UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENG. CIVIL E AMBIENTAL
DISCIPLINA: GEOTECNOLOGIAS APLICADAS
DOCENTE: IANA RUFINO
GEOTECNOLOGIAS APLICADAS AOS
ESTUDOS CLIMATOLÓGICOS E
HIDROLÓGICOS
CAIO CESAR ROCHA ALMEIDA SOUTO
DAVID SILVA LÚCIO OLIVEIRA
MARÍLIA SILVA DANTAS
11 de maio de 2011
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Modelo Numérico Terreno
• É uma representação matemática da distribuição espacial da
característica de um fenômeno vinculada a uma superfície
real. A superfície é em geral contínua e o fenômeno que
representa pode ser variado (Burrough, 1986).
• Para a representação de uma superfície real no computador
é indispensável a criação de um modelo digital, podendo ser
por equações analíticas ou por uma rede de pontos na forma
de uma grade de pontos regulares e ou irregulares.
• A partir dos modelos pode-se calcular volumes, áreas,
desenhar perfis e seções transversais, gerar imagens
sombreadas ou em níveis de cinza, gerar mapas de
declividade e exposição, gerar fatiamentos em intervalos
desejados e perspectivas tridimensionais.
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Modelo Digital de Elevação
• DEM ou MDT é um modelo digital de terreno ou de elevação
é uma representação computacional da topografia do terreno.
• Técnicas representacionais: grades regulares ou TINs
(Triangular Irregular Network).
• Como é construído: utilizando-se dados brutos de elevação,
como pontos contados, curvas de nível ou qualquer outra
informação de altimetria, através de uma interpolação (ou
triangulação) e criação de uma superficíe contínua.
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Interpolação
Os interpoladores são ferramentas matemáticas
que atribuem valores relativos a alguma variável
em pontos inseridos num campo de valores já
existente, transformando dados discretos em
contínuos (Surfer, 1999). A utilização de técnicas
de espacialização, disponíveis nos Sistemas de
Informações Geográficas (SIG’s), facilita a
verificação da forma como as variáveis
observadas nas séries históricas se distribuem no
espaço e no tempo.
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Aplicação I
Geoprocessamento aplicado à análise do
balanço hídrico e na determinação das chuvas
necessárias para a inundação de uma represa
na bacia do ribeirão Itaim, Taubaté, SP.
Luciano Aparecido dos Santos, Nelson Wellausen Dias e Marcelo
dos Santos Targa
Anais II Seminário de Recursos Hídricos da Bacia Hidrográfica do Paraíba
do Sul: Recuperação de Áreas Degradadas, Serviços Ambientais e
Sustentabilidade, Taubaté, Brasil, 09-11 dezembro 2009, IPABHi, p.
647-654.
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Objetivo
Avaliar o balanço hídrico de Taubaté para a
construção de uma represa na sub-bacia do
ribeirão Itaim, tributário do rio Una e calcular
o
volume
hídrico
necessário
para
preenchimento dessa represa.
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Materiais e Métodos
Localização da Área de Estudo
• Bacia do rio Una
o Margem direita do rio Paraíba do Sul
o Altitudes oscilam entre 500 a 1000 metros
o A área de contribuição para a barragem
o Sub-bacia do ribeirão Itaim, tributário do rio Una
o Área de 2,5km²
o Formada pela união do ribeirão das Almas com o rio da
Rocinha e seus afluentes, numa área de 476km²
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Materiais e Métodos
Descrição dos Métodos
• A base de dados foi extraída do Banco de Dados
Ambientais Georreferenciados da Bacia do Rio Una.
• O processamento foi realizado por meio do software de
geoprocessamento SPRING.
Através do Plano Diretor do Município de Taubaté e
dessa base de dados, foi localizado o ponto no rio onde
seria construída a barragem (W= 23°06’09”, S=
45°33’28”)
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Materiais e Métodos
A partir da localização da barragem e do formato da represa no
mapa foi escolhida a linha de cota de 645,0m como limite
topográfico do espelho d’água a ser gerado pelo represamento.
Uma vez delimitado o espelho, avaliou-se o balanço hídrico de
Taubaté para a construção da represa no ribeirão Itaim.
O balanço hídrico é um método de estimativa da disponibilidade
de água no solo. Este fundamenta-se no princípio da
conservação de massa e pode ser representado pela equação:
PREC + DEF – ETP – ARM – EXC = 0
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Materiais e Métodos
• A metodologia para o cálculo do balanço hídrico
utilizada foi a de Thornthwaite e Mather para uma
serie temporal de 10 anos (1982-1992) de precipitação
diária e a normal
precipitação mensal).
climatológica
(temperatura
e
Tabela 1- Série temporal da Precipitação mensal (mm) (1982/1992).
Tabela 1- Série temporal da Precipitação mensal (mm) (1982/1992).
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Materiais e Métodos
Tabela 2- Balanço hídrico de Thornthwaite para a cidade de Taubaté (SP). Valores em
mm.
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Resultados
Com base no modelo numérico do terreno (MNT), calculouse:
• Volume estimado da represa: 33.352.252,28m³ ou
33.352.252.280 l
• Profundidade média: 13,3m
• Profundidade máxima: 40m.
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Resultados
• A partir da delimitação da área a ser inundada
foi pesquisada a vazão média do ribeirão do
Itaim que é de 0,5m³/s.
• O balanço hídrico mostra ainda que
precipitação anual média foi de 1335 mm.
a
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Resultados
Precipitação mensal
Déficit Hídrico
Variação do armazenamento de água no solo
Excesso de água na área para inundação da represa
PREC
(mm)
ETP
(mm)
PRECETP
(mm)
ARM
(mm)
DEF
(mm)
EXC
(mm)
Q
(m³/s)
TEMPO DE
INUDAÇÃO
133.5
96.4
37.1
0
0
37.1
0.5
1 ano e 84
dias 14
Page
Conclusões
O SIG é recomendado para otimização de
estudos e gerenciamentos de impactos
ambientais, com ele é possível determinar a
abrangência da lâmina d`água e o volume
necessário de chuva para inundar a represa.
O SIG, pode ainda auxiliar na antecipação de
problemas antes mesmo que a barragem seja
construída, permitindo assim prever possíveis
impactos econômicos e sociais no local.
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Aplicação II
SIG aplicado à caracterização
morfométrica de bacias hidrográficas –
estudo de caso
da bacia hidrográfica do rio Cubatão
do Sul – Santa Catarina/Brasil
Marcelo Pedroso Curtarelli
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INTRODUÇÃO
• Bacia Hidrográfica;
• As características físicas de uma bacia hidrográfica;
• Sistemas de Informações Geográficas;
• O objetivo geral deste trabalho foi caracterizar fisicamente a
bacia hidrográfica do Rio Cubatão do Sul, utilizando como
ferramenta um sistema de informações geográficas, tendo
como objetivos específicos a construção de uma tabela com
os índices físicos obtidos da bacia, construção do mapa da
rede de drenagem da bacia, construção do modelo digital de
elevação (MDE) da bacia, construção da curva hipsométrica
da bacia, construção do mapa de declividades da bacia,
classificação do relevo da bacia segundo a EMBRAPA.
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ÁREA DE ESTUDO
• A bacia hidrográfica do Rio Cubatão do Sul (SC);
• Coordenadas 27°35'50 S e 48°38'24 W (Figura 1);
• Abrangendo 4 municípios.
Figura 1 Localizaçã
o da bacia
hidrográfic
a do rio
Cubatão do
sul
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METODOLOGIA
• Para realizar a caracterização física da bacia
hidrográfica do Rio Cubatão do Sul foi utilizado um SIG
através do software ArcMap 9.2, que permite gerenciar
bancos de dados georreferenciados e realizar analises
espaciais, e bases cartográficas digitais no formato vetorial
shapefile (.shp) e matricial raster (.GRID/.TIN). Além disso
foi utilizada a planilha eletrônica Excel para a construção
de tabelas e gráficos.
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METODOLOGIA
Estruturação do Banco de Dados
• Bases adquiridas no site da Empresa de Pesquisa
Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina
(EPAGRI).
Banco de Dados
EPAGRI/CIRAM
(Formato .shp)
 Unidades hidrográficas de Santa Catarina;
 Regiões hidrográficas de Santa Catarina;
 Carta topográfica 1:50000 Florianópolis;
 Carta topográfica 1:50000 Paulo Lopes;
 Carta topográfica 1:50000 Santo Amaro da Imperatriz;
 Carta topográfica 1:50000 São Bonifácio.
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METODOLOGIA - Caracterização
Física
Área e Perímetro
• módulo Tools através da ferramenta measure
Comprimento do Rio principal
• módulo Tools através da ferramenta measure
Fator de Forma
Coeficiente de Compacidade
Rede de drenagem
Densidade de drenagem
Modelo Digital de elevação
• F = A / L²
• Kc = 0,28 P / A^½
• cartas topográficas disponibilizados pela EPAGRI
• software ArcMap 9.2, ferramenta Merge e clip
analysis
• Dd = Lt / A
• ferramenta measure
• módulo 3D Analyst através da ferramenta
Create/modify TIN
Hipsometria
• faixas de altitude variando de 100 em 100 metros,
indo do nível 0 aos 1260 metros de altitude
Declividades
• opção Surfaces Analysis/ Slope do módulo 3D
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Analyst.
RESULTADOS
Índices físicos da Bacia hidrográfica do rio
Cubatão do sul
Área (Km²)
742,9
Perímetro (km)
159,3
Comprimento do Rio Principal (km)
52,11
Largura Média (km)
14
Coeficiente de compacidade
1,6
Fator de Forma
2,0
Comprimento total de rios (Km)
1203
Densidade de drenagem (Km/Km²)
1,62
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Rede de drenagem da bacia do rio
Cubatão do Sul
Page 23
MDE da bacia hidrográfica do rio
Cubatão do Sul
Page 24
Curva Hipsométrica da bacia do rio
Cubatão do sul
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Mapa de declividade da bacia
hidrográfica do rio Cubatão do Sul
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RESULTADOS
Classes de relevo da bacia hidrográfica do rio Cubatão do sul
Declividade
(%)
Discriminação
Área (Km²)
% da bacia
0-3
relevo plano
95,31
12,85
3-8
relevo suavemente ondulado
71,07
9,58
8 - 20
relevo ondulado
370,43
49,92
20 - 45
relevo fortemente ondulado
202,57
27,30
45 - 75
relevo montanhoso
2,62
0,35
> 75
relevo fortemente montanhoso
0
0,00
Page 27
CONCLUSÕES
• Maior suscetibilidade a enchentes acentuadas;
• As características de declividade da bacia indicam que
49,92% da área da bacia possui terreno ondulado.
• O software ArcMap 9.2 se mostrou uma boa ferramenta
para a caracterização física de bacias hidrográficas, sendo
de fácil utilização, apresentando uma boa interface entre o
programa e o usuário, grande número de ferramentas para
analises espaciais e proporcionando a confecção de
mapas para uma melhor visualização dos resultados
obtidos.
• A disponibilização de bases de dados gratuitamente por
órgãos públicos, como na mapoteca digital do Estado de
Santa Catarina (EPAGRI/CIRAM), são de grande
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importância e utilidade para os usuários de SIG.
Aplicação III
Avaliação de interpoladores para a
espacialização de variáveis climáticas na
bacia do rio Itapemirim-ES
Kennedy Ribeiro da Silva, Yhasmin Gabriel Paiva,
Roberto Avelino Cecílio e José Eduardo Macedo
Pezzopane
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Área de Estudo
Bacia hidrográfica do
Rio Itapemirim
• Região Sul do Espírito
Santo
• Área de 687.000 ha
• situada entre os
meridianos -40º48' e 41º52' e entre os
paralelos -20º10' e 21º15‘
• Abrange 17 municípios
Figura 1 – Limite da bacia do rio
Itapemirim e localização dos Postos
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Pluviométricos na área.
Materiais e Métodos
Séries históricas de precipitação
• 30 anos de extensão (1969-1998)
• 13 postos pluviométricos pertencentes à bacia do Rio
Itapemirim
• 3 postos localizados fora do seu limite*
Temperatura
• Estimada através do modelo de Pezzopane et al (2004)
para o estado do Espírito Santo
*incluídos com objetivo eliminar o efeito de borda no processo de
interpolação, Acosta (1997), Moreira (1997) e Andrade (1998).
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Materiais e Métodos
Excedente Hídrico Anual
Balanço Hídrico
(Thorntwaite e Matter,
1955)
Déficit Hídrico Anual
Evapotranspiração
(Thortwaite, 1948)
Evapotranspiração
Potencial
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Materiais e Métodos
Evapotranspiração
Real
Disponibilidade
Hídrica
Evapotranspiração
Potencial
Page 33
Materiais e Métodos - SIG
• Criou-se um arquivo vetorial, em ambiente
SIG, contendo a localização de cada posto
pluviométrico, bem como os valores
associados as variáveis
• A verificação da acurácia dos interpoladores
foi realizada por meio da metodologia
proposta por Caruso e Quarta (1998)
• Estes procedimentos de interpolação foram
realizados separadamente para cada um dos
treze postos localizados na área de estudos
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Materiais e Métodos Interpolação
Para realizar a espacialização das variáveis
climáticas, foram utilizados os
interpoladores:
• inverso do quadrado da distancia (IDW)
• kriging (KRG), com modelo de semi variograma
spherical
• spline (SPL) tipo regularizado
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Materiais e Métodos – Teste de
desempenho
O desempenho dos interpoladores foi analisado
através do erro quadrático médio – EQM (Philips
et al 1992), através da seguinte equação:
EQM=Σ(XEST-XREAL)2/N
em que:
EQM = erro quadrático médio;
Xest = valor interpolado da variável;
Xreal = valor real da variável; e
N= numero de postos considerados, no caso 13.
O melhor interpolador para cada variável é aquele que
apresentar o menor valor de EQM.
Page 36
Resultados
Valores de EQM para os interpoladores usados na distribuição espacial
Page 37
Resultados
Distribuição espacial das variáveis climáticas na bacia
do rio Itapemirim.
Page 38
Resultados
Distribuição espacial das variáveis climáticas na bacia
do rio Itapemirim.
Page 39
Resultados
Pelo fato da bacia apresentar um relevo
acidentado, o clima na região é caracterizado
por uma grande variação dos elementos
climáticos, principalmente no sentido lesteoeste, ou seja, de baixa altitude (áreas
litorâneas) para altitudes elevadas (áreas
serranas). Logo, a temperatura média anual e
deficiência hídrica anual são mais elevadas
próximo do litoral, diminuindo
consideravelmente próximo das áreas de maior
altitude (Santos, 1999).
Page 40
Conclusões
Os resultados obtidos permitem concluir que:
• O interpolador IDW apresentou melhores
estimativas das variáveis déficit hídrico e
disponibilidade hídrica.
• O interpolador KRG apresentou melhores
estimativas das variáveis precipitação e
excedente hídrico.
• Para todas as variáveis, o interpolador spline
obteve os piores resultados.
Page 41
Conclusões
Page 42
Referências Bibliográficas
•
SANTOS, L. A.; Dias, N. W.; Targa, M.S. Geoprocessamento aplicado à
análise do balanço hídrico e na determinação das chuvas necessárias para a
inundação de uma represa na bacia do ribeirão Itaim, Taubaté, SP.In:
SEMINÁRIO DE RECURSOS HÍDRICOS DA BACIA HIDROGRÁFICA DO
PARAÍBA DO SUL: RECUPERAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS, SERVIÇOS
AMBIENTAIS E SUSTENTABILIDADE, Taubaté, Brasil, 09-11 dezembro 2009,
IPABHi, p. 647-654.
•
CURTARELLI, M. P. SIG aplicado à caracterização morfométrica de bacias
hidrográficas – estudo de caso da bacia hidrográfica do rio Cubatão do Sul
– Santa Catarina/Brasil. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE
SENSORIAMENTO REMOTO, 14., 2009, Natal. Anais eletrônicos... Natal:
INPE, 2009. p. 4693-4699. Disponível em:
<http://marte.dpi.inpe.br/col/dpi.inpe.br/sbsr@80/2008/11.17.23.06.25/doc/4
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•
RIBEIRO DA SILVA, K.; PAIVA, Y.G.; CECÍLIO, R.A.; PEZZOPANE, J.E.M.
Avaliação de interpoladores para a espacialização de variáveis climáticas na
bacia do rio Itapemirim - ES. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE
SENSORIAMENTO REMOTO, 2007, Florianópolis. Resumos... São José dos
Campos: INPE, 2007. p.3.141-3.146
Page 43