Estimativa do coeficiente de escoamento superficial “c” da unidade

VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
Estimativa do coeficiente de escoamento superficial “c” da unidade
hidrográfica do lago Paranoá, utilizando imagem de média resolução
espacial (ALOS).
Daniela Cappellesso Mangoni, Marianne da Silva Santos, Ricardo Novaes Rodrigues
da Silva, Edilson de Souza Bias, Felipe Lima Ramos.
Instituições: Universidade Católica de Brasília, Universidade de Brasília
Email dos Autores: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
Introdução
O presente estudo é realizado na Unidade Hidrográfica do Lago Paranoá, em função
de sua notável relevância para o Distrito Federal, tendo como objetivo realizar a
Estimativa do Coeficiente de Escoamento Superficial “C”, com o auxílio de classificação
do uso do solo a partir de imagem de média resolução ALOS e do método de
classificação SAM (Spectral Angle Mapper).
O escoamento superficial (runoff, subsuperficial) é representado pelo transporte da
água na superfície da Terra. Quando a água da chuva atinge o solo, parte infiltra e
quando a taxa de infiltração é excedida, tem início o escoamento superficial. Pode-se
definir 3 fases no escoamento superficial: na fase 1 o solo está seco e estão baixas as
reservas de água; na fase 2, começa a precipitação e acontece a infiltração e o
escoamento superficial; na 3ª fase, depois da precipitação o sistema volta ao estado
normal (UFBA, 2009). O Coeficiente de Escoamento Superficial “C” varia à medida que
a bacia se torna urbanizada, sendo de grande importância na avaliação da capacidade
de sistemas de drenagens (MORAES et. al., 2007).
A Bacia Hidrográfica do Lago Paranoá localiza-se totalmente no Distrito Federal,
constando as Regiões Administrativas – RAs: Lago Sul, Lago Norte, Brasília (Asa Sul e
Asa Norte), Paranoá, Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal, Figura 1.
1
Tema 4- Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
Figura 1 – Mapa de Localização da Unidade Hidrográfica do Lago Paranoá
As técnicas de sensoriamento remoto apresentam diversos métodos de
classificação a partir de uma imagem orbital. Os métodos de classificação são
procedimentos para separar as diferentes respostas espectrais ou objetos de uma
determinada cena, esses métodos se dividem em duas categorias, supervisionadas e
não-supervisionadas (SULSOFT, 2005).
O método utilizado para a classificação da imagem no presente estudo foi o SAM
(Spectral Angle Mapper). Esse método de classificação utiliza o ângulo entre as
amostras de treinamento no espaço de n-dimensões para determinar os pixels para
uma classe determinada. (SULSOFT, 2005).
A imagem ALOS (Advanced Land Observing Satellite) foi utilizada para efetuar a
classificação da área de estudo. A cena utilizada foi obtida como o módulo AVNIR-2,
dotada de uma resolução espacial de 10m, possuindo 4 bandas espectrais (visível e
infravermelho próximo), que é utilizado para observação de regiões terrestres e
costeira (BRASIL, 2009).
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Métodos
A Unidade Hidrográfica foi selecionada pelos limites oficiais estabelecidos no Mapa
das Unidades Hidrográficas do Distrito Federal.
Inicialmente foi realizada a classificação do uso do solo da Unidade Hidrográfica do
Lago Paranoá pelo método SAM (Spectral Angle Mapper). Para essa classificação, os
dados foram preparados com a utilização das ferramentas Minimum Noise Fraction
(MNF) e do Pixel Purity Index (PPI).
Para construção do MNF foram utilizadas as 4 bandas da Imagem ALOS (visível e
infravermelho). Posteriormente foi realizado o PPI com o objetivo de determinar os
pixels puros (quantidade de vezes que o pixel foi considerado na classificação). Para
cada classe foi construída uma máscara a partir da qual foi novamente processado o
PPI para as duas classes. Na classe 1 foi verificada a presença de pixels puros de água,
vegetação e solo exposto. Na Classe 2 verificou-se a presença de pixels puros de
concreto e feições urbanas.
As classificações (com o MNF e com a imagem bruta) foram transformadas para
formato vetorial e exportadas para o ArcGIS, onde foi realizada a união das diferentes
classes (água, vegetação, área urbana, solo exposto e campo). Posteriormente foi
obtida a área de cada classe para realização dos cálculos de escoamento superficial.
Feita a classificação, foi realizada uma verificação in-loco (na Unidade Hidrográfica
do Lago Paranoá) para confirmação de alguns pontos que apresentaram divergência,
em função de mistura espectral. O levantamento em campo foi realizado para 80
pontos distribuídos pela área da Unidade Hidrográfica, visando diferenciar as misturas
espectrais identificadas na classificação. Após a verificação in-loco foi realizada a união
das classes definidas como área urbana.
Além da união dessas quatro classes, uniu-se ainda as duas classes de solo exposto
e a união das duas primeiras classes de vegetação com a classe de campo (que
caracterizam vegetação baixa) e das outras duas classes de vegetação (que
caracterizam vegetação alta). Essa união ocorreu para se trabalhar com mais
objetividade dentro de quatro classes (área urbana, vegetação alta, vegetação baixa e
solo exposto) com características definidas e escoamento superficial diferenciado
entre elas, Figura 2.
3
Tema 4- Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
Figura 2 – Classificação final após validação de campo
Para o cálculo de “C” foi considerada a equação:
C
Cp . Ap
Ci . Ai
EQ. 1
At
No cálculo de Cp e Ci a variável S representa o armazenamento, que está
relacionado com o parâmetro que caracteriza a superfície (CN) e é dado pela equação:
S
25400
254
EQ. 2
CN
Os valores do parâmetro CN são valores tabelados que variam de acordo com o tipo
de solo e usos e ocupação do solo.
O tipo de solo que caracteriza a Unidade Hidrográfica do Lago Paranoá é o tipo D
(Solos contendo argilas expansivas e pouco profundos com muito baixa capacidade de
infiltração, gerando a maior proporção de escoamento superficial. ( TUCCI, 2004) , pois
a área é coberta em sua maioria por solos do tipo Latossolo. Os valores destacados
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para o tipo D de solo foram considerados respectivamente para as classes de Vegetação
Baixa, Vegetação Alta, Área Urbana e Solo Exposto.
Resultados e Discussão
A classificação final e as respectivas áreas das classes são apresentadas na
Tabela 1, assim como a porcentagem que cada uma delas representa em relação à
área total da Unidade Hidrográfica do Lago Paranoá.
Tabela 1 – Classes e Respectivas áreas
Classe
Área (Km2)
Área Urbana (áreas de telhado, concreto, asfalto, paralelepípedos) 60,3487
Vegetação Baixa
125,7167
Vegetação Alta
14,1939
Solo Exposto
18,6096
Área Não Classificada
60,3499
Área Total da Bacia
279,2188
%
21,61
45,02
5,08
6,66
21,61
100
Para ser utilizada no cálculo da Precipitação (P), a Intensidade (I) foi calculada
utilizando as máximas de cada mês do ano entre os meses de outubro de 1978 e junho
de 2007, que resultou na Intensidade (I) de 3,96 mm/dia.
Para o cálculo de Tc, a área considerada foi a Área Total da Unidade Hidrográfica
A=279,22 km2. O Comprimento do Lago foi representado por L= 44,02 km. A altura
média da área da bacia (H) foi 1085 m. O tempo de concentração resultou em 18,43
horas. E a precipitação resultou em P=72,91 mm.
Os resultados para o cálculo de S e os valores de CN ficaram iguais aos que são
apresentados na Erro! A origem da referência não foi encontrada..
Figura 2 – Valores de CN para cada tipo diferente de classe.
Os resultados obtidos do cálculo de Cp e Ci são mostrados a seguir.
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Tema 4- Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
72 , 91
Ci
0 , 2 5 ,18
72 , 91
Ci
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
0 , 8 5 ,18
2
1
EQ. 5
72 , 91
0 , 92
72 , 91
vegbaixa
vegbaixa
72 , 91
vegalta
0 , 8 52 , 02
0 , 2 75 , 87
72 , 91
EQ. 6
72 , 91
2
1
0 , 8 75 , 87
EQ. 7
72 , 91
0 , 34
72 , 91
solo exp osto
solo exp osto
1
0 , 47
72 , 91
vegalta
2
0 , 2 52 , 02
72 , 91
2
0 , 2 31 , 39
0 , 8 31 , 39
1
EQ. 8
72 , 91
0 , 62
Para o cálculo de C foi feito o somatório do produto entre Cp de cada classe
impermeável e suas respectivas áreas, somou-se com o produto entre Ci e Ai. A
diferença entre a área total da Unidade Hidrográfica e a área não-classificada foi
considerada em At. Sendo assim, o resultado de C para a Unidade Hidrográfica é
apresentado a seguir:
C
(125 , 7167
0 , 47
14 ,1939
0 , 34
18 , 6096
0 , 62 )
( 60 , 3487
0 , 92 )
EQ. 2
218 , 8689
C
0 , 60
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A Tabela
encontrado.
sintetiza os dados necessários para o cálculo de C e o resultado
Tabela 2 – Síntese dos dados para o cálculo de C e o resultado.
P
I
Tc
H
L
P
Classe
Área Urbana
Vegetação Baixa
Vegetação Alta
Solo Exposto
3,96 mm/h
18,43 h
1085 m
44,02 km
72,91 mm
Área Urbana (áreas de telhado,
concreto, asfalto,
paralelepípedos)
Vegetação Baixa
Vegetação Alta
Solo Exposto
CN
98
83
77
89
S
5,18
52,02
75,87
31,39
Ai
Ci
60,3487
0,92
Ap
125,7167
14,1939
18,6096
Cp
0,47
0,34
0,62
At
Área Não Classificada
Área Total da Unidade Hidrográfica
At= Área Total da Unidade Hidrográfica - Área Não
Classificada
60,3499
279,2188
218,8689
C
C
0,6
Os mesmos cálculos foram feitos para as áreas que envolvem as RAs: Brasília (Asas
Sul e Norte), Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal, Figura 3.
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Tema 4- Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
Figura 3 - Área que envolve as RAs: Brasília (Asas Sul e Norte), Cruzeiro e
Sudoeste/Octogonal
As áreas para as diferentes classes são apresentadas na
Tabela .
Tabela 3 – Classes e respectivas áreas referentes à classificação feita com Áreas envolvendo as
RAs: Brasília (Asas Sul e Norte), Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal.
Classe
Área Urbana (áreas de telhado, concreto, asfalto,
paralelepípedos)
Vegetação Baixa
Vegetação Alta
Solo Exposto
Área Não Classificada
Área Total envolvendo as RAs: Brasília (Asas Sul e Norte),
Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal
Área
(km2)
%
36,5715
36,95
40,6939
2,4279
7,7921
11,4942
41,11
2,45
7,87
11,61
98,9797
100,00
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Os cálculos foram feitos diferenciando apenas as áreas. Os resultados são
apresentados na
Tabela .
Tabela 4 – Resultados para Áreas envolvendo as RAs: Brasília (Asas Sul e Norte), Cruzeiro e
Sudoeste/Octogonal.
P
I
Tc
H
L
P
Classe
Área Urbana
Vegetação Baixa
Vegetação Alta
Solo Exposto
Área Urbana (áreas de
telhado, concreto, asfalto,
paralelepípedos)
Vegetação Baixa
Vegetação Alta
Solo Exposto
3,96 mm/h
7,14 h
1087m
23,63km
28,24 mm
CN
98
83
77
89
Ai
36,5715
S
5,18
52,02
75,87
31,39
Ci
0,81
Ap
40,6939
2,4279
7,7921
At
Cp
0,16
0,07
0,32
Área Não Classificada
Área Total envolvendo as RAs: Brasília (Asas Sul e
Norte), Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal.
At= Área Total envolvendo as RAs: Brasília (Asas
Sul e Norte), Cruzeiro e Sudoeste/Octogonal
menos a Área Não Classificada
C
C
11,4942
98,9797
87,4854
0,4
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Tema 4- Riscos naturais e a sustentabilidade dos territórios
Conclusões
A metodologia desenvolvida possibilitou o cálculo efetivo do escoamento superficial
na Unidade Hidrográfica do Lago.
Quanto à metodologia, ela se mostrou bastante eficaz, porém seria mais bem
aproveitada em regiões de menores áreas.
O uso da imagem ALOS apresentou vantagens pela boa resolução espacial o que faz
com que haja compensação na classificação.
Dificuldades foram encontradas na adequação dos valores de CN (que são
tabelados) para as classes desejadas, já que aborda de maneira genérica os tipos de
superfícies.
REFERÊNCIAS
BRASIL; Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). Imagens do Satélite ALOS.
Disponível em: < http://www.ibge.gov.br/alos>. Acesso em: 2/11/2009.
18/09/2009.
FLIZIKOWSKI, C. L.; PELEGRINO, C. F. E.; MAIA, G. A.; Análise Comparativa entre
Equações de Tempo de Concentração na Bacia Hidrográfica do Arroio dos
Pereiras.
Disponível
em:
<http://www.unicentro.br/graduacao/deamb/semana_estudos/pdf_08/AN%C1LISE
%20DE%20EQUA%C7%D5ES%20NA%20BACIA%20HIDROGR%C1FICA%20DO%20ARR
OIO%20DOS%20PEREIRAS.pdf>. Acesso em: 20/10/2009. MORAES, G. A., et. al.;
Estimativa do coeficiente de escoamento superficial "C" utilizando sensoriamento
remoto em imagem de alta resolução. In: 24º Congresso
SULSOFT;
Guia
do
Envi.
2005.
Disponível
em:
<http://www.sulsoft.com.br/arearestrita/main.php>. Acesso em: 15/09/2009.
TUCCI, C. E. M.; Coeficiente de escoamento e vazão máxima de bacias urbanas.
Instituto de Pesquisas Hidráulicas – UFRGS/2000. Disponível em:
<http://www.iph.ufrgs.br/corpodocente/tucci/publicacoes/CESC.pdf>.Acesso em:
11/08/2009.
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VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA (UFBA); Apostila de hidrologia. Capítulo 6.
Escoamento Superficial. Departamento de Hidráulica e Saneamento. Grupo de
Recursos
Hídricos.
Disponível
em:
<http://www.hidro.ufcg.edu.br/twiki/pub/HidrologiaAplicada/Semestre20081/Apos
tilaCap6.pdf>>. Acesso em: 15/08/2009
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