Aplicação do modelo de simulação hidrológica NGFlow à bacia hidrográfica do Alto-Araguaia

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1 Aplicação do modelo de simulação hidrológica NGFlow à bacia hidrográfica do Alto-Araguaia Irvig Diego Matos Carvalho Santana 1, Ivairton Monteiro Santos 1, Peter Zeilhofer 2 1 Instituto Universitário do Araguaia Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) Rodovia MT-100, Km 3, Pontal do Araguaia MT Brasil 2 Departamento de Geografia Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) Av. Fernando Corrêa da Costa, s/n Cuiabá MT Brasil irvigforever@hotmail.com, ivairton@ufmt.br, pitalike@terra.com.br Abstract. The Geographic Information Systems are increasingly present in the studies of hydrology. Used as tools to aid in management of water resources. Currently the main scenario of research in environmental management are the watersheds. Through the application of a hydrological model is possible to extract important data refering to the hydro monitoring, in this case the main focus is the level of flow of the Alto-Araguaia basin, which belongs to the Araguaia-Tocantins basin, obtained by simulation held from NGFlow hydrological model. The basin of the Alto-Araguaia is of great importance in the local context, in addition to shelter different types of biomes, it holds the supply of several towns in the states of Goiás and Mato Grosso. Resumo. Os Sistemas de Informação Geográfica estão cada vez mais presentes na hidrologia, por se apresentarem como ferramentas de auxílio no monitoramento dos recursos hídricos. Através da aplicação de um modelo hidrológico é possível extrair dados importantes no que se refere ao monitoramento hídrico, neste caso o principal foco é a simulação da vazão da bacia hidrográfica do Alto-Araguaia, aplicando o modelo de simulação NGFlow. A bacia do Alto-Araguaia, pertencente à bacia Araguaia-Tocantins, é de suma importância no contexto local, além de abrigar diferentes tipos de biomas ela realiza o abastecimento de vários municípios dos estados de Goiás e Mato Grosso. 1. Introdução Modelos hidrológicos podem ser definidos como representações matemáticas do fluxo de água e seus constituintes sobre alguma parte da superfície [Pullar & Springer 2000]. Estes modelos permitem a simulação de processos físicos, portanto, possuem importância entre outras coisas, na previsão de enchentes ou na estimativa da disponibilidade hídrica em situações de escassez. O uso de simulações em um sistema ambiental, tem como principal objetivo o seu monitoramento através das informações espaço-temporal. A utilização de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) visa auxiliar na gerência e no armazenamento de informações geográficas, a fim de simplificar e otimizar o tratamento desses dados. O estudo da hidrologia, em especial das bacias hidrográficas, tem se tornado essencial, visto que a água é fator determinante para o crescimento de cidades e da

2 qualidade de vida da população. Todas as alterações que ocorrerem nas bacias hidrográficas afetam não só a vida humana, mas também uma complexa rede ambiental. A bacia hidrográfica do Alto-Araguaia posicionada entre os estados de Goiás, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul será o cenário deste estudo, que irá utilizar o modelo de simulação de vazão NGFlow para simular a vazão da bacia hidrográfica, buscando efetuar um estudo computacional sobre a hidrologia da região. 2. Modelo de simulação de vazão NGFlow Este projeto é baseado do modelo de simulação do escoamento de águas em bacias hidrográficas NGFlow [Ye & Maidement 1998]. Tal modelo foi utilizado pela primeira vez na simulação do escoamento dos rios da bacia do rio Niger-África. Trata-se de um modelo de integração de equações, contínuo, semi-distribuído, determinístico, conceitual, do tipo precipitação-vazão, desenvolvido com conceitos de programação orientada a objetos [Santos 2004]. O modelo NGFlow considera os processos do ciclo hidrológico de precipitação e de escoamento superficial da região estudada. Utiliza como dados de entrada as informações de precipitação (série temporal e estações de coleta de precipitação) e o Modelo Numérico de Terreno (MNT) para a realização de simulações. Isso o torna um modelo simples e apesar da sua simplicidade tem demonstrado capacidade em gerar bons resultados de simulação [Santos & Zeilhofer 2005]. O modelo é constituído por pré-processadores e processadores. Os préprocessadores são responsáveis pela preparação dos dados de entrada, calculando entre outras coisas, o equilíbrio do relevo (eliminando possíveis falhas do MNT), definindo o percurso do rio e a divisão de cada trecho do rio em sub-bacias. Todos esses processos são fundamentados no MNT da região. Os processadores do modelo são responsáveis pela padronização dos nomes dos temas e tabelas, aplicação dos pontos de coleta, construção dos polígonos de Thiessen, além da execução da simulação do modelo. A simulação será realizada através dos dados das séries temporais e dos dados obtidos pelos pré-processadores e processadores. 3. Caracterização da região estudada A bacia do Alto-Araguaia está localizada na Zona 22 Sul (coordenada UTM), compreende uma região altiplana com altitudes entre 278m e 1.023m, contém importantes nascentes e afluentes da bacia do Araguaia-Tocantins. Seus limites abrangem territórios de três estados: Goiás, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul, conforme ilustra a Figura 1. A bacia possui a maior parte de suas nascentes em serras, mas se caracteriza por ser uma bacia de planície. Percorre um terreno pobre em nutrientes, e sua flora é constituída basicamente por cerrado apesar de suas nascentes possuírem também biomas pertencentes à região pantaneira (Fonte site da Agência Nacional de Águas - ANA). O MNT da região foi construído a partir de dados disponíveis no site da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) que utiliza dados do projeto Shuttle Radar Topography Mission (SRTM - NASA). A Figura 2 retrata as amostras que foram utilizadas para a composição do MNT da bacia, sendo elas: SD-22-Y-C, SD-23-Y-D, SE-22-V-A, SE-22-V-B, SE-22-V-C, SE-22-Y-A, compreendidas entre os estados de Goiás, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul.

3 Figura 1. Região de abrangência da bacia hidrográfica do Alto-Araguaia. Após a coleta das amostras, foi realizada a unificação e a mudança do padrão de coordenadas, passando do sistema Datum:WGS-84 para UTM. Em seguida, foi realizado o recorte da bacia do Alto-Araguaia através da análise do relevo da região. Terminado o processo de delimitação da bacia, obteve-se como resultado o MNT demonstrado na Figura 3. Figura 2. Amostras de relevo do projeto SRTM utilizadas para a composição do MNT da bacia hidrográfica do Alto-Araguaia. Tendo o MNT, o próximo passo consistiu em obter os pontos de medição de precipitação da região e a série temporal (registros) de cada ponto. Estes dados estão disponibilizados no site da ANA. No total, foram encontrados 21 pontos de coleta de precipitação na região, como demonstra a Figura 4(a). Porém, devido a fatores como a falta de dados (lacunas) nas séries temporais e pontos de coleta desativados, foi necessário a eliminação de alguns pontos, fazendo com que o número caísse de 21 para 9 pontos de coleta de precipitação, como demonstra a Figura 4(b). As informações do MNT e os pontos de medição de precipitação e seus registros são necessários para a execução do modelo NGFlow, ou seja, são dados de entrada para a execução dos pré-processadores e processadores do modelo. Os pré-processadores têm a função de processar, entre outras coisas, o equilíbrio hídrico e delinear o escoamento d água (rio) e suas sub-bacias.

4 Figura 3. MNT da região do Alto-Araguaia. Com a execução dos pré-processadores, os principais produtos obtidos são o tema vetorizado do rio e a divisão da bacia hidrográfica em sub-bacias. Cada sub-bacia comporta apenas um trecho de rio, como demonstra a Figura 5. Os temas vetorizados do rio e suas sub-bacias são os principais dados de entrada para a simulação do modelo NGFlow [Santos 2004]. Figura 4. Seleção dos pontos de coleta de precipitação. Tendo adicionado ao modelo os pontos de coleta de precipitação e gerado os temas do rio e das sub-bacias do sistema, é necessário determinar a interferência das precipitações registradas na bacia. Esse processo se baseia no método dos Polígonos de Thiessen [Goovaerts 2000], que interpola as séries temporais de precipitação com os pontos de coleta de precipitação, gerando um polígono de abrangência. O método define então, a porcentagem de interferência hídrica que determinada sub-bacia sofrerá por estar compreendida em diferentes polígonos de Thiessen. Considere o exemplo da Figura 6, a sub-bacia destacada (em tom escuro) está dividida por dois polígonos de Thissen, logo, sofrerá interferência hídrica de dois pontos de coleta de precipitação. Por sobreposição dos planos de informação das subbacias e dos polígonos de Thiessen, é obtida uma tabela com a estimativa da série temporal de precipitação para cada sub-bacia [Santos 2004]. Por fim, os processadores do modelo, efetuam os cálculos do balanço hídrico e determinam a estimativa de parâmetros fisiográficos nas sub-bacias.

5 Figura 5. Temas vetorizados do rio e suas sub-bacias. Após a execução dos pré-processadores e dos processadores, o sistema está apto à execução do processo de simulação. A simulação irá calcular então, a vazão recebida e transmitida para cada sub-bacia, ou melhor, para cada trecho de rio. Figura 6. Interferências dos polígonos de Thiessen sobre uma sub-bacia. 5. Resultados computacionais Para a validação efetiva da aplicação do modelo NGFlow à região estudada, seria necessário comparações mensais entre os dados de vazão simulados e os observados. Entretanto, foi encontrada somente uma informação que permitisse a comparação entre os dados simulados e os registrados pela ANA. Essa informação corresponde a média anual de vazão na saída da bacia do Alto-Araguaia no ano de 2006, sendo portanto o único parâmetro comparado. Dessa forma, no ano de 2006 foi registrada pela ANA a média anual de vazão de 1071 m³/s na saída da bacia do Alto-Araguaia. Enquanto que as médias anuais obtidas pelo modelo de simulação nos anos de 2003, 2004 e 2005, como demonstrado na Figura 7, foram respectivamente, 1120,2790 m³/s; 1096,5788 m³/s e 1104,2974 m³/s. É importante ressaltar que todos os doze anos das séries temporais foram simulados, mas foram destacados apenas os três últimos anos de simulação por estarem mais próximos

6 ao ano registrado pela ANA. Lembrando que o ano de 2006 não foi simulado, pois não havia dados suficientes para realização da simulação desse ano. A Figura 8 demonstra as médias anuais obtidas através do processo de simulação. Como se pode observar, o nível de vazão do primeiro ano da simulação é bastante elevado, isso ocorre por ser o inicio da simulação e ainda não existir um equilíbrio no sistema. Esse comportamento é esperado e por esta razão, os primeiros dois anos da simulação geralmente são desconsiderados. O gráfico da Figura 8 evidencia uma pequena queda do nível de vazão da bacia do Alto-Araguaia. Porém, não se pode afirmar que a vazão da bacia está diminuindo antes de uma profunda análise. Para essa análise, seria necessário a utilização de mais Figura 7. Resultados das simulação para os anos de 2003 a anos de séries temporais no processo de simulação. Mas como já citado anteriormente, as séries temporais da bacia em estudo possuem muitas falhas de medição, inviabilizando assim a simulação de outros anos. Vazão simulada (m³/s) 3000 Vazão Vazão Anos Figura 8. Média da vazão simulada para todos os anos da série temporal

7 Apesar das restrições encontradas para a análise dos resultados, pela proximidade dos valores médios simulados e o valor descrito pela ANA (mesmo sendo em anos diferentes), estimasse que o modelo teve uma boa adaptação à bacia, já que naturalmente ocorre essa diferença de precipitação entre os anos. 6. Conclusão Atualmente, a hidrologia é uma ciência que ganha cada vez mais importância, pois qualquer alteração que ocorra no ciclo hídrico afeta não só o bioma da região, mas também a vida humana. Nesse sentido, o uso dos SIG s nos estudos da hidrologia facilita a análise, a representação e a manipulação dos dados espaço-temporais. Os modelos hidrológicos são importantes ferramentas para o monitoramento ambiental. Através deles é possível antecipar acontecimentos e apontar alternativas que conduzam a soluções ou previsões de um possível impacto ambiental. Este trabalho visou contribuir para o aumento do conhecimento a respeito dos processos hidrológicos da bacia hidrográfica do Alto-Araguaia, que além de possuir um bioma diversificado, é responsável pelo abastecimento de água de várias cidades dos estados de Goiás e Mato Grosso, incluindo a região pólo de Barra do Garças (MT). O modelo NGFlow, por sua vez, mostrou-se eficaz na estimativa de vazão nas bacias do rio Niger e Cuiabá. Porém devido a quase inexistência de dados técnicos da bacia hidrográfica do Alto-Araguaia, não foi possível a realização de comparações entre as vazões simuladas pelo modelo e as vazões medidas pelos pontos de registro da ANA. Entretanto, devido à proximidade dos valores médios simulados e o observado (mesmo que em anos diferentes), estima-se que o modelo NGFlow está bem adaptado à bacia do Alto-Araguaia. Para os trabalhos futuros, espera-se encontrar dados que permitam validar as simulações para a bacia estudada, permitindo uma melhor otimização do modelo para a região. Além disso, há a proposta de implementar técnicas de inteligência artificial, como Algoritmos Genéticos, buscando automatizar o processo de otimização do modelo de simulação. 7. Referência bibliográfica Goovaerts, P. (2000), Geostatistical approaches for incorporating elevation into the spatial interpolation of rainfall. Journal of Hydrology 228, p Pullar, D. & Springer, D. (2000), Towards integrating GIS and catchment models. Environmental Modelling & Software, 15, p Santos, I. M. & Zeilhofer, P. (2004), Integração do modelo hidrológico NGFlow no sistema integrado da bacia do rio Cuiabá. Em: GIS Brasil 2003, São Paulo. Mostra do Talento Científico - Categoria Graduação, v. 1. Santos, I. M. & Zeilhofer, P. (2005), Modelagem Hidrológica Integrada em Sistemas de Informação Geográfica. Em: Geodesia online, Florianopolis, v. 4, p Ye, Z.; Maidment, D.R.; McKinney, D.C. (1996), Map-based surface and subsurface flow simulation models: an object oriented and GIS approach. Center for research in water resources, The University of Texas, Austin, TX.