia em km;
A = Área da bacia em km²
O fator de forma (Kf) é a relação entre a largura média (Lm) e o comprimento axial da bacia (L), sendo que, a largura média é obtida através da divisão da área da bacia pelo seu comprimento axial. Tanto o fator de forma quanto o coeficiente de compacidade são indicadores da propensão da bacia hidrográfica a sofrer ou não enchentes (VILLELA; MATTOS, 1975). O fator de forma tem valor máximo igual a 1,0, atribuído à bacia que possui formato quadrado, valores baixos são indicadores de bacias pouco propensas a enchentes, calcula-se o Kf através da equação abaixo:
Kf = A
L2 [Eq. 2]
Em que:
Kf = Fator de forma, adimensional;
A = Área da bacia em km²
L = comprimento axial da bacia em km
Existe ainda outro índice responsável por caracterizar a forma da bacia. Em seu trabalho Miller (1953) propôs o índice de circularidade, que é a relação entre a área da bacia hidrográfica e a área de um círculo cujo perímetro do mesmo é igual ao perímetro da bacia. Esse índice indica o quão circular ou alongada é a forma da bacia, de forma que, quanto mais próximo de um for esse valor, mais circular será a
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bacia. O índice de circularidade tem valor mínimo igual a zero e valor máximo igual a um, e pode ser calculado a partir da equação a seguir:
Ic = A
Ac = 4π*A
P2 [Eq. 3]
Em que:
Ic = índice de circularidade, adimensional;
A = Área da bacia em km²
Ac= Área do círculo com o mesmo perímetro da Bacia em km² P = Perímetro da Bacia em km
O sistema de drenagem é formado pelo rio principal e suas ramificações, assim, o coeficiente que indica o grau de desenvolvimento do sistema de drenagem da bacia hidrográfica é a densidade de drenagem (Dd). Seu estudo é válido, pois o mesmo indica uma maior ou menor velocidade com que a água escoa pela bacia hidrográfica, portanto, evidencia a eficiência de drenagem da bacia (CARDOSO et al., 2006).
De acordo com Villela e Mattos (1975), a densidade de drenagem pode ser obtida relacionando o comprimento total dos cursos d’água de uma bacia hidrográfica e a sua área total como mostrado na equação a seguir:
Dd = L
A [Eq. 4]
Em que:
Dd = Densidade de drenagem em km/km²;
A = Área da bacia em km²;
L = comprimento total dos cursos d’água em km
Segundo Villela e Mattos (1975) e Christofoletti (1980) é necessário determinar a sinuosidade do curso d'agua, pois o mesmo é o fator controlador da velocidade do escoamento em uma bacia hidrográfica. De acordo com esse índice quanto maior for o valor da sinuosidade, maior a dificuldade encontrada pelo canal em seu caminho à foz, assim menor será a velocidade de escoamento, por outro lado, quanto mais próximo de 1,0 for o valor do índice de sinuosidade, menor será a
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sinuosidade do rio principal, e isso favorecerá a maior velocidade de escoamento.
Canais com índice de sinuosidade acima de 1,50 são considerados sinuosos, abaixo deste valor são considerados canais retos. O índice de sinuosidade (Is) é a relação entre o comprimento do rio principal (Lrp) em km e a distância vetorial do canal principal (Dv) em km como mostrado na equação abaixo:
Is = Lrp
Dv [Eq. 5]
Em que:
Is = Índice de sinuosidade, adimensional;
Lrp = Comprimento do canal principal em km;
Dv = Distância vetorial do canal principal em km.
De acordo com Christofoletti (1980) a hierarquia fluvial é o processo em que se estabelece uma classificação para determinados cursos d’água de acordo com a presença ou não de ramificações nesses cursos. Conforme a classificação de Strahler (1952), consideram-se rios de primeira ordem os pequenos canais que não possuem ramificações, o encontro de dois rios ou canais de primeira ordem forma um de segunda ordem, da mesma forma, o encontro de dois rios de segunda ordem formam um de terceira ordem e assim sucessivamente (VILLELA; MATTOS, 1975).
Christofoletti (1980) afirma que a distribuição e localização dos rios nas bacias hidrográficas pode ser classificado de acordo com padrão de drenagem formado (Figura 1). Os padrões de drenagem podem ser identificados de acordo com a tabela abaixo.
Tabela 1 – Padrões de drenagem.
Dendrítico O padrão formado assemelha-se a configuração de uma árvore.
Treliça Os encontros entre os rios formam ângulos retos.
Radial A rios estão dispostos de forma semelhante aos raios de um roda.
Paralela Os cursos d’água escoam de forma paralela entre si.
Anelar O padrão de drenagem assemelha-se a anéis.
Retangular Caracterizado por drenagens desarranjadas ou irregulares Fonte: Adaptado de CHRISTOFOLETTI (1980).
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Figura 1 – Padrões de drenagem.
Fonte: Adaptado de Christofoletti (1980).
A caracterização de relevo das bacias hidrográficas é feita a partir da declividade média da bacia, a mesma pode ser determinada estatisticamente pelo método das quadrículas associadas a um vetor. Esse método consiste em quadricular a área da bacia, determinar uma distribuição das declividades normais às curvas de nível da bacia e calcular a média dessas declividades ponderada pela quantidade de áreas quadriculadas em que ela foi identificada (VILLELA; MATTOS, 1975).
3.2 GEOPROCESSAMENTO E SIGS
Segundo Câmara (1996) o geoprocessamento é definido como um ambiente tecnológico amplo, que inclui um conjunto de técnicas relacionadas à coleta, armazenamento e tratamento de informações espaciais e georreferenciadas com o propósito de serem utilizadas em sistemas específicos a cada aplicação que, de alguma maneira, utiliza-se do espaço físico geográfico.
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A evolução do geoprocessamento em função do aumento de suas funções é fundamental nas análises de informações espaciais, pois permite cada vez mais uma precisão maior, maior confiabilidade e rapidez. As ferramentas do geoprocessamento possuem uma grande facilidade de serem aplicadas na espacialização, caracterização e representação dos dados (PERES, 2006). Segundo Medeiros (1999), essas ferramentas computacionais são geralmente chamadas de Sistemas de Informações Geográficas (SIG), nelas é possível a realização de análises complexas, ao permitir integração de dados do mundo real obtidos de diversas fontes e em diversos formatos, criando assim um banco de dados georreferenciados.
Câmara (1995) define o Sistema de Informação Geográfica como um sistema de informação baseado em computador que permite capturar, modelar, manipular, recuperar, consultar, analisar e apresentar dados geograficamente referenciados, dispondo de uma ampla gama de aplicações, como na agricultura, floresta, cartografia, cadastro urbano e redes de concessionárias (água, energia e telefonia), entre outros.
Um SIG é composto por quatro elementos básicos, são eles: máquina, programas, dados e profissionais. O software de SIG é desenvolvido de forma que possa dispor das mais variadas funções para tratar os dados, que por ser um elemento fundamental, deve ser coletado de forma cautelosa e precisa, contudo, para que se tenha um resultado final satisfatório é necessário também que o profissional responsável pela aplicação e uso do SIG possua treinamento adequado e uma visão global das questões envolvidas no projeto (CÂMARA e MEDEIROS, 2006). Os autores ainda afirmam que é através da interação de todos os quatro elementos de um SIG que se pode perceber a extensão de suas aplicações.
Existem várias geotecnologias disponíveis com a finalidade de manipulação de dados espaciais, uma delas é o software Quantum GIS (QGIS), o mesmo é um Sistema de Informação Geográfica (SIG), gratuito e licenciado sob a General Public License (GNU), isto é, um software livre (ÁVILA, 2013).
Segundo Almeida (2011), o software Quantum GIS é um visualizador de dados geográficos com interface simples e atraente. Nele é possível visualizar, gerenciar, editar, analisar os dados e compor mapas impressos, permitindo consultas espaciais, exploração interativa de dados, identificação e seleção de
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geometrias, pesquisa, visualização e seleção de atributos e criação de simbologia vetorial e raster.
As funções do QGIS podem ser aumentadas através de plug-ins, alguns instalados automaticamente com o programa, outros podem ser instalados posteriormente. O QGIS suporta as bases de dados geográficas PostGIS, SpatiaLite7 e SQL Anywhere8, além de todos os formatos suportados pela biblioteca GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) (ALMEIDA, 2011).
3.2.1 Sistema de Referência de Coordenadas
As coordenadas são o que diferenciam pontos georreferenciados ou não, isto é, referenciam num mapa a posição real daquele ponto. Qualquer fonte de dados (um objeto do tipo vetor ou raster) só será classificada como dado espacial se o mesmo possuir um Sistema de Coordenadas, assim toda informação produzida no SIG está organizada em pelo menos um dos dois sistemas existentes, o sistema de Coordenadas Geográficas (ou Geodésicas), e o Sistemas de Coordenadas Planas (ou Projetadas). Além da seleção de um Sistema de Referência de Coordenadas (SRC), temos outro parâmetro obrigatório nas atividades desenvolvidas no SIG que é a escolha de um Modelo da Terra ou Datum (SANTOS, 2014).
Universal Tranversa of Mercator (UTM) é a projeção plana adotada no Brasil, ela é definida dividindo-se a Terra em 60 fusos de 6º de longitude, sendo que em cada fuso adota-se como superfície de projeção um cilindro transverso com eixo perpendicular ao seu meridiano central, que se torna a longitude de origem. O meridiano central de um fuso, o Equador e os meridianos situados a 90º do meridiano central são representados por retas, enquanto que os demais meridianos e os paralelos são representados por curvas complexas (CÂMARA, 1996).
O sistema UTM é limitado pelos paralelos 80º S e 84º N, deve contar com a indicação da Zona UTM (Figura 2), pois as mesmas coordenadas métricas N e E repetem-se em todas as 60 zonas. A determinação das coordenadas UTM obedece a algumas normas estabelecidas, para a obtenção da latitude, estabeleceu-se o valor de 10.000.000m para o Equador, sendo que os valores crescem no sentido norte e decrescem para sul, para a obtenção da longitude, estabeleceu-se o valor de 500.000m para cada meridiano central (MC), sendo que os valores crescem no sentido leste e decrescem no sentido oeste e em cada fuso pode ser prolongado por
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até 30 minutos sobre os adjacentes, facilitando os trabalhos nos locais onde ocorre a mudança de fuso (CARVALHO; ARAÚJO, 2008).
Figura 2 – Divisão do globo m zonas UTM.
Fonte: Carvalho e Araújo (2008).
Além da escolha do Sistema de Referência de Coordenadas tem-se também a escolha do Datum como etapa inicial necessária para a utilização do QGIS. O Datum padrão no mundo chama-se WGS 1984 - World Geodetic System, de 1984, ainda assim, o Brasil possui outros modelos da Terra sendo o Datum oficial do país, um definido pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) chamado SIRGAS 2000 - Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas, ano 2000.
Para facilitar e padronizar a escolha do Sistema de Referência de Coordenadas e o Datum que serão utilizados existe o Código EPSG formalizada pela organização European Petroleum Survey Group (EPSG), qualquer projeção de uma parte do globo pode ser identificada por meio do padrão EPSG (SANTOS, 2014).
3.2.2 O plug-in TAUDEM
Desenvolvida pelo Grupo de Pesquisa em Hidrologia (Hydrology Research Group) da Utah State University, nos Estados Unidos, a extensão Terrain Analysis Using Digital Elevation Models (TAUDEM) consiste num conjunto de ferramentas acrescentadas ao SIG capazes de extrair e analisar informações hidrológicas a partir
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de modelos digitais de elevação, o mesmo se encontra disponível de forma gratuita e possui compatibilidade com o ArcGIS, QGIS e Mapwindow (LEAL et al., 2015).
O plug-in TAUDEM incorpora diversas funções, sendo algumas delas:
remoção de poços por inundações para garantir a conectividade hidráulica dentro da bacia hidrográfica; cálculo de direções de fluxo e encostas; cálculo da área contributiva usando métodos de direção de fluxo único e múltiplo; diversos métodos para delinear redes de canais, incluindo métodos baseados em curvatura sensíveis à densidade de drenagem espacialmente variável; métodos objetivos para a determinação do limite de delineamento da rede de canais com base em ordens de fluxo; delineação da bacia hidrográfica, e das sub-bacias para cada segmento de fluxo; e associação entre os recursos da bacia hidrográfica e do segmento para a criação de modelos hidrológicos, entre outros (TARBOTON, 2015).
O TAUDEM utiliza o algoritmo D-8 para calcular a direção de fluxo, este padrão define que a direção do fluxo de uma célula se dá apenas para uma de suas 8 células vizinhas, aquela em que se apresenta maior declividade (Figura 3) (JENSON e DOMINGUE, 1988).
Figura 3 – Caminho preferencial de escoamento.
Fonte: Ribeiro (2000).
No final do processo conta-se com um arquivo raster onde cada pixel ou célula contém um código que sugere o fluxo ou escoamento, a partir deste, é possível gerar o mapa com a direção do fluxo de escoamento daquele terreno (Figura 4) (LEAL et al., 2015).
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Figura 4 – Ilustração da operação executada pela extensão TAUDEM para definir o fluxo do escoamento.
Fonte: Chaves (2002).
O grande benefício dessas novas técnicas de interpretação automática de imagens a partir de softwares computacionais é o aumento da produtividade e da precisão do trabalho, além da redução da subjetividade do resultado (Camargo et al., 2011).
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4 METODOLOGIA DA PESQUISA
4.1 LOCALIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA
O estudo foi realizado na bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros, localizado na Região Oeste do Estado do Rio Grande do Norte. A bacia hidrográfica está localizada entre os paralelos 6°5'24.34"S, 6°31'27.09"S e os meridianos 38°29'33.94"O, 37°48'11.73"O, abrangendo partes dos municípios de Pau dos Ferros, Rafael Fernandes, Água Nova, Riacho de Santana, Luís Gomes, Major Sales, José da Penha, Marcelino Vieira, Paraná, Tenente Ananias, Alexandria, Pilões, Antônio Martins, João Dias, Serrinha dos Pintos e Martins (Figura 5).
Figura 5 – Localização geográfica da Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros.
Fonte: Autoria própria (2018).
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4.2 CARACTERIZAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA
4.2.1 Clima
A área onde se localiza a bacia se encontra na região semiárida brasileira, que apresenta altas temperaturas, baixas precipitações e elevados índices de evapotranspiração, bem como à baixa capacidade de retenção de água dos solos. A sub-bacia de Pau dos Ferros está inserida na bacia Apodi/Mossoró, que segundo a classificação de Köppen, o tipo climático predominante nessa área é o BSw’h’, caracterizado por ser um clima muito quente e semiárido, e com estação chuvosa entre o verão e o outono. (SEMARH, 1998).
4.2.2 Geologia e Geomorfologia
Quanto à geologia da Bacia hidrográfica do rio Apodi/Mossoró, a mesma compõe-se de rochas pré-cambrianas em seu alto curso e mesozoicas e cenozoicas relacionadas à bacia sedimentar, já a sub-bacia hidrográfica de Pau dos Ferros tem sua área formada por rochas da formação Açu, embasamento pré-cambriano e embasamento afetado por tectonismo cenozoico (Maciços residuais), o embasamento pré-cambriano em alguns locais resulta em uma alta densidade de drenagem, pois predominam os padrões dendrítico e sub-dendrítico resultantes da impermeabilidade das rochas cristalinas (MAIA & BEZERRA, 2012).
Segundo (MEDEIROS et al., 2006) a área da sub-bacia hidrográfica em estudo é composta principalmente por formações rochosas da era proterozóica, são elas: Suíte Poço da Cruz, Complexo Caicó e Complexo Jaguaretama. Outras formações aparecem em menor área, como por exemplo: a Formação Serra do Martins, Formação pendências, Suíte intrusiva Catingueira, Suíte intrusiva Dona Inês, Depósitos aluvionares, Depósitos colúvio-eluviais, Suíte intrusiva Itaporanga, Granitoides indiscriminados, Formação Jucurutu e Suíte Serra do Deserto (ANGELIM & MEDEIROS, 2006).
De acordo com o Arcabouço Tectonoestrutural do estado do Rio Grande do Norte (MEDEIROS et al., 2010) a sub-bacia da barragem de Pau dos ferros se localiza em três Domínios geológicos: o Domínio Jaguaribeano, Domínio Rio Piranhas-Seridó e o Domínio Magmatismo Brasiliano, formados nas eras
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Paleoproterozóica, Neoproterozóica, e Paleozóica, domínios esses muito antigos com idades que variam de 2,30 bilhões de anos até 542 milhões de anos. Existem ainda algumas faixas da área onde são encontradas também coberturas Cenozoicas não tão antigas com idade aproximada de 23 milhões de anos. (ANGELIM &
MEDEIROS, 2006).
Segundo Maia & Bezerra (2012) o vale do rio Apodi-Mossoró onde se encontra sub-bacia em estudo é geomorfologicamente composto por: Depressões sertanejas, Maciços residuais, Planícies em depósitos Mesozóicos e Cenozóicos e um domo Anticlinal. Mais especificamente, a sub-bacia da barragem de Pau dos Ferros encontra-se inserida principalmente na depressão sertaneja com alguns locais onde se apresentam maciços residuais.
De acordo com Dantas & Ferreira (2010) a Depressão Sertaneja é caracterizada por possuir extensas superfícies planas interrompidas principalmente pela grande quantidade de maciços residuais, como por exemplo, os inselbergs, que são relevos residuais que aparecem na paisagem como montes isolados muito elevados, exibindo forte controle litoestrutural do substrato ígneo-metamórfico pré- cambriano. A depressão sertaneja está inserida no interior do estado do Rio Grande do Norte normalmente em cotas inferiores a 300m.
4.2.3 Vegetação
De acordo com Cestaro et al. (2007) a vegetação presente na Bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros é a vegetação característica de locais com morfologia formada por depressões sertanejas, são elas, as formações arbustivas e herbáceas do tipo Savana-Estépica arborizada e Savana-Estépica Gramíneo-Lenhosa (caatinga).
Alguns locais da Bacia apresentam maciços residuais, como por exemplo, no município de Martins, nesses locais a vegetação identificada é a do tipo Savana- Estépica Florestada e Floresta Estacional Semidecidual (MEDEIROS, 2016).
A Savana-Estépica, termo criado por Trochain (1955), caracteriza uma formação africana tropical na qual as árvores, arbustos e ervas estão presentes de forma relevante, sem haver uma dominância fisionômica das árvores. Esse tipo de vegetação veio a se tornar sinônimo do termo indígena tupi-guarani “caatinga”, que
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representa muito bem os tipos de vegetação das áreas áridas nordestinas (IBGE, 2012).
No Manual Técnico da Vegetação Brasileira (IBGE, 2012), se encontram as principais características dos tipos de vegetação encontrados na bacia hidrográfica em estudo (Tabela 2).
Tabela 2 – Características dos tipos de vegetação existentes na Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros.
Savana-Estépica Florestada
Formada por dois estratos: um superior, com predominância de nanofanerófitas periodicamente decíduas e mais ou menos adensadas por grossos troncos em geral, profusamente esgalhados e espinhosos ou aculeados; e um estrato inferior gramíneo-lenhoso, normalmente descontínuo.
Savana-Estépica Gramíneo-Lenhosa
Conhecido como campo espinhoso, apresenta características florísticas e fisionômicas bem típicas, ou seja, um extenso tapete graminoso salpicado de plantas lenhosas anãs espinhosas. O terreno é coberto inteiramente pelo capim- panasco que apresenta um aspecto de palha na seca e que enverdece na época das águas.
Savana-Estépica arborizada
Formado por dois nítidos estratos: um arbustivo-arbóreo superior, esparso, geralmente de características idênticas ao da Savana-Estépica Florestada, e outro, inferior gramíneo- lenhoso.
Floresta Estacional Semidecidual
Esse tipo florestal é estabelecido em função da ocorrência de clima estacional que determina semideciduidade da folhagem da cobertura florestal. Na zona tropical, a região é marcada por acentuada seca hibernal e por intensas chuvas de verão;
Fonte: Adaptado de IBGE (2012).
4.2.4 Solo
Os tipos de solo presentes na Bacia hidrográfica em estudo são: Latosol vermelho amarelo distrófico (LVd1 e LVd3); Podzólico vermelho amarelo equivalente eutrófico (PE1, PE2, PE3 e PE5); Bruno não cálcico (NC1, NC2 E NC4); Solos
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litólicos eutróficos (Re 4, Re 15 e Re 16). A classificação e caracterização dos solos apresentados são encontrados no levantamento exploratório-reconhecimento de solos do Estado do Rio Grande do Norte (BRASIL, 1971).
Devido à atualização que ocorreu na nomenclatura dos solos, estes não recebem mais a denominação exposta anteriormente, assim, de acordo com o sistema brasileiro de classificação dos solos, os solos predominantes na área são nomeados agora como: Latossolo Vermelho Amarelo, antigo Latosol representado pelo símbolo (LVd), Argissolo Vermelho Amarelo, antigo Podzólico (PE), Luvissolo, antigo Bruno não cálcico (NC) e Neossolo Litólico, antigo Solos litólicos (Re) (EMBRAPA, 2006).
4.3 ETAPAS DO PROCESSAMENTO
O processo de morfometria bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros com a utilização QGIS pode ser dividido em alguns passos começando pela delimitação da bacia e após isso, o recolhimento dos dados necessários à morfometria e realização da morfometria com base na literatura.
Inicialmente é necessário ter posse de uma imagem que contenha dados relacionados à altimetria do terreno denominado SRTM, esse arquivo é um Modelo Digital de Terreno (MDE) obtido a partir de imagens de radar. Neste trabalho foram utilizadas imagens SRTM obtidas no site USGS science for a changing world (https://earthexplorer.usgs.gov) com resolução espacial de um arc-segundo (30m).
Antes da delimitação da bacia as imagens SRTM foram reprojetadas, alterando-se o sistema de coordenadas geográficas para o sistema de coordenadas planas, em seguida foi realizado um mosaico com as imagens transformando-as numa imagem única contendo toda a área de interesse.
A delimitação foi realizada a partir de um complemento do Quantum GIS chamado TAUDEM 5.0, e pode ser dividida em algumas etapas (figura 5), são elas:
“Remover Depressões”, responsável por remover áreas com baixa elevação rodeadas completamente por áreas mais elevadas, esse processo altera a elevação de pixels que possam comprometer a estabilidade do fluxo de drenagem até o exutório; “Direções de Fluxo D8”, este processo procura obter um fluxo de drenagem analisando a altitude de um pixel em relação aos seus oito pixels adjacentes; “Área de Contribuição D8”, para realizar esse processo já é necessário que se possua a
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localização do exutório da bacia hidrográfica que se quer delimitar, pois, a partir dele é delimitada uma área de contribuição para bacia, neste trabalho foi utilizada a parede da barragem de Pau dos Ferros como exutório; “Definir Limiar para Fluxo Canalizado” obtendo um raster contendo a rede de drenagem a partir de limiar escolhida que regula a densidade da drenagem; e por último, “Alcance e Fluxo de Bacias Hidrográficas” para se obter um arquivo no formato vetor da hierarquia dos rios e um no formato raster da área da bacia hidrográfica. Uma vez que a bacia hidrográfica alcançada se encontra em formato raster, torna-se necessário a alteração da mesma para o formato vetor, onde é possível realizar medições de área, perímetro e comprimento axial da bacia.
Após a delimitação foram utilizadas funções presentes no QGIS para aquisição de informações. Todo o processo utilizado está mostrado no fluxograma abaixo (Figura 6).
Figura 6 – Fluxograma dos processos utilizados para a realização da morfometria.
Fonte: Autoria própria (2018).
SRTM DO LOCAL
REMOVER DEPRESSÕES
DIREÇÕES DE FLUXO D8
ÁREA DE CONTRIBUIÇÃO D8
DEFINIR LIMIAR PARA FLUXO CANALIZADO
ALCANCE E FLUXO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS
DELIMITAÇÃO DA BACIA
BACIA DELIMITADA
FUNÇÃO LINHA
CALCULADORA DE CAMPO
ALGORÍTMO DE DECLIVIDADE
ALGORÍTMO DE FATIAMENTO
TABELA DE ATRIBUTOS
MORFOMETRIA
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As informações necessárias à morfometria foram coletadas a partir da “Tabela de atributos” disponível no próprio QGIS, após operações feitas com a “Calculadora de campo” e medições com a função “Linha”, para calcular a área e o perímetro da bacia hidrográfica e realizar a medição do comprimento axial da mesma. Para a coleta das características de declividade foi utilizado o algoritmo “r.slope.aspect”
para criar o mapa de declividades e o algoritmo “r.recode” para classificar as áreas da bacia de acordo com a classes propostas pelo IBGE (2009). Ambos os algoritmos estão presentes na caixa de ferramentas do Quantum GIS.
4.4 CONFECÇÃO DOS MAPAS
Os Mapas foram confeccionados a partir do compositor de mapas do QGIS 2.18.14.
4.4.1 Hierarquia fluvial
Para a identificação da ordem de cada segmento de rio foi considerado a classificação de Strahler (1952), em que, aos rios de primeira ordem foi atribuído a cor amarela, aos rios de segunda ordem foi atribuído a cor verde, aos de terceira ordem a cor rosa, aos de quarta ordem a cor vermelha, aos de quinta ordem a cor preta, e aos rios de sexta ordem a cor azul.
4.4.2 Hipsometria
A Hipsometria consiste na representação da altimetria do relevo por meio de áreas com cores padronizadas, pode ser gerada a partir de uma carta topográfica ou de modelos digitais de elevação da SRTM. O mapa hipsométrico foi construído utilizando o padrão de cores hipsométrico, em que as cores frias (Tons verdes) retratam os locais que possuem menor altitude enquanto as cores quentes (Tons alaranjados) indicam os locais de maior altitude. As classes foram definidas com intervalos iguais abrangendo a menor altitude (218m) e a maior altitude (623m).
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4.4.3 Declividade
A partir do mapa hipsométrico, foi construído o mapa de declividades de relevo (Figura 6), onde foi utilizada a classificação sugerida pelo IBGE (2009) mostrado na tabela abaixo.
Tabela 3 – Área ocupada de acordo com a classificação da declividade.
Classe Declividade (%) Área (km²)
Muito fraca 0 – 3% 435
Fraca 3 – 8% 586
Moderada 8 – 20% 738
Forte 20 – 45% 241
Muito forte Acima de 45% 72
Fonte: Adaptado de IBGE (2009).
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5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ao final do processo de delimitação e análise de cada elemento que pode contribuir com a determinação das características físicas da Bacia Hidrográfica da Barragem Pau dos Ferros, foram produzidos mapas, gráficos e tabelas com os resultados, aplicando o modelo definido na metodologia que caracterizam a morfometria da Bacia em estudo, são apresentados e discutidos na sequência esses resultados.
5.1 HIERARQUIA FLUVIAL
A primeira análise feita é com relação ao mapa de hierarquia fluvial dos segmentos de rio da bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros (Figura 7).
Figura 7 – Hierarquia dos rios da Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros
Fonte: Autoria própria (2018).
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Percebe-se que 59,69% do comprimento total dos rios são de primeira ordem, 23,47% de segunda ordem, 11,22% de terceira ordem, 11,51% de quarta ordem, 3,49% de quinta ordem e apenas 0,69% de sexta ordem. O comprimento dos rios em função de sua hierarquia pode ser verificado na tabela seguinte.
Tabela 4 – Comprimento dos rios de acordo com sua hierarquia.
Hierarquia dos rios 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª
Comprimento dos rios (km) 868 410 196 201 61 12 Percentual de rios (%) 59,69 23,47 11,22 11,51 3,49 0,69 Fonte: Autoria própria (2018).
5.2 HIPSOMETRIA
A seguir é apresentado o mapa (Figura 9) que contém as características hipsométricas da bacia em estudo.
Figura 8 – Mapa Hipsométrico da Bacia Hidrográfica de Pau dos Ferros
Fonte: Autoria própria (2018).
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A maior parte da bacia se encontra com altitudes abaixo dos 450m, a altitude média da bacia hidrográfica é de 325m. As maiores altitudes se apresentam apenas nas regiões onde se identificam maciços residuais, nos extremos da Bacia hidrográfica.
5.3 DECLIVIDADE
O relevo se mantém suave em maior parte da bacia da bacia, mas nota-se que nas regiões com maciços residuais apresenta-se uma maior declividade, como pode se verificar no mapa (Figura 9) e gráfico (Figura 10) abaixo. Constatou-se que 21%
da área da bacia possui declividade muito fraca, 28% possui declividade fraca, 36%
declividade moderada, 12% declividade forte e apenas 3% declividade muito forte. A declividade média da bacia hidrográfica em estudo é de 13,23%.
Figura 9 – Declividades da Bacia Hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros
Fonte: Autoria própria (2018).
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Gráfico 1 – Distribuição percentual das declividades na Bacia Hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros
Fonte: Autoria própria (2018).
5.4 CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS
A bacia hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros possui uma área de 2071 quilômetros quadrados e um perímetro total de 380 quilômetros e o comprimento axial da bacia é 71 quilômetros. A bacia possui ainda 1747 quilômetros de rios, sendo o comprimento total do seu canal principal igual a 12 quilômetros e seu comprimento axial aproximadamente 9,5 quilômetros. O resultado da morfometria é mostrado na tabela abaixo.
Muito Fraca; 21%
Fraca; 28%
Moderado; 36%
Forte; 12%
Muito forte; 3%
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Tabela 5 – Resultados da caracterização morfométrica da bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros.
CARACTERIZAÇÃO MORFOMÉTRICA DA BACIA HIDROGRÁFICA
RESULTADOS
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS
Área total (km²) 2071
Perímetro total (km) 380
Kc 2,34
Ic 0,18
Kf 0,41
Padrão de drenagem Dendrítico
CARACTERÍSTICAS DO RELEVO
Altura Máxima (m) 623
Altura Média (m) 325
Altura Mínima (m) 218
CARACTERÍSTICAS DA REDE DE DRENAGEM
Maior Hierarquia 6ª
Comprimento total dos rios (km) 1747
Comprimento total do rio principal (km) 12
Densidade de drenagem (km/km²) 0,84
Declividade média (%) 13,23
Índice de Sinuosidade 1,27
Fonte: Autoria própria (2018).
A caracterização morfométrica da bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros mostrou que a mesma possui baixa propensão a ocorrência de enchentes visto que possui forma mais alongada sendo evidenciado pelos seus, coeficiente de compacidade, que se distanciou de um, e pelo seu fator de forma e índice de circularidade baixos.
A bacia hidrográfica da barragem de Pau dos Ferros é de sexta ordem, indicando que o sistema de drenagem é bastante ramificado, mas é possível perceber nos mapas apresentados que as pequenas ramificações ocorrem em maior quantidade nos extremos da bacia onde a declividade é maior.
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Em 85% da bacia em estudo a declividade é no máximo moderada, e isso, junto à densidade de drenagem de 0,84 km/km² sugere que a mesma possui locais favoráveis ao acúmulo de água e sedimentos, isso confere a esses locais uma drenagem. Os efeitos prejudiciais causados pela drenagem são minimizados pelo índice de sinuosidade do canal principal que apresentou valor próximo de um.
Christofoletti (1980), afirma que bacias com densidades de drenagem menores que 7,5 km/km² apresentam baixa densidade de drenagem. Valores entre 7,5 e 10,0 km/km² apresentam média densidade. Já valores acima de 10,0 km/km², apresentam densidade hidrográfica.
É possível fazer uma correlação dos resultados obtidos com os da Secretaria do Meio Ambiente e dos Recursos Hídricos do estado do Rio grande do Norte que fornece serviço de monitoramento das Barragens do estado, segundo a SEMARH a área da bacia hidrográfica encontrada sem recurso dos sistemas de informação foi de 2050 km², valor bem próximo do encontrado com o software, apresentando uma variação de 0,34%, podendo assim verificar a eficiência dos resultados alcançados pelo QGIS.
Silva et al. (2018) em seu estudo, também encontraram resultados coerentes utilizando a ferramenta TAUDEM presente no QGIS. A bacia hidrográfica do rio Cobra estudada pelos autores possui área bem menor que a bacia hidrográfica da Barragem de Pau dos ferros, mesmo assim, foi possível examinar os mesmos parâmetros geométricos e sobre as características de drenagem, desta forma, fica evidenciada a eficiência da ferramenta na análise morfométrica independendo do porte da bacia.
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6 CONCLUSÃO
A bacia em estudo apresenta relevo relativamente plano, sendo sua declividade média igual a 13,23%. A partir dos resultados obtidos considera-se a bacia hidrográfica da Barragem de Pau dos Ferros com geometria alongada e baixa vulnerabilidade a enchentes em condições normais de precipitação.
A bacia hidrográfica possui um padrão de drenagem dendrítico, e demonstra um sistema de drenagem pobre na maior parte de área em função da sua baixa declividade média.
A delimitação da bacia acontece de maneira fluida com a utilização do TAUDEM 5.0, extensão que pode ser adicionada ao software QGIS, além do que, para o processo posterior a delimitação, o próprio software QGIS oferece diferentes meios para aquisição dos dados necessários a morfometria.
Verificou-se um resultado satisfatório quanto à utilização do software QGIS na realização da morfometria visto que a utilização do mesmo se deu de forma simplificada e os resultados possuem coerência em relação aos dados reais.
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