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ArcGisConceitos de bacia
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GOVERNO DO ESTADO DO AMAP
SECRETARIA DE ESTADO DE MEIO AMBIENTE
COORDENADORIA DE GEOPROCESSAMENTO E TECNOLOGIA DE
INFORMAO AMBIENTAL (CGTIA)
Organizao: SEMA/CGTIA
Elaborao: Viviane Amanajs Claudia Funi
Macap/AP MARO DE 2015
1
PLANO DO CURSO
CURSO: Mini Curso de delimitao de bacia hidrogrfica
DURAO: 8 horas
LOCAL: Laboratrio CGTIA/SEMA
QUANTIDADE: 15 pessoas
Dia Contedo Programtico
24.03
Conceitos bsicos de hidrografia:
1) Bacia Hidrogrfica e drenagem; 2) Microbacias; 3) Sub-Bacias; 4) Curva de Nvel e ponto cotado; 5) Divisor de gua; 6) Exutrio; 7) Classificao dos cursos dgua:
Strahler e Horton, comparativo e execuo com strahler;
Atividade (1) Destacar rede de drenagem; (2) Destacar os pontos cotados; (3) Identificar o exutrio; (4) Delimitar a bacia; (5) Delimitar a microbacia;
24.03 Atividade Extra, no caso sobre tempo. Construo de perfil longitudinal da bacia
25.03
Orientaes bsicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto
Atividade
(1) Utilizar o DEM SRTM; (2) Utilizar o ArcToolbox; (3) Vetorizao em tela ou Hidrology; (4) Gerar drenagens; (5) Gerar limite da bacia.
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1 - CONCEITOS BSICOS DE HIDROGRAFIA
A Poltica Nacional de Recursos Hdricos, instituda pela Lei n 9.433, de 8 de
janeiro de 1997, incorpora princpios e normas para a gesto de recursos hdricos
adotando a definio de bacias hidrogrficas como unidade de estudo e gesto. Entre
as definies de bacia hidrogrfica existente percebe-se grande semelhana quanto ao
recorte espacial, baseado na rea de concentrao de determinada rede de drenagem.
Assim, as definies propostas para bacia hidrogrfica 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
regies mais altas do relevo por divisores de gua, onde as guas das chuvas, ou
escoam superficialmente formando os riachos e rios, ou infiltram no solo para
formao de nascentes e do lenol fretico. Tucci (1997) conclui como um conjunto de
superfcies vertentes e de uma rede de drenagem formada por cursos de gua que
confluem at resultar em um leito nico no seu exutrio.
Em uma bacia hidrogrfica destacam-se alguns elementos fisiogrficos, a cit-
los:
Curva de nvel
A curva de nvel constitui uma linha imaginria do terreno, em que todos os pontos de
referida linha tm a mesma altitude, acima ou abaixo de uma determinada superfcie da
referncia, geralmente o nvel mdio do mar (IBGE, 1999, p. 80).
As Curvas Mestras so as curvas de nvel mais grossas e numeradas com o valor da
altitude que ocorrem a cada cinco curvas. A 5 curva sempre uma curva mestra nas cartas e
mapas topogrficos (IBGE, 1999, p. 80).
O Ponto cotado a projeo ortogonal de um ponto do terreno no plano da carta com
a indicao da sua altitude. So usados em pontos notveis do terreno tais como topos de
morros, fundos de vales.
Principais caractersticas:
a) As curvas de nvel tendem a ser quase que paralelas entre si.
b) Todos os pontos de uma curva de nvel se encontram na mesma elevao.
c) Cada curva de nvel fecha-se sempre sobre si mesma.
d) As curvas de nvel nunca se cruzam, podendo se tocar em saltos d'gua ou despenhadeiros.
e) Em regra geral, as curvas de nvel cruzam os cursos d'gua em forma de "V", com o vrtice
apontando para a nascente.
3
Imagem: Carta topogrfica.
Divisor de gua: linha que representa os limites da bacia, determinando o
sentido de fluxo da rede de drenagem e a prpria rea de captao da bacia
hidrogrfica. Existem dois tipos de divisores: o topogrfico e o geolgico ou fretico. O
PONTO COTADO
CURVA MESTRA
4
primeiro diz respeito linha que une os pontos mais elevados do relevo e o segundo,
os pontos mais elevados do aqfero. O divisor geolgico varia ao longo do ano em
funo das estaes. Normalmente, no h coincidncia entre os dois divisores,
prevalecendo, quase sempre, o topogrfico, por ser fixo e de mais fcil identificao.
Fonte: Imagem: http://aquafluxus.com.br/?p=1558, acesso: mar., 2015.
Exutrio: um ponto de um curso d'gua onde se d todo o escoamento
superficial gerando no interior uma bacia hidrogrfica banhada por este curso.
Fonte: Imagem da delimitao de bacia com destaque para o exutrio e divisor de
guas (VILLELLA, 1975).
Rede de Drenagem: Constituda por um curso dgua principal e seus tributrios a
rede de drenagem. A classificao ocorrer das seguintes formas:
5
1 Ordem 2 Ordem 3 Ordem Imagem H
OR
TON
(1
94
5)
So os canais sem tributrios.
So formados pela unio de 2 ou mais cursos de 1 ordem.
So formados pela unio de 2 ou mais cursos de 2 ordem, podendo receber cursos dgua de 1 ordem.
STR
AH
LER
(1
95
2)
So todos os canais sem tributrios, mesmo que corresponda nascente dos cursos dgua principais.
So formados pela unio de 2 ou mais cursos de 1 ordem, podendo ter afluentes de 1 ordem.
So formados pela unio de 2 ou mais cursos de 2 ordem, podendo receber cursos dgua de 2 e 1 ordem. A confluncia de dois rios de 3 ordem define um de 4 e assim por diante.
O canal de 2 ordem comea na juno dos de 1 ordem, ou seja, no h designao de nascentes. Quando dois rios de ordens hierrquicas diferentes juntam-se, prevalece a maior ordem.
Os termos sub-bacia e microbacia hidrogrfica tambm esto incorporados na
literatura tcnico-cientfica.
As sub-bacias so reas de drenagem dos tributrios do curso dgua principal.
Possuem reas maiores que 100 km e menores que 700 km. Dentro dessas
subdivises da bacia, aparece tambm na literatura o termo microbacia. A microbacia
possui toda sua rea com drenagem direta ao curso principal de uma sub-bacia, vrias
microbacias formam uma sub-bacia e possuem rea inferior a 100 Km (FAUSTINO,
1996).
DELIMITAO DE BACIA
1- Destacar rede de drenagem (identificao do curso de gua);
2- Identificao dos pontos cotados;
3- Identificao do exutrio;
4- Classificao da rede de drenagem (hierarquizao);
5- Traar linha contnua, que inicie e termine no exutrio, de modo que no cruze um
curso de gua, e observando as curvas de nvel (limite da bacia);
6- Delimitar a microbacia.
6
Figura: identificao de: drenagem, exutrio, bacia e sub-bacia.
ATIVIDADE EXTRA: CURVA DE NVEL
- Elaborao de perfil longitudinal da bacia utilizado para determinar a declividade do
rio, o qual estabelecido em funo das distncias horizontais percorridas entre cada
cota marcada no mapa topogrfico. O Exemplo a seguir detalha a seqncia de
determinao do perfil longitudinal e da declividade do rio.
Exemplo:
A figura a seguir mostra a trajetria do curso dgua principal da bacia hidrogrfica
ilustrada na Figura. Na figura, por uma questo de clareza, foram retirados os
tributrios e outras curvas de nvel, tendo permanecido apenas aquelas de interesse
para a determinao da declividade.
7
Com base no mapa com as curvas de nvel, prepara-se uma tabela de cotas e
distncias percorridas. Na prtica, as distncias de percurso do rio devem ser medidas
no mapa topogrfico, sendo convertidas em funo da escala usada no mapa. Escalas
frequentemente usadas para este fim so 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 distncias apresentadas
na tabela pressupem a converso por uma escala adequada (no apresentada no
desenho).
Curva de nvel (m) Eqidistncia 5m
Distncia entre curvas (m)*
Distncia 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 nvel: cota retirada do mapa topogrfico
*Distncia entre curvas: distncia percorrida entre a curva de nvel anterior e a curva de nvel da respectiva linha (a distncia e
extrada a partir das coordenadas mtricas; precisa ter a carta com o grid de coordenadas).
**Distncia acumulada: soma das distncias percorridas at a curva de nvel da respectiva linha (Ex.: 1 dist. entre curvas 150+ a
2 dist. entre curvas 900 = a 3 dist. acumulada 1050, e assim sucessivamente).
***Declividade entre curvas: (cota anterior cota atual) / distncia entre curvas (Ex.: 1 curva de nvel da tabela 695 a 2 690 =
5/150 (1 distncia entre curvas = 0,033 m - declividade, e assim sucessivamente).
Exutrio
700 700
700
695
695
690
690
685
685
680
680
675
675
680
670
670
665
665
660 655
8
O perfil longitudinal construdo com os dados da distncia acumulada e com
as cotas das curvas de nvel.
Fonte: www.etg.ufmg.br/tim1/baciahidrografica2007.doc
Observa-se que o rio tem dois trechos tpicos, cada um deles relativamente
homogneo dentro de si. O primeiro, mais plano, vai da cota 690m cota 670m, com
um percurso total de 4250m. A declividade mdia neste trecho (690-670)/4250 =
0,0047 m/m. O segundo trecho, mais inclinado, vai da cota 670m cota 655m,
percorrendo uma distncia de 5100-4250 = 850m. A declividade mdia neste segundo
trecho de (670-655)/850 = 0,018 m/m.
ATIVIDADE EXTRA
1 ) Traar a linha de perfil (linha de corte), cortando bacia:
2) Estabelea 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; j os intervalos horizontais devem ter a
mesma medida da linha de corte. Ex: Vertical a cada 1 cm corresponder a 100000 cm ou 1000
m; no plano horizontal a cada 1 cm corresponder a 10000 cm ou 100m.
PERFIL LONGITUDINAL
650
655
660
665
670
675
680
685
690
695
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
DISTNCIA (m)
CO
TA
S (
m)
9
10
Delimitao de bacia no ARCGIS: Anlise Hidrolgica com Spatial Analyst
Esta anlise objetiva a extrao a: extrao de rede de drenagem, hierarquizao e
delimitao de bacia.
Antes de iniciarmos nossa anlise e importante familiarize-se com alguns termos associados a
Hidro:
Watershed = Bacia Hidrogrfica;
Basin = Bacia Hidrogrfica;
Drainage Network = Rede de Drenagem;
Stream Network = Rede de Drenagem;
Sub-Basin = Sub-Bacia;
Stream = Crrego, Riacho, Rio;
Upstream = Rio Acima (Em Geografia, upstream indica a fonte de um crrego ou rio contra
direo normal do fluxo de gua);
Downstream = Rio Abaixo;
Sink (Buraco, Depresso) - Cria um raster identificando todas as depresses, reas de
drenagem interna e vazios ou erros do SRTM ou outro raster de superfcie;
Fill (Preencher) - Preenche pequenas imperfeies nos dados e remove todos os sinks do
raster de superfcie;
Flow Direction (Direo do Fluxo) - Gera um raster contendo a direo do fluxo de cada
clula. No Flow Direction, cada pixel potencialmente cercado por oito pixels vizinhos. A
inclinao de cada uma destas oito direes pode ser calculada tomando-se a diferena em
elevao indicada pelo valor de DEM para cada um destas oito localidades vizinhas e do valor
no pixel a ser examinado;
Flow Accumulation (Acumulao de Fluxo) - O raster criado determina a acumulao de fluxo
a partir do Flow Direction criado anteriormente.
Para iniciar nossa anlise temos alguns passos a seguir:
Abra o ArcGis, localizado no MENU INICIAR > Todos os programas > ArcGis > ArcMap 10.1;
Aps abrir o ArcMap, aparecer uma caixa de dilogo (Getting Started/ Iniciando) na qual
voc clicar no boto CANCEL. Estamos iniciando um projeto novo, para isso faz-se necessrio
algumas informaes e configuraes iniciais, conforme explicados nas imagens a seguir:
11
1
Na tabela de contedo, clique com o boto direito do mouse e sobre o nome LAYERS,
no menu contextual que surge clique em PROPRIEDADES. Na caixa de dilogo que se abre,
clique na guia Coordinate System > + Projected Coordinate Systems > + UTM > + WGS 1984 > +
Southern Hemisphere> WGS 1984 UTM Zone 22 S.
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necessrio habilitar a extenso spatial analyst. Para isso, na barra de menu >
customize > extensions > habilite o spatial analyst > ok. Com as configuraes j realizadas
vamos adicionar o MDT SRTM, para isso clique no boto ADD Data ( ), localizado na barra de
ferramentas.
Aps a insero do DEM SRTM vamos iniciar os procedimentos para a anlise
hidrogrfica. Para isso, procurem na BARRA DE FERRAMENTAS o boto 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 sada (FILL_DEM90m).
Aguarde o trmino do processo. O raster Fill ser adicionado no mapa. Se o aspecto da
imagem estiver totalmente cinza, clique com o boto 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, ser preciso gerar um Flow Direction.
Flow Direction Definindo as Direes 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 sada para o novo arquivo TIF (FLOWDIRECT90). Na tabela de
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valores com campo Cont que registram valores de 1 a 128. Observe a figura abaixo:
Resultado:
Flow Accumulation Criando a Acumulao do Fluxo
Clique em ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > + Hydrology > + Flow
Accumulation. Execute o processo Flow Accumulation. Nas opes, informe a entrada
(FLOWDIRECT90), a sada (FLOWACUMUL90) e modifique o tipo de dado de FLOAT para Inteiro
(Integer). O Flow Accumulation ser criado, mas o raster pode parecer escuro. preciso
aproximar o mapa com a ferramenta Zoom para visualizar os locais onde ocorre o fluxo de gua
acumulada.
14
Resultado:
lgebra de Mapas para Extrao da Rede de Drenagem
Para criar uma rede de drenagem, preciso estabelecer um limiar para descobrir quantos
pixels adjacentes devem formar os rios. Em nosso caso, vamos estabelecer um limiar de 500
pixels.
- Formulao de Expresses Algbricas no SIG
A expresso matemtica criada com base em proposies que podem surgir no
decorrer do projeto. A funo CON (Conditional) determina um teste lgico e retorna um
resultado. Simples assim. Em relao rede de drenagem, poderamos estabelecer uma
condio para criar o limiar, filtrando apenas os pixels significativos. A condicional do limitar
torna-se intuitiva quando lida desta maneira: Se o valor dos pixels do raster Flow
Accumulation for superior a 500, deve-se substitu-los pelo valor 1. Caso contrrio,
transformar em NODATA.
Com esta condio, todas as clulas do raster com valor superior a 500 sero
consideradas durante a criao de um novo mapa raster. As demais clulas sero
transformadas em NODATA. O prximo passo consiste em redigir essa informao na
linguagem do computador (expresso matemtica). Acesse: ArcToolbox > Clique no menu > +
Map Algebra > + Raster Calculator. E na janela que se digite a frmula abaixo:
Con("FLOWACUMUL90.tif" > 500,1).
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A rede de drenagem ser visualizada no mapa. Um aspecto interessante sobre o
limiar: ele deve ser utilizado com uma espcie de filtro para os rios. Dependendo da aplicao,
o uso da hierarquia dos rios pode ser ampliada ou omitida. Os testes que demonstram que, se
o limiar for aumentado, os riachos podero ser omitidos.
Resultado (O arquivo de sada deve receber o nome: STREAM500):
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Stream Order - Classificao (hierarquizao dos rios) STRAHLER
Para realizar a classificao da drenagem, acesse: ArcToolbox > Clique no menu + Spatial
Analyst > + Hydrology > Stream Order. Realize as configuraes 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:
Realizada a classificao, vamos converter a drenagem do formato raster para
shapefile.
Stream to Feature Converso 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 sada
(STREAMFEATURE500) para o arquivo shapefile de linhas.
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Resultado:
Basin Bacia Hidrogrfica
Para delimitar a bacia hidrogrfica, acesse: ArcToolbox > Clique no menu + Spatial Analyst > +
Hydrology > Basin. Informe o Flow Direction (FLOWDIRECT90) e o arquivo TIF de sada
(BACIAS).
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Resultado
Para mudar a cor: clique com o boto 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 boto direito dentro de color ramp e desabilite Graphic View).
Resultado Final
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Atividade Extra
Clculo de curva de nvel a partir d DEM SRTM para identificao de drenagem a partir de vetorizao em tela.
Aps 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 ser 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).
Aps a extrao das curvas de nvel necessrio a criao de um shapefile de
linha, para que possamos iniciar a vetorizao da hidrografia. Para isso vamos
20
inicialmente clique no boto referente ao ARC CATALOG ( ). Na barra latedral que
se habilita clique no boto CONNECT TO FOLDER ( ) > localize a pasta onde est
salvando os arquivos do curso e clique nela; voltando a janela do Catalog procure sua
pasta e clique nela, com o boto direito clique e no submenu escolha NEW >
SHAPEFILE. Veja figura abaixo:
Na janela que surge de criao do shapefile, realize as configuraes 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.
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Muito bem! O shapefile de linha foi criado e j est inserido na TABELA DE CONTEDOS (Menu
esquerdo na ArcGis), inicie a edio deste shapefile. Clique com o boto direito do mouse
sobre o nome Rio e escolha EDIT FEATURES > START EDITING.
Com a edio j aberta iniciar a vetorizao da hidrogrfica orientada pelo DEM SRTM e curvas
de nvel. OBSERVE:
Siga vetorizando at finalizar sua drenagem, lembrando que voc pode salvar a edio
fech-la e continuar em outro momento. Para isso utilize a barra de ferramentas de edio:
22
BOA SORTE!!
BIBLIOGRAFIA
AMANAJS, Viviane. Curva de Nvel. In: Cartografia e SIG. Macap: 2008. Disponvel: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfvzAAH/cartografia-sig-com-gvsig?part=3#>. REBOUAS, Aldo. Uso inteligente da gua. Editora Escritura: So Paulo, 2004. Disponvel: < https://books.google.com.br/books?isbn=8575311131. Acesso: Maro, 2015. SILVA, Vanessa C. B. Iniciando no ArcGis. Curso de Geografia e Anlise 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 hidrogrfica e a importncia da caracterizao morfomtrica para o entendimento da dinmica ambiental local. Revista UNIARA, n.20, 2007. Disponvel: < http://www.uniara.com.br/revistauniara/pdf/20/RevUniara20_11.pdf> Acesso: 03/2015. UFMG. Bacia Hidrogrfica. UFMG: Minas Gerais, 2007. Disponvel:< http://www.etg.ufmg.br/tim1/baciahidrografica2007.doc>. Acesso: 03/2015.