UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRULICAS ESCOLA DE ENGENHARIA

FERNANDO MAINARDI FAN

ACOPLAMENTO ENTRE MODELOS HIDROLGIOS E SISTEMAS DE INFORMAO GEOGRFICA: INTEGRAO DO MODELO MGB-IPH

Porto Alegre

2011

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FERNANDO MAINARDI FAN

ACOPLAMENTO ENTRE MODELOS HIDROLGICOS E SISTEMAS DE INFORMAO GEOGRFICA: INTEGRAO DO MODELO MGB-IPH

Orientador: Prof Dr. Walter Collischonn

Porto Alegre

2011

Trabalho de Diplomao apresentado ao Instituto de Pesquisas Hidrulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Engenheiro Ambiental

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FERNANDO MAINARDI FAN

ACOPLAMENTO ENTRE MODELOS HIDROLGICOS E SISTEMAS DE INFORMAO GEOGRFICA: INTEGRAO DO MODELO MGB-IPH

Trabalho de Concluso de Curso em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Rio Grande do Sul defendido e aprovado em 16/12/2011 pela Comisso

avaliadora constituda pelos professores:

ORIENTADOR

Prof. Walter Collischonn Dr. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Orientador

BANCA EXAMINADORA

Prof. Alfonso Risso Msc. Eng. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Prof. Masato Kobiyama Dr. Eng. pela Universidade Federal do Paran

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Para meus pais

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AGRADECIMENTOS

Desejo expressar meus sinceros agradecimentos:

Primeiramente aos meus pais Jorge e Isabel e minha irm Laura, por sempre me

apoiarem e me incentivarem incondicionalmente, e por tornarem possvel o meu

sonho de ser um Engenheiro Ambiental.

Ao meu amigo e orientador Walter, pela pacincia, pelos ensinamentos, orientaes,

oportunidades e principalmente por sempre ouvir e valorizar as minhas opinies e as

minhas idias, at mesmo as no convencionais.

A minha namorada, Vilma, por ser minha companheira e minha grande motivadora,

e fazer os meus dias cada vez mais felizes com o seu sorriso.

A todos os meus colegas de curso, especialmente a minha turma de 2007, por

serem mais que colegas, mas sim grandes amigos, praticamente a minha famlia

dentro da universidade.

Ao professor Monteggia, por ser alm de um grande professor, um amigo, e por todo

empenho e dedicao durante a caminhada que empreendemos durante o perodo

que fui representante discente.

A todos os meus demais professores, que foram fundamentais para a minha

formao.

A todos os colegas de estgio que tive durante a minha graduao, por me

ensinarem a valorizar o trabalho e me auxiliarem a expandir meus conhecimentos

prticos.

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Ao meu amigo Pako, por todo o suporte e pelas rodas de chimarro que foram

fundamentais nos primeiros semestres de minha graduao.

A todos os meus demais amigos e familiares, pelo apoio, amizade e suporte.

E, por fim, mas no menos importante, a Deus, por tudo.

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Se faltar calor, a gente esquenta

Se ficar pequeno, a gente aumenta

E se no for possvel, a gente tenta

- Pose (Humberto Gessinger)

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RESUMO

FAN, M. F. Acoplamento entre Modelos Hidrolgicos e Sistemas de Informao Geogrfica: Integrao do Modelo MGB-IPH. 2011. 179 p. Trabalho de Diplomao (Graduao em Engenharia Ambiental) Instituto de Pesquisas Hidrulicas e Escola de Engenharia. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.

Resumo do Trabalho

Problemas relacionados ao uso eficiente dos recursos hdricos esto entre os grandes desafios a serem vencidos pela humanidade nas prximas dcadas. Neste contexto, a modelagem hidrolgica se apresenta como uma ferramenta extremamente til para a realizao de avaliaes e apoio tomada de deciso. Os modelos hidrolgicos do tipo distribudo so capazes de representar o comportamento de uma bacia hidrogrfica de forma complexa, permitindo anlises e estudos detalhados a partir de seus resultados. Um dos requisitos bsicos para o uso destes modelos distribudos a descrio fisiogrfica detalhada da bacia estudada, obtida atravs do uso de plataformas de Sistemas de Informao Geogrfica (SIG). Visando potencializar o uso da simulao hidrolgica e o desenvolvimento de solues para o correto gerenciamento de recursos hdrico, o presente trabalho apresenta a concepo de um acoplamento entre a plataforma de SIG MapWindow GIS e o modelo hidrolgico MGB-IPH. A integrao desenvolvida pode ser considerada do tipo acoplamento prximo (ou rgido), devido as suas caractersticas de transferncia interna de dados. A ferramenta concebida foi testada com sucesso na modelagem de duas bacias hidrogrficas brasileiras, uma da regio sul (bacia do rio Iju), e outra da regio Sudeste (bacia Trs Marias, no rio So Francisco). As aplicaes demonstraram que um grau elevado de integrao entre o modelo hidrolgico e o SIG foi obtido. Foram criadas ferramentas teis para manipulao e representao simplificada dos dados de entrada no ambiente SIG, e para ps-processamento e anlise dos resultados do modelo hidrolgico. De uma forma geral, pode-se afirmar que os grandes avanos trazidos pelo trabalho desenvolvido foram a simplificao na utilizao do modelo, as ferramentas avanadas de anlise, espacializao e processamento de dados, o uso de bases de dados internas que facilitam a preparao das informaes de entrada do modelo

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hidrolgico, e que a plataforma MapWindow GIS passou a ser a forma como o usurio interage com o modelo MGB-IPH.

PALAVRAS CHAVE: Modelos Hidrolgicos, Sistemas de Informao Geogrfica, Acoplamento Rgido

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Abstract

Problems related to the efficient use of water resources are major challenges to be faced by humanity in the coming decades. In this context, the hydrologic modeling application is an extremely useful tool for assessments development and for decision making support. The distributed type hydrological models are able to represent the behavior of a watershed in a complex manner, allowing detailed analysis and studies from their results. One of the essential requirements for the use of distributed models is the detailed physiographic description of the studied basin, obtained through the use of Geographic Information Systems (GIS) platforms. Aiming to enhance the use of hydrologic simulation and to develop solutions for proper water resources management, this paper presents the design of a coupling between the MapWindow GIS platform and the MGB-IPH hydrological model. The developed integration can be considered a close coupling, due to the internal data transfer characteristics developed. The designed tool was successfully tested for the modeling of two Brazilian river basins, one from the southern region (Iju River basin), and one from the Southeast (Three Marias basin, So Francisco river). The applications showed that a high degree of integration between the GIS and the hydrologic model was obtained. Useful tools were created for input data handling and representation in the GIS environment, and for post-processing and analysis of the hydrological model results. In general, it can be said that the greatest advances reached with this work are the simplification of the model use, the advanced tools for data analysis, spatial representation and data processing, the use of internal databases to assist the preparation of the hydrological model input information, and that the MapWindow GIS platform became the way that an user interacts with the MGB-IPH model.

KEY WORDS: Hydrological Models, Geographic Information Systems, Rigid Coupling

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Resumen

Los problemas relacionados con el uso eficiente de los recursos hdricos son un desafo importante que enfrentar la humanidad por las prximas dcadas. En este contexto, los modelos hidrolgicos se presentan como una herramienta extremadamente til para la realizacin de evaluaciones y apoyo a la toma de decisiones. Los modelos hidrolgicos distribuidos son capaces de representar el comportamiento de una cuenca de una manera integral, lo que permite un anlisis detallado y facilita el estudio de los resultados. Uno de los requisitos bsicos para el uso de modelos distribuidos es la descripcin fisiogrfica detallada de la cuenca estudiada, obtenida mediante el uso de plataformas de Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG). Con el objetivo de impulsar el uso de simulacin hidrolgica y el desarrollo de soluciones para la gestin adecuada de los recursos hdricos, este trabajo presenta el desarrollo de un acoplamiento entre la plataforma de SIG MapWindow GIS y el modelo hidrolgico MGB-IPH. La integracin puede ser considerada de acoplamiento duro, porque las transferencias de datos son internas. La herramienta se aplic con xito en dos estudios de cuencas hidrogrficas brasileas, una en la regin sur (cuenca del ro Iju), y una de la regin Sudeste (cuenca Tres Maras, en el ro So Francisco). Las aplicaciones demostraron que se obtuvo un alto grado de integracin entre el SIG y el modelo hidrolgico. Se han creado herramientas tiles para la manipulacin y representacin simplificada de los datos de entrada en un entorno SIG, y de post-procesamiento y anlisis de los resultados del modelo hidrolgico. En general, se puede decir que estas herramientas han logrado simplificar el uso del modelo, facilitando el anlisis y procesamiento de datos espaciales, y el manejo de las bases de datos internas que facilitan la preparacin de la informacin de entrada del modelo hidrolgico. La plataforma SIG MapWindow se convirti en la forma en que el usuario interacta con el modelo MGB-IPH.

PALABRAS CLAVE: Modelos Hidrolgicos, Sistemas de Informacin Geogrfica, Acoplamiento Rgido

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Estrutura geral de um Sistema de Informaes Geogrficas. ................... 27 Figura 2 Exemplo do aspecto geral de um programa de SIG, na imagem, o ArcGIS. ................................................................................................................... 28 Figura 3 Acoplamento Solto entre SIG e Modelos Hidrolgicos. ............................... 37 Figura 4 - Acoplamento prximo entre SIG e Modelos Hidrolgicos. ........................ 38 Figura 5 - SIG embutido em Modelos Hidrolgicos. .................................................. 39 Figura 6Figura 06 - Modelos Hidrolgicos embutidos em SIG. ................................. 39 Figura 7 Diviso em mini-bacias da bacia dos rios Almas e Maranho. ................ 43 Figura 8 Representao esquemtica do procedimento de gerao das HRUs. ... 45 Figura 9 Exemplo de URHs geradas para a bacia dos rios Almas e Maranho para a aplicao do modelo MGB-IPH. ............................................................................. 46 Figura 10 - Bacias sul-americanas em que o modelo MGB-IPH foi aplicado com sucesso. .................................................................................................................... 48 Figura 11 rea principal de trabalho do software MapWindow GIS. .................... 55 Figura 12 Menu de habilitao de plugins do software MapWindow GIS. ........... 57 Figura 13 Pgina principal do portal HidroWeb. ..................................................... 59 Figura 14 Exemplo de grfico gerado utilizando o ZedGraph. ............................... 60 Figura 15 - Localizao da bacia Iju, com seus principais municpios. .................... 65 Figura 16 - Topografia e principais rios da bacia. ...................................................... 65 Figura 17 Resultados das etapas de discretizao da bacia do Iju. ...................... 69 Figura 18 Mapa de solos da bacia Iju. ................................................................... 71 Figura 19 Mapa de vegetao e uso do solo da bacia Iju. .................................... 72 Figura 20 Unidades de Resposta Hidrolgica construdas para a bacia Iju. ......... 73 Figura 21 Interface do PrePro_MGB. ..................................................................... 74 Figura 22 Interface do MGB-IPH habilitada dentro do MapWindow GIS . ........... 75 Figura 23 Planos de Informao da Bacia Iju no MapWindow GIS . .................. 76 Figura 24 - Bacia do rio Iju na interface MapWindow GIS do MGB-IPH, com os centrides das mini-bacias. ....................................................................................... 77 Figura 25 Ilustrao do grfico de disponibilidade temporal de dados de vazo na bacia do rio Iju.. ........................................................................................................ 79

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Figura 26 - Interface do MGB-IPH com o layer de postos fluviomtricos adicionado ao projeto. ................................................................................................................. 80 Figura 27 - Grfico de disponibilidade temporal de dados de chuva na bacia do rio Iju. ............................................................................................................................ 82 Figura 28 - Interface do MGB-IPH com o layer de postos pluviomtricos adicionado ao projeto. ................................................................................................................. 83 Figura 29 Ferramenta Precipitao da interface MapWindow do MGB-IPH. Desenvolvida neste trabalho. .................................................................................... 84 Figura 30 Ferramenta Vazo da interface MapWindow GIS do MGB-IPH. Desenvolvida neste trabalho. .................................................................................... 85 Figura 31 Ferramenta Clima da interface MapWindow do MGB-IPH, mostrando o nmero de anos em que existem dados de temperatura e das outras variveis em cada ms do ano. ...................................................................................................... 88 Figura 32 Estaes climatolgicas disponveis na base da ANA prximas a bacia Iju. ............................................................................................................................ 89 Figura 33 Ferramenta Blocos da interface MapWindow do MGB-IPH. ................ 90 Figura 34 - Ferramenta "Parmetros Fixos". ............................................................. 92 Figura 35 - Ferramenta "Parmetros Calibrveis". .................................................... 95 Figura 36 - Ferramenta de criao de projeto de simulao do MGB-IPH. ............... 96 Figura 37 - Simulao da bacia Iju atravs da interface desenvolvida. .................... 98 Figura 38 - Resultado da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000) na bacia Iju. ..................................................... 99 Figura 39 - Zoom em uma parte dos resultados da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000) na bacia Iju. ................ 100 Figura 40 Comparao entre as curvas de permanncia na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000) na bacia Iju. ................ 101 Figura 41 - Resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000) na bacia Iju. ................................................... 104 Figura 42 Zoom em resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000) na bacia Iju. ......................................... 104 Figura 43 Zoom em resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000) na bacia Iju. ......................................... 105 Figura 44 Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000) na bacia Iju. ................ 105

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Figura 45 - Resultado da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000) na bacia Iju. ................................................... 106 Figura 46 - Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000) na bacia Iju. ................ 106 Figura 47 Ferramenta de definio de parmetros para calibrao automtica... 109 Figura 48 Resultado da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ................................................................................................................. 111 Figura 49 Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 456 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75205000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ........................................................................ 111 Figura 50 Resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ................................................................................................................. 112 Figura 51 Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 487 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75295000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ........................................................................ 112 Figura 52 Resultado da simulao na mini-bacia 507 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75320000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ................................................................................................................. 113 Figura 53 Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 507 (comparado ao posto fluviomtrico observado 75320000), aps procedimento de calibrao automtica na bacia Iju. ........................................................................ 113 Figura 54 - Localizao da bacia Trs Marias. ........................................................ 115 Figura 55 - Topografia e principais rios da bacia. .................................................... 116 Figura 56 Resultado das etapas de discretizao da bacia Trs Marias. ............ 117 Figura 57 - Mapa de tipos de solos na bacia. .......................................................... 118 Figura 58 - Mapa de vegetao na bacia. ............................................................... 119 Figura 59 - UHRs montadas para a bacia Trs Marias. .......................................... 120 Figura 60 Planos de Informao da bacia no MapWindow GIS ........................ 121 Figura 61 - Bacia Trs Marias na interface MapWindow GIS do MGB-IPH, com os centrides das mini-bacias. ..................................................................................... 122 Figura 62 - Interface do MGB-IPH com o layer de postos fluviomtricos adicionado ao projeto no MapWindow GIS . ........................................................................... 123

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Figura 63 - Interface do MGB-IPH com o layer de postos pluviomtricos adicionado ao projeto. ............................................................................................................... 124 Figura 64 - Localizao dos postos selecionados para a realizao da simulao da bacia Trs Marias. ................................................................................................... 126 Figura 65 Ferramenta Preparar dados de clima utilizando base de dados interna da interface MapWindow GIS desenvolvida para o MGB-IPH. ............................ 128 Figura 66 Estaes climatolgicas, disponveis na base de dados interna da interface do MGB-IPH, selecionadas para aplicao. ............................................. 129 Figura 67 - Diviso em sub-bacias assumida para a bacia de Trs Marias. ........... 132 Figura 68- Resultado da simulao na mini-bacia 234 (comparado ao posto fluviomtrico observado 4102002) na bacia Trs Marias. ....................................... 134 Figura 69 - Resultado da simulao na mini-bacia 202 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40850000) na bacia Trs Marias. ..................................... 135 Figura 70 - Resultado da simulao na mini-bacia 201 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40070000) na bacia Trs Marias. ..................................... 135 Figura 71 Curva de permanncia resultado da simulao na mini-bacia 159 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40400000) na bacia Trs Marias. .. 136 Figura 72 - Resultado da simulao na mini-bacia 151 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40960000) na bacia Trs Marias. ..................................... 139 Figura 73Figura 73 - Resultado da simulao na mini-bacia 165 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40710000) na bacia Trs Marias. ........................... 139 Figura 74Figura 74 - Resultado da simulao na mini-bacia 170 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40740000) na bacia Trs Marias. ........................... 140 Figura 75 - Resultado da simulao na mini-bacia 177 (comparado ao posto fluviomtrico observado 41075001) na bacia Trs Marias. ..................................... 140 Figura 76 - Resultado da simulao na mini-bacia 180 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40050000) na bacia Trs Marias. ..................................... 141 Figura 77 - Resultado da simulao na mini-bacia 181 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40850000) na bacia Trs Marias. ..................................... 141 Figura 78 - Resultado da simulao na mini-bacia 186 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40800001) na bacia Trs Marias. ..................................... 142 Figura 79 - Resultado da simulao na mini-bacia 201 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40070000) na bacia Trs Marias. ..................................... 142

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Figura 80 - Resultado da simulao na mini-bacia 202 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40850000) na bacia Trs Marias. ..................................... 143 Figura 81 - Resultado da simulao na mini-bacia 218 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40100000) na bacia Trs Marias. ..................................... 143 Figura 82 - Resultado da simulao na mini-bacia 234 (comparado ao posto fluviomtrico observado Reservat) na bacia Trs Marias. ....................................... 144 Figura 83 - Resultado da simulao na mini-bacia 158 (comparado ao posto fluviomtrico observado 40130000) na bacia Trs Marias. ..................................... 144

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LISTA D E QUADROS

Quadro 1 - Esquema de subdiviso da bacia hidrogrfica de estudo adotado no MGB-IPH. .................................................................................................................. 44 Quadro 2 Dados espaciais que devem ser gerados utilizando o SIG. ................... 50 Quadro 3 Dados hidrolgicos de entrada do modelo MGB-IPH. ............................ 52 Quadro 4 Parmetros fixos do modelo MGB-IPH. .................................................. 53 Quadro 5 Parmetros calibrveis do modelo MGB-IPH. ........................................ 53 Quadro 6 Postos fluviomtricos obtidos no sistema Hidroweb. .............................. 78 Quadro 7 Postos pluviomtricos obtidos no sistema Hidroweb. ............................. 81 Quadro 8 Postos Fluviomtricos escolhidos e Mini-Bacia a qual o mesmo corresponde. ............................................................................................................. 87 Quadro 9 Sumrio do arquivo de blocos (UHRs) gerado para a bacia Iju. A coluna da direita corresponde ao nome do bloco e a da esquerda apresenta uma breve descrio. .................................................................................................................. 91 Quadro 10 - Valores de Albedo adotados na bacia Iju. ............................................ 93 Quadro 11 - Valores de ndice de rea Foliar (IAF) adotados na bacia Iju. ............. 93 Quadro 12 - Valores da altura mdia das rvores adotados na bacia Iju. ................ 94 Quadro 13 - Valores de resistncia superficial em boas condies de umidade do solo adotados na bacia Iju. ....................................................................................... 94 Quadro 14 - Valores dos parmetros calibrveis adotados na simulao preliminar na bacia Iju. .............................................................................................................. 95 Quadro 15 - Valores dos parmetros calibrveis CS, CI e CB adotados na simulao preliminar da bacia Iju. ............................................................................................. 95 Quadro 16 - Descrio dos arquivos gerados via interface e utilizados para criar o projeto de simulao da bacia Iju. ............................................................................ 97 Quadro 17 - Valores finais de parmetros ajustados atravs do processo de calibrao manual. .................................................................................................. 103 Quadro 18- valores finais de CS, CB e CI ajustados atravs do processo de calibrao manual. .................................................................................................. 103 Quadro 19 - Novo conjunto de parmetros calibrveis do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica. ........................................................................ 110 Quadro 20 - Novo conjunto de CB, CI, CS do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica. ............................................................................................ 110 Quadro 21 Postos Fluviomtricos escolhidos e Mini-Bacia a qual o mesmo corresponde para a simulao da bacia Trs Marias. ............................................. 125 Quadro 22 Sumrio do arquivo de blocos gerado para a bacia Trs Marias. ...... 130 Quadro 23 - Valores de Albedo adotados para a bacia Trs Marias. ...................... 130 Quadro 24 - Valores de ndice de rea Foliar (IAF) adotados para a bacia Trs Marias. .................................................................................................................... 131 Quadro 25- Valores da altura mdia das rvores adotados para a bacia Trs Marias. ................................................................................................................................ 131 Quadro 26 - Valores da resistncia superficial em boas condies de umidade do solo adotados para a bacia Trs Marias. ................................................................ 131 Quadro 27 - Valores dos parmetros calibrveis adotados na simulao preliminar da bacia Trs Marias. .............................................................................................. 133 Quadro 28 - Valores dos de CB, CI e CS adotados na simulao preliminar da bacia Trs Marias. ............................................................................................................ 133

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Quadro 29 - Novo conjunto de parmetros calibrveis do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica para as sub-bacias 1 a 6, 12 e 13 da bacia Trs Marias. .................................................................................................................... 137 Quadro 30 - Novo conjunto de parmetros calibrveis do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica para as sub-bacias 1 a 6, 12 e 13 da bacia Trs Marias. .................................................................................................................... 138 Quadro 31 - Novo conjunto de parmetros calibrveis do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica para as sub-bacias 7 a 11 da bacia Trs Marias. ................................................................................................................................ 138 Quadro 32 - Novo conjunto de parmetros calibrveis do MGB-IPH, definidos no processo de calibrao automtica para as sub-bacias 7 a 11 da bacia Trs Marias. ................................................................................................................................ 138

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SUMRIO

CAPTULO 1: INTRODUO ............................................................................................... 21 1.1 CARACTERIZAO DO PROBLEMA E JUSTIFICATIVA ..................................... 21 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................... 24

1.2.1 Objetivo Geral ......................................................................................................... 24 1.2.2 Objetivos Especficos .............................................................................................. 24

1.3 ORGANIZAO DO TEXTO ...................................................................................... 24 CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................ 26

2.1 SISTEMAS DE INFORMAO GEOGRFICA (SIG) .............................................. 26 2.1.1 Introduo ................................................................................................................ 26 2.1.2 Programas de SIG .................................................................................................... 28

2.2. MODELOS HIDROLGICOS ......................................................................................... 30 2.2.1. Generalidades ......................................................................................................... 30 2.2.2 Integrao entre Modelos Hidrolgicos e SIG ........................................................ 32

CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS ............................................................................ 42 3.1 O MGB-IPH ................................................................................................................... 42

3.1.1. Introduo ............................................................................................................... 42 3.1.2 Dados de Entrada do Modelo MGB-IPH ................................................................ 49 3.1.3 Resultados Gerados Pelo Modelo ............................................................................ 54

3.2 O MAPWINDOW GIS .................................................................................................. 54 3.2.1 Programao de Plugins Dentro do Mapwindow GIS .......................................... 56

3.3 INTEGRAO E USO DE BASES DE DADOS BRASILEIRAS .............................. 58 3.4 A BIBLIOTECA ZEDGRAPH ...................................................................................... 60 3.5 ARCHYDRO TOOLS .................................................................................................... 61

CAPTULO 4: APLICAO DA INTEGRAO MGB-IPH E SISTEMAS DE INFORMAES GEOGRFICAS ........................................................................................ 63

4.1 APLICAO NA BACIA IJU ..................................................................................... 63 4.1.1 Informaes Preliminares ........................................................................................ 63 4.1.2 Extrao de Informaes Espacias e Discretizao da Bacia Hidrogrfica ............ 66 4.1.3 Simulao Usando MGB-IPH Interface MapWindow GIS ................................. 74

4.2 APLICAO NA BACIA TRS MARIAS ................................................................ 114 4.2.1 Informaes Preliminares ...................................................................................... 114 4.2.2 Extrao de Informaes Espacias e Discretizao da Bacia Hidrogrfica .......... 116 4.2.3 Simulao Usando MGB-IPH Interface Mapwindow ........................................... 120

CAPTULO 5: CONCLUSES ............................................................................................. 145 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................... 150

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ANEXOS ................................................................................................................................ 156 ANEXO A - Relao de postos fluviomtricos e grficos de disponibilidade temporal da bacia Trs Marias................................................................................................................ 157 ANEXO B - Relao de postos pluviomtricos e grficos de disponibilidade temporal da bacia Trs Marias................................................................................................................ 165

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CAPTULO 1: INTRODUO

1.1 CARACTERIZAO DO PROBLEMA E JUSTIFICATIVA A gua um recurso natural essencial, que representa, sobretudo, o principal

constituinte de todos os organismos vivos. Ela um recurso natural que est

relacionado com todos os aspectos da civilizao, sendo primordial para o

desenvolvimento agrcola, social e industrial.

Atravs dos sculos, os usos mltiplos excessivos e as retiradas permanentes

de gua para diversas finalidades tm diminudo consideravelmente a

disponibilidade de gua e produzido problemas de escassez em muitas regies e

pases. Alavancado pelo crescimento da populao mundial, o crescimento da

demanda de gua tende a se tornar um dos maiores problemas de escassez de

recursos naturais do prximo sculo.

Para solucionar este emergente problema, de como utilizar corretamente os

nossos recursos hdricos, exige-se uma soluo criteriosa, que possibilite uma

avaliao constante da disponibilidade de gua. Esta soluo pode ser encontrada

na utilizao de modelagem hidrolgica, capaz de representar matematicamente as

complexas interaes que ocorrem entre os diferentes compartimentos que

compem uma bacia hidrogrfica.

A modelagem de uma bacia hidrogrfica uma valiosa ferramenta para a

Engenharia Ambiental, que se constitui na aplicao de equaes matemticas para

a simulao dos processos hidrolgicos que ocorrem nas diferentes pores da

superfcie terrestre. A sua aplicao propicia a previso de disponibilidade hdrica,

avaliao de cenrios, como modificaes no uso do solo ou alteraes climticas, a

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previso de desastres, como cheias, e a otimizao da alocao de quantidades de

gua para os diferentes usos dos recursos hdricos.

A modelagem hidrolgica realizada atravs de modelos hidrolgicos, que

podem ser definidos como representaes matemticas dos processos fsicos que

ocorrem no planeta e geram informaes sobre o fluxo de gua, sua variao

temporal e outras caractersticas relacionadas ao escoamento.

Ainda, para a utilizao de modelos hidrolgicos, o uso de geoprocessamento

para a preparao dos dados espaciais de entrada extremamente til. A utilizao

de um Sistema de Informao Geogrfica (SIG) permite que se manipule adequadamente o grande volume de dados de entrada especializados para

descrio das caractersticas das bacias hidrogrficas.

neste contexto de desenvolvimento de solues para o gerenciamento de recursos hdricos e integrao de diferentes recursos na rea de Engenharia

Ambiental, que possibilitam a obteno, interpretao de informaes, e tomada de

deciso, que se insere o presente projeto de concluso de curso.

Este trabalho apresenta a concepo de uma ferramenta que possibilita a

anlise, avaliao e preparao de dados, espaciais e hidrolgicos, para a aplicao

do modelo hidrolgico MGBIPH (COLLISCHONN, 2001). Alm disto, a ferramenta foi desenvolvida acoplada a uma plataforma de SIG, promovendo a integrao entre

o modelo hidrolgico e a representao espacial de informaes.

Este acoplamento busca permitir que o modelo hidrolgico seja executado de maneira simplificada e que os seus resultados sejam acessados de forma intuitiva, visando o aperfeioamento da aplicabilidade do mesmo para o gerenciamento de

23

recursos hdricos. O sistema proposto foi desenvolvido acoplado plataforma de

SIG MapWindow GIS.

Nas pginas a seguir so descritos de forma detalhada os passos do

desenvolvimento da ferramenta integradora, assim como o embasamento terico

considerado e os materiais e mtodos utilizados.

24

1.2 OBJETIVOS

A seguir so apresentados os objetivos deste trabalho de concluso de curso.

1.2.1 Objetivo Geral

Na busca por solues que possibilitem uma avaliao acessvel e constante

do comportamento da gua em bacias hidrogrficas, o presente trabalho tem como

objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta, integrada a um sistema de informaes geogrficas, para o tratamento e avaliao de dados hidrolgicos e

espaciais, e execuo de modelagens hidrolgicas atravs do modelo MGB-IPH.

1.2.2 Objetivos Especficos

Tm-se o seguinte objetivo especfico:

1. Desenvolvimento de uma ferramenta que promova o acoplamento do

modelo MGB-IPH com a plataforma MapWindow GIS.

2. Desenvolvimento de ferramentas que permitam a avaliao, o tratamento

e a gerao dos dados de entrado para o modelo, dentro do ambiente SIG.

3. Desenvolvimento de ferramentas que permitam a anlise dos resultados

gerados pelo modelo, tambm dentro do ambiente SIG.

1.3 ORGANIZAO DO TEXTO

Para melhor organizao textual e acesso ao leitor, os prximos captulos

deste trabalho apresentam a seguinte estrutura:

Captulo 2 - Reviso bibliogrfica sobre o que um SIG, o que so modelos

hidrolgicos e a interao dos SIG com a rea de recursos hdricos.

25

Captulo 3 Descrio dos materiais e mtodos utilizados no

desenvolvimento deste trabalho. realizada a apresentao do programa MapWindow GIS, das bases de dados consideradas para a construo da

integrao, e apresentado o modelo hidrolgico MGB-IPH, incluindo os parmetros

necessrios para a sua utilizao e resultados gerados.

Captulo 4 So apresentados dois estudos de caso de aplicao do trabalho

desenvolvido, onde destacada a forma de funcionamento do mesmo e outras

informaes importantes.

Captulo 5 Concluses resultantes deste trabalho.

26

CAPTULO 2: REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 SISTEMAS DE INFORMAO GEOGRFICA (SIG)

2.1.1 Introduo

Geoprocessamento o conjunto de tecnologias e tcnicas empregadas na visualizao, manipulao, cruzamento, documentao, gerenciamento e

distribuio de dados e informaes geogrficas em formato digital. Para se realizar

o geoprocessamento so necessrios quatro elementos principais: dados

geogrficos, recursos humanos, equipamentos e programas computacionais (PINA & SANTOS, 2000).

Os sistemas computacionais utilizados para a realizao do

Geoprocessamento so chamados de Sistemas de Informao Geogrfica,

popularmente conhecidos como SIG. Os SIG permitem realizar anlises complexas

ao integrar informaes de diversas fontes com dados espacialmente referenciados

(DAVIS & CMARA, 1991).

Um SIG pode ser definido a partir de trs propriedades (MAGUIRRE ET. AL., 1991; SMITH ET. AL, 1987):

I. Capacidade de apresentao cartogrfica de informaes;

II. Uma base de dados e atributos integrada aos objetos espaciais; III. Mecanismos que possibilitam a combinao, manipulao, anlise espacial e

exportao dos dados.

27

Segundo Davis & Cmara (1991), uma plataforma SIG composta por subsistemas, que so: Interface com o usurio; entrada e integrao de dados;

funes de consulta e anlise espacial; visualizao; plotagem; e armazenamento

de dados. Estes subsistemas se inter-relacionam para suprir a necessidade dos

usurios, conforme demonstra a Figura 01, abaixo:

Figura 1 - Estrutura geral de um Sistema de Informaes Geogrficas.

Fonte: Davis e Cmara (1991).

A Figura 02, abaixo, apresenta o aspecto geral de um programa de SIG, que

geralmente constitudo por uma janela central de visualizao de mapas, um menu que possibilita alterar as propriedades das camadas de informao (no caso, esquerda) e uma srie de ferramentas acessadas pela interface.

28

Figura 2 Exemplo do aspecto geral de um programa de SIG, na imagem, o ArcGIS.

Pode-se dizer, de forma genrica, se onde importante para um projeto, ento um SIG a ferramenta de trabalho. Sempre que onde aparece dentre as

questes e problemas que precisam ser resolvidos, haver uma oportunidade para

considerar a adoo de um SIG. Este conceito, no contexto da Engenharia

Ambiental, simplifica a importncia da utilizao destes programas, uma vez que

onde sempre importante neste campo de trabalho.

2.1.2 Programas de SIG

Segundo AMES (2006), a indstria dos Sistemas Geogrficos de Informao largamente desenvolvida sobre uma coleo relativamente pequena de programas

comerciais. Porm, nos ltimos anos, os usurios de programas de SIG tm se

29

deparado com algumas opes de softwares livres, inclusive alguns que possuem o

cdigo aberto e permitem a criao de ferramentas dentro do prprio programa.

Portanto, existem vrias plataformas de geoprocessamento disponveis,

algumas pagas e outras livres. De uma maneira geral, constata-se que os

programas pagos possuem maior nmero de ferramentas e suportam operaes

mais pesadas, com dados de dimenses maiores.

Dentre os programas que exigem a compra de uma licena, os que merecem

mais destaque so o IDRISI e o ArcGIS. Este ltimo, desenvolvido pela

Environmental Systems Research Institute (ESRI), um dos programas mais utilizados atualmente, pois, alm do grande nmero de ferramentas, ele possui uma

arquitetura diferenciada, que facilita o trabalho.

Os programas livres normalmente so menos equipados ou no suportam

operaes com grande quantidade de dados, como os pagos. No entanto, o fato de

o nmero de funcionalidades deles ser reduzido faz com que geralmente esses

programas sejam mais simples de serem utilizados.

Ainda, existem empresas ou usurios individuais de programas de SIG que

desenvolvem aplicaes de geoprocessamento especficas, utilizando cdigos de

programao disponveis internamente nos softwares. Esta uma vantagem dos

programas de uso livre, uma vez que a distribuio de ferramentas personalizadas

em programas pagos no desejada. O alto custo das plataformas comerciais de SIG pode criar um problema, especialmente quando a ferramenta desenvolvida

intencionada para o uso individual ou por entidades que no possuem recursos

financeiros para adquirir programas comerciais (AMES, 2006).

30

Um exemplo desta constatao dado por Cirillo et al. (1997), que optou por implantar o sistema de informaes de recursos hdricos do estado de Pernambuco

sem a utilizao de produtos de SIG comerciais, para garantir uma democratizao

da base de dados e facilitar o seu acesso. Neste caso, foi criado um sistema prprio

denominado SIRH (Sistema de Informaes de Recursos Hdricos), desenvolvido em linguagem visual basic e sem a funcionalidade de um SIG. Santos e Zeilhofer (2005) salientam que esta soluo reduz a funcionalidade do sistema para a realizao de

anlises ou modelagens.

Dentre os programas de SIG livres disponveis, encontram se o SPRING

(desenvolvido no Brasil pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE), WhiteboxGAT (antigo Terrain Analysis System, TAS) e o MapWindow GIS, que apresentado de forma mais detalhado no Captulo 3 deste trabalho.

2.2. MODELOS HIDROLGICOS

2.2.1. Generalidades

Os modelos hidrolgicos so representaes matemticas do comportamento

dos sistemas hdricos. Destacam-se entre estes modelos os de transformao

chuva-vazo, que representam os processos de transformao da precipitao em

escoamento e a propagao deste escoamento em uma bacia hidrogrfica.

Modelos hidrolgicos do tipo chuva vazo podem ser classificados de acordo

com os conceitos fsicos considerados no seu desenvolvimento e com base na

abrangncia espacial (Tucci, 1998). Modelos hidrolgicos que procuram representar os processos hidrolgicos internos, alm da vazo de sada, so conhecidos como

modelos conceituais, ou de base fsica. Modelos hidrolgicos que representam

31

apenas as variveis de sada a partir das variveis de entrada, sem uma

preocupao em representar os processos internos do sistema, so conhecidos

como modelos empricos, ou de "caixa-preta".

Com relao variabilidade espacial, modelos que representam a

variabilidade espacial das variveis de entrada e das variveis de estado so

chamados de modelos distribudos. J os modelos que representam o sistema

hdrico ou a bacia hidrogrfica como uma entidade adimensional so chamados de

modelos concentrados.

Os modelos concentrados representam uniformemente a bacia hidrogrfica

estudada e geralmente utilizam equaes empricas ou conceituais para representar

o ciclo hidrolgico. Segundo Paiva (2009), a maior preocupao dos modelos concentrados a gerao correta do hidrograma de sada, sem compromisso com

os demais processos hidrolgicos intermedirios. A principal funo destes modelos

responder a questes prticas de engenharia, como o dimensionamento de

estruturas hidrulicas.

Com a melhora da capacidade computacional, avanos na rea de

geoprocessamento e o aumento da preocupao com os impactos de alteraes

ambientais sobre o ciclo hidrolgico, surgiram os modelos hidrolgicos semi-

distribudos e distribudos. Eles superam as limitaes dos modelos concentrados ao

representarem com maior exatido fsica os processos intermedirios do ciclo

hidrolgico como infiltrao, evapotranspirao e interceptao. Estes so

chamados de modelos hidrolgicos de base fsica (PAIVA, 2009).

Para a simulao do comportamento de uma bacia hidrogrfica, estes

modelos utilizam, ento, uma srie de equaes com dados de entrada complexos,

32

como uso do solo na regio estudada, precipitao ao longo do tempo, e outras

variveis climticas. Como resultados, so geradas informaes hidrolgicas ao

longo de vrios pontos da bacia hidrogrfica estudada, como vazo nos rios e

balanos de gua no solo.

2.2.2 Integrao entre Modelos Hidrolgicos e SIG

A maior limitao da utilizao de modelos hidrolgicos distribudos a

necessidade de manipulao de grande quantidade de dados relacionados

variabilidade espacial e temporal das caractersticas que descrevem a

heterogeneidade do comportamento hidrolgico (TUCCI, 1998; MACHADO, 2002; PAIVA, 2009).

Os SIG, com a sua capacidade de gerao de bancos de dados espaciais e

processamento das informaes, so a ferramenta que possibilita a eliminao da

dificuldade de obter-se uma descrio espacial detalhada da regio de estudo.

Dentre as variveis comumente utilizadas como dados de entrada em modelos

hidrolgicos que podem ser fornecidas pelos SIG pode-se citar tipo e uso do solo,

cobertura vegetal e distribuio de feies hidrolgicas (MELO ET. AL., 2008a).

Ainda, para a tomada de deciso e soluo de problemas relacionados aos

recursos hdricos, os SIG possibilitam a apresentao e interpretao visual de

informaes de entrada e sada dos modelos hidrolgicos. Isto permite uma

interao dinmica do usurio com os dados de entrada e com a rea de estudo,

facilitando alteraes e desenvolvimento de cenrios, e fornecendo uma viso mais

compreensvel da regio de interesse (MARTIN ET. AL., 2005; JOHNSON, 2009).

33

2.2.2.1 Histrico da integrao entre SIG e Modelos Hidrolgicos

Com suas razes histricas nas disciplinas de cartografia computacional e

processamento digital de imagens, os SIG so atualmente uma ferramenta

altamente difundida para a soluo de problemas que dependem de avaliaes

espaciais precisas e eficientes (MARTIN ET. AL., 2005; SUI & MAGGIO, 1999).

Apesar do seu uso abrangente, a tecnologia SIG no foi especificamente

desenvolvida para a modelagem de problemas de engenharia; inicialmente ela foi

desenvolvida como uma ferramenta para armazenamento, manipulao, anlise e

apresentao de dados geogrficos. Contudo, com o j citado contnuo declnio do custo das tecnologias computacionais e o concomitante aumento na velocidade dos

processadores, a tecnologia SIG foi disseminada entre os pesquisadores,

desenvolvedores e usurios de modelos (MARTIN ET. AL., 2005).

Tratando-se da rea de recursos hdricos, por volta das dcadas de 1970 e

1960, surgiram as primeiras idias de se integrar os SIG aos estudos hidrolgicos,

com o desenvolvimento de algumas aplicaes pouco integradas (MELO ET. AL., 2008). Os primeiros esforos do uso de SIG se concentraram paralelamente em duas reas: a aplicao da ferramenta para a obteno de parmetros de

entrada para os modelos hidrolgicos, e a utilizao do SIG como interface para

modelos de simulao (MARTIN ET. AL., 2005).

O primeiro modelo hidrolgico que se baseou em SIG para a obteno de

seus parmetros foi o Topmodel (BEVEN & KIRKBY, 1979). Ele um modelo que prediz a vazo em chuvas de curta durao baseado na topografia obtida atravs de

um MDE (Modelo Digital de Elevao).

34

Outro exemplo de modelo que utiliza SIG para a estimativa de seus dados de

entrada pode ser encontrado no trabalho de Moore et al. (1988), onde um SIG utilizado para prover atributos topogrficos para a modelagem hidrolgica e de

qualidade da gua em uma bacia hidrogrfica. Ou no trabalho de Olivierie et al.

(1991), que utilizou um software SIG para obter dados de entrada para um modelo de alteraes na qualidade da gua devido a fontes difusas de poluio.

Paralelamente, trabalhos que incluram o uso do SIG como uma interface

para a modelagem hidrolgica podem ser encontrados em projetos como o de Hession & Shanholtz (1988) e o de Tim et al. (1992), que tambm construram modelos de interferncias na qualidade da gua devido a fontes de poluio difusas.

De uma maneira geral, pode-se afirmar que a maior compreenso da

integrao entre a modelagem hidrolgica e os sistemas de informao geogrfica

comeou em meados da dcada de 1990 (MELO ET. AL., 2008b), onde pesquisadores como Berry & Sailor (1987) tentaram construir funes de geoprocessamento que representassem transformaes chuva-vazo. Na poca,

Petts (1995) classificou a integrao destas duas tecnologias como a mais moderna abordagem geogrfica em hidrologia.

Desde ento, muitos outros modelos tm sido desenvolvidos de alguma forma

integrada aos SIG, buscando no nica e necessariamente processar a modelagem

dentro do SIG, mas sim uma melhoria na estimativa dos parmetros dos modelos

conceituais, a parametrizao das unidades espaciais em modelos distribudos por

sub-bacias, a subdiviso automatizada da bacia em unidades hidrolgicas

semelhantes, a contextualizao espacial dos resultados e a simplificao da

aplicao do modelo (GOODCHILD ET AL., 1992; MOORE, 1996; FERRAZ ET AL.,

35

1999; ZEILHOFER ET AL, 2003; WHITEAKER & MAIDMENT, 2004; COELHO,

2006).

2.2.2.2 Formas de Integrao

Segundo Goodchild (1993) e Mizgalewics & Maidment (1996) apud Zeihofer et al. (2003), existem trs funes principais que so contribuies dos SIG modelagem hidrolgica:

i. Pr-processamento de dados espaciais: o SIG utilizado para gerar

informaes espaciais de entrada no modelo hidrolgico.

ii. Suporte direto na modelagem: tarefas so executadas diretamente dentro

do SIG, como ajustes e verificaes. iii. Ps-processamento: os resultados do modelo hidrolgico so trabalhados

e visualizados dentro do SIG no seu contexto espacial.

Para Tsou & Whittmore (2001), os SIG e os modelos hidrolgicos podem ser integrados de duas maneiras:

i. Integrao por meio de uma interface de transferncia de dados, onde o

modelo hidrolgico funciona desvinculado ao SIG, apenas utilizando os

seus produtos e/ou exportando resultados para dentro do SIG.

ii. Integrao das equaes do modelo ao software de Sistemas de

Informaes Geogrficas.

Nyerges (1991) sugere uma classificao mais rebuscada, onde existem trs nveis de acoplamento, com diferentes estratgias de integrao:

36

i. Acoplamento livre: O modelo funciona desvinculado ao SIG, que usado

apenas para pr, ps-processamento e visualizao de feies espaciais

e/ou resultados.

ii. Acoplamento prximo ou rgido: O modelo funciona junto ao SIG, com todas as funes de gerao, processamento e visualizao funcionando

atravs do SIG. Porm, a modelagem funciona de forma paralela, sendo o

SIG necessrio para que ela seja ativada (a interface do modelo o SIG). iii. Acoplamento Pleno: As equaes de modelagem hidrolgica so

programadas dentro do cdigo do prprio SIG, ou uma estrutura de SIG

programada dentro do prprio modelo hidrolgico. Esta forma de

acoplamento possui, portanto, duas subdivises.

Esta sugesto de classificao dada por Nyerges muito semelhante de

Tsou & Whittmore, com a adio da classificao por acoplamento prximo (ou rgido). Desta maneira, podemos considerar esta classificao como mais completa. A seguir, um breve relato sobre as vantagens e desvantagens de cada um dos

mtodos de acoplamento realizado.

Acoplamento livre ou solto

O acoplamento livre entre SIG e modelos hidrolgicos consiste na

transferncia de dados gerados atravs do SIG para serem utilizados como entrada

no modelo. Aps a simulao, os dados de sada tipicamente so transferidos para o

SIG novamente para a apresentao dos resultados e realizao de anlises

espaciais.

37

Este tipo de acoplamento largamente adotado por pesquisadores devido ao

desenvolvimento relativamente fcil (programao computacional mnima). Outra vantagem desta abordagem que programaes redundantes podem ser evitadas.

No entanto a converso de dados entre os diferentes programas pode ser lenta e

propensa a erros, e o acoplamento limitado pela dependncia do SIG e do modelo

a formatos especficos de dados (SUI & MAGGIO, 1999).

Esta abordagem raramente permite aos usurios utilizar completamente as

capacidades funcionais do SIG (i.. ferramentas de anlise espacial), j que o SIG utilizado majoritariamente como uma ferramenta de visualizao (MARTIN, 2005). A Figura 03, abaixo, esquematiza o acoplamento solto.

Figura 3 Acoplamento Solto entre SIG e Modelos Hidrolgicos. (Fonte: Adaptada de Sui & Maggio, 1999 apud Pereir Pessoa, 2010)

Acoplamento prximo ou rgido

No acoplamento prximo ou rgido (tambm conhecido como combinado), ao invs de transferncias externas de arquivos os dados so trocados

automaticamente entre o modelo hidrolgico e o software SIG. Neste caso, a

apresentao dos resultados do modelo configurada como uma ferramenta

interativa do SIG, e a preparao de dados de entrada e ativao do modelo

tambm feita atravs da interface do software (NYERGES, 1991; BURROUGH, 1990).

SIG

Modelos Hidrolgicos

Ferramentas Estatisticas

38

Esta abordagem aperfeioa o desempenho computacional e a interao entre

os dois programas, traduzindo tudo para um ambiente de modelagem mais

complexo (MARTIN, 2005). A Figura 04, abaixo, apresenta o acoplamento rgido de forma esquemtica.

Figura 4 - Acoplamento prximo entre SIG e Modelos Hidrolgicos. (Fonte: Adaptada de Sui & Maggio, 1999 apud Pereir Pessoa, 2010).

Acoplamento pleno

O acoplamento pleno a mais sofisticada forma de integrao entre SIG e

modelos hidrolgicos. Ele baseado na incorporao dos componentes funcionais

de um sistema no outro, eliminando a necessidade de transferncias intermedirias

entre os softwares (LIAO & TIM, 1997).

O acoplamento pode consistir tanto na incorporao do SIG ao modelo

hidrolgico, como do modelo hidrolgico ao SIG. As Figuras 05 e 06, a seguir,

esquematizam estas duas formas de trabalho.

Modelos Hidrolgicos

SIG

Ferramentas Estatsticas

39

Figura 5 - SIG embutido em Modelos Hidrolgicos. (Fonte: Adaptada de Sui & Maggio, 1999 apud Pereir Pessoa, 2010)

Figura 6 - Modelos Hidrolgicos embutidos em SIG. (Fonte: Adaptada de Sui & Maggio, 1999 apud Pereir Pessoa, 2010)

O grande inconveniente do primeiro enfoque (Figura 05) que as funcionalidades de gerenciamento de dados e visualizao dos softwares de

modelagem hidrolgica no so em absoluto comparveis com os as capacidades

disponveis nos pacotes de softwares de SIG comerciais, alm dos esforos de

programao tenderem a ser intensos e muitas vezes redundantes (SUI & MAGGIO, 1999).

No segundo caso, ilustrado na Figura 06, o modelo hidrolgico opera

internamente ao software SIG, aproveitando as funcionalidades do mesmo para

sobreposio de camadas de informao e gerenciamento espacial de variveis.

Devido relativa complexidade envolvida no desenvolvimento destes sistemas,

poucas tentativas desta forma de acoplamento podem ser encontradas na literatura.

Comumente, os sistemas plenamente integrados utilizam equacionamentos

simplificados e possuem funcionalidades limitadas em relao a operaes como

calibrao automtica (LIAO & TIM, 1997; SUI & MAGGIO, 1999; MARTIN, 2005).

SIG

Modelos Hidrolgicos

Modelos Hidrolgicos

SIG

40

2.2.2.3 SIG e Modelos Hidrolgicos Atualmente

Atualmente, existe uma srie de casos de sucesso de modelos hidrolgicos

que funcionam em diferentes nveis de acoplamento aos Sistemas de Informao

Geogrfica.

Um exemplo clssico de acoplamento livre o modelo QUAL2E (USEPA, 1995), que utiliza como dados de entrada informaes de um pr-processador espacial que prepara dados advindos de um SIG para a utilizao na modelagem de

qualidade da gua.

Outro exemplo de acoplamento livre o pr-processador HEC-PREPRO,

desenvolvido pelo corpo de engenheiros do exrcito dos Estados Unidos da Amrica

(US Army Corps of Engineers USACE, 2003), que prepara dados advindos do ARCVIEW (ESRI) para a utilizao do modelo HMS.

Como exemplo de integrao plena, o modelo de vazo e transporte de

sedimento desenvolvido por De Ro (1998) na plataforma PC Raster pode ser citado. Ainda, os modelos SWAT (ARNOLD ET. AL., 1998) e BASINS (USEPA, 1998), funcionam em um acoplamento rgido a plataformas de SIG.

De uma forma geral pode-ser dizer que o acoplamento livre de SIG aos

modelos hidrolgicos no restringe a resoluo ou a capacidade de processamento

espacial dos dados de entrada do modelo como acontece quando se tem um

acoplamento rgido ou pleno, uma vez que estes ltimos tm sua qualidade

diretamente proporcional s funcionalidades do SIG a que ele est vinculado.

Da mesma forma, nos acoplamentos plenos ou rgidos a proximidade lgica e

fsica entre os subsistemas mxima e o funcionamento das tarefas funcionais do

41

modelo so otimizadas, bem como a sua utilizao facilitada pela apresentao

visual dos dados.

Contudo, consenso que nos padres atuais de modelagem hidrolgica

impossvel a utilizao de um modelo distribudo sem que exista algum tipo de

acoplamento a uma plataforma de SIG que possibilite uma descrio espacial

detalhada da regio de estudo.

42

CAPTULO 3: MATERIAIS E MTODOS

A metodologia de integrao de modelos hidrolgicos e SIG adotada neste

trabalho consistiu na integrao do modelo hidrolgico de grandes bacias MGB-IPH

(COLLISCHONN & TUCCI, 2001) com um software livre de SIG, denominado MapWindow GIS.

Foi desenvolvido um acoplamento do tipo prximo (ou rgido), descrito por Nyerges (item 2.2.2.2 deste trabalho), em que os programas computacionais do modelo hidrolgico e do SIG rodam de forma independente e so integrados atravs

da troca interna de informaes por arquivos. Alm disto, a execuo do modelo

hidrolgico realizada via interface desenvolvida dentro do SIG.

Esta forma de integrao foi adotada para que as atividades de integrao

com o SIG no prejudicassem o desenvolvimento do prprio modelo hidrolgico, que pode ser aplicado independentemente do SIG.

A seguir, so apresentados os materiais utilizados na construo desta

integrao.

3.1 O MGB-IPH

3.1.1. Introduo

O Modelo Hidrolgico de Grandes Bacias, MGB-IPH, foi desenvolvido para

simular o processo de transformao da chuva em vazo em grandes bacias

hidrogrficas (COLLISCHONN et al, 2007). O modelo foi baseado nos modelos LARSIM (Ludwig et al., 2006) e VIC (LIANG ET AL., 1994), com algumas

43

modificaes nos mdulos de evapotranspirao, percolao e propagao de

vazes.

A verso original do modelo adotava uma subdiviso da bacia hidrogrfica em

elementos regulares (clulas quadradas), de cerca de 10 x 10 km. Atualmente, adotada no MGB-IPH uma discretizao da bacia em unidades irregulares, definidas

a partir de dados do relevo de um Modelo Digital de Elevao (MDE), e denominadas mini-bacias. A Figura 07, abaixo, apresenta um exemplo da diviso de

uma bacia hidrogrfica em Mini-Bacias.

Figura 7 Diviso em mini-bacias da bacia dos rios Almas e Maranho.

Esta etapa de diviso da rea de estudo em unidades menores, denominada

discretizao da bacia hidrogrfica, uma fase fundamental da aplicao de um

modelo hidrolgico distribudo. Existem vrios mtodos de discretizao de bacias,

44

que podem subdividir a rea em unidades regulares (como quadrados e retngulos) ou unidades irregulares (tipicamente bacias menores) (PAZ ET AL., 2011).

Esta subdiviso da bacia em mini-bacias, adotada nas verses mais

recentes do modelo MGB-IPH proveniente da aplicao das ferramentas

disponibilizadas pelo pacote ArcHydro Tools (MAIDMENT, 2002; ESRI, 2007; PAIVA, 2009; FAN ET AL., 2010).

No modelo MGB-IPH, tambm, a bacia hidrogrfica pode ser subdividida em

sub-bacias, que so macro reas de drenagem que abrangem vrias mini-bacias e

compem a bacia hidrogrfica estudada. Esta subdiviso opcional pode ser utilizada

para facilitar a calibrao do modelo hidrolgico. O Quadro 1 apresenta um sumrio

do esquema de subdiviso de bacia hidrogrfica que adotado no MGB-IPH.

Quadro 1 - Esquema de subdiviso da bacia hidrogrfica de estudo adotado no MGB-IPH.

Unidade Descrio

Bacia Hidrogrfica Regio hidrogrfica de estudo simulada pelo modelo.

Sub-bacia Hidrogrfica Subdiviso da bacia hidrogrfica de estudo em grandes reas

de drenagem.

Mini-bacia Hidrogrfica Subdiviso das sub-bacias hidrogrficas em pequenas regies.

So formadas pela rea de drenagem de cada trecho da hidrografia.

Trecho da hidrografia Trecho da feio que representa a hidrografia compreendido

entre duas confluncias ou entre uma confluncia e uma nascente.

Ainda, para a simulao hidrolgica, as mini-bacias que compem a bacia

hidrogrfica so subdivididas em Unidades de Resposta Hidrolgicas (URH ou HRU Hydrological Response Unit), que so reas de comportamento hidrolgico similar. Considera-se que o comportamento hidrolgico das URHs possa ser explicado por

caractersticas fsicas relacionadas aos solos (e.g. capacidade de armazenamento

45

dgua, profundidade, porosidade, condutividade hidrulica) e a cobertura vegetal (e.g. ndice de rea foliar, interceptao, profundidade das razes, albedo).

Desta forma, as URHs so geralmente definidas atravs da superposio de

dois mapas distintos de uma mesma regio: 1) mapa de tipos de solo; 2) mapa de uso da terra e vegetao, ou mapa de "uso do solo". Porm, adicionalmente podem

ser considerados outros tipos de informao, como, por exemplo, a topografia e a

litologia local. Estas informaes so derivadas a partir de imagens de satlite ou de

mapas digitalizados.

A Figura 08, abaixo, retirada de Paiva (2009), representa o esquema de construo das URHs (tambm chamadas informalmente de blocos). A Figura 09 apresenta um exemplo de URHs geradas para a bacia dos rios Almas-Maranho.

Figura 8 Representao esquemtica do procedimento de gerao das HRUs. (Fonte: Paiva, 2009).

46

Figura 9 Exemplo de URHs geradas para a bacia dos rios Almas e Maranho para a aplicao do modelo MGB-IPH.

O nmero de URHs definidas para uma bacia hidrogrfica depende da

quantidade de classes de tipos e usos de solo existentes. Existindo, por exemplo,

quatro tipos de solos e cinco classes de vegetao e usos da terra, a sobreposio

destes dois mapas levaria a um nmero potencial de (4x5) 20 URHs. Entretanto, algumas destas combinaes simplesmente no ocorrem, seja por acaso ou porque certos tipos de vegetao ou uso da terra so incompatveis com certos tipos de

solos.

De qualquer forma, a definio das URHs subjetiva, deve ser criteriosa e realizada com parcimnia, pois quanto mais classes forem definidas, mais difcil ser

o processo de calibrao e verificao do modelo por causa do grande nmero de

graus de liberdade associado variao dos valores dos parmetros. Alm disso,

47

no necessariamente h grande benefcio no uso de um maior numero de URHs em

termos de melhoria da representao dos hidrogramas.

Portanto, a etapa de construo das URHs uma das mais tcnicas e

importantes na aplicao do MGB-IPH, exigindo conhecimentos especficos sobre

variveis ambientais que compem os diferentes compartimentos de uma bacia

hidrogrfica (FAN ET AL., 2010c).

Em termos de representao matemtica, para simular o processo vertical de

evapotranspirao em cada mini-bacia o modelo utiliza o mtodo de Penman

Monteith. A interceptao, ou reteno da gua da chuva pela vegetao,

simulada atravs de um reservatrio de volume dependente da cobertura vegetal.

A gerao de escoamento baseada em um balano de gua no solo, onde o

escoamento superficial gerado por excesso de capacidade de armazenamento,

com uma relao probabilstica entre a umidade do solo e a frao de rea do solo

saturada (onde a infiltrao nula).

O modelo tambm simula os processos que ocorrem em subsuperfcie, de

escoamento subterrneo, percolao ao aqfero e fluxo de gua do aqfero para a

zona no saturada em uma situao de stress hdrico. Todos atravs de relaes

com o volume de gua no solo.

O processo horizontal de propagao da gua na superfcie e no aqfero at

a rede de drenagem representado pela propagao da gua atravs de

reservatrios lineares. A propagao de vazes nos trechos de rio realizada

utilizando o mtodo de Muskingum-Cunge linear.

48

Collischonn (2006) destaca que o modelo MGB-IPH j foi aplicado com sucesso em vrias bacias brasileiras com diferentes caractersticas. A Figura 10

mostra algumas das bacias em que o modelo j foi aplicado:

Figura 10 - Bacias sul-americanas em que o modelo MGB-IPH foi aplicado com sucesso. Fonte: Collischonn (2006).

Informaes mais detalhadas sobre as equaes utilizadas pelo modelo

podem ser obtidas em Collischonn (2001), Collischonn & Tucci (2001) e Paiva (2009).

49

3.1.2 Dados de Entrada do Modelo MGB-IPH

3.1.2.1 Dados Espaciais

O modelo MGB-IPH necessita da aplicao de geoprocessamento para a

preparao dos seus dados de entrada com informaes espaciais, como a

discretizao em mini-bacias da bacia hidrogrfica modelada e definio das

Unidades de Resposta Hidrolgica (URHs).

Conforme citado, atualmente o modelo utiliza um esquema de discretizao

da bacia hidrogrfica resultante da aplicao das ferramentas do pacote ArcHydro

Tools (esta ferramenta tratada de forma mais aprofundada em captulo subseqente).

Com o programa de SIG, aps uma seqncia de processamentos, so

gerados vrios arquivos com informaes da bacia desejada e que so importantes na aplicao do MGB-IPH. O Quadro 02, a seguir, apresenta um resumo das

informaes que devem ser geradas com o SIG para utilizao no modelo

hidrolgico.

50

Quadro 2 Dados espaciais que devem ser gerados utilizando o SIG.

Informao Descrio

Modelo Digital de Elevao Topografia digital da bacia em clulas quadradas. Comumente

utiliza-se a disponibilizada pela Shuttle Radar Topography Mission (SRTM).

Direes de Fluxo Arquivo em que cada clula quadrada tem um cdigo que indica a direo em que a gua escoa naquele local.

rea Acumulada Arquivo em que o valor de cada clula que compe a bacia corresponde ao nmero de clulas localizadas a montante.

Rede de Drenagem Mapa com a rede de drenagem representada por clulas quadradas.

Mini-bacias Bacia hidrogrfica de cada trecho de rio.

Sub-bacias Unidades maiores do que as mini-bacias e menores do que a

bacia, teis dentro do MGB-IPH para a definio de valores de parmetros e para os procedimentos de calibrao.

Unidades de Resposta Hidrolgica

Unidades de Resposta Hidrolgica, definidas atravs do cruzamento de informaes de uso do solo, solo e geologia.

51

3.1.2.2 Dados Hidrolgicos, Climatolgicos e Parmetros

Para o uso do MGB-IPH, dados como informaes fluviomtricas e

pluviomtricas da bacia hidrogrfica simulada devem ser obtidos externamente,

processados, e ento utilizados como entrada no modelo. Outras informaes

hidrolgicas devem simplesmente ser preparadas pelo usurio do modelo.

At o momento do desenvolvimento do presente trabalho, todas estas

informaes eram geradas de forma manual pelo usurio, onde cada arquivo possui

formatos especficos (e variados conforme a bacia hidrogrfica simulada) e no existiam ferramentas de apoio aos usurios para a preparao destas. Alm disto,

para gerar estas necessria uma interao com informaes espaciais da bacia

simulada, como a localizao dos postos fluviomtricos, pluviomtricos e

meteorolgicos.

O Quadro 03, seguinte, descreve sucintamente os dados hidrolgicos,

climatolgicos e parmetros de entrada do modelo MGB-IPH e opes de como

alguns deles podem ser obtidos.

52

Quadro 3 Dados hidrolgicos de entrada do modelo MGB-IPH.

Informao Descrio

Dados de Chuva

Precipitao diria em pontos da bacia hidrogrfica em milmetros de chuva. Pode ser obtida atravs de

dados de pluvimetros, como os disponibilizados pela ANA no sistema Hidroweb (http://hidroweb.ana.gov.br/).

Dados de Vazo

Informaes dirias de vazo provindas de estaes fluviomtricas na bacia hidrogrfica. Tambm podem

ser obtidas atravs do sistema Hidroweb (http://hidroweb.ana.gov.br/).

Dados de Clima

Mdias climticas mensais dos parmetros Temperatura, Vento, Umidade Relativa, Insolao e

Presso da regio de estudo. Adicionalmente, podem ser utilizados dados dirios. Exemplos de

locais onde os dados podem ser encontrados so a pgina do INMET, o sistema Hidroweb ou atravs de

informaes de satlite.

Parmetros Fixos

Parmetros fixos das URHs. Os parmetros fixos so aqueles cujos valores podem ser medidos, ou que podem ser relacionados vegetao, e no so alterados no processo de calibrao do modelo..

Parmetros Calibrveis

Parmetros calibrveis, que podem estar associados as URHs, ou diretamente s mini-bacias. Os

parmetros calibrveis so alterados durante a calibrao do modelo, buscando um bom ajuste

entre os dados de vazo observados e calculados.

Os Quadros 04 e 05, a seguir, apresentam em maior detalhe os parmetros

fixos e calibrveis que devem ser dados pelo usurio como entrada do modelo MGB-

IPH.

53

Quadro 4 Parmetros fixos do modelo MGB-IPH.

Parmetro Fixo Descrio

ndice de rea Foliar (IAF) O IAF expressa a relao entre a rea das folhas de todas as plantas e da rea de uma parcela de solo. um parmetro adimensional (m2.m-2) e que, em geral, pode ser medido ou estimado a partir de informaes

na bibliografia.

Albedo O albedo a parcela da radiao solar que

refletida ao atingir a superfcie do solo, considerando sua cobertura vegetal.

Resistncia Superficial

A resistncia superficial representa a resistncia ao fluxo de umidade do solo, atravs das plantas, at a

atmosfera. Esta resistncia diferente para os diversos tipos de plantas e depende de variveis

ambientais como a umidade do solo, a temperatura do ar e a radiao recebida pela planta.

Altura do Dossel

A altura mdia da vegetao utilizada no modelo hidrolgico para estimar a resistncia aerodinmica, que atua no controle da evapotranspirao. Quanto maior a resistncia aerodinmica, , menor o fluxo de evapotranspirao. A resistncia aerodinmica

considerada menor em florestas, onde a altura mdia da vegetao maior e intensifica a turbulncia do

vento.

Quadro 5 Parmetros calibrveis do modelo MGB-IPH.

Parmetro Calibrvel Descrio Capacidade de

Armazenamento do Solo (Wm)

Capacidade de armazenamento de gua no solo.

Forma da relao entre armazenamento e

saturao (b)

Parmetro emprico relacionado que define a variabilidade da capacidade de armazenamento do solo em torno de Wm. Atua principalmente na forma

dos picos dos hidrogramas calculados. Vazo durante a estiagem

(Kbas) Parmetro que controla a vazo durante a estiagem. Valores mais altos implicam em maior escoamento

subterrneo. Quantidade de gua que escoa subsuperficialmente

(Kint) Parmetro controla a quantidade de gua da camada

de solo que escoa subsuperficialmente. Forma da curva de reduo da drenagem intermediria

(XL) Controla a forma da curva de reduo da drenagem

intermediria ou sub-superficial do solo. Fluxo do reservatrio

subterrneo para a camada superficial (CAP)

Controla a possibilidade de retorno de gua subterrnea para a camada de solo.

54

Parmetro Calibrvel Descrio Armazenamento Residual

(Wc) Limita o armazenamento residual e subterrneo. Calibrao da propagao

superficial (CI) Parmetro para calibrao da propagao superficial

nas mini bacias. Calibrao da propagao

sub-superficial (CS) Parmetro para calibrao da propagao

subterrnea nas mini bacias. Retardo do reservatrio

subterrneo (CB) Parmetro que representa o retardo do reservatrio

subterrneo.

Vazo de Base (QB) Parmetro que representa o fluxo de base da bacia hidrogrfica.

3.1.3 Resultados Gerados Pelo Modelo

Como um modelo-chuva vazo convencional, o principal resultado gerado

pelo MGB-IPH a quantidade de gua que passa ao longo do tempo nos exutrios

das mini-bacias que compem a rea simulada. Contudo, outras informaes sobre

a regio estudada tambm so geradas, como o balano de gua no solo,

evapotranspirao diria e precipitao diria em cada mini-bacia.

3.2 O MAPWINDOW GIS

A plataforma MapWindow GIS (AMES, 2006; AMES ET AL, 2008) um programa livre que contm um grande nmero de funcionalidades apresentadas de

forma simples, que geralmente so suficientes para satisfazer as necessidades

bsicas de um usurio de SIG. Nele, todas as ferramentas fundamentais de

visualizao e acoplamento com bases de dados, que caracterizam um SIG, esto

presentes. A Figura 11, abaixo, apresenta a janela principal de trabalho no MapWindow GIS:

55

Figura 11 rea principal de trabalho do software MapWindow GIS.

Contudo, o maior aspecto do MapWindow GIS que ele no limitado

puramente s funcionalidades bsicas disponveis, pois ele permite que interfaces

personalizadas sejam adicionadas ao programa atravs de plugins programados em diferentes linguagens de programao (AMES, 2006; AMES ET AL, 2008).

No MapWindow GIS possvel, portanto, o desenvolvimento de aplicaes

integradas, onde o usurio no necessita se preocupar com detalhes de

armazenamento interno ou de implementao de rotinas de SIG, e sim customizar

aplicaes tendo disponvel todas as funcionalidades do software, por exemplo as

ferramentas de visualizao, como zoom e pan, e as ferramentas de edio de

legendas e alterao da simbologia.

56

Esta capacidade da plataforma SIG foi utilizada para o desenvolvimento deste

trabalho, onde foi construda a integrao entre o modelo hidrolgico MGB-IPH e o

MapWindow GIS. A seguir, so dados maiores detalhes de como esta tarefa foi

concretizada.

3.2.1 Programao de Plugins Dentro do Mapwindow GIS

Um plugin pode ser definido como uma funcionalidade pr-programada que

utilizada para adicionar funes, ou ferramentas, ao programa no qual ele

instalado. No caso do MapWindow GIS, os plugins consistem em programas

compilados como bibliotecas de vnculo dinmico, ou Dynamic-link library (DLL), que so programados em linguagem Visual Basic .NET ou C#, e so adicionados ao

programa atravs de um procedimento simples de instalao (AMES, 2006). A Figura 12 apresenta o menu de habilitao de plugins do software MapWindow

GIS.

57

Figura 12 Menu de habilitao de plugins do software MapWindow GIS.

Os plugins adicionados ao software de SIG desta forma podem interagir com

as propriedades, funes, e objetos geogrficos do MapWindow GIS, permitindo que funes de geoprocessamento sejam programadas de maneira dinmica.

Desta forma, a integrao desenvolvida entre o MGB-IPH e o software de SIG

realizada atravs da programao de um plugin com as ferramentas necessrias

para a aplicao, alm de outras auxiliares, do modelo hidrolgico. A linguagem de

programao utilizada foi a Visual Basic .NET.

58

3.3 INTEGRAO E USO DE BASES DE DADOS BRASILEIRAS

No Brasil a Agncia Nacional de guas (ANA) - autarquia federal, vinculada ao Ministrio do Meio Ambiente o principal setor pblico a nvel nacional

responsvel pela gesto e implantao da Poltica Nacional de Recursos Hdricos

(lei n 9.433/97, tambm conhecida como lei das guas).

A Agncia Nacional de guas tem como misso implementar e coordenar a gesto compartilhada e integrada dos recursos hdricos e regular o acesso a gua,

promovendo o seu uso sustentvel em benefcio da atual e das futuras geraes,

alm de outras definies estratgicas centrais (ANA, 2011).

Como uma de suas atividades e visando cumprir seus objetivos, a ANA realiza o monitoramento hidrometeorolgico no Brasil operando aproximadamente

4.543 estaes de monitoramento das 14.822 existentes em todo o pas (nmeros que tem crescido nos ltimos anos). Nestas estaes so mesuradas informaes hidrolgicas como volume de chuvas, evaporao da gua, nvel e a vazo dos rios,

quantidade de sedimentos e qualidade das guas, em estaes respectivamente

nomeadas: pluviomtricas, evaporimtricas, fluviomtricas, sedimentomtricas e de

qualidade da gua (ANA, 2011).

As informaes oriundas do monitoramento realizado pela ANA so

disponibilizadas para o pblico atravs do Sistema de Informaes Hidrolgicas

HidroWeb e do Sistema Nacional de Informaes sobre Recursos Hdricos - SNIRH

O sistema HidroWeb (Figura 13) um portal online que oferece um banco de dados com todas as informaes coletadas pela rede hidrometeorolgica operada

pela ANA. Trata-se de uma importante ferramenta para a sociedade, pois os dados

59

coletados pelas estaes de monitoramento so utilizados para produzir estudos,

definir polticas pblicas e avaliar a disponibilidade hdrica (ANA, 2011).

Figura 13 Pgina principal do portal HidroWeb.

Alm das informaes oriundos da rede de monitoramento da ANA, o portal

HidroWeb tambm disponibiliza dados de outras fontes, como informaes de

monitoramentos de variveis climticas feitos pelo INMET. Todos os dados

disponibilizados pelo sistema so arquivos com valores dirios das variveis

monitoradas, em formato texto (.txt) ou Access (.mdb).

O portal HidroWeb pode ser considerado uma das principais fontes de dados

hidrolgicos sobre os recursos hdricos brasileiros e est disponvel para qualquer

pessoa interessada.

Por este motivo, a ferramenta desenvolvida, e apresentada neste trabalho, foi

concebida para funcionar de forma integrada aos dados disponibilizados pelo portal,

fazendo a leitura dos mesmos no formato em que so disponibilizados e possuindo

uma base de dados interna com a informao da localizao de todas as estaes

de monitoramento da ANA.

3.4 A BIBLIOTECA ZEDGRAPH

O ZedGraph um plugin

C#. Ele uma biblioteca de classes que permite a elaborao de grficos de linha

2D, grficos de barra e grficos de pizza.

em uma pgina e permite u

alm de possuir vrias opes e padres de personalizao (2005).

O ZedGraph pode ser utilizad

em linguagens de programao

de classes fica contida em uma nico arquivo com extenso DLL

ao programa. A Figura 14

ZedGraph desta forma.

Figura 14

uma base de dados interna com a informao da localizao de todas as estaes

de monitoramento da ANA.

ZEDGRAPH

um plugin, de uso livre, escrito em linguagem de pro

uma biblioteca de classes que permite a elaborao de grficos de linha

2D, grficos de barra e grficos de pizza. Ele pode lidar com vrios objetos grficos em uma pgina e permite uma sobreposio de objetos com uma imagens de fundo, alm de possuir vrias opes e padres de personalizao (

O ZedGraph pode ser utilizado em programas de computador desenvolvidos

em linguagens de programao VB .NET, onde toda a funcionalidade da biblioteca

de classes fica contida em uma nico arquivo com extenso DLL

programa. A Figura 14, abaixo, apresenta um exemplo de grfico gerado com o

14 Exemplo de grfico gerado utilizando o ZedGraph.

60

uma base de dados interna com a informao da localizao de todas as estaes

em linguagem de programao

uma biblioteca de classes que permite a elaborao de grficos de linhas

Ele pode lidar com vrios objetos grficos ma sobreposio de objetos com uma imagens de fundo,

alm de possuir vrias opes e padres de personalizao (STEINER ET AL.,

em programas de computador desenvolvidos

funcionalidade da biblioteca

de classes fica contida em uma nico arquivo com extenso DLL, que adicionado

, abaixo, apresenta um exemplo de grfico gerado com o

Exemplo de grfico gerado utilizando o ZedGraph.

61

No caso deste trabalho, o ZedGraph foi utilizado na ferramenta desenvolvida

para adicionar a funcionalidade de gerao de grficos de curvas de permanncia e

hidrogramas. Com o ZedGraph, possvel realizar comparaes visuais dos grficos

de vazes calculados pelo modelo hidrolgico e os dados reais.

3.5 ARCHYDRO TOOLS

O ArcHydro Tools um conjunto de ferramentas desenvolvido pela Universidade do Texas em parceria com a empresa ESRI (Environmental Systems Research Institute) para facilitar a integrao de modelos hidrolgicos e SIG (MAIDMENT, 2002; ESRI, 2007). O ArcHydro foi desenvolvido como uma ferramenta que opera internamente ao programa de SIG ArcGIS para extrair

informaes a partir de Modelos Digitais de Elevao (MDE).

Atravs do ArcHydro possvel extrair informaes para a modelagem de

um sistema de bacias, como a delimitao das reas de drenagem, declividades,

traado dos cursos dgua, diviso em unidades de bacia menores, entre outras.

Alm de representar os elementos da rede de drenagem, o pacote de ferramentas

tem a capacidade de organiz-los de acordo com suas prprias caractersticas

topolgicas e identificar propriedades como os elementos de montante e jusante que compem a mesma.

Conforme descrito anteriormente, a atual verso do MGB-IPH adota toda a

estrutura de diviso da bacia hidrogrfica em mini-bacias advinda da aplicao das

ferramentas disponibilizadas pelo pacote ArcHydro Tools (PAIVA, 2009; FAN ET AL., 2010).

62

Desta forma, o presente trabalha no tem por objetivo alterar esta estrutura funcional e j bem estabelecida de aplicao do modelo, e o desenvolvimento aqui apresentado ir considerar a permanncia da utilizao do ArcHydro Tools para a

preparao dos dados de entrada espaciais do MGB-IPH. O acoplamento com SIG

aqui proposto diz respeito a todas as demais etapas de utilizao do modelo.

Todavia, para o uso dos dados preparados com a utilizao do ArcHydro

Tools, se faz necessria a aplicao de um pr-processador, que rene todas as

informaes contidas nos dados espaciais e gera um arquivo sintetizado de entrada

para o modelo MGB-IPH. Este pr-processador um software especialmente

desenvolvido e denominado PrePro_MGB e, como parte deste trabalho, foi

desenvolvida uma interface para a utilizao do mesmo.

O arquivo gerado pelo PrePro_MGB (denominado por conveno de mini.mgb) rene todas as informaes espaciais necessrias para a realizao de uma simulao com o MGB-IPH e possui formato especfico de entrada para o

modelo.

63

CAPTULO 4: APLICAO DA INTEGRAO MGB-IPH E SISTEMAS DE INFORMAES GEOGRFICAS

Com o objetivo de testar as ferramentas de integrao do modelo MGB-IPH com o SIG MapWindow GIS, foram realizados dois estudos de caso neste trabalho.

A primeira aplicao foi realizada na bacia do rio Iju, no RS, e a segunda aplicao foi realizada na bacia do rio So Francisco, at a confluncia deste com o rio das

Velhas (bacia Trs Marias), no Estado de Minas Gerais.

4.1 APLICAO NA BACIA IJU

A seguir, apresentada a aplicao do modelo MGB-IPH atravs do

acoplamento com SIG desenvolvido neste trabalho para a bacia do rio Iju, afluente do rio Uruguai, inteiramente localizada no Rio Grande do Sul.

A ferramenta de integrao desenvolvida apresentada simultaneamente ao

desenvolvimento do estudo de caso, onde suas funcionalidades so comentadas e

demonstradas.

4.1.1 Informaes Preliminares

A Bacia Hidrogrfica do rio Iju situa-se a norte-noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, entre as coordenadas geogrficas 28 00' a 29 05' de latitude Sul e

53 11' a 55 21' de longitude Oeste. Ela est situ ada na abrangncia da Provncia

Geomorfolgica Planalto Meridional. Possui rea de aproximadamente 10.704 km,

abrangendo municpios como Cruz Alta, Iju, Santo ngelo e Tupanciret, com populao estimada em 341.569 habitantes (SEMA-RS, 2010).

64

Os principais cursos de gua da bacia hidrogrfica so os rios Caxambu,

Potiribu, Conceio, Ijuizinhu e o Rio Iju. Os principais usos da gua se destinam a irrigao e ao abastecimento pblico. As atividades econmicas desta bacia, de

maneira geral, esto ligadas ao setor primrio, predominando as lavouras de soja. Alguns municpios desta bacia apresentam os setores secundrios e/ ou tercirios

mais desenvolvidos. Esta bacia apresenta, tambm, potencialidade de gerao de

energia hidreltrica (CEEE, 2000; SEMA-RS, 2010).

Esta bacia foi escolhida para ser o primeiro estudo de caso do presente

trabalho devido aos usos mltiplos da gua existentes nela (que pressupem possibilidades de conflito), potencial hidroeltrico e importncia econmica para o estado do Rio Grande do Sul, acima referidos. As Figuras 15 e 16, abaixo,

apresentam a localizao e a topografia digital da bacia hidrogrfica.

65

Figura 15 - Localizao da bacia Iju, com seus principais municpios.

Figura 16 - Topografia e principais rios da bacia.

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4.1.2 Extrao de Informaes Espacias e Discretizao da Bacia Hidrogrfica

Conforme descrito anteriormente, a partir de um Modelo Digital de Elevao

(MDE) possvel extrair informaes fsicas e topolgicas da bacia hidrogrfica de interesse, com o uso do conjunto de ferramentas ArcHydro Tool