Análise hipsométrica da parte brasileira da bacia do rio Paraguai utilizando dados SRTM

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1 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Análise hipsométrica da parte brasileira da bacia do rio Paraguai utilizando dados SRTM Murilo Raphael Dias Cardoso¹ Leonardo de Castro Araújo¹ Ricardo de Faria Pinto Filho¹ Aldrei Marucci Veiga² 1 Universidade Federal de Goiás. Instituto de Estudos Sócio-Ambientais Campus Samambaia (Campus II) Caixa Postal: 131- CEP: Goiânia GO - Brasil murilo.cardoso@me.com leo.dcastro@hotmail.com pintofilho.rf@gmail.com ²CPRM (Serviço Geológico do Brasil) Ministério de Minas e Energia - Rua 148, Setor Marista - CEP , Tel.:(62) Goiânia/GO. aldreimarucci@yahoo.com.br Resumo. A bacia do rio Paraguai está localizada em uma região de importante interesse estratégico e ambiental. Em suas delimitações estão parte do aquífero Guarani e todo o bioma Pantanal. Esse estudo se propõe a estudar essa bacia utilizando modelos teóricos para determinar sua susceptibilidade a enchentes, alagamentos e erosão. Para isso, serão utilizados os modelos propostos por Strahler, Christofoletti e Horton. Para se obter os dados foram utilizados vetores de drenagem disponibilizados pela ANA, apenas para se determinar a extensão do canal principal (Rio Paraguai) e os dados altimétricos sendo extraídos de imagens de Radar (SRTM). Conforme pode-se observar nos resultados apresentados, a parte brasileira da bacia do rio Paraguai apresenta uma baixa susceptibilidade a erosão devido ao seu relevo suave e que pode ser considerado plano conforme os resultados apresentados. Outra importante constatação que se pôde diagnosticar com os resultados deste estudo é que essa região tem grande tendência a alagamentos uma vez que, nas proximidades do bioma Pantanal, se forma uma grande depressão e o risco de alagamento é alto. Palavras-chave: Bioma Pantanal, Hipsometria, Sensoriamento Remoto, Hidrologia. 1106

2 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Abstract. The Paraguay River basin is located in an area of major strategic interest and environmental. In their boundaries are part of the Guarani aquifer and the whole Pantanal. This study aims to examine the basin using theoretical models to determine their susceptibility to flooding, flooding and erosion. For this, we will use the models proposed by Strahler, Christofoletti and Horton. To obtain the data vectors were used drainage provided by ANA, only to determine the extent of the main channel (Rio Paraguay) and the data extracted from images and altimetry Radar (SRTM). As could be observed in the results presented, the Brazilian portion of the Paraguay River basin has a low susceptibility to erosion due to its gentle slope and that the plan can be considered as the results presented. Another important finding if I could diagnose the results of this study is that this region has great tendency to flooding since, near the Pantanal, forms a great depression and the risk of flooding is high. Key-words: Pantanal, hypsometry, Remote Sensing, Hydrology 1. Introdução Os estudos de bacias hidrográficas são sempre importantes por essa delimitação de um sistema ambiental ser considerada a de maior relevância estratégica no que toca, principalmente, os programas e ações de intervenção e manejo do meio ambiente. Nesse trabalho será estudada a influência das características hipsométricas da bacia do Rio Paraguai em sua dinâmica. Para tal, serão utilizadas equações propostas por Strahler (1952) e Christofoletti (1980) para o estudo teórico de bacias, associadas a dados remotamente adquiridos utilizando o imageamento por radar. Uma das características mais importantes procedentes da variação hipsométrica de uma bacia hidrográfica é a declividade. A declividade média da bacia e do curso d água principal também são características que afetam diretamente o tempo de viagem da água ao longo do sistema. O tempo de concentração de uma bacia diminui com o aumento da declividade (Veiga et al, 2011). Há bacias hidrográficas que se encontram em regiões que ocorrem alagamentos dentro do território brasileiro, como é justamente o caso da bacia do Rio Paraguai, onde está presente, em sua totalidade, o bioma Pantanal que é a maior área alagável do mundo. Por esse motivo, torna-se muito importante o estudo dos parâmetros morfométricos dessa região para compreender o porquê da ocorrência dos fenômenos de alagamento, tal como viabilizar informações pertinentes para a aplicação da engenharia a fim de tornar viável o uso e a ocupação da região de forma sustentável e segura (Marcuzzo et al., 2011). Com base nas leis de Horton e utilizando os parâmetros apresentandos por Strahler (1952), Schumm (1956), Strahler (1957, 1958), Chorley (1962) e Chorley e Kennedy (1971), a análise morfométrica de bacias hidrográficas foi inicialmente realizada por meio de mensuração dos atributos em cartas topográficas e cálculo manual. Com o desenvolvimento da computação eletrônica e, posteriormente, dos sistemas computacionais para cálculos e análises de dados e informações georreferenciados, estes atributos podem atualmente ser extraídos em ambiente digital, via geoprocessamento. O Modelo Digital de Elevação é a técnica mais comum de derivação desses atributos e subsequente cálculo dos parâmetros em ambiente digital e da rede hidrográfica digitalizada, obtidos de cartas topográficas ou de imageamento orbital. Sobre esses dados são aplicadas rotinas computacionais para extrair os dados necessários à análise morfométrica. Como exemplo de trabalhos encontrados na literatura sobre análises morfométricas, podemos citar: Santa Catarina (1997), Valeriano e Garcia (2000), 1107

3 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Tucker et al. (2001), Valeriano e Morais (2001), Valeriano (2005), Ganas et al (2005), Hancock et al. (2006) e Hott et al. (2007). 2. Objetivos O objetivo principal desse estudo é a caracterização básica do estudo hipsométrico da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai utilizando dados provenientes de imagens de radar. 3. Material e Métodos 3.1. Caracterização da área de estudos A Bacia do Alto Paraguai está localizada no entrave formado pelos estados brasileiros do Mato Grosso e Mato Grosso do Sul e pelos países sul-americanos Paraguai e Bolívia. Possui como principal expoente o Rio Paraguai que nasce em território Brasileiro e se estende em direção a Bacia do Prata, da qual representa um dos principais tributários. Desconsiderando a região do Chaco por ser uma área endorréica, a Bacia do Alto Paraguai abrange uma área de aproximadamente km² (ANA, 2008, p. 06). Cabe destacar para a Bacia do Paraguai a importância do bioma do Pantanal, uma vez que a área correspondente ao bioma encontra-se inteiramente inserida na bacia. O Pantanal brasileiro abrange uma área de km² e possui na própria nomenclatura referência a uma de suas principais características: "região baixa, localizado no centro da bacia, onde os rios inundam as planícies e alimentam um intrincado sistema de drenagem que inclui lagos extensos, cursos d água divergentes e áreas de escoamento e inundação sazonal" (ANA, 2008, p. 06). Por esses fatores é considerada a maior área inundável do mundo. O pantanal, considerado nas definições de Ab'Sáber (2003) como uma área de transição entre os domínios morfoclimáticos - principalmente com o Cerrado -, guarda elementos de semelhança com outros biomas. Por suas características únicas e pela riqueza no que confere a fauna e a flora local, as pesquisas, o debate e as ações coletivas são importantes para a sua conservação (Figura 1) Figura 1. Localização e biomas da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Fonte: IBGE (2006)

4 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Altimetria da área de estudos Para a confecção do mapa de altitude foram utilizadas imagens da missão SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) liderada pela Administração Nacional do Espaço e da Aeronáutica (NASA, na sigla em inglês), também conhecida como Agência Espacial Americana. A missão SRTM teve como objetivo fazer o mapeamento topográfico de todo o planeta que ocorreu durante 11 dias do mês de fevereiro de Os dados SRTM para o mundo todo, com resolução espacial de 90 metros está disponível para download gratuito no sítio da NASA. Como parte do projeto Brasil em Relevo a EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária) disponibiliza em seu sítio na internet as imagens SRTM para todo o Brasil, divididas por estado, prontas para uso no formato GeoTIFF e Datum WGS1984 (Figura 2). Figura 2. Altimetria da área de estudos (Fonte: NASA, 2001) 3.3. Metodologias para o estudo morfométrico da bacia O estudo morfométrico da bacia é dividido em 3 parâmetros: linear, zonal e hipsométrico. Os parâmetros lineares quantificam a rede de drenagem por meio de seus atributos (comprimento, número, hierarquia) e da relação entre eles, sendo dados por: hierarquia fluvial, magnitude fluvial, relação de bifurcação, relação entre o comprimento médio dos canais de cada ordem, relação entre os gradientes dos canais e índice de sinuosidade do canal principal. Nesse estudo serão utilizados os modelos morfométricos referentes ao estudo hipsométrico dessa bacia. Os parâmetros zonais quantificam os atributos da bacia hidrográfica correlacionandoos a valores ideais e à rede de drenagem da mesma área de estudo, sendo dados por: índice 1109

5 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p de circularidade, densidade de drenagem, densidade hidrográfica, relação entre área de bacias e coeficiente de manutenção. Os parâmetros hipsométricos correlacionam a variação altimétrica à área e a rede de drenagem de uma mesma bacia, sendo representados pela curva hipsométrica, índice de rugosidade e declividade Coeficiente de Massividade (Cm) e o Coeficiente Orográfico (Co) É o coeficiente da divisão da altura média (Am) do relevo da área pela superfície (A); e o coeficiente orográfico é a multiplicação da altura média da bacia pelo coeficiente de massividade. (Equação 1) Amplitude Altimétrica (Hm) (Equação 2) Corresponde à diferença altimétrica entre a altitude da desembocadura e a altitude do ponto mais alto situado em qualquer lugar da diviso ria topográfica. Este conceito, também denominado de relevo máximo da bacia. O ponto mais elevado da bacia deve ser considerado a média das cotas mais elevadas, pois o seu ponto alto não compreende toda porção mais elevada da bacia. (Equação 3) em que, P1 é o ponto mais alto (m), P2 é o ponto mais baixo (m) da bacia hidrográfica Relação de relevo (Rr) Considera o relacionamento existente entre a amplitude altimétrica máxima da bacia e a maior extensão da referida bacia, medida paralelamente à principal linha de drenagem. A relação do relevo (Rr) pode ser calculada dividindo: amplitude topográfica máxima (Hm) e a raiz quadrada da área da bacia (A). (Equação 4) Índice de rugosidade (Ir) O índice de rugosidade combina as qualidades de declividade e comprimento das vertentes com a densidade de drenagem, expressando-se como número adimensional que resulta do produto entre a amplitude altimétrica (H) e a densidade de drenagem (Dd). (Equação 5) 1110

6 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Área da bacia (A) É toda área determinada normalmente em km2, drenada pelo conjunto do sistema fluvial, projetada em plano horizontal. Determinando o perímetro da bacia, a área pode ser calculada com o auxílio do planímetro, de papel milimetrado, pela pesagem de papel uniforme devidamente recortado ou através de técnicas mais sofisticadas, com o auxílio do computador Forma da bacia (If) Apo s a delimitação da bacia, independentemente da escala, traça-se uma figura geométrica (circulo, retângulo, triângulo, etc.) que possa cobrir da melhor forma possível a referida bacia hidrográfica. A seguir relaciona-se a área englobada simultaneamente pelas duas com a área total que pode pertencer a bacia e ou a figura geométrica obtendo-se um índice de forma: (Equação 6) em que, If é o índice de forma; K é a área da bacia (km2); L é a área da figura geométrica (km2). Quanto menor for o índice, mais pro xima da figura geométrica respectiva estará a forma da bacia Relação entre os gradientes dos canais (Rgc) É a representação matemática da terceira lei de Horton e verifica o grau de normalidade de uma dada bacia hidrográfica, relacionando a declividade média dos canais de cada ordem com a declividade dos canais de ordem imediatamente superior (Christofoletti, 1980). Esta relação é dada pela seguinte equação: (Equação 7) em que, Gcw é a declividade média dos canais de determinada ordem; Gcw-1 é a declividade média dos canais de ordem imediatamente superior. Esse parâmetro possibilita a leitura isolada da normalidade da declividade dos canais de uma dada bacia por ordem e pode servir para correlacionar o grau de normalidade entre bacias adjacentes Índice de sinuosidade (Is) O índice de sinuosidade é a relação entre a distância da desembocadura do rio e a nascente mais distante (equivalente vetorial), medida em linha reta (Ev), e o comprimento do canal principal (L). O índice de sinuosidade possui classes, divididas conforme o Tabela 1. (Equação 8) 1111

7 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Tabela 1. Índices de sinuosidade divididos por classes. Classe Descrição Limites (%) I Muito reto <20 II Reto 20 a 29 III Divagante 30 a 39,9 IV Sinuoso 40 a 49,95 V Muito sinuoso >50 4. Resultados e Discussão A relação entre os gradientes dos canais possibilitou concluir que a bacia do Rio Paraguai tem seu curso distribuído em uma região levemente planificada e que, consequentemente, a baixa susceptibilidade a erosão fluvial (Tabela 2). Tabela 2. Relação entre os gradientes dos canais da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Relação entre os gradientes dos canais Nome do Rio Altitude (m) Gradiente (m) Comprimento Declive Nascente Foz Talvegue (km) (m.km -1 ) Rio Paraguai ,9 0,34 O índice de sinuosidade é de grande relevância para a análise dos cursos d água, pois ele determina se o canal é formado por reta ou possui elevada sinuosidade. No estudo da sinuosidade do canal do Rio Paraguai, pode-se observar que esse está na casa entre 20% e 29%, conforme pode ser visto na Tabela 1, o que indicam formas transicionais entre canais retilíneos elevado controle estrutural ou alta energia (Tabela 3). Tabela 3. Índice de Sinuosidade da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Índice de Sinuosidade Nome do Rio Comprimento (km) Dv(km) Is Rio Paraguai 1115,9 866,1 22,4 O índice de circularidade indica que uma bacia mais alongada (com índice abaixo de 0,51) favorece o escoamento e, se estiver acima de 0,51, a bacia é mais circular e tem escoamento reduzido e alta probabilidade de cheias. Além dessa relação com a velocidade do fluxo de água, esse parâmetro representa a transmissividade do escoamento superficial concentrado, isto é, se o tempo de concentração da bacia é lento ou rápido (Tabela 4). Tabela 4. Índice de Circularidade da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Índice de Circularidade Nome do Rio Área da bacia (km²) Raio (km) Ac (km) Ic Rio Paraguai ,70 482, ,10 0,

8 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p A Tabela 5 ilustra a relação entre a área e comprimento do rio principal da bacia do rio Paraguai. Nota-se que há um índice relativamente baixo, o que dignostica que a área é demasiadamente grande e que o curso d água principal necessita amplamente da influência dos seus afluentes para manter a região bem drenada. Tabela 5. Relação de Comprimento e Área da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Nome do Rio Relação de Comprimento e Área Comprimento do Talvegue (km) Área de Drenagem (km²) Relação Comprimento e Área Rio Paraguai 1115, ,70 324,66 Conforme pode ser observado na Tabela 6, conforme determinado pelos coeficientes orográficos e de massividade a bacia do Rio Paraguai pode ser considerada muito plana por sua média baixa de altura quando relacionada a sua área extensa. Tabela 6. Coeficiente de Massividade e o Coeficiente Orográfico da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai. Coeficiente de Massividade (Cm) e o Coeficiente Orográfico (Co) Nome do Rio Área (km²) Altura Média (m) Cm Co Rio Paraguai , ,001 0,330 Os valores que correspondem à diferença altimétrica entre a altitude da desembocadura e a altitude do ponto mais alto situado em qualquer lugar da diviso ria topográfica dessa bacia demonstra que é uma região que tem alta amplitude altimétrica (Tabela 7). Tabela 7. Amplitude Altimétrica e Relação de Relevo da parte brasileira da bacia do Rio Paraguai.. Amplitude Altimétrica e Relação de Relevo Nome do Rio Hm (m) Rr Rio Paraguai ,88 5. Conclusões Em território brasileiro, o Rio Paraguai tem 1.115,9 km de comprimento médio, a bacia hidrográfica possui uma área ,70 Km². Com declividade média de 0,34 m/km apresente altitude de 457 m em sua nascente até chegar em 76 m quando desemboca no rio Paraná. Pelo índice de sinuosidade denota um baixo controle estrutural da drenagem e baixa energia, levando a considerar um alto tempo de concentração, constatado também no valor obtido pelo índice de circularidade, porém a mensuração desse tempo não é objeto do referido estudo. O coeficiente de massividade expressa uma normalidade na composição da bacia, ou seja, a bacia hidrográfica do Rio Paraguai apresenta uma baixa normalidade na composição de áreas de micro-bacias por ser considerada uma bacia de planície, ou então por ser uma bacia com baixa amplitude altimétrica. Importante mencionar que a bacia em estudo apresenta uma baixa susceptibilidade a erosão devido ao seu relevo suave e a mesma tem grande 1113

9 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p tendência a alagamentos uma vez que, nas proximidades do bioma Pantanal, se forma uma grande depressão e o risco de alagamento é alto. 6. Agradecimentos Os autores agradecem a CPRM/SGB (Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais / Serviço Geológico do Brasil) pelo apoio técnico a pesquisa e a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) pelo fomento que viabilizou o desenvolvimento desse estudo. 7. Referências Ab'Sáber, A. N. Os domínios de natureza no Brasil: potencialidades paisagísticas. São Paulo: Ateliê Editorial, Agencia Nacional de Águas (BRASIL). Boletim de monitoramento da Bacia do Alto Paraguai. v.3, n. 1, jan Chorley, R. J. Geomorphology and general systems theory. USGS, Professional paper 500 B, v. 22, n. 23, p Chorley, R. J.; Kennedy, B. A. Physical geography: a systems approach. Englewood Cliffs: Prentice Hall, Christofoletti, A. (1980). Geomorfologia. 2 ed., São Paulo, SP: Edgard Blucher. Ganas, A.; Pavlides, S.; Karastathis, V. DEM- Based morphometry of range front escarpments in Attica central Greece, and its relation to fault slip rates. Geomorphology. Elservier, v.65, p , Hancock, G. R.; Martinez, C.; Evans, K. G.; Moliere, D. R.. A comparison of SRTM and highresolution digital elevation models and their use in catchment geomorphology and hydrology. Australian examples. Earth Surface Processes and Landforms, Elservier, 31, p , IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). Mapas Interativos Ministério do Planejamento, Orçamento e Gestão. In: [ Acesso em: 23 de outubro de Horton, R. E. (1945). Erosinal development of streams their drainage basins: hidrophysical approach to quantitative morphology. Bulletin of the Geological Society of America, Colorado, v. 56, p , Hott, M. C.; Furtado, A. L. S.; Ribeiro, C. A. A. S. Determinação automática de parâmetros morfométricos de bacias hidrográficas no município de Campinas SP. Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianópolis. Anais. São José dos Campos:INPE, p NASA (National Aeronautics and Space Administration). Estados Unidos, Disponível em: < www2. jpl.nasa.gov/srtm/>. Acesso em: 4 de julho de Santa Catarina. Secretaria de Estado do Desenvolvimento Urbano e Meio Ambiente, Secretaria de Estado do Desenvolvimento Rural e da Agricultura. Zoneamento da disponibilidade e da qualidade hídrica. Plano de gestão e gerenciamento da bacia do rio Araranguá, Florianópolis SDM Instituto Cepa, v. 3, 62p, Strahler, A.N. (1952). Quantitative Analysis of Watershed Geomorphology. Trans. Amer. Geophys. Union, v. 38, p Tucker, G. E.; Catani, F.; Rinaldo, A. Brás, R. L., Statistical analysis of drainage density from digital terrain data. Geomorphology. Elservier, v.36, p ,

10 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Valeriano, M. M.; Garcia, G. J. The estimate of topographical variables for soil erosion modelling through geoprocessing. International Congress of Photogrammetry and Remote Sensing, 33. Amsterdam, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Amsterdam: ISPRS, v.33, part B, p , Valeriano, M. M.; Moraes, J. F. L. Extração de rede de drenagem e divisores por processamento digital de dados topográficos. Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 10, Foz do Iguaçu, Anais. São José dos Campos:INPE, p Valeriano, M. M. Modelo digital de variáveis morfométricas com dados SRTM para o território nacional: o projeto TOPDATA. Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Goiânia. Anais. São José dos Campos: INPE, p Veiga, A. M.; Cardoso, M. R. D.; Lino, N. C. Caracterização Hidromorfológica da Bacia do Rio Meia Ponte. Maceió AL, ABRH. Anais do XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos,