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São aspectos físicos, geográficos e topográficos da bacia hidrográfica, que contribuem para o conhecimento do seu comportamento hidrológico. Basta inserir no ArcGIS os shapefiles dos Municípios cedidos pelo IBGE e os arquivos correspondentes das imagens de radar SRTM da Embrapa.


A sequência de comandos no ArcGIS da sua ferramenta ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology é: Fill/Flow Direction/Flow Accumulation/(Map Algebra)/Stream Order/Stream To Feature/Basin.


No exemplo mostrado, criei 2 shapefiles, uma para delimitar a bacia e outro para o rio principal, em cujas tabelas de atributos, inseri os dados de área, perímetro e extensão do rio principal.


O Coeficiente de compacidade (Kc) relaciona a forma da bacia com um círculo, sendo calculado pela relação entre o perímetro da bacia hidrográfica (P) e a circunferência com área igual à da bacia, sendo Kc = 0,282*P/√A. Se a bacia fosse circular e o rio corresse no centro, as chuvas chegariam simultaneamente ao leito, provocando as enchentes. Quanto mais próximo de 1, maior será a tendência da bacia à enchentes. Como Kc = 1,4 considera-se que a bacia é pouco sujeita a enchentes.


O Fator de Forma (F) relaciona a forma da bacia com um retângulo, sendo calculado pela relação entre a largura média e o comprimento axial da bacia (L). Como a largura média é dada pela relação entre a área (A) e o perímetro da bacia, F = A/L². Tem a mesma interpretação de Kc, ou seja, quanto mais estreita e alongada for a bacia, menor será a possibilidade da ocorrência de chuvas em toda a sua extensão, sendo menos sujeita a enchentes. Um Fator de Forma baixo é menos suscetível a enchentes. No caso, F = 0,63.


O Índice de Circularidade (IC) tem o mesmo conceito e interpretação que o Coeficiente de Compacidade, embora calculado por outra fórmula: IC = 12,57*A/P², onde A é a área da bacia e P o perímetro. O valor tende para a unidade quando a bacia se aproxima da forma circular, e diminui conforme a mesma se torna mais alongada. Como IC = 0,53 a bacia é pouco sujeita a enchentes.


O Índice de Sinuosidade (Is) é a relação entre o comprimento do rio principal tomado em linha reta (L) e o comprimento do seu talvegue (Lt), ou seja, Is = L/Lt. É um fator de controle do escoamento: quanto mais próximo da unidade, menos sinuoso e mais veloz é a corrente. Valores superiores a 2 indicam um rio sinuoso e de baixa velocidade média do escoamento. Como Is = 0,72 o rio é pouco sinuoso.


A Densidade Hidrográfica (Dh) relaciona o número de rios ou canais com a área da bacia e, em alguns casos (assim como a Densidade de Drenagem), fornece uma referência sobre a geologia da bacia pois, em terrenos duros (com jazida de ferro no subsolo, p.ex.), como a água tem dificuldade de penetrar, forma mais rios. A Classificação de Strahler (1952) é a seguinte: Dh < 3 rios/km² = baixa; 3 a 7 = média, 7 a 15 = alta e Dh > 15 rios/km² = muito alta. No caso, como Dh = 0,07 = baixa.


A Extensão Média do Escoamento Superficial (l) é a distância média que a água da chuva teria de percorrer sobre os terrenos da bacia, caso o escoamento se desse em linha reta, desde onde a chuva caiu, até o leito do rio. Este índice também considera a forma retangular da bacia e o rio passando no centro. Como l = 1,67 essa seria a distância média, em km, a ser percorrida pela chuva, até o rio principal.


A Ordem da Bacia é o índice de ramificação do rio principal da bacia. Segundo Strahler, todos os trechos de nascente recebem o número 1. Quando 2 trechos de ordem 1 se encontram, o trecho a jusante toma o número 2, só mudando para 3 se encontrar outro trecho de mesma ordem. Foi o que aconteceu com o rio em pauta.


Outros coeficientes existem como, p.ex., a Declividade Média da Bacia, Altitudes da Bacia, Declividade do Rio Principal, Retângulo Equivalente e outros. E o ArcGIS também possibilita outros como Direção de Vertente, Sombreamento, Mapas de Relevo, etc.

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Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 30 setembro 2017 às 17:14

RELEVO SOMBREADO

Todas as características fisiográficas da bacia vistos até o momento, podem ser feitos sem o auxílio das Geotecnologias. O Relevo Sombreado, entretanto, precisa de um Sistema de Informações Geográfico - SIG.

O comando HILLSHADE (sombreamento da encosta) do ArcGIS, obtém a iluminação hipotética de uma superfície, em função dos valores de iluminação para cada célula de um arquivo raster (tipo SRTM da Embrapa). Ele permite uma melhor visualização, num plano bidimensional, das superfícies rebaixadas e/ou elevadas, além dos lineamentos estruturais (feições geológicas) mais expressivos da área, facilitando a compartimentação dos padrões de relevo.

É obtido com a seguinte série de comandos, em sequência, no ArcMap:

ArcToolbox > 3D Analyst Tools > Raster Surface > Hillshade

O resultado é mostrado na Figura a seguir. Nessa imagem, o ângulo da fonte de luz (Azimute) foi o padrão de 315 graus e a altitude acima do horizonte, também padrão, foi de 45 graus.

Observa-se pela rugosidade da superfície que grande parte da bacia é formada por áreas planas, estando as porções mais acidentadas entre os dois afluentes situados ao Norte da bacia e nas cabeceiras do rio principal, situada à Nordeste.

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 29 setembro 2017 às 17:11

RETÂNGULO EQUIVALENTE

É a representação esquemática da bacia (sob a forma de um retângulo), criada por hidrólogos franceses para comparar a influência das suas características sobre o escoamento superficial. Um retângulo de lado menor 'l' e lado maior 'L' (que multiplicados entre si dão a área da bacia) é desenhado (em escala) e as curvas de nível (sob a forma de segmentos de reta) são posicionadas na vertical e paralelas ao lado menor, respeitando a hipsometria da bacia.

Com o Retângulo Equivalente é possível termos uma noção melhor da distribuição das altitudes ao longo da área da bacia, bem como do espaçamento entre curvas de nível. Além disso, como já aconteceu com as características fisiográficas Fator de Forma e Extensão Média do Escoamento Superficial (que também comparam a bacia a um retângulo), podemos ter uma indicação da propensão ou não da bacia a enchentes, que ocorre quanto mais 'arredondada' ou próxima à forma de um quadrado for a bacia.

No ArcGIS precisamos do arquivo SRTM (da Embrapa ou de outra fonte) recortado da bacia e o seu contorno. Os comandos, em sequência, são os seguintes:

a) ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Reclass > Reclassify e

b) ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Zonal > Zonal Statistics as Table

A Figura abaixo mostra, de cima para baixo, 5 detalhes do trabalho: 1) A planilha Excel que calculou os pontos para a plotagem das curvas de nível no Retângulo Equivalente; 2) As colunas (em azul) do Quadro fornecido pelo segundo comando do ArcMap e que alimentaram o Excel; 3) O mapa da bacia com as áreas cobertas por cada curva de nível, feito no ArcMap; 4) As equações que deram origem aos lados do Retângulo Equivalente; e 5) O traçado do Retângulo Equivalente, feito no Corel Draw.

Observe no mapa e no Retângulo Equivalente que metade da área da bacia é ocupada por terrenos cuja altitude varia entre 301 e 400 m (cor verde), vindo as faixas posterior e anterior a esse limite em segundo e terceiros lugares, respectivamente. Veja também que todas as demais curvas de nível, que ocupam áreas bem menores, se concentram à direita (do mapa e do retângulo), justamente onde fica a nascente do rio principal.

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 26 setembro 2017 às 18:34

UMA AJUDINHA DO R

A gente pensa que só pode ver mapa de relevo (tipo SRTM da Embrapa) no ArcGIS ou QGIS. O software R (de Matemática e Estatística) também pode. Com uma diferença: podemos manipular alguns deles. Veja quanta informação se obtém de um arquivo raster com apenas 3 comandos do R.

Aqui está o pacote Raster para download:

 https://cran.r-project.org/web/packages/raster/raster.pdf

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 26 setembro 2017 às 7:53

OUTRA FERRAMENTA PARA O CÁLCULO DA DECLIVIDADE

Vídeo sobre bacia:

https://youtu.be/vzBzs3zeMyU

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 25 setembro 2017 às 17:40

DECLIVIDADE DO RIO PRINCIPAL

A Declividade do Rio Principal, como vimos, é uma característica fisiográfica muito importante da bacia, por estar relacionada à velocidade do escoamento e à erosão hídrica. Refere-se à relação entre o desnível do rio e o seu comprimento ou extensão. Na verdade, podem ser calculados 3 tipos de declividade, como mostra a Figura abaixo, copiada da pág.6/10 do Cap. 2 da apostilha de Hidrologia da Universidade Federal da Bahia.

A Declividade do Rio Principal é a diferença de cotas dos seus pontos extremos (nascente e foz), dividida pela extensão total do curso d´água, ou seja, S1 = (H - h)/L dada em m/m. S2 é uma declividade fictícia de um triângulo que tenha a mesma área sob a curva do perfil do rio. A declividade S3 está relacionada ao tempo de percurso da água e é calculada a partir de um Quadro com as seguintes colunas: 1) Cotas (m), 2) Distâncias (m), 3) Distâncias (km), 4) Distância acumulada (km), 5) Declividade por seg. x dist. entre curvas de nível, 6) Raiz quadrada da declividade (Si), 7) Distância real - Li (km), e 8) Distância real/Raiz Quadrada da declividade, ou seja, √S3 = Soma Li/Soma(Li/Si) = Soma coluna 7/Soma coluna 8.

No ArcMap há duas formas principais de calcular a Declividade do Rio. Na primeira, o perfil topográfico do rio principal é obtido com o cruzamento da sua polilinha com as curvas de nível, através dos comandos: ArcToolbox > Analysis Tools > Intersect. Na outra, cria-se uma camada apenas com o traçado do rio principal, incorporando à sua Tabela de Atributos os dados de altimetria do raster SRTM que deu origem à hidrografia da bacia, a partir dos seguintes comandos: ArcToolbox > 3D Analyst Tools > Functional Surface > Add Surface Information. A Declividade S1 é calculada pela equação: S1 = (Z_Max - Z_Min)/SLength = 476,7 - 266/20626,0 = 0,010 m/m. A Figura abaixo esclarece a rotina. 

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 24 setembro 2017 às 15:55

FORMA DA BACIA

A forma da bacia já foi estudada pelos coeficientes de Compacidade (Kc), Fator de Forma (F) e Índice de Circularidade (IC). Entretanto, assim como essas características fisiográficas da bacia nos informam sobre a possibilidade de enchentes; a densidade de drenagem sobre a dureza do sub-solo; e a Declividade do Rio Principal sobre o tempo de concentração da bacia; a forma da bacia ainda nos fornece insights sobre o Hidrograma ou comportamento da vazão ou descarga ao longo do tempo. Vide a Figura abaixo.

Embora esses estudos hidrológicos sejam posteriores ao das características fisiográficas da bacia (que são feitos apenas em cima de plantas topográficas, relevo e hidrografia), pois necessitam de dados de chuvas, eles relacionam a forma da bacia ao do Hidrograma, de modo preliminar.

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 23 setembro 2017 às 17:15

DENSIDADE DE DRENAGEM

Nós já tratamos dessa característica (fisiográfica da bacia) lá no primeiro post da série, embora apresentando-a através de uma equação pouco usual. A mais comum é aquela em que são somados todos os rios da bacia (Lt), e a extensão total é dividida pela área da bacia (A):

Dd = Lt/A (km/km²).

No ArcMap isto é feito em quatro passos, a partir da camada que representa a rede de drenagem. Supondo que eu tenha dado a ela o nome de Rede de Drenagem, o roteiro é o seguinte:

1) Rede de Drenagem (botão direito) > Open Attribute Table > Table Options > Add Field (para criar uma coluna na Tabela de Tributos da camada); e em seguida: Name = EXT_km e Type = Float.

2) Editor > Start Editing > OK / Continue (para confirmar a camada a ser alterada).

3) EXT_km (bt.dir. no cabeçalho) > Calculate Geometry > Property = Length e Unit = Kilometer. Para finalizar a edição: Save Edits e Stop Edit.

4) EXT_km (bt.dir.) > Statistics > Sum = 43,629154.

O resultado, no caso do rio que estamos estudando, foi 43,6 km. Como a área da bacia mede 138 km², a densidade de drenagem é calculada pela expressão: Dd = Lt/A = 43,6/138 = 0,32 km/km². Segundo SWAMI (1975), índices em torno de 0,5 km/km² indicaria uma drenagem pobre, índices maiores que 3,5 km/km² indicariam bacias excepcionalmente bem drenadas. No caso, o Rio Piabanha apresenta uma drenagem Muito Pobre, pois o índice é ainda menor que 0,5 km/km².

Além de informar sobre a quantidade de rios existente na bacia, o traçado da rede pode servir para mostrar o Padrão de Drenagem (vide Figura abaixo) que, via de regra, é do primeiro tipo mostrado, ou o Dendrítico ou Arborescente. Os demais têm a ver, em geral, com a geologia do terreno.

Curioso é que na mesma bacia e mesmo padrão de drenagem, dependendo do seu tamanho e localização, a densidade de drenagem pode ser diferente em determinada sub-bacia. Quando eu lecionava Hidrologia para alunos da Engenharia Florestal da UFRRJ, na década de 70, fizemos uma visita ao setor de Geoprocessamento da CPRM no Rio de Janeiro. Na tela de um dos operadores, uma imagem me chamou a atenção, justamente por esse motivo. Numa região com padrão dendrítico bem uniforme, destacava-se uma área circular, com densidade de drenagem visivelmente maior que no seu entorno. Aproveitei para comentar: "Lembram-se do que lhes falei em sala sobre densidade de drenagem ? Vejam como ela está bem caracterizada aqui". O operador, que estava escutando, retrucou. "Esta é uma imagem da Amazônia. Sabem que por causa disso, fomos investigar, e deparamos com uma zona ferrífica neste local ?". 

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 21 setembro 2017 às 17:28

CURVA HIPSOMÉTRICA

A Curva Hipsométrica mostra a porcentagem da área da bacia que existe acima de determinada cota. A maioria dos trabalhos consultados (*) transfere dados do ArcGIS para o Excel para desenhar a curva, que costuma ter o aspecto da Curva A da Figura abaixo.

A ferramenta usada para trabalhar os dados no ArcMap está na sua caixa de ferramentas ArcToolBox > Spatial Analyst Tools > Reclass > Reclassify, usando-se na Classificação o método Equal Interval (Intervalos Iguais). No caso, usei 20 classes.

Existe porém um recurso dentro do próprio ArcMap para elaborar o gráfico. Antes, contudo, devo adicionar três campos à Tabela de Atributos do raster contendo a altimetria (usando a calculadora raster), com dados que preciso para a curva. O roteiro é o seguinte:

ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Zonal > Zonal Statistics as Table. O resultado é mostrado na Figura abaixo, totalmente customizada no ArcMap. Dei apenas um print-screen para capturá-la, pois desconheço um recurso que possa incluí-la no meu mapa.

A leitura, no caso do menor retângulo azul, é: "cerca de 25% da área da bacia do Rio Piabanha encontra-se acima da cota 280 m".

(*)http://www.aguaysig.com/2013/10/curva-hipsometrica-de-la-cuenca-con...

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 20 setembro 2017 às 18:51

ALTITUDES DA BACIA

As altitudes da bacia influem não apenas na velocidade média das águas de superfície (rios) e na erosão do solo mas, também, em fatores meteorológicos como: temperatura, precipitação, evaporação e outros.

Em meio analógico (mapas de papel) a Curva Hipsométrica, representação gráfica do relevo da bacia, é feita a partir das curvas de nível (altitude média entre duas curvas consecutivas e a área entre elas). No meio digital, como temos feito aqui (a partir de arquivos SRTM), cada pixel tem a sua altitude.

No ArcMap, a base para o cálculo das Altitudes da Bacia é o arquivo raster (SRTM) recortado da bacia hidrográfica. Há três caminhos para se coletar dados desta camada (que denominei Curva Hipsométrica):

1) Catalog > Curva Hipsometrica (bt.dir.) > Calculate Statistics...

2) Curva Hipsométrica > Properties > Source > Cell Size

3) Curva Hipsométrica > Tabela de Atributos > Coluna COUNT (bt.dir.) > Statistics

4) ArcToolbox > Data Management Tools > Raster > Raster Properties > Calculate Statistics

Veja como os dados são precisos. Anotei no item 2 que o tamanho do pixel (cell size) é de 91,84 m e no item 3 que existiam 16.348 pixels nesta camada. Com a calculadora do Word fiz a seguinte conta: 91,84² m² x 16.348 pixels = 137.888.605 m² = 138 km² (exatamente a área da bacia).

Outro ajuste que fiz foi, usando o caminho 2 e aba Symbology, escolher os intervalos de altitudes, a cor da rampa e o Histograma com o número de pixels por faixas de altitude. Como não sabia como inserir no mapa este dado, fiz um print-screen para mostrar o gráfico. As altitudes estão em metros.

Observa-se, por exemplo, que a faixa do Histograma com maior número de pixels (cerca de 8.000 pixels ou  67,5 km² da bacia) estão na faixa de altitudes entre 300 e 400 m; e as maiores altitudes (ou menor altura no Histograma), entre 700 e 827 m, só totalizam cerca de 500 pixels ou 4,2 km². 

Comentário de JOSÉ LUIZ VIANA DO COUTO em 19 setembro 2017 às 15:33

MAPA CLINOGRÁFICO

 Ainda na característica fisiográfica Declividade Média da Bacia, podemos representar a declividade dos terrenos sob a forma de graus ou porcentagens.

Esses dados servem à delimitação de APPs, identificação de áreas sujeitas a inundações, aquelas com possibilidade de mecanização, os limites para parcelamento e uso do solo e demais aplicações destinadas ao planejamento rural e ambiental.

No ArcGIS é obtida com a ferramenta ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Surface > Slope. Uma aplicação é mostrada na bacia do Rio Piabanha-BA que estamos estudando.

A Classificação é da Embrapa.

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