Delimitação de bacia hidrográfica

July 15, 2017 | Autor: Viviane Amanajás | Categoria: Remote Sensing, Geoprocessamento, Bacias hidrográficas, Sensoriamento Remoto, Arc GIS
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Descrição do Produto

GOVERNO DO ESTADO DO AMAPÁ SECRETARIA DE ESTADO DE MEIO AMBIENTE COORDENADORIA DE GEOPROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE INFORMAÇÃO AMBIENTAL (CGTIA)

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Organização: SEMA/CGTIA Elaboração: Viviane Amanajás Claudia Funi

Macapá/AP MARÇO DE 2015

PLANO DO CURSO CURSO: Mini Curso de delimitação de bacia hidrográfica DURAÇÃO: 8 horas LOCAL: Laboratório CGTIA/SEMA QUANTIDADE: 15 pessoas

Dia

24.03

Conteúdo Programático Conceitos básicos de hidrografia: 1) Bacia Hidrográfica e drenagem; 2) Microbacias; 3) Sub-Bacias; 4) Curva de Nível e ponto cotado; 5) Divisor de Água; 6) Exutório; 7) Classificação dos cursos d’água: Strahler e Horton, comparativo e execução com strahler; Atividade (1) Destacar rede de drenagem; (2) Destacar os pontos cotados; (3) Identificar o exutório; (4) Delimitar a bacia; (5) Delimitar a microbacia;

24.03

Atividade Extra, no caso sobre tempo. Construção de perfil longitudinal da bacia

Orientações básicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto Atividade 25.03

(1) (2) (3) (4) (5)

Utilizar o DEM SRTM; Utilizar o ArcToolbox; Vetorização em tela ou Hidrology; Gerar drenagens; Gerar limite da bacia.

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1 - CONCEITOS BÁSICOS DE HIDROGRAFIA A Política Nacional de Recursos Hídricos, instituída pela Lei nº 9.433, de 8 de janeiro de 1997, incorpora princípios e normas para a gestão de recursos hídricos adotando a definição de bacias hidrográficas como unidade de estudo e gestão. Entre as definições de bacia hidrográfica existente percebe-se grande semelhança quanto ao recorte espacial, baseado na área de concentração de determinada rede de drenagem. Assim, as definições propostas para bacia hidrográfica assemelham-se ao conceito dado por Teodoro et. al., 2007, p. 138 apud Barrella (2001), sendo definido como um conjunto de terras drenadas por um rio e seus afluentes, formada nas regiões mais altas do relevo por divisores de água, onde as águas das chuvas, ou escoam superficialmente formando os riachos e rios, ou infiltram no solo para formação de nascentes e do lençol freático. Tucci (1997) conclui como um conjunto de superfícies vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de água que confluem até resultar em um leito único no seu exutório. Em uma bacia hidrográfica destacam-se alguns elementos fisiográficos, a citálos: 

Curva de nível

A curva de nível constitui uma linha imaginária do terreno, em que todos os pontos de referida linha têm a mesma altitude, acima ou abaixo de uma determinada superfície da referência, geralmente o nível médio do mar (IBGE, 1999, p. 80). As Curvas Mestras são as curvas de nível mais grossas e numeradas com o valor da altitude que ocorrem a cada cinco curvas. A 5ª curva é sempre uma curva mestra nas cartas e mapas topográficos (IBGE, 1999, p. 80). O Ponto cotado é a projeção ortogonal de um ponto do terreno no plano da carta com a indicação da sua altitude. São usados em pontos notáveis do terreno tais como topos de morros, fundos de vales. Principais características: a) As curvas de nível tendem a ser quase que paralelas entre si. b) Todos os pontos de uma curva de nível se encontram na mesma elevação. c) Cada curva de nível fecha-se sempre sobre si mesma. d) As curvas de nível nunca se cruzam, podendo se tocar em saltos d'água ou despenhadeiros. e) Em regra geral, as curvas de nível cruzam os cursos d'água em forma de "V", com o vértice apontando para a nascente.

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PONTO COTADO

CURVA MESTRA Imagem: Carta topográfica.

 Divisor de Água: linha que representa os limites da bacia, determinando o sentido de fluxo da rede de drenagem e a própria área de captação da bacia hidrográfica. Existem dois tipos de divisores: o topográfico e o geológico ou freático. O

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primeiro diz respeito à linha que une os pontos mais elevados do relevo e o segundo, os pontos mais elevados do aqüífero. O divisor geológico varia ao longo do ano em função das estações. Normalmente, não há coincidência entre os dois divisores, prevalecendo, quase sempre, o topográfico, por ser fixo e de mais fácil identificação.

Fonte: Imagem: http://aquafluxus.com.br/?p=1558, acesso: mar., 2015.

 Exutório: é um ponto de um curso d'água onde se dá todo o escoamento superficial gerando no interior uma bacia hidrográfica banhada por este curso. 4

Fonte: Imagem da delimitação de bacia com destaque para o exutório e divisor de águas (VILLELLA, 1975).

 Rede de Drenagem: Constituída por um curso d’água principal e seus tributários a rede de drenagem. A classificação ocorrer das seguintes formas:

HORTON (1945)

1ª Ordem

São os canais sem tributários.

2ª Ordem

3ª Ordem

São formados pela união de 2 ou mais cursos de 1ª ordem.

São formados pela união de 2 ou mais cursos de 2ª ordem, podendo receber cursos d’água de 1ª ordem.

Imagem

STRAHLER (1952)

São formados pela união de 2 ou São todos os mais cursos de 2ª canais sem São formados pela ordem, podendo tributários, união de 2 ou receber cursos mesmo que mais cursos de 1ª d’água de 2ª e 1ª corresponda à ordem, podendo ordem. A nascente dos ter afluentes de 1ª confluência de cursos d’água ordem. dois rios de 3ª principais. ordem define um de 4ª e assim por diante. O canal de 2ª ordem começa na junção dos de 1ª ordem, ou seja, não há designação de nascentes. Quando dois rios de ordens hierárquicas diferentes juntam-se, prevalece a maior ordem.

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Os termos sub-bacia e microbacia hidrográfica também estão incorporados na literatura técnico-científica. As sub-bacias são áreas de drenagem dos tributários do curso d’água principal. Possuem áreas maiores que 100 km² e menores que 700 km². Dentro dessas subdivisões da bacia, aparece também na literatura o termo microbacia. A microbacia possui toda sua área com drenagem direta ao curso principal de uma sub-bacia, várias microbacias formam uma sub-bacia e possuem área inferior a 100 Km² (FAUSTINO, 1996). 

DELIMITAÇÃO DE BACIA

1- Destacar rede de drenagem (identificação do curso de água); 2- Identificação dos pontos cotados; 3- Identificação do exutório; 4- Classificação da rede de drenagem (hierarquização); 5- Traçar linha contínua, que inicie e termine no exutório, de modo que não cruze um

curso de água, e observando as curvas de nível (limite da bacia); 6- Delimitar a microbacia.

Figura: identificação de: drenagem, exutório, bacia e sub-bacia.

ATIVIDADE EXTRA: CURVA DE NÍVEL - Elaboração de perfil longitudinal da bacia é utilizado para determinar a declividade do rio, o qual é estabelecido em função das distâncias horizontais percorridas entre cada cota marcada no mapa topográfico. O Exemplo a seguir detalha a seqüência de determinação do perfil longitudinal e da declividade do rio. Exemplo: A figura a seguir mostra a trajetória do curso d’água principal da bacia hidrográfica ilustrada na Figura. Na figura, por uma questão de clareza, foram retirados os tributários e outras curvas de nível, tendo permanecido apenas aquelas de interesse para a determinação da declividade.

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700 700 695 695 700 690 690

685

680 680 685

675

675

680

670 665

655 660 665

670

Exutório

Com base no mapa com as curvas de nível, prepara-se uma tabela de cotas e distâncias percorridas. Na prática, as distâncias de percurso do rio devem ser medidas no mapa topográfico, sendo convertidas em função da escala usada no mapa. Escalas frequentemente usadas para este fim são as de 1:25.000 (1 cm = 250 m) e 1:50.000 (1 cm = 500 m), mas obviamente mapas com outras escalas podem ser usados, dependendo do tamanho da bacia. No presente exemplo, as distâncias apresentadas na tabela pressupõem a conversão por uma escala adequada (não apresentada no desenho). Curva de nível (m) Eqüidistância 5m

Distância entre curvas (m)*

Distância acumulada (m)**

***Declividade entre curvas (m/m)

695

-

-

-

690

150

150

0,033

685

900

1050

0,006

680

700

1750

0,007

675

1400

3150

0,004

670

1100

4250

0,005

665

300

4550

0,017

660

200

4750

0,025

655 350 5100 0,014 Curva de nível: cota retirada do mapa topográfico *Distância entre curvas: distância percorrida entre a curva de nível anterior e a curva de nível da respectiva linha (a distância e extraída a partir das coordenadas métricas; precisa ter a carta com o grid de coordenadas). **Distância acumulada: soma das distâncias percorridas até a curva de nível da respectiva linha (Ex.: 1º dist. entre curvas 150+ a 2º dist. entre curvas 900 = a 3ª dist. acumulada 1050, e assim sucessivamente). ***Declividade entre curvas: (cota anterior – cota atual) / distância entre curvas (Ex.: 1ª curva de nível da tabela 695 – a 2ª 690 = 5/150 (1ª distância entre curvas = 0,033 m - declividade, e assim sucessivamente).

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O perfil longitudinal é construído com os dados da distância acumulada e com as cotas das curvas de nível. PERFIL LONGITUDINAL

COTAS (m)

695 690 685 680 675 670 665 660 655 650 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

DISTÂNCIA (m)

Fonte: www.etg.ufmg.br/tim1/baciahidrografica2007.doc

Observa-se que o rio tem dois trechos típicos, cada um deles relativamente homogêneo dentro de si. O primeiro, mais plano, vai da cota 690m à cota 670m, com um percurso total de 4250m. A declividade média neste trecho é (690-670)/4250 = 0,0047 m/m. O segundo trecho, mais inclinado, vai da cota 670m à cota 655m, percorrendo uma distância de 5100-4250 = 850m. A declividade média neste segundo trecho é de (670-655)/850 = 0,018 m/m. 8

ATIVIDADE EXTRA 1º ) Traçar a linha de perfil (linha de corte), cortando bacia:

2º) Estabeleça uma escala horizontal, ex: 1:100.000; e escala vertical 1: 10.000 (com exagero vertical); Os intervalos verticais deve, variar a cada 1 cm; já os intervalos horizontais devem ter a mesma medida da linha de corte. Ex: Vertical a cada 1 cm corresponderá a 100000 cm ou 1000 m; no plano horizontal a cada 1 cm corresponderá a 10000 cm ou 100m.

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Delimitação de bacia no ARCGIS: Análise Hidrológica com Spatial Analyst Esta análise objetiva a extração a: extração de rede de drenagem, hierarquização e delimitação de bacia. Antes de iniciarmos nossa análise e importante familiarize-se com alguns termos associados a Hidro: • Watershed = Bacia Hidrográfica; • Basin = Bacia Hidrográfica; • Drainage Network = Rede de Drenagem; • Stream Network = Rede de Drenagem; • Sub-Basin = Sub-Bacia; • Stream = Córrego, Riacho, Rio; • Upstream = Rio Acima (Em Geografia, “upstream” indica a fonte de um córrego ou rio contra direção normal do fluxo de água); • Downstream = Rio Abaixo; • Sink (Buraco, Depressão) - Cria um raster identificando todas as depressões, áreas de drenagem interna e vazios ou erros do SRTM ou outro raster de superfície; • Fill (Preencher) - Preenche pequenas imperfeições nos dados e remove todos os sinks do raster de superfície; • Flow Direction (Direção do Fluxo) - Gera um raster contendo a direção do fluxo de cada célula. No Flow Direction, cada pixel é potencialmente cercado por oito pixels vizinhos. A inclinação de cada uma destas oito direções pode ser calculada tomando-se a diferença em elevação indicada pelo valor de DEM para cada um destas oito localidades vizinhas e do valor no pixel a ser examinado; • Flow Accumulation (Acumulação de Fluxo) - O raster criado determina a acumulação de fluxo a partir do Flow Direction criado anteriormente.

 Para iniciar nossa análise temos alguns passos a seguir: Abra o ArcGis, localizado no MENU INICIAR > Todos os programas > ArcGis > ArcMap 10.1; Após abrir o ArcMap, aparecerá uma caixa de diálogo (Getting Started/ “Iniciando”) na qual você clicar no botão CANCEL. Estamos iniciando um projeto novo, para isso faz-se necessário algumas informações e configurações iniciais, conforme explicados nas imagens a seguir:

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+ UTM > + WGS 1984 > + Southern Hemisphere> WGS 1984 UTM Zone 22 S.

É necessário habilitar a extensão spatial analyst. Para isso, na barra de menu > customize > extensions > habilite o spatial analyst > ok. Com as configurações já realizadas vamos adicionar o MDT SRTM, para isso clique no botão ADD Data ( ), localizado na barra de ferramentas. Após a inserção do DEM SRTM vamos iniciar os procedimentos para a análise hidrográfica. Para isso, procurem na BARRA DE FERRAMENTAS o botão relativo ao ARC TOOLBOX ( ) Clique nele, e depois procure na lista o item + SPATIAL ANALYST TOOLS > + HYDROLOGY > FILL.

 Fill – Preenchimento de Vazios do DEM A ferramenta Fill deve ser executada diretamente no DEM. No Toolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > + Fill. Informe o Fill no campo de entrada (MDT_SRTM90m) e indique um arquivo TIF no campo de saída (FILL_DEM90m).

12 Aguarde o término do processo. O raster Fill será adicionado no mapa. Se o aspecto da imagem estiver totalmente cinza, clique com o botão direito do mouse sobre o raster Fill acesse as Propriedades do Raster, guia Simbology e modifique o Stretch Type para Minimum/Maximum. Com o novo DEM “Filled”, será preciso gerar um Flow Direction.

 Flow Direction – Definindo as Direções dos Rios Antes de iniciar remova do ArcGis o arquivo: MDT_SRTM90m. Clique em Toolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > + Flow Direction. Informe o arquivo gerado “FILL_DEM90m” e o local de saída para o novo arquivo TIF (FLOWDIRECT90). Na tabela de

valores com campo Cont que registram valores de 1 a 128. Observe a figura abaixo:

Resultado:

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 Flow Accumulation – Criando a Acumulação do Fluxo Clique em ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > + Flow Accumulation. Execute o processo Flow Accumulation. Nas opções, informe a entrada (FLOWDIRECT90), a saída (FLOWACUMUL90) e modifique o tipo de dado de FLOAT para Inteiro (Integer). O Flow Accumulation será criado, mas o raster pode parecer escuro. É preciso aproximar o mapa com a ferramenta Zoom para visualizar os locais onde ocorre o fluxo de água acumulada.

Resultado:

 Álgebra de Mapas para Extração da Rede de Drenagem Para criar uma rede de drenagem, é preciso estabelecer um limiar para descobrir quantos pixels adjacentes devem formar os rios. Em nosso caso, vamos estabelecer um limiar de 500 pixels. - Formulação de Expressões Algébricas no SIG A expressão matemática é criada com base em proposições que podem surgir no decorrer do projeto. A função CON (Conditional) determina um teste lógico e retorna um resultado. Simples assim. Em relação à rede de drenagem, poderíamos estabelecer uma condição para criar o limiar, filtrando apenas os pixels significativos. A condicional do limitar torna-se intuitiva quando é lida desta maneira: Se o valor dos pixels do raster Flow Accumulation for superior a 500, deve-se substituí-los pelo valor 1. Caso contrário, transformar em NODATA. Com esta condição, todas as células do raster com valor superior a 500 serão consideradas durante a criação de um novo mapa raster. As demais células serão transformadas em NODATA. O próximo passo consiste em redigir essa informação na linguagem do computador (expressão matemática). Acesse: ArcToolbox > Clique no menu > + Map Algebra > + Raster Calculator. E na janela que se digite a fórmula abaixo: Con("FLOWACUMUL90.tif" > 500,1).

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A rede de drenagem será visualizada no mapa. Um aspecto interessante é sobre o limiar: ele deve ser utilizado com uma espécie de filtro para os rios. Dependendo da aplicação, o uso da hierarquia dos rios pode ser ampliada ou omitida. Os testes que demonstram que, se o limiar for aumentado, os riachos poderão ser omitidos. Resultado (O arquivo de saída deve receber o nome: STREAM500):

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 Stream Order - Classificação (hierarquização dos rios) – STRAHLER Para realizar a classificação da drenagem, acesse: ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > Stream Order. Realize as configurações – Em INPUT STREAM RASTER: adicione STREAM500; Em INPUT FLOW DIRECT RASTER: adicione FLOWDIRECT90. Em OUTPUT RASTER: escolha o local a salvar e digite o nome STRAHLER; Em METHID OF STREAM ORDERING: Escolha STRAHLER. > OK.

Resultado:

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Realizada a classificação, vamos converter a drenagem do formato raster para shapefile.

 Stream to Feature – Conversão da Drenagem para Shapefile Clique no menu ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > Stream to Feature. Informe a Rede de Drenagem, o Flow Direction (FLOWDIRECT90) e o nome de saída (STREAMFEATURE500) para o arquivo shapefile de linhas.

Resultado:

17

 Basin – Bacia Hidrográfica Para delimitar a bacia hidrográfica, acesse: ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > Basin. Informe o Flow Direction (FLOWDIRECT90) e o arquivo TIF de saída (BACIAS).

Resultado

Para mudar a cor: clique com o botão direito sobre o arquivo de "bacias"> propriedades > e em layer properties> guia symbology > streched > color ramp > # ELEVATION #1 (Para verificar o nome das cores clique com o botão direito dentro de color ramp e desabilite Graphic View). 18

Resultado Final

Atividade Extra Cálculo de curva de nível a partir d DEM SRTM para identificação de drenagem a partir de vetorização em tela. Após inserir o DEM, no ArcGis acesse: ArcToolbox > + Spatial Analyst Tools > + Hydrology > + Surface > Contour. Em INPUT Raster adicione o MDT (MDT_SA22VB_NA22YD). Em OUTPUT POLYLINE FEATURES: escolha a pasta onde será salvo o arquivo: Curva_50m. Em CONTOUR INTERVAL: digite 50 > OK.

Resultado: (O mesmo procedimento pode se realizado para 10 m ou 5m, dependendo do caso). 19

Após a extração das curvas de nível é necessário a criação de um shapefile de linha, para que possamos iniciar a vetorização da hidrografia. Para isso vamos

inicialmente clique no botão referente ao ARC CATALOG ( ). Na barra latedral que se habilita clique no botão CONNECT TO FOLDER ( ) > localize a pasta onde está salvando os arquivos do curso e clique nela; voltando a janela do Catalog procure sua pasta e clique nela, com o botão direito clique e no submenu escolha NEW > SHAPEFILE. Veja figura abaixo:

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Na janela que surge de criação do shapefile, realize as configurações solicitadas NOME: Rios; FEACTURE TYPE: Polyline; SPATIAL REFERENCE > EDIT > Coordinate System > + Projected Coordinate Systems > + UTM > + WGS 1984 > + Southern Hemisphere> WGS 1984 UTM Zone 22 S > ok.

Muito bem! O shapefile de linha foi criado e já está inserido na TABELA DE CONTEÚDOS (Menu esquerdo na ArcGis), inicie a edição deste shapefile. Clique com o botão direito do mouse sobre o nome Rio e escolha EDIT FEATURES > START EDITING.

Com a edição já aberta iniciar a vetorização da hidrográfica orientada pelo DEM SRTM e curvas de nível. OBSERVE: 21

Siga vetorizando até finalizar sua drenagem, lembrando que você pode salvar a edição fechá-la e continuar em outro momento. Para isso utilize a barra de ferramentas de edição:

22 BOA SORTE!!

BIBLIOGRAFIA AMANAJÁS, Viviane. Curva de Nível. In: Cartografia e SIG. Macapá: 2008. Disponível: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfvzAAH/cartografia-sig-com-gvsig?part=3#>. REBOUÇAS, Aldo. Uso inteligente da água. Editora Escritura: São Paulo, 2004. Disponível: < https://books.google.com.br/books?isbn=8575311131. Acesso: Março, 2015. SILVA, Vanessa C. B. Iniciando no ArcGis. Curso de Geografia e Análise Ambiental e SIG. UNI-BH: Belo Horizonte, 2010. TEODORO, Valter L. L.; TEIXEIRA, Denilson; COSTA, Daniel J. L.; Fuller, Beatriz B. O conceito de bacia hidrográfica e a importância da caracterização morfométrica para o entendimento da dinâmica ambiental local. Revista UNIARA, n.20, 2007. Disponível: < http://www.uniara.com.br/revistauniara/pdf/20/RevUniara20_11.pdf> Acesso: 03/2015. UFMG. Bacia Hidrográfica. UFMG: Minas Gerais, 2007. Disponível:< http://www.etg.ufmg.br/tim1/baciahidrografica2007.doc>. Acesso: 03/2015.

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