EFEITO DA ESCALA NA OBTENÇÃO DE PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS EM PEQUENA BACIA EXPERIMENTAL

Transcrição

1 EFEITO A ESCALA NA OBTENÇÃO E PARÂMETROS MORFOMÉTRICOS EM PEQUENA BACIA EXPERIMENTAL Aline de Aleida Mota 1* ; Masato Kobiyaa 2 ; Roberto Fabris Goerl 3 ; Fernando Grison 4 ; Joana Nery Giglio 5 ; Albert Teixeira Cardoso 6 & Gean Paulo Michel 7 Resuo O presente trabalho teve por objetivo avaliar a influência da escala da base cartográfica e da resolução do ME na estiativa de alguns parâetros orfoétricos na bacia do rio Araponga (ARA) (5,3 ha). Fora identificadas duas bases cartográficas disponíveis até aquele oento. Na prieira base cartográfica não é possível observar o rio Araponga, e na segunda o detalhe não era suficiente. Por isso realizou-se levantaento topográfico co uso de GPS e estação total de toda a área da bacia. A rede de drenage foi extraída co o uso do Arc Hydro e apoiada nas observações de capo. A prieira diferença que pode ser notada entre os MEs derivados do levantaento topográfico e o da SEPLAN é a deliitação da bacia, que udou drasticaente auentando a área da bacia. As observações de capo se ostrara uito úteis na extração da rede de drenage. As diferenças entre valores de parâetros orfoétricos estiados chegara a 27,9%. O levantaento topográfico ais detalhado se ostrou uito iportante para o estudo hidrológico de pequenas bacias. As diferenças identificadas na estiativa de parâetros orfoétricos da bacia são significativas e pode influenciar outros cálculos. Palavras-Chave escala da base topográfica; levantaento topográfico; bacia do rio Araponga MAP SCALE EFFECT ON MORFOMETRIC PARAMETERS ESTIMATION IN A SMALL EXPERIMENTAL BASIN Abstract This study aied to assess the influence of ap scale and EM resolution on soe orphoetric paraeters estiation in Araponga river basin (ARA) (5.3 ha). Up to that tie, two available cartographic bases were identified. It is not possible to observe Araponga river on the first cartographic basis, and the second was not enough detailed. So, the entire basin area was surveyed by using GPS and total station. The drainage network was extracted by using Arc Hydro and inforation of the field observations. The first difference that can be noticed between the EMs derived fro surveying and SEPLAN is the delineation of the basin, which has drastically changed with the increasing of the basin area. The field observations cae about to be very useful on drainage network extracting. The differences between the estiated orphoetric paraeters reached 27.9%. The ost detailed survey proved to be very iportant for the hydrological studies of sall basins. The differences identified on the estiation of orphoetric paraeters are significant and can influence other calculations. Keywords cartographic base scale; survey; Araponga river basin 1 Bolsista do CNPq, outoranda do PPG - Recursos Hídricos e Saneaento Abiental, IPH/UFRGS, Av. Bento Gonçalves, 9500, Caixa Postal 15029, Porto Alegre/RS, , Brasil. E-ail: alineota10@gail.co 2 Bolsista do CNPq, Professor associado IV, IPH/UFRGS. E-ail: asato.kobiyaa@ufrgs.br 3 Bolsista Reuni, outorando do Prograa de Pós-Graduação e Geografia, UFPR. E-ail: roberto.fabris@gail.co 4 Professor Assistente I, Engenharia Hídrica, CTec/UFPel, E-ail: fernando.grison@ufpel.edu.br 5 Mestre e Engenharia Abiental, PPGEA/ENS/UFSC. E-ail: joana_n_g@yahoo.co.br 6 Mestre e Engenharia Abiental, PPGEA/ENS/UFSC. E-ail: albertcardoso@hotail.co 7 Bolsista do CNPq, outorando do PPG - Recursos Hídricos e Saneaento Abiental, IPH/UFRGS. E-ail: geanpichel@gail.co *Autor Correspondente XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTROUÇÃO A significativa contribuição científica de estudos de onitoraento hidrológico e pequenas bacias experientais para o avanço da hidrologia física é indiscutível (Whitehead & Robinson, 1993; Jones & Swanson, 2001). A aioria destes estudos foi realizada nas décadas de 60 e 70, e envolvia a questão dos ecanisos de geração de vazão (Hewlett & Hibbert, 1961; Ragan, 1967; Tsukaoto, 1963). Meso após ais de cinquenta anos, este tea configura entre as pesquisas que estão na fronteira da ciência hidrológica. A eficiência do onitoraento e entendiento dos processos hidrológicos está condicionada a utilização de ua escala espaço-teporal adequada de observação. Por exeplo, a escala do fluxo subsuperficial não-saturado é relativa a 1 de perfil de solo, (Blöschl & Sivapalan, 1995). Por isso, a escala de pequenas bacias, e até apenas encostas destas bacias é essencial para o desenvolviento da hidrologia. No Brasil, Rocha & Kurtz (2001) definira icrobacia desde a perspectiva do planejaento integrado co enfoque e atividades de reflorestaento. Segundo esses autores, pequena bacia é aquela que te área enor que ha e cartas na escala de 1: Para Toebes & Ouryvaev (1970), as pequenas bacias te área de no áxio 4 k 2. Na área da hidrologia urbana, Ponce (1989) define pequena bacia coo sendo aquela na qual a vazão pode ser odelada considerando que a chuva seja constante no tepo e no espaço. Para os autores do presente trabalho, pequenas bacias são aquelas de no áxio 1 k 2 e co sistea fluvial de no áxio 2ª orde. No Brasil, há grande carência de dados hidrológicos de pequenas bacias. A instalação e coleta de dados tivera coo seu principal agente o setor de geração de energia hidrelétrica. esta fora, há poucas estações e bacias co área enor que 500 k 2. O onitoraento das pequenas bacias reveste-se, portanto, de fundaental iportância para copleentação da rede de inforações hidrológicas, alé de sua natural vocação para o estudo detalhado dos processos físicos, quíicos e biológicos atuantes no ciclo hidrológico (Paiva & Paiva, 2001). No início do estudo de deterinada bacia hidrográfica, os parâetros orfoétricos da esa deve ser analisados. Para isto é necessário ter bases cartográficas. Alé disso, a partir das bases topográficas tabé é possível extrair inforações hidrológicas coo a rede drenage co a aplicação de algoritos coo o 8 proposto por (O Callaghan & Mark, 1984), ou proposto por (Tarboton, 1997). iversos autores (por exeplo, Wise, 2000; Thopson et al., 2001; Chaplot, 2005; Sørensen & Seibert, 2007; Aryal & Bates, 2008) ostrara que a escala da base topográfica, assi coo a resolução do Modelo igital de Elevação (ME) influencia tanto na obtenção de parâetros orfoétricos coo e siulações hidrológicas baseadas na topografia da bacia. Wang & Yin (1998) coprovara que a área da bacia tabé é ua das causas de erros associados à extração da rede de drenage. Poré, eles trabalhara e ua variação de 150 a 1000 k 2, e alerta sobre a necessidade de ua investigação sobre o efeito de escala na obtenção desses parâetros e bacias enores. E concordância, McMaster (2002) verificou que rios de prieira e segunda orde não são identificados e bases derivadas da interpretação de fotografias aéreas por conta da copa da vegetação ipedir a visualização desses rios. Por conta desta dificuldade, esse autor recoendou então, a cobinação de visitas a capo para localização adequada desses rios de enor orde. Assi, na tendência de detalhar ainda ais a escala, Taufique & Vivoni (2011) realizara o prieiro estudo buscando identificar estes esos ipactos da resolução do ME na escala de encosta, poré co o foco e variação da uidade do solo. XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 iante do exposto, o presente trabalho teve por objetivo avaliar a influência da escala da base cartográfica e da resolução do ME na estiativa de alguns parâetros orfoétricos de ua pequena bacia experiental localizada no norte do estado de Santa Catarina. 2. ÁREA E ESTUO A bacia do rio Araponga (ARA) está localizada na zona rural do unicípio de Rio Negrinho, norte do estado de Santa Catarina (Mota, 2012). A bacia dista cerca de 25 k do seu centro urbano do unicípio. Co respeito ao seu posicionaento geográfico, a bacia está W e S. O rio Araponga drena na direção sudeste até o rio do Salto, que a jusante recebe contribuição do rio Feio e deságua no rio Corredeiras (Figura 1). Assi, a ARA está nas cabeceiras da bacia do rio Corredeiras (BHRC), e passou a integrar a Rede de Bacias-escola proposta por Kobiyaa et al. (2008) a partir de Paraná Rio Grande do Sul Santa Catarina Vertedor ARA Estradas Rios C. N. (eq. 10) ARA Zona Urbana k BHRC Rio Negrinho Figura 1 Localização da bacia hidrográfica do rio Araponga. 3. MATERIAIS E MÉTOOS 3.1 Identificação das inforações geográficas disponíveis O prieiro passo consistiu e coletar pontos na exutória da ARA para sua localização prévia e bases cartográficas existentes. Estes pontos fora coletados co uso de GPS de navegação da arca Garin odelo GPSap 76CSx. As bases cartográficas disponíveis até aquele oento era duas: (1) Carta topográfica digital São Bento do Sul (SG-22-Z B-I-3) na escala 1:50000, disponível no sítio da Epagri/Cira (Centro de Inforações de Recursos Abientais e de Hidroeteorologia de Santa Catarina) que resultado de ua parceria deste centro co o IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística). (2) Ortofotocarta digital resultado de u XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 levantaento contratado pela SEPLAN (Secretaria de Planejaento e Meio Abiente) da Prefeitura Municipal de Rio Negrinho, e escala 1: A escala da cobertura aerofotogaétrica é 1:20.000, o vôo foi realizado e 04/2005 e a restituição e 07/2006. Nesta base cartográfica é possível visualizar o rio Araponga. Poré, observações e capo peritira concluir que o detalhe apresentado nesta base cartográfica não é suficiente para estudos hidrológicos e escala de detalhe. Não é possível observar o rio Araponga na carta topográfica digital do IBGE/EPAGRI. Meso quando se utiliza ferraentas coo o Arc Hydro (ESRI, 2011), e que se pode gerar a rede de drenage utilizando a base topográfica, o rio Araponga não aparece. Então esta base cartográfica foi excluída da análise. Este tabé é o caso para os dados obtidos do SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) 3.2 Levantaento topográfico Coo as bases cartográficas existentes não apresentava detalhe satisfatório para o estudo foi realizado u levantaento topográfico e capo. O prieiro passo para o levantaento topográfico foi levantar 2 pontos utilizando o receptor L1/L2 odelo Trible GPS 5700 e antena ZephyrTM, co precisão noinal estática horizontal de 5 + 0,5 pp e vertical de pp (Trible, 2001). Os pontos fora aterializados co piquetes de adeira. Os locais escolhidos para instalação dos pontos de base fixa fica livres de obstáculos que ipeça ou dificulte o rastreio do sinal pelo GPS, be coo garante a visibilidade necessária para posterior levantaento co estação total. O étodo de levantaento foi o estático pós-processado, sendo que o período de rastreaento de cada ponto foi de 6 horas. E seguida, os dados do GPS fora pós-processados no Trible Geoatics Office, v juntaente co inforações de estações da rede brasileira onitoraento contínuo (RBMC), disponibilizadas pelo IBGE e seu sítio. O processaento constituiu da triangulação dos dados obtidos e capo co as estações instaladas nas cidades de Curitiba/PR (UFPR), Ibituba/SC (IMBT) e Lages (SCLA). As coordenadas planialtiétricas pós processadas dos 2 pontos fora utilizadas coo estação e ré iniciais do levantaento topográfico co a estação total odelo Leica TCR407. O levantaento foi feito e 13 dias distribuídos ao longo de 4 eses de trabalho. Fora coletados 1690 pontos, incluindo estações e os pontos irradiados, sendo a densidade édia de pontos na área levantada de 2,5 pontos/100 2 (Figura 2(a)). 3.3 Extração da rede de drenage e estiativa dos parâetros orfoétricos A rede de drenage e abas as bases cartográficas foi extraída co o uso do algorito 8 proposto por O Callaghan & Mark (1984), disponível no Arc Hydro (extensão do ArcGIS). E geral, considera-se que justaente por ser ais avançado, a estiativa da rede de drenage gerada pelo algorito, proposto por Tarboton (1997), te elhor qualidade. Poré, coo ostrou McMaster (2002), e bacias declivosas e co a rede de drenage be deterinada, a aplicação do algorito 8 não prejudica a qualidade da rede de drenage extraída. U dos parâetros utilizados para extração da rede de drenage é o valor ínio de área de acuulação a partir do qual se estabelece o início do rio. É evidente que este parâetro influencia significativaente na rede de drenage resultante (Usul & Pasaogullari, 2004; Fernández et al., 2012). Por isso, a adoção de valor para este parâetro te que ser uito cautelosa. urante o XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 levantaento de capo, e e outras visitas à bacia fora levantados tabé pontos co GPS nos locais de nascentes e cursos d água. Então, o procediento consistiu e testar diversos valores para o liiar até que se obtivesse a rede de drenage ais próxia àquela levantada e capo (Figura 2(b)). O valor utilizado para abas as bases corresponde a 7% do valor áxio apresentado no apa de acuulação. Os deais parâetros fora estiados diretaente dos odelos digitais do terreno gerados co as duas bases cartográficas, e das respectivas redes de drenage extraídas. (a) P.L. X Ponto início Estradas (b) [ Ponto controle [ Nascente Curso d'água E Confluência C.N. (eq. 5 ) ARA [ [ E E [ E X X Figura 2 Coleta de dados durante o levantaento topográfico. (a) pontos de início localizados na estrada e todos os pontos resultantes do levantaento topográfico; e (b) pontos coletados co GPS e utilizados coo referência para a extração da rede de drenage e pontos de controle do levantaento. 4. RESULTAOS E ISCUSSÃO O ME obtido da interpolação dos pontos do levantaento topográfico revela u grau de detalhe que não podia ser observado quando no ME gerado da interpolação das curvas de nível da base cartográfica SEPLAN. A prieira diferença que pode ser notada é a deliitação da bacia, que udou drasticaente auentando a área da bacia (Figura 3). Alé disso, o levantaento topográfico possibilitou a identificação de encostas uito ais declivosas do que aquelas apresentadas no ME da base SEPLAN. Na Figura 3(b) são apresentadas a rede de drenage que estava disponível na base da SEPLAN e aquela extraída no ME gerado co as esas curvas, poré foi adotado o valor ínio de área de acuulação coo explicado na seção 3.3 de aneira que a rede de drenage respeitasse as observações e capo. Então, utilizando os esos dados de altietria foi possível XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 obter ua rede de drenage uito ais próxia aquela do levantaento topográfico apenas ajustando o liiar co a observação da rede de drenage e capo. (a) Rios C. N. (eq. 5 ) Elevação () 1006,4 880,4 (b) Rios SEPLAN Rios C.N. (eq 10) Elevação () 1001,4 879,3 Figura 3 Modelos igitais de Elevação ARA. (a) Base cartográfica obtida a partir do levantaento topográfico, escala 1:5.000, resolução do ME: 1 ; e (b) Base cartográfica do levantaento aéreo da Prefeitura Municipal de Rio Negrinho, escala 1:10.000, resolução do ME 2. Na Tabela 1 são apresentados alguns parâetros orfoétricos estiados no intuito de coparar as 2 bases. Pela verificação da diferença, percebe-se que a aioria estava subestiada co a base de enor detalhe. Os parâetros relacionados ao copriento da drenage e à área da bacia fora os que apresentara aiores diferenças, seguidos pela diferença aproxiada de 18% no períetro. Tabela 1 Parâetros orfoétricos e coparação das duas escalas. Parâetro unidade 1: :5.000 iferença (%) Área (ha) 4,24 5,26-19,5 Copriento da drenage () 364,80 506,25-27,9 ensidade de drenage (/ 2 ) 0, , ,5 Períetro () 817,57 994,21-17,8 Cota nascente () 969,97 964,05 0,6 Cota exultória () 879,31 880,67-0,2 Copriento do rio principal () 292,25 276,62 5,7 eclividade édia do canal (/) 0,31 0,30 2,9 XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 5. CONCLUSÕES Após a constatação de que as bases cartográficas disponíveis não apresentava grau de detalhe suficiente para o estudo proposto na pequena bacia experiental do rio Araponga, concluise que u levantaento topográfico ais detalhado seria necessário. Esta atividade se ostrou uito iportante para o estudo hidrológico de pequenas bacias. Isso porque fora identificadas diferenças significativas na estiativa de parâetros orfoétricos da bacia. O parâetro relativo ao copriento da rede de drenage foi o que apresentou aior diferença, sendo 27,9% enor na base co enos detalhe do que na base ais detalhada. Alé disso, a área da bacia, estiada e aproxiadaente 4,2 ha, passou a ser 5,3 ha, o que representa ua diferença de 19,5%. É iportante notar que a deliitação da bacia se alterou significativaente. O reconheciento e levantaento detalhado das características fisiográficas das pequenas bacias são fundaentais no estudo das esas. Apesar de pequenas bacias tendere a ser ais hoogêneas, ua pequena heterogeneidade pode ter u efeito relativaente aior do que teria se a bacia fosse aior. Os parâetros orfoétricos de bacias hidrográficas são iportantes não apenas para caracterização do objeto de estudo, as tabé para aplicação de diversos odelos e étodos hidrológicos. U exeplo de parâetro hidrológico que pode ser estiado a partir de parâetros orfológicos da bacia é o tepo de concentração. Mota (2012) verificou que o tepo de concentração é bastante sensível aos parâetros orfoétricos da bacia. Assi, é extreaente iportante que se tenha o detalhaento adequado para análises hidrológicas e pequenas bacias. Este detalhaento está relacionado inicialente co o reconheciento da área e capo. Confore resultado da Figura 3(b), após a siples inspeção e capo das características da rede de drenage e coleta de dados de GPS já foi possível extrair a rede de drenage ais fidedigna. A iportância da observação destes liites e capo, principalente e bacias de prieira e segunda orde, tabé é evidenciada por McMaster (2002). A influência da escala da base cartográfica foi coprovada a partir da diferença obtida nos parâetros orfoétricos. Alé disso, coo a resolução do ME depende da escala dos dados altiétricos utilizados, a rede de drenage extraída tabé foi influenciada. Assi coo tabé alertara Sørensen & Seibert (2007), no caso deste trabalho o ME ais detalhado se fez necessário, as é iportante observar que ne sepre o ME de aior resolução é o ais útil. Isto depende uito do estudo ou análise que se pretende realizar. Por exeplo, para estudar ecanisos de geração de vazão, a inforação de topografia deve ser e ua resolução ais refinada. Portanto, ua das principais conclusões deste trabalho, que está e concordância co Wise (2000), é que tanto a qualidade do ME deve ser analisada para cada caso, de fora que os resultados obtidos seja coerentes. REFERÊNCIAS ARYAL, S.K. & BATES, B.C. (2008) Effects of catchent discretization on topographic index distributions. Journal of Hydrology 359(1-2), pp BLÖSCHL, G. & SIVAPALAN, M. (1995) Scale issues in hydrological odelling: a review. Hydrological Processes 9(3-4), pp CHAPLOT, V. (2005) Ipact of EM esh size and soil ap scale on SWAT runoff, sedient, and NO3 N loads predictions. Journal of Hydrology 312(1 4), pp ESRI (2011) Arc Hydro Tools Overview. Redlands: ESRI, 15p. XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 FERNÁNEZ,.C.J.; VALERIANO, M.M.; ZANI, H.; ANRAES FILHO, C.O. (2012) Extração autoática de redes de drenage a partir de odelos digitais de elevação. Revista Brasileira de Cartografia 64/5, pp HEWLETT, J.. & HIBBERT, A.R. (1961) Increases in water yield after several types of forest cutting. International Association of Scientific Hydrology. Bulletin, 6(3), pp JONES, J.A. & SWANSON, F.J. (2001) Hydrologic inferences fro coparisons aong sall basin experients. Hydrological Processes 15(12), pp KOBIYAMA, M.; MOTA, A.A.; CORSEUIL, C.W. (2008) Recursos hídricos e saneaento. 1. ed. Curitiba: Organic Trading, 160p. MAHMOO, T.H. & VIVONI, E.R. (2011) Breakdown of hydrologic patterns upon odel coarsening at hillslope scales and iplications for experiental design. Journal of Hydrology 411(3 4), pp MCMASTER, K.J. (2002) Effects of digital elevation odel resolution on derived strea network positions. Water Resources Research 38(4), pp MOTA, A.A. (2012) Tepo de concentração e pequena bacia experiental. Florianópolis: UFSC/CTC/ENS,. 131f. issertação (Mestrado e Engenharia Abiental) - Prograa de Pós-Graduação e Engenharia Abiental, Universidade Federal de Santa Catarina. O CALLAGHAN, J., & MARK,. (1984) The extraction of drainage networks fro digital elevation data, Coputer Vision, Graphics and Iage Processing 28, pp PAIVA, J.B.. & PAIVA, E.M.C.. (2001) Hidrologia aplicada à gestão de pequenas bacias hidrográficas. Porto Alegre: Editora ABRH, 628 p. PONCE, V.M. (1989) Engineering hydrology, principles and practices. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. 640 p. RAGAN, R.M. (1967) An experiental investigation of partial area contributions, Inter. Ass. Sci. Hydrol. In: Proc. Berne Syposiu, pp ROCHA, J.S.M. & KURTZ, S.M.J.M. (2001) Manual de anejo integrado de bacias hidrográficas. 4. ed. Santa Maria: Edições UFSM CCR/UFSM, 302 p. SØRENSEN, R. & SEIBERT, J. (2007) Effects of EM resolution on the calculation of topographical indices: TWI and its coponents. Journal of Hydrology 347(1-2), pp TARBOTON,. (1997) A new ethod for the deterination of flow directions and upslope areas in grid digital elevation odels. Water Resources Research 33, pp THOMPSON, J.A.; BELL, J.C.; BUTLER, C.A. (2001) igital elevation odel resolution: effects on terrain attribute calculation and quantitative soil-landscape odeling. Geodera 100(1 2), pp TOEBES, C. & OURYVAEV, V. (1970) Representative and experiental basins, an international guide for research and practice. Paris: UNESCO. 348 p. TRIMBLE. (2001) 5700 GPS Receiver: User Guide. Sunnyvale, CA. 168 p. TSUKAMOTO, Y. (1963) Stor discharge fro an experiental watershed. Journal of the Japanese Forestry Society, 45, pp USUL, N. & PAŞAOĞULLARI, O. (2004) Effect of ap scale and grid size for hydrological odeling. In GIS and Reote Sensing in Hydrology, Water Resources and Environent IAHS Publ pp WANG, X. & YIN, Z. (1998) A coparison of drainage networks derived fro digital elevation odels at two scales. Journal of Hydrology 210(1 4), pp WHITEHEA, P.G. & ROBINSON, M. (1993) Experiental basin studies - an international and historical perspective of forest ipacts. Journal of Hydrology 145(3-4), pp WISE, S. (2000) Assessing the quality for hydrological applications of digital elevation odels derived fro contours. Hydrological Processes 14, pp XX Sipósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8