Geotecnologias Aplicadas aos Estudos Climatológicos e Hidrológicos 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

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.

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.

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.

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.

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.

Materiais e Métodos Localização da Área de Estudo Bacia do rio Una Margem direita do rio Paraíba do Sul Altitudes oscilam entre 500 a 1000 metros A área de contribuição para a barragem Sub-bacia do ribeirão Itaim, tributário do rio Una Área de 2,5km² Formada pela união do ribeirão das Almas com o rio da Rocinha e seus afluentes, numa área de 476km²

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”)

PREC + DEF – ETP – ARM – EXC = 0 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

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 climatológica (temperatura e precipitação mensal). Tabela 1- Série temporal da Precipitação mensal (mm) (1982/1992).

Materiais e Métodos Tabela 2- Balanço hídrico de Thornthwaite para a cidade de Taubaté (SP). Valores em mm.

Resultados Com base no modelo numérico do terreno (MNT), calculou-se: Volume estimado da represa: 33.352.252,28m³ ou 33.352.252.280 l Profundidade média: 13,3m Profundidade máxima: 40m.

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 a precipitação anual média foi de 1335 mm.

Resultados Excesso de água na área para inundação da represa Precipitação mensal Déficit Hídrico Variação do armazenamento de água no solo Excesso de água na área para inundação da represa PREC (mm) ETP (mm) PREC-ETP ARM DEF EXC Q (m³/s) TEMPO DE INUDAÇÃO 133.5 96.4 37.1 0.5 1 ano e 84 dias

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.

Marcelo Pedroso Curtarelli 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

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.

Figura 1 - Localização da bacia hidrográfica do rio Cubatão do sul 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 - Localização da bacia hidrográfica do rio Cubatão do sul

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.

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.

METODOLOGIA - Caracterização Física Área e Perímetro módulo Tools através da ferramenta measure Comprimento do Rio principal Fator de Forma F = A / L² Coeficiente de Compacidade Kc = 0,28 P / A^½ Rede de drenagem cartas topográficas disponibilizados pela EPAGRI software ArcMap 9.2, ferramenta Merge e clip analysis Densidade de drenagem Dd = Lt / A ferramenta measure Modelo Digital de elevação 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 Analyst.

Índices físicos da Bacia hidrográfica do rio Cubatão do sul 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

Rede de drenagem da bacia do rio Cubatão do Sul

MDE da bacia hidrográfica do rio Cubatão do Sul

Curva Hipsométrica da bacia do rio Cubatão do sul

Mapa de declividade da bacia hidrográfica do rio Cubatão do Sul

Classes de relevo da bacia hidrográfica do rio Cubatão do sul 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 0,00

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 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

Bacia hidrográfica do Rio Itapemirim 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 Pluviométricos na área.

Materiais e Métodos Séries históricas de precipitação Temperatura 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).

Materiais e Métodos (Thorntwaite e Matter, 1955) Balanço Hídrico Excedente Hídrico Anual Déficit Hídrico Anual (Thortwaite, 1948) Evapotranspiração Evapotranspiração Potencial

Materiais e Métodos Disponibilidade Hídrica Evapotranspiração Real Evapotranspiração Potencial Disponibilidade Hídrica

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

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

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.

Valores de EQM para os interpoladores usados na distribuição espacial Resultados Valores de EQM para os interpoladores usados na distribuição espacial

Resultados Distribuição espacial das variáveis climáticas na bacia do rio Itapemirim.

Resultados Distribuição espacial das variáveis climáticas na bacia do rio Itapemirim.

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 leste-oeste, 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).

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.

Conclusões

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/4693-4699.pdf>. Acesso em: 4 maio 2011. 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