Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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1 ANÁLISE DA POTENCIALIDADE DE INUNDAÇÃO DA MICROBACIA DO RIO DOIS VIZINHOS POR MEIO DE VETORIZAÇÃO AUTOMÁTICA E MANUAL ALIADAS AS CARACTERISTICAS MORFOMÉTRICAS Marcielli Aparecida Borges dos Santos 1 Priscyla Vanessa Antonelli 1 Aline Bernarda Debastiani 1 Maurício de Souza 1 Mosar Faria Botelho 2 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Caixa Postal Dois Vizinhos - PR, Brasil Acadêmicos do Curso de Engenharia Florestal {marcielle_bs, priscynha, aline_ck, 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Caixa Postal Dois Vizinhos - PR, Brasil Prof. Dr. na área de Ciências Geodésicas e Sensoriamento Remoto Abstract. Whenever the flow to be drained by a river basin exceeds the capacity of the waterway ditch water, flooding occurs of course, after all that is a natural phenomenon, but it is inconvenient when the flooded area is occupied by activities human. Through vectorized ASTER images are analyzed physical characteristics of the watershed to determine their effects on the hydrological behavior. Because it is an important fact to the knowledge society, as the watershed of the Rio Dois Vizinhos is the one that crosses the entire urban area of the municipality, it is clear that the objective of this study is to compare two methods of vectorization with the true field to determine the capacity of the watershed through the flood indices: drainage density, form factor and coefficient of compactness. We used the ASTER GDEM elevation model to perform vetorizações (manual and automatic), to compare with the true location of the field and set the morphometric characteristics of the watershed. Its main river is called Rio Dois Vizinhos, and heads towards the east, interceding with Rio Chopim. The watershed totals an area of square kilometers, which corresponds to 47.4% of the municipal area. The sum total of all watercourses in truth the field is km long. The most efficient vectorization for morphometric analysis of the watershed in question was the manual, as the results obtained from this closest to the field of truth, and this is the most accurate location information. The watershed of Rio Dois Vizinhos, considering the indexes of shape, compactness and density of drainage, not presented, the principle flood risk in normal annual rainfall Palavras-chave: propensity, floods, morphometry. 1. Introdução Bacia Hidrográfica é uma área definida topograficamente, na qual ocorre a drenagem da água das chuvas, através de um conjunto de afluentes, para um rio principal (CARVALHO e SILVA, 2006). A bacia do rio Iguaçu tem uma área de km², localiza-se em grande parte no estado do Paraná totalizando 80,4% da sua área, 16,5% em Santa Catarina e 3% na Argentina. Seu principal rio é o Iguaçu que possui uma extensão de km, estende-se nos três planaltos que compõem o estado do Paraná, até desaguar no Rio Paraná (ÁGUAS PARANÁ, sd). Segundo Carvalho e Silva (2006), a resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica consiste em transformar a precipitação ocorrida sobre seu relevo em uma saída de água de forma mais distribuída ao longo do tempo. Toda vez que a vazão a ser escoada por uma bacia hidrográfica, for superior à capacidade da vala do curso d agua, ocorre evidentemente a inundação, que afinal é um 8956

2 fenômeno natural, porém torna-se inconveniente quando a área inundada está ocupada por atividades humanas. As inundações podem ser intensificadas pelo homem, em vista das alterações no solo da bacia hidrográfica, como o desmatamento, a urbanização e a impermeabilização, afetando o ciclo hidrológico e as características naturais, provocando o aumento de enchentes (OSTROWSKY, 1991). A ocorrência de enchentes e alagamentos tem afetado a população em todo o mundo, inclusive no Brasil. A pavimentação asfáltica e o crescimento urbano acelerado são fatores que contribuem para a ocorrência de tais eventos, devido diminuírem a penetração de água no solo, bem como a quantidade de lixo que é jogada nas ruas que atrapalha e/ou impede o escoamento da água da chuva. Através de imagens ASTER vetorizadas, é possível analisar características físicas das bacias hidrográficas para determinar seus efeitos sobre o comportamento hidrológico. Por exemplo, a forma de uma bacia afeta seu escoamento regular. Outra característica é quanto ao seu sistema de drenagem, o qual depende da estrutura geológica do local, tipo de solo, topografia e clima, fatores que indicam a velocidade de escoamento. Para definir a forma das bacias, são utilizados índices como o fator de forma e o coeficiente de compacidade, já o grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem é indicado pelo índice de densidade de drenagem (CARVALHO e SILVA, 2006). O processo de vetorização torna-se muito mais ágil e rápido se for realizado de forma automática, porém é necessário verificar a confiabilidade dos dados gerados por esse processo. A adoção de medidas que apontem os locais com risco de inundação é importante para avaliar não apenas quais são as ocorrências que podem causar algum impacto ambiental, mas também programar medidas para evitar que aconteçam novamente. Por se tratar de um fato importante para o conhecimento da sociedade, pois a microbacia do rio Dois Vizinhos é a que atravessa todo o perímetro urbano do município, o principal objetivo do presente estudo é comparar dois métodos de vetorização com a verdade a campo para determinar a capacidade de inundação da microbacia através dos índices: densidade de drenagem, fator de forma e coeficiente de compacidade. 2. Metodologia 2.1. Localização da área em estudo O estudo foi realizado nas microbacias pertencentes ao município de Dois Vizinhos, Paraná, o qual está localizado dentro da bacia hidrográfica do Rio Iguaçu (DOIS VIZINHOS, 2009). O município está localizado na Latitude Sul 25 º e Longitude Oeste 53 º 03 26, e a sua altitude encontra-se entre 900 e 1200 metros. Dois Vizinhos ocupa uma área física total de 419,017 km 2, onde cerca de 3% da área total do município está ocupada pelo perímetro urbano, e possui população de habitantes (IPARDES, 2012) Tipo de solo e Clima Segundo a EMBRAPA (2006) o solo do município de Dois Vizinhos é predominantemente latossolos e nitossolos. Caracterizando solos profundos, porosos e bem permeáveis. O município está localizado em uma região subtropical úmida cujo clima, segundo a classificação de Koeppen, é o Cfa (C = climas pluviais temperados, mês mais frio entre +18 º C e -3 º C; f = sempre úmido, com chuva em todos os meses do ano; a = temperatura do mês mais quente superior a 22 º C) (MAACK, 1968). De acordo com as cartas climáticas do Paraná, este 8957

3 município apresentou umidade relativa anual em torno de 70 a 75% e temperatura média no trimestre mais quente (dezembro, janeiro e fevereiro) de 25 a 26 º C (IAPAR, 2011) Obtenção das informações Utilizou-se das informações de todas as hidrografias do município, disponibilizadas gentilmente pela prefeitura municipal de Dois Vizinhos, tais informações consistem em um levantamento topográfico realizado por uma empresa terceirizada no ano de 2010, em escala 1:5000, denominada de verdade a campo. O modelo digital de elevação ASTER GDEM, (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer e Global Digital Elevation Model), trata-se de um levantamento realizado em 2009 com 30m de resolução espacial e acurácia de 7 a 14 m para praticamente todo o globo, de 83º N à 83º S (ERSDAC, 2011) Processamento das informações ASTER Utilizou-se do modelo digital de elevação ASTER GDEM disponibilizado pela ERSDAC, para a aplicação das duas formas de vetorização (automática e manual), para posteriormente comparar com a verdade a campo do local em questão. A imagem ASTER foi recortada com base em um shape que delimita o município de Dois Vizinhos, através do software Arcgis. Nesse mesmo ambiente foi realizada a vetorização automática da imagem ASTER, que é constituído por um processo que determina a direção do fluxo e o fluxo acumulado, este indica o grau de confluência do escoamento e pode ser associado ao fator comprimento de rampa. Posteriormente foi determinado o padrão de fluxo acumulado elevado e a localização potencial da malha dos rios definido como sendo a drenagem numérica. A vetorização manual foi realizada através do software Autodesk Map 2004, onde observou-se as áreas com menor altitude (rios), representadas na imagem ASTER pela cor preta, e a medida que aumentava a altitude a cor variava para cinza, chegando até o branco. Depois de realizadas as vetorizações (automática e manual) as imagens foram sobrepostas juntamente com a verdade a campo também no Software Arcgis, para que se pudesse realizar análise da bacia e comparação dos métodos de vetorização Morfometria da Bacia A ordem dos cursos d água foi determinada na imagem da verdade a campo do local seguindo a classificação proposta por Strahler (1952), em que os canais sem afluentes são designados de primeira ordem, os quais se estendem desde na nascente até a confluência; os canais de segunda ordem surgem do encontro de dois canais de primeira ordem recebendo apenas afluentes de primeira ordem; os de terceira ordem surgem do encontro de dois canais de segunda ordem, sendo que podem receber afluentes de segunda e de primeira ordens; os canais de quarta ordem surgem do encontro de dois canais de terceira ordem, podendo receber tributários das ordens inferiores e assim sucessivamente. Foram determinados os índices que têm efeito sobre o comportamento hidrológico da bacia, como no tempo de concentração (Tc), que é o tempo a partir do início da precipitação, necessário para que toda a bacia contribua com a vazão na seção de controle. Sendo eles segundo Carvalho e Silva (2006): O coeficiente de compacidade (Kc) é a relação entre o perímetro da bacia e o perímetro de um círculo de mesma área que a bacia. Se o valor de Kc for igual 1 a bacia será um círculo 8958

4 perfeito. Quanto menor o Kc, mais circular é a bacia, menor o Tc e maior a tendência de haver picos de inundação. O Kc foi determinado através da Equação 1. O fator de forma (Kf) é a razão entre a largura média da bacia ( ) e o comprimento do eixo da bacia (L) (da foz ao ponto mais longínquo da área). Quanto menor o Kf, mais comprida é a bacia e, portanto, menos sujeita a picos de enchente, pois o Tc é maior e, além disso, fica difícil uma mesma chuva intensa abranger toda a bacia. O Kf foi determinado através da Equação 2. (1) A densidade de drenagem (Dd) é uma boa indicação do grau de desenvolvimento de um sistema de drenagem. Expressa a relação entre o comprimento total dos cursos d água de uma bacia e a sua área total. A Dd foi determinada através da Equação 3. (2) Ainda segundo Carvalho e Silva (2006), a análise do índice densidade de (Dd) pode ser feita à partir dos seguintes valores, como mostra a Tabela 1: Tabela 1: Valor da densidade de drenagem associada ao tipo de drenagem da bacia. Tipo de Drenagem da Bacia Valor de Densidade de Drenagem (km/km²) Pobre Dd < 0,5 Regular 0,5 Dd < 1,5 Boa 1,5 Dd < 2,5 Muito Boa 2,5 Dd < 3,5 Bem Drenadas Dd 3,5 E por fim, analisou-se os valores encontrados para cada índice, de forma individual e também associada, para então ter condições de definir a potencialidade de inundação da microbacia. 3. Resultados e Discussão A bacia hidrográfica do Rio Dois Vizinhos é a principal fonte de captação de água para o abastecimento público da cidade, e o conhecimento de suas características pode surgir como uma ferramenta para auxiliar o planejamento da gestão pública e para a preservação ambiental de rios e de córregos. Seu principal rio chama-se Rio Dois Vizinhos, e segue em direção Leste, intercedendo com o Rio Chopim. A microbacia totaliza uma área de 198,63 Km², que corresponde a 47,4 % da área do município. A soma total de todos os cursos d água, segundo a verdade a campo é de 148,98 Km de comprimento, medidos através do Autodesk Map 2004 e somados através da ferramenta do Microsoft Office Excel. A classificação morfométrica da microbacia de acordo com Strahller (1952) está expressa na Figura 1, sendo de 4º ordem de magnitude. A (3) 8959

5 verdade a campo e as vetorizações automática e manual, a partir das quais foram calculados os índices para a análise da microbacia, também podem ser observadas na Figura 1: (a) (b) (c) (d) Figura 1: (a) Hierarquia Fluvial da microbacia do Rio Vizinhos de acordo com o método de Strahller; (b) Verdade a campo; (c) Vetorização Automática; (d) Vetorização Manual. 8960

6 Portanto, fez-se necessária a análise de cada índice morfométrico separadamente e em seguida realizou-se uma análise conjunta, associando-os, somente assim pode-se afirmar qual dos métodos de vetorização se aproximou da verdade a campo, e definir as características da microbacia do Rio Dois Vizinhos. Na Tabela 2 estão expostos os valores dos índices: Kc, Kf e Dd para os dois métodos de vetorização, comparados à verdade a campo. Tabela 2: Valor dos índices: Kc, Kf, Dd, em cada método testado e para a verdade a campo. Índices Métodos Verdade a campo Vet. Manual Vet. Automática Kc 1,2602 1,2602 1,2602 Kf 0,0838 0,0834 0,0062 Dd 0,0008 0,0007 0,0013 Percebe-se que o Kc foi o mesmo para os dois métodos e para a verdade a campo, pois a área e o perímetro eram os mesmos nos três casos. Tal valor de Kc indica que a forma da microbacia é levemente circular (próximo de 1), assim há maior concentração de água da chuva e portanto apresenta alguma propensão a inundação. O Kf que mais se aproximou da verdade a campo, foi o calculado a partir da vetorização manual, seu valor por ser baixo indica praticamente nenhuma propensão a inundação para a microbacia. Esse valor comparado aos que Tonello et al. (2006) encontrou em seu estudo, que variaram de 0,313 a 0,391, mostra que a microbacia do rio Dois Vizinhos seria bem menos propensa que a bacia estudada por ele. A Dd com valor mais próximo ao da verdade a campo foi também obtida a partir da vetorização manual. Pissarra et al. (2010), em seu estudo obteve Dd = 2,18 Km/Km² em uma área de 542 Km² na Bacia do Córrego Rico SP, se comparada com a microbacia do Rio Dois Vizinhos percebe-se que como a área desta é bem menor, sua Dd também apresenta-se baixa, devido a relação da quantidade de drenos com a área da bacia. A vetorização mais eficiente para análise morfométrica para a microbacia em questão foi a manual, pois os resultados obtidos a partir desta mais se aproximaram da verdade a campo, e esta constitui as informações mais acuradas do local. De acordo com Souza (2005), os índices aqui calculados estão dentre os parâmetros que mais controlam a susceptibilidade a inundação em uma bacia hidrográfica. Portanto, a partir de tais discussões pode-se afirmar que a microbacia do Rio Dois Vizinhos, não possui propensão a inundação, pois através da analise dos índices percebeu-se que apenas o Kc indicou propensão a inundação e mesmo assim pouco propensa. Conclusão A microbacia do Rio Dois Vizinhos não apresenta risco de cheias em condições normais de pluviosidade anual. O método de vetorização manual, além de apresentar-se sem custos, ser realizado através de um programa acessível e de fácil domínio, foi o mais eficiente, pois gerou valores semelhantes à verdade a campo. 8961

7 Referências AGUAS PARANÁ; Bacia do Rio Iguaçu Bacias Hidrográficas do Paraná, Uma Série Histórica. sd. Disponível em: <http://www.aguasparana.pr.gov.br/arquivos/file/bacias/iguacu.pdf> Acessado em: 08 de Novembro de CARVALHO, D. F.; SILVA, L. D. B.; Hidrologia Cap. 3: Bacia Hidrográfica. Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/deng/leonardo/downloads/apostila/hidro-cap3- BH.pdf> Acessado em: 05 de novembro de DOIS VIZINHOS, Dados gerais do município. Disponível em: <http://www.doisvizinhos.pr.gov.br/2009/dadosgerais.asp>. Acesso em 04 de dezembro de EARTH REMOTE SENSING DATA ANALYSIS CENTER ERSDAC. ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM). Disponível em: <http://www.ersdac.or.jp/gdem/e/1.html>. Acesso em: 17 de jan EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA EMBRAPA. Sistema brasileiro de classificação de solos. 2 ed. Rio de Janeiro, Embrapa Solos, p INSTITUTO AGRONÔMICO DO PARANÁ IAPAR, Cartas Climáticas do Paraná. Disponível em:< Acessado em 08 de novembro de INSTITUTO PARANAENSE DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL IPARDES. Caderno Estatístico Município de Dois Vizinhos MAACK, R Geografia Física do Estado do Paraná. Curitiba, PR. OLIVEIRA, J.B.; MENK, J.R.F. Latossolos Roxos do Estado de São Paulo. Campinas: Instituto Agronômico, Boletim Técnico, p.135. OSTROWSKY, M. S. B.; Urbanização e controle de enchentes: o caso de São Paulo, seus conflitos e inter-relações. Tese de Mestrado (Mestrado em Engenharia), Versão Abreviada disponível no Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departamento de engenharia da construção Civil, PISSARRA, T. C. T.; RODRIGUES, F. M.; POLITANO, W.; GALBIATTI, J. A.; Morfometria de Microbacias do Córrego Rico, Afluente do Rio Mogi-Guaçu, Estado de São Paulo Brasil. Artigo, Revista Árvore, v.34, n.4, Viçosa-MG, p SOUZA, C. R. G.; Suscetibilidade Morfométrica de Bacias de Drenagem ao Desenvolvimento de Inundações em Áreas Costeiras. Artigo - Revista Brasileira de Geomorfologia, Ano 6, Nº 1, p STRAHLER, A. N. Hypsometric (area-altitude) analysis of erosion al topography. Geological Society of America Bulletin, v.63, n.10, p

8 TONELLO, K. C.; DIAS, H. C. T.; SOUZA, A. L.; RIBEIRO, C. A. A. S.; LEITE, F. P.; Morfometria Da Bacia Hidrográfica Da Cachoeira Das Pombas, Guanhães MG. Artigo, Revista Árvore, Viçosa-MG, v.30, n.5, p

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