Vinicius de Amorim Silva, Raul Reis Amorim, Maria Crizalda

VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
A UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE GEOPROCESSAMENTO PARA
MODELAGEM DE CENÁRIOS DE USO E PERDA DE SOLO NA BACIA
HIDROGRÁFICA DO RIO COLÔNIA NO LITORAL SUL DA BAHIA (BRASIL)
Vinícius de Amorim Silva1
Doutorando em Geografia pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Email: [email protected]
Raul Reis Amorim2
Professor Assistente do Departamento de Ciências da Sociedade, Instituto de
Ciências da Sociedade e Desenvolvimento Regional, Universidade Federal Fluminense
(UFF) e Doutorando em Geografia pela Universidade Estadual de Campinas
(UNICAMP). E-mail: [email protected]
Maria Crizalda Ferreira Santos3
Professora Assistente do Departamento de Ciências Agrárias e Ambientais,
Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC) e Doutoranda em Geografia pela
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). E-mail: [email protected]
Archimedes Perez Filho4
Professor Titular do Departamento de Geografia, Instituto de Geociências,
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). E-mail: [email protected]
Maurício Santana Moreau5
Professor Titular do Departamento Ciências Agrárias e Ambientais, Universidade
Estadual de Santa Cruz (UESC). E-mail: [email protected]
RESUMO
A bacia hidrográfica é no meio científico uma das mais pertinentes delimitações
para o desenvolvimento, planejamento e gestão de recursos naturais. Os problemas
atuais da crise no abastecimento de água e a crescente pressão de ocupação e
degradação de bacias hidrográficas têm gerado demanda de pesquisas a respeito das
alterações na influência da dinâmica hidrológica de bacias hidrográficas. O objetivo
deste trabalho foi realizar uma pesquisa bibliográfica analisando a importância e a
utilização de inovações tecnológicas, especificamente o modelo hidrológico SWAT (Soil
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Tema 4 - Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
and Water Assessment Tool), integrado ao SIG (Sistema de Informação Geográfica) Arc
Gis, para estudos de bacias hidrográficas. Para tal, procedeu-se revisão bibliográfica
sobre os temas propostos. Observou-se que existem poucos trabalhos no Brasil que
integram modelagem hidrológica e SIG, apesar da existência de tecnologias para tal.
Desenvolver projetos de pesquisa integrando os temas citados será fundamental para
avanços em planejamentos e gestão de bacias hidrográficas principalmente na Bacia
Hidrográfica do rio Colônia.
Palavras-chave: hidrografia; dinâmica hidrológica, Sistemas de Informações
Geográficas.
ABSTRACT
HYDROLIC MODELING AND GEOPROCESSING AS STUDY TOOLS IN HYDROGRAPHIC
BASINS
The hydrographic basin is one of the most pertinent restrictions for the scientific
development, planning and management of natural resources. The current water
provision problems and the growing pressures of occupation and degradation on
hydrographic basins has created a demand for research on the alteration of the
influence of the hydrological dynamic of hydrographic basins. This work aims to
analyze the importance and use of technological innovations, specifically the
hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool), integrated into the GIS
(Geographic Information System) Arc Gis, for hydrologic basin studies. For this, a
bibliographical revision was conducted on the proposed themes. It was observed that
few surveys exist in Brazil that integrated hydrological modeling and GIS, in spite of the
technological ability to do so. The development of research projects, integrating the
mentioned themes will be fundamental for progress in the planning and management
of hydrographic basins of rive Colônia.
Key Words: Hydrographic, hydrological dynamic, geographic information system.
INTRODUÇÃO
A bacia hidrográfica pode ser vista de forma simples como diz Sousa et. al. (1976);
não passando de uma área geográfica coletora de água de chuva que, escoando pela
superfície do solo atinge a seção considerada, ou de uma forma mais complexa, como
uma unidade ecossistêmica básica considerando todos seus elementos bióticos e
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abióticos compreendidos na sua área de abrangência, conforme Borman & Linkens
apud Oliveira (2002), ou ainda de forma mais consistente de acordo com Guerra
(1997), como um conjunto de terras drenadas por um rio principal e seus afluentes,
devendo incluir também uma noção de dinamismo, por causa de modificações que
ocorrem nas linhas divisoras de água sob o efeito dos agentes erosivos, alargando ou
diminuindo a área da bacia.
Segundo Christofoletti (1974), a drenagem fluvial é composta por um conjunto de
canais de escoamento inter-relacionados que formam a bacia hidrográfica ou bacia de
drenagem definida como área drenada por um determinado rio ou por um sistema
fluvial, ainda Christofoletti (1988), considerou estudos aprofundados relativo às bacias
hidrográficas dentre eles chama atenção a dinâmica do escoamento fluvial,
responsável pela ação dos sedimentos do leito fluvial, no transporte de sedimentos,
nos mecanismos deposicionais e na esculturação da topografia do leito. Nesse sentido
à atenção voltada para problemas ambientais principalmente associados a processos
erosivos em Bacias Hidrográficas é grande, exigindo que os estudos hidrológicos sejam
de natureza interdisciplinar envolvendo especialistas das mais diversas áreas como
Agronomia, Biologia, Engenharia (civil e florestal), Geografia, Geologia, Geomorfologia,
Paisagismo e Planejamento Regional.
O regime das vazões de um curso d’água, durante certo período, é o único termo do
balanço hidrológico de uma bacia que pode ser determinado com boa precisão. Os
outros elementos do balanço, como as precipitações, evaporações e outros, só podem
ser estimados a partir de medidas em alguns pontos da bacia ou deduzidos a partir de
fórmulas como estimativas (CRUCIANI, 1980, p. 62).
Apesar de existirem inúmeros trabalhos de pesquisa abordando o tema bacia
hidrográfica e outros de modelagem hidrológica, há uma lacuna grande por
informações que de forma mais ampla integre estes dois temas. Por isso, este trabalho
tem por objetivo discutir, por meio de revisão bibliográfica, a necessidade da utilização
integrada da modelagem hidrológica e do geoprocessamento no estudo de bacias
hidrográficas, destacando a importância do uso de inovações tecnológicas como o
modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessent Tool).
Os de modelos hidrológicos voltados para a questão ambiental há muito já são
utilizados como instrumentos de identificação e análise de problemas ambientais
relacionados a bacias hidrográficas, manejo do solo e uso da terra. Pode-se citar como
exemplo o AGNPS (Agricultural Nopoint Source Pollution), como forma de estimar a
erosão do solo, a produção de sedimentos, pico e volume de escoamento superficial.
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Tema 4 - Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
Este modelo supriu a demanda de pesquisas ambientais relacionadas a bacias
hidrográficas desenvolvidas no litoral do Sul do estado da Bahia em especial no
complexo hidrográfico do Rio Cachoeira onde se localiza a bacia hidrográfica do rio
Colônia área objeto de estudo, produzindo resultados em forma de tabelas
estatísticas, que servem de base para estratégias de intervenção em projetos de
extensão nesse espaço territorial do estado da Bahia.
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para produção deste artigo, foram realizadas revisão bibliográfica e compilação de
informações que serviram de subsídios para as discussões. Umas das principais fontes
de informações utilizadas foram às publicações da UESC (2002), Conceitos de Bacias
Hidrográficas e trabalhos realizados por Arnold et. Al (1998) e Neitsch et al (2000).
As variáveis levantadas por meio de dados secundários para caracterização e
simulação de eventos como perda de solos e quantidade de transporte de sedimentos
na bacia hidrográfica do rio Colônia foram: características físicas e químicas dos solos,
clima, vegetação, geomorfologia, além do uso da terra ao longo da área que a bacia do
rio Colônia está inserida.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A modelagem hidrológica serve de subsídio para tomada de decisões envolvendo
questões ambientais, principalmente no sistema aberto bacia hidrográfica. Modelos
são semelhantes à proposição de tabelas, gráficos e mapas que são utilizados como
uma linguagem específica e padronizada com o objetivo de representar a realidade
descrevendo e caracterizando entidades ou fenômenos.
Modelos podem ser definidos como “uma proposição simplificada da natureza com
o propósito de conhecer um fenômeno” (BATCHELOR, 1994, p. 247). Modelos podem
ser entendidos como a expressão sintetizada de fenômenos da realidade. Segundo
(TIM, 1996, p. 878), são ferramentas extraordinárias para conhecer os processos
ambientais. A construção de modelos matemáticos é idealizada, com base nos dados
de observação sistêmica da realidade. A modelagem hidrológica tem como objetivo
primordial compreender dentro de uma abordagem genérica o sistema hidrológico
como um todo, predizer situações futuras e até reproduzir o passado com a finalidade
de orientar a tomada de decisões dos gestores responsáveis pela tomada de decisões.
Os procedimentos para a montagem de um modelo matemático que represente um
sistema real são citados por Hassuda (2000) por meio dos seguintes passos:
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desenvolvimento do modelo conceitual, envolvendo todo o levantamento e
interpretação de dados e observações do sistema real; seleção do programa
computacional a ser utilizado segundo as necessidades e os dados existentes; tradução
do modelo conceitual, para linguagem matemática, construindo-se os diversos bancos
de dados para a entrada das informações no programa selecionado; e a calibração do
modelo matemático construído de forma a minimizar dúvidas inerentes a uma
representação simplificada (modelo matemático) de um sistema real, dada à
complexidade de cada realidade local e regional.
A necessidade de disponibilizar inovações tecnológicas que potencialmente são
mais flexíveis à manipulação de dados fez-se despertar interesse em outro modelo
hidrológico que, tem interface com software de Sistema de Informação Geográfica e
promove a entrada de dados adquirida por meio de técnicas de geoprocessamento,
esse modelo hidrológico é o SWAT.
O modelo hidrológico SWAT foi desenvolvido por Arnold et. All. (1998) e
aperfeiçoado por Neitsch et all. (2000), no Departamento de Agricultura dos Estados
Unidos, para predizer o efeito de diferentes cenários de manejo, a qualidade da água,
produção de sedimentos e carga de poluentes em bacias hidrográficas agrícolas. O
SWAT considera a bacia dividida em sub-bacias com base no relevo, solo e uso da
terra, desse modo, preserva os parâmetros espacialmente distribuídos na bacia inteira
características homogêneas dentro da bacia. Com base nos dados dos parâmetros do
meio físico, este modelo pode ser aplicado em bacias hidrográficas de médio e grande
porte. Um trabalho de pesquisa que usou o modelo hidrológico SWAT com grande
sucesso foi o de Chanasyk et.all. (2002), que estimou a quantidade de escoamento
superficial e subsuperficial associado à produção de sedimentos comparando esses
fenômenos entre duas bacias hidrográficas no Sul da região de Alberta no Canadá.
O SWAT é um modelo matemático que permite a manipulação de diferentes
processos físicos e simulação de eventos erosivos em bacias hidrográficas, com o
objetivo de dar suporte à análise dos impactos das alterações no uso do solo sobre o
escoamento superficial e subterrâneo, das águas pluviais, produção de sedimentos e
qualidade da água, em bacias hidrográficas agrícolas não instrumentadas. Para
satisfazer a estes objetivos o modelo: (i) é baseado nas características físicas da bacia;
(ii) usa dados de entrada normalmente disponíveis, (iii) é computacionalmente
suficiente para operar sobre bacias com (> 1000 km2); e (IV) é continuo no tempo,
sendo capaz de simular longos períodos (> 100 anos) de forma a computar os efeitos
das alterações no uso do solo.
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Tema 4 - Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
A estrutura do modelo hidrológico SWAT é dividida em 7 componentes: (i)
hidrologia (ii) clima (iii) vegetação (IV) solos (V) uso da terra (VI) geologia (VII)
geomorfologia (Figura 1).
Figura 1 – Bloco diagrama dos componentes do modelo hidrológico SWAT.
(Fonte: Adaptado de Arnold et. al, 1998.)
Muitos trabalhos têm sido desenvolvidos enfatizando os parâmetros físicos da
paisagem, porém, até então não foi identificada a utilização dessa ferramenta
tecnológica associada a técnicas de geoprocessamento para produção de dados
socioeconômicos como o uso e ocupação da terra; e sua relação cientifica com outros
fatores de ordem física como as citadas anteriormente, a fim de identificar predições
de eventos como enchentes, períodos de seca e outros fenômenos associados à
utilização dos recursos naturais como uso da terra e da água.
O geoprocessamento pode ser definido como o conjunto de tecnologias de coleta e
tratamento de informações espaciais georeferenciadas utilizada para o de
desenvolvimento e uso de SIG. Pode-se dizer que SIG`s estão entre os instrumentos
mais importantes para o enfrentamento destes desafios, particularmente em áreas
específicas que precisam de avanços, como a modelagem de mudanças de uso da
terra, a modelagem de regime de distúrbio e a ligação entre mudanças do uso da terra
e respostas do sistema aquático de acordo com Naiman & Turner, apud Becher (2002,
p. 92).
Um SIG produz resultados na forma de mapas, os quais podem representar
diferentes camadas de dados em conjunto (visualiza-se ao mesmo tempo topografia,
hidrografia, estradas e vegetação), mas também na forma de sumários estatísticos e
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conjuntos de dados derivados que podem ser utilizados para tarefas como modelagem
e teste de hipóteses, como importante contribuição da ecologia de paisagem Jhonson
et. al, apud Becher (2002,p. 93).
Segundo Mendes apud Machado (2002, p.15), a utilização de técnicas de
Geoprocessamento constitui-se em instrumento de grande potencial para o
estabelecimento de planos integrados de conservação do solo e da água. Neste
contexto, os Sistemas de Informações Geográficas (SIG`s) se inserem como uma
ferramenta que tem a capacidade de manipular as funções que representam os
processos ambientais em diversas regiões, de uma forma simples e eficiente,
permitindo uma economia de recursos e tempo. Estas manipulações permitem agregar
dados de diferentes fontes (imagens de satélite, mapas topográficos, mapas de solos,
hidrografia etc.) e em diferentes escalas. O resultado destas manipulações, geralmente
é apresentado sob a forma de mapas temáticos com informações desejadas.
De forma geral, o SIG apresenta funções comuns a sistemas para gerenciamento de
bancos de dados, tratamento de imagens digitais e funções estatísticas (existem
diferentes níveis de integração deste sistema a um SIG, dependendo do software), e
estão intimamente relacionados com outras tecnologias, como sensoriamento remoto
e GPS (Global Position System). Becher (2002, p.93)
A integração do SIG com os modelos hidrológicos (Figura 2) e sua aplicação em
bacias hidrográficas permite a realização de um grande número de ações, como o
projeto, calibração, simulação e comparação entre os modelos. O uso do SIG permite,
portanto, subdividir a bacia hidrográfica em subáreas facilitando o monitoramento da
bacia hidrográfica Calijuri apud Machado (2002, p.16).
A partir do final da década de 1980 foram criados muitos modelos com a
capacidade de utilizar todo o potencial do SIG como Arc View Spatial Analyst, ArcView
3D Analyst, Er Mapper, Sprinter e principalmente o SWAT (Soil and Water Assessment
Tool) versão 2010 integrado ao Arc Gis 9.3 resultando no ArcSWAT esse com notável
capacidade de trabalhar respostas hidrológicas em problemas ambientais tanto em
áreas urbanas quanto rurais.
O modelo hidrológico (SWAT) baseia-se num conjunto de dados obtidos no campo
como precipitação, vazão, evapotranspiração, irradiação solar, entre tantos outros
fenômenos, que associados são trabalhados de forma integrada no SIG-GRH (gestão
dos recursos hídricos), Rodrigues et. al (2002, p.67). A princípio este modelo foi
construído para dar resposta exclusivamente a questões relacionadas como
escoamento das águas superficiais e quantidade de água disponível, posteriormente
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Tema 4 - Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
ganhou maior proporção abrangendo fenômenos como os citados anteriormente isso
graças a inovações tecnológicas e associação ao SIG. A integração dos resultados deste
Modelo e de outros dados relacionados com os recursos hídricos é manipulada no
interior do SIG-GRH.
Figura 2 – Estrutura organizacional de modelo integrado a sistema de informações
geográficas. (a) União; (b) Combinação e (c) Integração. (Fonte: MACHADO, 2002.)
Para o propósito da modelagem, a bacia pode ser dividida em sub-bacias. Cada sub-bacia pode ser
parametrizada pelo SWAT usando uma série de Unidades de Resposta Hidrológica (Hidrologic
Resoponse Units-HRU`s), as quais “correspondem a uma única combinação de uso da terra e solos
dentro da sub-bacia” (MACHADO, 2002, p. z93)
Até o momento o único modelo utilizado nos estudos hidrológicos do núcleo de
bacias hidrográficas da UESC foi o modelo AGNPS (Agricultural Noipoint System),
modelo amplamente difundido em outros locais do território nacional, esse modelo
estimou por meio da carga de poluentes em sedimentos a qualidade d água na bacia
hidrográfica do complexo hidrográfico do rio Cachoeira como um todo. Existe a olhos
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vistos a necessidade de ampliar o conhecimento em hidrologia por meio da utilização
de outros modelos como o SWAT.
A necessidade da integração dos dados de modelagem hidrológica de
geoprocessamento, como comentado anteriormente, o modelo SWAT acoplado ao SIG
Arc Gis (Figura 3) surge como uma ferramenta poderosa para estudos científicos que
seja suficientemente capaz de predizer eventos auxiliando na tomada de decisões no
planejamento e gestão dos recursos naturais localizados nas bacias.
Figura 3 – Procedimento para geração de dados e simulações do modelo SWAT via SIG
(Fonte: MACHADO, 2002).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Observa-se que apesar da disponibilidade de tecnologia adequada para integração
da modelagem hidrológica aplicada a problemas de manejo solo e água e do
geoprocessamento, utilizando os sistemas de informações geográficas, no Sul da Bahia,
Brasil há uma carência de profissionais especializados na manipulação de dados nesta
interface. Então são verificadas publicações isoladas entre modelagem hidrológica e
geoprocessamento na região Sul da Bahia. Além do aspecto de informativo científico
desta revisão, almeja-se sensibilizar profissionais das áreas em discussão, será de
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Tema 4 - Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
grande valia no desenvolvimento de novas metodologias e programas que auxiliem no
planejamento e gestão de bacias hidrográficas de forma integrada principalmente na
Bacia Hidrográfica do rio Colônia lócus de intensa ocupação e desenvolvimento de
atividades antropogênicas.
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