DELIMITAÇÃO DA PLANÍCIE DE INUNDAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SANTA MARIA RS COM BASE EM MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÃO EM AMBIENTE SIG

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1 DELIMITAÇÃO DA PLANÍCIE DE INUNDAÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SANTA MARIA RS COM BASE EM MODELO DIGITAL DE ELEVAÇÃO EM AMBIENTE SIG Rute Daniela Chaves 1 *; Henrique Noguez da Cunha 2 ; Daniela Arnold Tisot 3 ; Adalberto Koiti Miura 4 ; Gilberto Loguercio Collares 5 Resumo Para a região da Bacia Hidrográfica do Rio Santa Maria (BHRSM) delimitar a planície de inundação tem uma importância agrícola a em especial ao cultivo do arroz irrigado que é predominante na região. O presente estudo teve por objetivo delimitar e quantificar a área da planície de inundação da BHRSM. Para tanto foi utilizado um Modelo Digital de Elevação (MDE), hidrologicamente coerente, que possibilitou a extração dos cursos d água e delimitação da bacia em ambiente de Sistema de Informação Geográfica (SIG). Com o uso do descritor de terreno Height Above the Nearest Drainage (HAND) se obteve informações de altitude em relação a drenagem. As áreas sujeitas às inundações na BHRSM foram estimadas em, aproximadamente. 11 mil ha, concentrando-se no centro da bacia hidrográfica. Conclui-se que a metodologia empregada obteve êxito para o presente estudo e a aplicação pode ser indicada para estudos relacionados ao delineamento de áreas inundáveis. Palavras-Chave HAND, planície de inundação DELIMITATION OF FLOOD PLAIN OF THE RIVER BASIN RIVER SANTA MARIA RS BASED DIGITAL MODEL OF HIGH ENVIRONMENTAL GIS Abstract- For the region of River Basin Santa Maria (BHRSM) delimit the flood plain has a special agricultural importance in the cultivation of rice that is prevalent in the region. This study aimed to define and quantify the area of BHRSM floodplain. For this we used a Digital Elevation Model (DEM), hydrologically consistent, which allowed the extraction of watercourses and delimitation of the basin in Geographic Information System (GIS). Using the terrain descriptor Height Above the Nearest Drainage (HAND) was obtained altitude information regarding drainage. The areas subject to flooding in BHRSM were estimated at approximately 11 thousand square kilometers, focusing on the center of the basin. It is concluded that the method was successful for this study and the application may be indicated for studies related to the delineation of wetlands. Keywords HAND, floodplains 1 Mestranda no PPG em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Pelotas UFPel. rutedaielachaves@gmail.com 2 Mestrando no Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia na Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. e- mail: henriquencunha@gmail.com 3 Professor Titular, Tecnólogo em Geoprocessamento na UFPel. dtisot@hotmail.com 4 Pesquisador, Embrapa Clima Temperado. adalberto.miura@embrapa.br 5 Professor Titular, PPG em Recursos Hídricos do Centro de Desenvolvimento Tecnológico da UFPel. collares@ufepel.tche.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO Planície de inundação é a faixa do vale fluvial composta de sedimentos aluviais, bordejando o curso de água e periodicamente inundada pelas águas de transbordamento proveniente do rio (PEREZ FILHO et al., 2006). Embora esta definição seja admissível, a planície de inundação pode ser definida e demarcada por critérios diferentes, conforme a perspectiva e os objetivos do pesquisador (CHRISTOFOLETTI, 1980). As formações dos solos aluviais apresentam, por sua vez, deficiência de drenagem (hidromorfismo), ocasionando solos que contribuem para a pecuária de corte e o cultivo de cereais, como, arroz irrigado ( WENDT et al., 2004). A bacia hidrográfica é a área de captação natural de águas pluviais e fluviais que converge os escoamentos para um único ponto de saída, seu exutório (TUCCI, 2002). A bacia hidrográfica é o ambiente fundamental de análise no ciclo hidrológico, principalmente na sua fase terrestre, que engloba a infiltração e o escoamento superficial (ARAÚJO et al., 2003). Sua utilização como recorte espacial básico para os estudos ambientais tem sido proposta por muitos autores, tendo em vista que as alterações decorrentes das interferências humanas sobre o ambiente refletem-se na bacia hidrográfica como um todo (IBGE, 2009). O descritor de terreno Height Above the Nearest Drainage (HAND), traduzido para altura acima da drenagem mais próxima, desenvolvido por Rennó et al., (2008), calcula, como já refere o nome, a altura do terreno em relação a drenagem mais próxima e tem sido avaliado em classificação de solos, revelando forte correlação entre as condições de água no solo, nível do lençol freático e a topografia (PEREIRA et al., 2011). Como objetivo de mapear as planícies de inundação da Bacia hidrográfica do Rio Santa Maria, RS, BHRSM, foi empregado o HAND, modelo que utiliza um Modelo Digital de Elevação (MDE) como base, associado a outros elementos do terreno, aplicado para delimitar e quantificar as áreas de planície de inundação com o apoio de ferramentas de Sistema de Informação Geográfica (SIG). MATERIAIS E MÉTODOS Localização e descrição da área de estudo A Bacia Hidrográfica do Rio Santa Maria RS (BHRSM) está localizada ao sul do Estado do Rio Grande do Sul (RS), abrangendo os municípios de Lavras do Sul, Santana do Livramento, São Gabriel, Rosário do Sul, Cacequi e Dom Pedrito. Segundo FEPAM (2001), sua área totaliza aproximadamente 16 mil km². O rio Santa Maria, que atribui o nome a bacia da área de estudo, está orientado no sentido Sul-Norte, com nascente a nordeste do município de Dom Pedrito e tem sua foz/exutório no Rio Ibicuí, no município de Cacequi. Sua aparência de y invertido se dá pelo encontro do seu afluente Ibicuí-da-Armada com o rio Santa Maria da cidade de Rosário do Sul (Figura 1). A partir deste confluente, o rio segue no sentido norte até seu exutório no rio Cacequi. O principal uso de água se destina à irrigação de cultivos de arroz, causando déficits hídricos durante o verão (SEMA, 2010) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1- Localização da área de estudo. Fonte: IBGE (2013); HASENACK, H. WEBER, E. (2010). Segundo um estudo realizado pela Fundação Estudual de Proteção Ambiental (FEPAM) a atividade agropecuária é a atividade economica em predomínio na região, voltada principalmente ao arroz irrigado e ao gado de corte. Os recursos hídricos da bacia vem sendo constantemente afetados pelo manejo agrícola incorreto com o desmatamento para expansão de lavouras, considerado o principal fator do aumento dos processos erosivos, formação de vossorocas e consequentemente transporte de sedimentos para os cursos d`água. A irrigação da cultura do arroz, principal atividade agrícola na bacia e com importância econômica significativa, se configura como um dos principais usos dos recursos hídricos da bacia hidrográfica, aproximadamente 147 mil l/s, durante o período de irrigação, coincidente com o verão, período que os demais usos também são intensos. As pastagens naturais ou implantadas ocupam 80% da bacia, destinando-se especialmente para o rebanho bovino que é a segunda maior atividade econômica observada na região da bacia (FEPAM, 2001). Procedimentos e materiais digitais Para a determinação das áreas de planícies de inundação, torna-se necessário, inicialmente, identificar a bacia hidrográfica e sua rede de drenagem e, a partir dela, delimitar até que altitude será considerada como zona de alagadiça. No processamento dos dados foram utilizadas as seguintes informações carto-temáticas da área de estudo: limites municipais (IBGE, 2013), áreas urbanas, hidrografia (HASENACK e XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 WEBER, 2010). Estes dados foram integrados em ambiente SIG ArcGis 9.3 com as extensões Spatial Analyst e 3D-Analyst (ESRI, 2008). Além dos dados já relacionados utilizou-se MDEs do projeto TOPODATA elaborados a partir dos dados SRTM, disponíveis no Banco de Dados Geomorfométricos do Brasil (VALERIANO, 2008). Diversos autores destacam a importância da correção de altitude para obtenção de um dos MDE hidrologicamente coerente (PENHA e SILVA, 2012). Desta forma, o primeiro passo foi aplicar a ferramenta Fill presente na extensão Spatial Analyst do Arcgis, que suprime zonas de valores extremos (depressões e picos) eliminando as imperfeições no MDE (sinks). A primeira etapa da análise da topografia para resultar dados de interesse hidrológico foi a definição de direções de escoamento para cada elemento da matriz do MDE (COLLISCHONN et al., 2010). As direções de fluxo d água foram definidas pela ferramenta Flow Direction, que consiste em determinar a direção do escoamento considerando a maior declividade de uma célula em relação a suas oito células limítrofes O passo seguinte foi estabelecer o conjunto de fluxo de acúmulo, com a ferramenta Flow Accumulation, atribuindo-se para cada célula um valor igual ao número de células que fluem para ela. Determinado o fluxo de acúmulo foi realizada a extração da rede de drenagem, condicionando um limiar ao qual determina os valores de acúmulo dos fluxos, após convertida em arquivo vetorial pela ferramenta Stream to Feature, sobre o qual foi gerado um ponto geográfico no exutório revelado. A partir dos dados obtidos, foi utilizada a ferramenta de delimitação de bacias hidrográficas Watershed para o delineamento dos limites topográficos da BHRSM. (Figura 2). Determinação da área de interesse Obtenção dos dados altimétricos MDE Correçâo de falhas por meio do comando Fill Determinação das direções de escoamento por meio do comando Flow Direction Determinação das zonas de acúmulo pelo comando Flow Accumulation Determinação dos cursos d'água, utilizando o comando Con e Stream to Feature Delimitação da bacia hidrografica pelo comando Watershed Bacia Hidrográfica da área de estudo Figura 2 - Metodologia de obtenção de uma bacia hidrográfica no ArcGis 9.3. Para determinar o represamento das águas, utilizou-se o módulo livre HAND, executável em IDL, desenvolvido por Rennó et al. (2008). O HAND mede a diferença altimétrica entre qualquer ponto da grade do MDE e o respectivo ponto de escoamento na drenagem mais próxima, considerando a trajetória superficial de fluxo que liga topologicamente os pontos da superfície com a rede de drenagem. O resultado é uma grade representando a normalização do MDE com relação à drenagem (Figura 3). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Figura 3-1. Grade matricial MDE; 2. Direção de fluxo; 3. Fluxo acumulado; 4. Drenagem; 5. HAND. Adaptado de Cunha et al. (2014). Nobre et al. (2011) enfatizam que as superfícies planas, quando utilizadas para determinar as direções de fluxo, deixam dúvida, no entanto as consequências não são relevantes ao processo HAND, pois oscilações horizontais na vazante sobre a superfície plana não tem efeito sobre a posição vertical relativa ao terreno circundante. Para determinar o nível máximo das cheias na BHRSM foram analisados dados da série histórica, 2005 a 2014, do posto pluviométrico da estação , na cidade de Rosário do Sul, obtidos no banco de dados Hidroweb - Sistema de Informações Hidrológicas disponibilizado pela Agência Nacional da Água (ANA). Desta forma, as áreas alagáveis foram classificadas pela altura média e máxima das cheias (1,2 áreas alagáveis 9,5 m). RESULTADOS E DISCUSSÃO As áreas sujeitas a inundações na BHRSM foram quantificadas em aproximadamente 11 mil km², o que equivale a 67% da área total da bacia, concentrando-se no centro da bacia. O algoritmo HAND apresentou grande potencial para determinação destas áreas (Figura 4). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 4 - Resultado do HAND subdividido em até 9,5 m A BHRSM possui um relevo plano à suave ondulado envolvendo quase a totalidade da bacia. A análise do resultado do descritor HAND expõe essa característica através da homogeneidade entre o nível de inundação média de 1,2 m e a máxima de 9,5 m, mostrando a proximidade do lençol freático com a superfície. O descritor HAND para caracterizar aspectos hidrológicos da área favorece analises referentes ao cultivo de arroz irrigado cultura predominante na região. O método se mostrou satisfatório para detecção das áreas de planície aluviais. De modo a complementar o trabalho quando comparados a estudos anteriores sobre localização de várzeas do Estado as áreas corresponderam, sendo que as planícies sobrepuseram as várzeas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Outros autores também têm obtido sucesso ao utilizar a metodologia proposta neste estudo. Testes realizados por Rennó et al. (2008) com o HAND em áreas da bacia amazônica, revelaram forte ligação entre o modelo, as classes de profundidade do lençol freático e a topografia local. Alfaya (2012) avaliou o uso de dados SRTM e o descritor HAND para mapear as áreas alagadas da calha do rio Solimões-Amazonas, utilizando análise baseada em objeto, cujos resultados revelaram que os dados e o método utilizados são propícios para esse tipo de mapeamento e de área de estudo. Os dados altimétricos das imagens do TOPODATA revelam ampla utilidade para fotointerpretação e análises geomorfológicas proveniente da resolução espacial que os processamentos realizados proporcionando uma alta qualidade visual, mas tem empregado uma fonte propagadora de erros em virtude de ser derivado de interpolações dos dados SRTM. Para diminuir os erros é aconselhável o uso de imagens com dados brutos e originais com a mesma, ou melhor, resolução espacial, todavia o dado é pesado para analises hidrológicas, ocasionando muito tempo de processamento. CONCLUSÃO Por apresentar uma área de captação com elevado número de canais afluentes, este estudo revelou que grande parte da BHRSM, principalmente próxima à rede hidrográfica, está sujeita às inundações. As planícies de inundação constituem áreas planas a levemente inclinadas, formados por solos derivados dos sedimentos transportados pelos rios no processo de aluviação e coluviação. Para analisar essa formação é preciso de dados e métodos compatíveis, fatores que podem alterar de acordo com as características da área de estudo. A metodologia proposta para o mapeamento das planícies de inundação na BHRSM revelouse adequada, com êxito no resultado obtido. O sucesso do método aplicado pode ser influenciado pela escolha de entrada adequada dos parâmetros. Características distintas dos dados auxiliares pode servir de forma diferente para objetivos específicos. Um método/parâmetro pode ser bem sucedido para algum estudo, mas em outro pode falhar. O método empregado pode ser recomendado para utilização em análises semelhantes em outros ambientes, desde que seja realizada a adequação dos parâmetros locais, visando a sua eficiência. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem as bolsas concedidas pela CAPES, a EMBRAPA pelo suporte e aos programas de pós-graduação pelo apoio. REFERÊNCIAS ALFAYA, F. A. V. da S. Mapeamento das áreas alagadas da calha do rio Solimões Amazonas utilizando analise baseada em objeto com dados SRTM. INPE, São José dos Campos, ANA - Agencia Nacional de Água. HIDROWEB: Sistema de Informações Hidrológicas. Disponível em: hidroweb.ana.gov.br/. Acesso em 20 out ARAÚJO, L. E. DE et al. Bacias hidrográficas e impactos ambientais. p. 1 18, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 CHRISTOFOLETTI, A. Geomorfologia Fluvial. 1. ed. São Paulo: Edgar Blucher LTDA, v. 1. COLLISCHONN, W. et al. Manual de Discretização do modelo MGB-IPH. Projeto Integrado de Cooperação Amazônica e de Modernização do Monitoramento Hidrológico. [S.l.]: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL., 2010 CURTARELLI, M.; CREMON, É. Redução do efeito dossel no MDE-SRTM utilizando técnicas de processamento digital de imagens. Remoto, 15 (SBSR), FEPAM. Enquadramento dos recursos hídricos superficiais da bacia hidrográfica do rio Santa Maria. n. 51, FIDALGO, E. C. C.; CARVALHO JÚNIOR, W. DE; GODOY, M. D. P. Análise da qualidade do modelo digital de elevação para representação da bacia hidrográfica do rio Guapi-Macacu, RJ. In: XVI Congresso Brasileiro de Águas Subterrâneas e XVII Encontro Nacional de Perfuradores de Poços, p , IBGE. Manual técnico de geomorfologia. Coordenação de Recursos Naturais e Estudos Ambientais. Rio de Janeiro: Instituto Brasileiro de Geografi a e Estatística., 2009 NOBRE, A. D. et al. Height Above the Nearest Drainage - a hydrologically relevant new terrain model. Journal of Hydrology, v. 404, n. 1-2, p , jun PENHA, A. D. L. T. DA; SILVA, D. C. DA. Correção De Erro De Altitude Em Mds Aster-Gdem Em Delimitação De Bacia Hidrográfica. IV Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação, p. 1 9, PEREIRA, M. M. E. et al. Comparação entre o descritor de terreno HAND e o índice NDVI. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, p. 1 9, PEREZ FILHO, A.; ZANCOPÉ, M. H. C.; BRIGUENTI, E. C. Hierarquia fluvial e planícies de inundação. VI Simpósio Nacional de Geomorfologia, p. 4567, RENNÓ, C. D. et al. HAND, a new terrain descriptor using SRTM-DEM: Mapping terra-firme rainforest environments in Amazonia. Remote Sensing of Environment, v. 112, n. 9, p , set SEMA. GOVERNO DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL Secretaria do Meio Ambiente - Serviços e Informações - (SEMA). TUCCI, C.E.M. (Org.) (2002) Hidrologia: ciência e aplicação. 2. ed. Porto Alegre: Editora UFRGS: ABRH, p. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos; v.4) WENDT, W.; TOESCHER, C. F.; CAETANO, V. DA R. Comportamento de genótipos de trigo cultivados em dois ecossistemas de terras baixas na metade sul do Rio Grande do Sul. Embrapa Clima Temperado, p. 1 3, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8