UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Apresentação em tema: "UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL"— Transcrição da apresentação:

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS Trabalho Final GEOPROCESSAMENTO EXTRAÇÃO AUTOMÁTICA DE PARÂMETROS FÍSICOS DE BACIAS HIDROGRÁFICAS A PARTIR DO MNT PARA UTILIZAÇÃO EM MODELOS HIDROLÓGICOS Diogo Costa Buarque Porto Alegre, agosto de 2007

2 INTRODUÇÃO motivação Modelagem hidrológica de grandes bacias
- modificações uso do solo - mudanças climáticas - previsão de vazões motivação Modelagem hidrológica de grandes bacias (A > km2) - modelos distribuídos - bacia dividida em células quadradas - processos hidrológicos como interceptação, infiltração, evapotranspiração, armazenamento superficial, sub-superficial e subterrâneo são representados nas células - propagação do escoamento na rede de drenagem método (MGB-IPH) - Modelo Numérico do Terreno (MNT) - Uso da terra - Tipos de solo - Direções de fluxo Comprimento de trechos de rio Declividade de trechos de rio Área da Bacia Tempo de concentração Planos de informação necessários

3 INTRODUÇÃO Inexistência de informações prontas, principalmente de declividade e comprimento de trechos de rios; Geralmente as características são extraídas manualmente a partir de cartas topográficas em papel ou outro procedimento com grande demanda de trabalho manual; A utilização de Sistemas de Informações Geográficas (SIG) pode fornecer uma contribuição importante, juntamente com a crescente disponibilidade de dados topográficos, possibilitando a extração de informações diretamente do MNT; A extração de características hidrológicas das bacias a partir do MNT tem recebido atenção considerável, sendo reconhecida como uma alternativa viável aos tratamentos tradicionais e avaliação manual dos mapas topográficos; A automação da extrações de informações físicas de bacias hidrográficas a partir do MNT reduz o tempo necessário para a geração de planos de informações para modelos hidrológicos;

4 INTRODUÇÃO Em grandes bacias, o MNT pode constituir a única fonte de informações disponível; Uma das primeiras etapas para a extração de informações a partir do MNT consiste na determinação da direção de fluxo e na área acumulada de cada pixel (Jenson e Domingue, 1998; Paz et al., 2006); Num modelo hidrológico a determinação da direção de fluxo deve ser efetuada nas células; Geralmente as bacias são discretizadas em células quadradas, com a obtenção da direção de fluxo por diversos métodos e/ou software comerciais; Independente do método utilizado, ocorrerão erros inerentes ao tratamento da bacia por células quadradas;

5 INTRODUÇÃO Uma alternativa para evitar os erros seria adotar “sub-bacias” como unidades elementares nos modelos hidrológicos. - esta discretização garante que todo escoamento gerado em um elemento (sub-bacia) drene para um único elemento à jusante, através do seu exutório

6 INTRODUÇÃO Pfafstetter (1989):
Propôs um sistema para delineação e codificação de bacias hidrográficas baseado na topografia das áreas de drenagem da superfície da Terra e na topologia da rede de hidrográfica resultante. Objetivo -> definir um sistema de numeração para identificação da bacia que possa ser utilizado em análises topológicas da bacia. Com a determinação da direção de fluxo a partir de MNT, a delimitação de bacias e a determinação dos seus parâmetros físicos tendem a ser mais precisas. Automatizar estes processos reduz o tempo gasto para obtê-los!

7 OBJETIVO Desenvolver uma rotina (em linguagem FORTRAN90) para delineação e subdivisão automática de bacias hidrográficas, bem como para a obtenção de características físicas da bacia, tais como áreas das sub-bacias, comprimentos e declividades de trechos de rios e tempo de concentração.

8 MOTIVAÇÃO A motivação principal deste trabalho constitui no desenvolvimento de uma rotina para uso na modelagem hidrológica distribuída de grandes bacias (em particular no MGB), cujo modelo possa ter seu algoritmo adaptado para trabalhar com discretização em mini-bacias.

9 METODOLOGIA Otto Pfafstetter (Verdin & Verdin, 1999) a) b) c) d) e)
identificação do rio principal (a); nas confluências, o curso principal será sempre aquele que drena a maior área; a partir do exutório, selecionam-se os 4 afluentes com as maiores áreas de contribuição (b); a partir de cada um deles, deriva-se uma sub-bacia par, numeradas de 2 a 8, de jusante para montante (c); a área entre dois afluentes: bacia intermediária (d); bacias fechadas internas: rótulo 0; repete-se a divisão sempre que seja encontrado 4 afluentes (e). c) d) e)

10 METODOLOGIA Principais Etapas MNT
Plano de direções de fluxo (Paz, et al., 2006); Plano de áreas acumuladas; Plano de rede de drenagem; Delimitação da bacia (plano da bacia); Plano de comprimentos acumulados e até a foz; Plano de sub-bacias.

11 METODOLOGIA Considerações gerais CÁLCULOS DE COMPRIMENTOS
Considera a posição geográfica de cada pixel; Calculados de pixel a pixel: (lado = 1dx; diagonal = 1,41dx) ou (lado = dx; diagonal = 1,36039dx) - Butt e Maragos (1998) CÁLCULOS DE ÁREAS Adotadas coordenadas geográficas no lugar de coordenadas angulares, buscando levar em consideração os casos onde se trabalha com grandes regiões, dentro das quais os pixels devem possuir diferentes áreas de superfícies, de acordo com a sua latitude.

12 METODOLOGIA – Direções de Fluxo (diferença de cota)/(distância)
Algoritmo de Paz et al. (2006) baseado em de Jenson e Domingue (1988) cada pixel drena para um dos seus 8 vizinhos; escoamento de um pixel segue para o seu vizinho com maior declividade; ao final, tem-se um arquivo raster onde cada pixel recebe um código que indica a direção de escoamento. (diferença de cota)/(distância)

13 METODOLOGIA – Área Acumulada e Rede de Drenagem
Área de Acumulada Neste plano cada pixel recebe um valor correspondente ao somatório das áreas de todos os pixels de montante. Adotando um valor para a área de cabeceira, determina-se um plano de rede de drenagem contendo os pixels com área acumulada maior ou igual a este valor. Rede de Drenagem

14 METODOLOGIA – Delimitação da Bacia Principal
para cada pixel do MNT, selecionados seguindo a seqüência de linhas e colunas, utiliza-se o plano de direções de fluxo para verificar o caminho a ser percorrido pelo escoamento gerado no pixel; se o caminho a ser percorrido pelo escoamento gerado por um pixel passa pelo exutório da bacia, significa que este pixel pertence à bacia e ele é rotulado com o código 1; ao final, tem-se um arquivo raster onde cada pixel pertencente a bacia tem código 1, e os demais cógido 0.

15 METODOLOGIA – Planos de Comprimentos
Planos de Comprimentos até a Foz e Comprimento Acumulado para cada pixel interno à bacia, segue-se a direção de fluxo até atingir o exutório, sempre calculando a distância entre o pixel e o seu vizinho de jusante; as distâncias calculadas são acumuladas e o comprimento do pixel até a foz é dado pelo valor acumulado total ao atingir o exutório, o que corresponde ao somatório de todas as distâncias computadas no trajeto; à medida que é calculada a distância entre pixels, o valor acumulado é armazenado para cada pixel encontrado pelo caminho.

16 METODOLOGIA – Divisão de Sub-Bacias
Identificação do rio principal partindo do exutório da bacia a ser dividida, percorre-se a rede de drenagem no sentido inverso ao escoamento; O caminho é percorrido até o último pixel de montante com área acumulada superior à área de cabeceira.

17 METODOLOGIA – Divisão de Sub-Bacias
Seleção dos Exutórios das Bacias Pares os exutórios das sub-bacias pares correspondem aos exutórios dos quatro afluentes principais; os 4 pixel drenando para o rio principal que possuem as maiores áreas acumuladas são selecionados como os exutórios dos principais afluentes; é possível definir um número mínimo de pixels que o afluente deve possuir.

18 METODOLOGIA – Divisão de Sub-Bacias
Seleção dos Exutórios das Bacias Ímpares do pixel de cabeceira da bacia percorre-se o rio principal, pixel a pixel; sempre que encontrar um pixel do rio principal recebendo contribuição de um dos afluentes, este é considerado o pixel de cabeceira da sub-bacia ímpar com numeração igual a do afluente menos 1. Já o pixel imediatamente a montante é considerado o pixel exutório da sub-bacia ímpar com numeração igual a do afluente mais 1

19 METODOLOGIA – Divisão de Sub-Bacias
Delimitação das sub-bacias uma vez conhecidos os exutórios de cada sub-bacia a ser gerada, o processo de delimitação das sub-bacias segue um procedimento semelhante ao adotado para a delimitação da bacia principal; o pixel cujo caminho de escoamento atinja um exutório, este pixel recebrá o rótulo do exutório e fará parte da sub-bacia à qual o exutório pertence;

20 METODOLOGIA – Divisão de Sub-Bacias
Critérios para a Divisão Buscando evitar a geração de áreas excessivamente pequenas, foram adotados dois critérios principais para a divisão de uma bacia: só são dividas as bacias com áreas superiores a um determinado valor limite; uma bacia só será divida caso seja possível encontrar os 4 principais afluentes. Não há 4 afluentes ou Os afluentes não atendem ao número mínimo de pixels

21 METODOLOGIA – Determinição dos Parâmetros Físicos
Áreas das sub-bacias Percorrendo linhas e colunas do plano de sub-bacias, são identificados e separados os pixels correspondentes a cada sub-bacia. Comprimentos de trechos de rios Rio principal da bacia a ser dividida Afluentes principais da bacias pares e ímpares Maiores afluentes das sub-bacias

22 METODOLOGIA – Determinição dos Parâmetros Físicos
Declividades média das declividades dos pixels pertencentes ao trecho de rio: declividade aproximada, entre o pixel de cabeceira (montante) do trecho e o pixel que recebe a contribuição (jusante) do trecho:

23 METODOLOGIA – Determinição dos Parâmetros Físicos
Tempo de concentração O tempo de concentração de cada sub-bacia é calculado pela fórmula de Kirpich:

24 APLICAÇÃO Bacia do Rio Uruguai Área de aproximadamente 207.000 km2
A bacia é formada pelo rio Uruguai e por seus afluentes e ocupa áreas pertencentes ao Brasil, a Argentina e ao Uruguai.

25 APLICAÇÃO Bacia do Rio Uruguai
MNT da Bacia disponível na resolução de 90 m (0,000833º); MNT reamostrado na resolução de 200 m (0,002º);

26 APLICAÇÃO Considerações Gerais
o exutório da bacia foi definido logo a jusante da confluência dos rios Uruguai e Quaraí; área de cabeceira igual a 5 km2; divisão de bacias com áreas maiores que 100 km2; número mínimo de pixels para o rio principal: 2; foram testados 7 níveis de divisão.

27 RESULTADOS Nível 1 Bacia do Uruguai Divisão das Sub-Bacias
Para cada nível de divisão foram obtidos arquivos raster contendo as sub- bacias codificadas. Nível 1 Bacia do Uruguai Primeiro nível apresentou bacia muita pequena (sub-bacia 1) Dificuldades em controlar áreas Das sub-bacias ímpares

28 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 2 Sub-bacia 7

29 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 3 Sub-bacia 71

30 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 4 Sub-bacia 713

31 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 5 Sub-bacia 7138

32 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 6 Sub-bacia 71382

33 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias Nível 7 Sub-bacia

34 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO
Agência Nacional de Águas - ANA Presente Trabalho

35 RESULTADOS Divisão das Sub-Bacias – VERIFICAÇÃO
Agência Nacional de Águas - ANA Presente Trabalho

36 Nível 1 - Bacia do Uruguai
RESULTADOS Características físicas das Sub-Bacias As características físicas das sub-bacias foram obtidas e apresentadas em forma de tabela, numa formatação padrão para leitura pelo modelo MGB-IPH. Nível 1 - Bacia do Uruguai

37 RESULTADOS Características físicas das Sub-Bacias
Em todos os níveis foram encontradas sub-bacias com declividades nulas; Em relação a grande quantidade de sub-bacias geradas em cada nível de divisão, o número de sub-bacias com declividades nulas referentes ao afluente mais longo foi muito pequena (menos que 0,4%) Sub-bacias com áreas menores que 1 km2 foram verificadas apenas para as ímpares, pois apresentam dificuldades no controle a área a ser gerada na divisão; As sub-bacias pares possuem sua área limitada pela área de cabeceira e nenhuma apresentou área inferior à área de cabeceira;

38 RESULTADOS Características físicas das Sub-Bacias
Para verificar a variação do número de sub-bacias e das áreas de cada uma delas em função do nível de divisão, foram gerados histogramas de frequência vs. área para os nível de 2 a 7.

39 CONCLUSÕES A rotina desenvolvida mostra-se uma ferramenta alternativa para a delimitação e divisões de bacias, bem como para a extração automática de características físicas da bacia; Como resposta, a rotina possibilita a visualização em arquivos raster (formato do IDRISI) das sub-bacias geradas em cada nível; As características físicas são armazenadas em arquivo texto, no formato de tabela, obedecendo o formato de entrada para o modelo MGB-IPH; A metodologia proposta do Otto Pfafstetter consegue manter uma hierarquia entre as sub-bacias geradas, porém foi verificado que a sua utilização para geração de sub-bacias a serem utilizadas em modelos deve ser cuidadosa, uma vez que não possibilita controlar as áreas das sub-bacias ímpares; Para todos os níveis de divisão, foram verificadas sub-bacias com áreas menores que 1 km2, sempre associadas as sub-bacias ímpares, porém em pequena porcentagem do total; Foram encontradas declividades negativas, as quais estão associadas com pequenas sub-bacias em região planas, porém a rotina desenvolvida permite a adoção de uma declividade mínima para estes casos;

40 CONCLUSÕES A partir do nível 5 de divisão, verificou-se que percentual de áreas a serem dividas não aumentou significativamente, e a distribuição de áreas nas faixas dos histogramas foram praticamente uniforme, indicando que a divisão das sub-bacias pode ser interrompida no nível 5 ou 6; Os resultados obtidos neste trabalho representam uma primeira aplicação da rotina desenvolvida, a qual certamente necessitará ser mais bem testada e, principalmente, complementada para obter outros parâmetros como: centróide, histograma tempo área e mapa de CN.