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A utilização e disseminação de técnicas de delimitação de bacias hidrográficas e extração de redes de drenagem através das ferramentas do geoprocessamento ainda tem uma utilização de certa forma restrita aos órgãos bem estruturados tecnologicamente, o que dificulta, muitas vezes, a adoção desta unidade territorial como unidade de planejamento das atividades que ali se inserem. Além disso, a não utilização destas técnicas dificulta e até impossibilita o uso de uma série de informações que podem ser extraídas, informações estas que serão decisivas para a tomada de medidas durante a fase de planejamento e gestão das atividades inseridas na bacia hidrográfica.

A metodologia aqui utilizada para a realização da delimitação da bacia hidrográfica e a extração das redes de drenagem engloba a utilização do software Arcgis e imagens de radar do programa idealizado pela NASA (National Aeronautics and Space Administration), denominada Shuttle Radar Topography Mission (SRTM).

Ao software Arcgis estão agregados uma família de outros softwares que desempenham funções bem variadas, que vão desde a visualização e edição de mapas, dados gráficos e alfanuméricos, bem como edição de dados, análises espaciais mais complexas e geração de layouts.

Os dados SRTM resultam de uma missão espacial realizada pela NASA, NIMA (National Imagery and Mapping Agency), DLR (Agência Espacial Alemã) e ASI (Agência Espacial Italiana), cujo objetivo foi o de gerar um Modelo Digital de Elevação (MDE) da Terra usando uma técnica denominada interferometria, a qual se utiliza das respostas espectrais na faixa de microondas do espectro eletromagnético, permitindo a obtenção de informações sobre a estrutura tri-dimensional dos alvos na imagem, no caso da SRTM o relevo.

Figura 1 - (a) Direções de fluxo possíveis para um determinado pixel e (b) direção de fluxo escolhida em função da maior declividade entre o pixel central e os vizinhos.Fonte: PAZ e COLLISCHONN (2008, p. 86)

Na imagem raster gerada através das imagens SRTM, para cada pixel, além da posição geográfica “x e y”, também é atribuído um valor altimétrico “y”, o qual servirá de valor base para a extração das redes de drenagem e a delimitação da bacia hidrográfica através, principalmente, de duas ferramentas do software Arcgis: Flow direction (Direção de Fluxo) e Flow acumulation (Fluxo de acumulação).

Segundo Paz e Collischonn (2008, p. 86), as direções de fluxo constituem o plano de informações básico derivado de um MNT em formato raster para suporte a estudos hidrológicos. O procedimento mais comum consiste em considerar uma única direção de fluxo para cada pixel do MNT, sendo essa direção atribuída para um de seus 8 vizinhos (tomando uma janela 3x3). A determinação de qual direção de fluxo atribuir é feita escolhendo a direção que proporcione a maior declividade, calculada como sendo a diferença de elevação entre o pixel vizinho e o pixel central dividida pela distância entre eles (Figura 1).

Esse procedimento é conhecido como D8 ou deterministic eight neighbours (Jenson e Domingue, 1988), e é o mais comumente empregado. Aplicando a regra da maior declividade para cada pixel do MNT, obtém-se a correspondente direção de fluxo e, ao final do processo, gera-se uma imagem raster onde a cada pixel é atribuído um valor ou código que denota para qual dos vizinhos ele drena.

A primeira etapa a ser realizada para a delimitação da bacia hidrográfica e extração de sua rede de drenagem foi a aquisição das imagens SRTM através do site da Embrapa Monitoramento por Satélite (http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br/download/index.htm), onde se encontram disponíveis as imagens SRTM, articuladas em folhas topográficas do IBGE. Para a área de estudo foram necessárias duas folhas: SE-23-V-C e SE-23-Y-A.

Figura 2 - Site da Embrapa Brasil em Relevo. Fonte: http://www.relevobr.cnpm.embrapa.br/download/index.htm

De posse destas imagens, foram iniciados os procedimentos metodológicos para a delimitação da bacia hidrográfica  e a extração das redes de drenagem. Inicialmente as imagens SRTM, em formato raster, foram transformadas para o formato GRID, através do comando Data > Export Data.

Figura 3 – Transformação da Imagem SRTM em formato raster para formato GRID. Fonte: Software ArcGis.

Na janela que se abrirá, em Location escolha o local de destino do novo arquivo, em Format selecione GRID e em Name dê um nome ao arquivo. Criado o arquivo formato GRID, abra o ArcToolbox e siga o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Fill, onde aparecerá a janela Fill. Insira o arquivo GRID gerado em Input surface raster e em Output surface raster dê um destino ao novo arquivo Fill gerado.

Figura 4 – Transformando o arquivo GRID para arquivo Fill. Fonte: Software ArcGis.

O próximo passo é gerar uma imagem com a direção do fluxo, seguindo o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Direction. Na janela Flow Direction insira o arquivo Fill gerado na etapa anterior em Input surface raster e em Output surface raster dê um destino ao novo arquivo que será gerado.

Figura 5 – Gerando direção de fluxo. Fonte: Software ArcGis.

A etapa de geração do arquivo de direção de fluxo é uma das etapas mais importantes para a extração da rede de drenagem e delimitação da bacia hidrográfica, uma vez que é onde são realizados os cálculos dás áreas de maior declividade, por onde o fluxo de drenagem é direcionado no meio ambiente, naturalmente. É sabido, na hidrologia, que a água flui naturalmente pelo caminho de menor esforço, sendo assim quanto maior a declividade existente, menor será o esforço “exercido” pela água e desta forma serão estes valores de célula na imagem gerada que serão selecionados como caminhos das redes drenagem.

A próxima etapa será gerar o fluxo acumulado e para executar esta etapa siga o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Accumulation. Na janela Flow Accumulation, insira o arquivo de direção de fluxo gerado anteriormente e dê um destino para o novo arquivo que será gerado.

Figura 6 – Gerando fluxo acumulado. Fonte: Software ArcGis.

O próximo passo para atingirmos o objetivo proposto será gerar uma imagem raster com as drenagens extraídas, para tal de ser realizado os seguintes passos no ArcToolBox: siga o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Accumulation e vá até a janela Con.

Figura 7 – Geração de imagem com as drenagens extraídas. Fonte: Software ArcGis.

Na janela Con insira o arquivo de fluxo acumulado gerado na etapa anterior, em Input true raster no Constant value digite 1. Em Output raster de um destino para o arquivo que será gerado e em Expression digite a fórmula value > 100, valor este que quanto menor for, maior será a quantidade de feições de drenagem a serem geradas de forma automática.

A próxima etapa será a de gerar a rede de drenagens em formato vetorial (shapefile), para tal no ArcToolBox siga o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Stream to Feature, insira o arquivo Con gerado na etapa anterior em Input stream raster, o arquivo de direção de fluxo em Input flow direction e dê um destino ao novo arquivo shape que será gerado em formato vetorial com a rede de drenagem extraída.

Figura 8 – Geração de drenagem em formato vetorial. Fonte: Software ArcGis.

Para a delimitação da bacia hidrográfica, inicialmente foi criado um shape de pontos para localizarmos na rede de drenagem o exutório da referida área de drenagem, sendo assim, foi criado o shape de ponto determinando o exutório da referida bacia.

Figura 9 – Determinação do exutório. Fonte: Software ArcGis.

Após a determinação do exutório local, abra o ArcToolBox e siga o caminho Spatial Analyst Tools > Hydrology > Watershed, em Input flow direction raster insira o arquivo flow direction gerado anteriormente e em Input raster or feature pour point data insira o shape do exutório. 

Figura 10 – Delimitação da bacia hidrográfica. Fonte: Software ArcGis.

O arquivo gerado com a delimitação da bacia hidrográfica está em formato imagem raster, sendo assim após a obtenção da delimitação, ainda em formato de imagem, deve-se transformar o arquivo para formato shape, como polígono, para que se possam extrair algumas informações úteis, como área da bacia, perímetro, dentre outros dados de grande relevância.

Figura 11 – bacia hidrográfica delimitada. Fonte: Software ArcGis.

Com a delimitação da bacia hidrográfica e a extração da rede de drenagem da referida bacia uma série de informações podem ser geradas auxiliando os estudos base de planejamento e gestão das diversas atividades realizadas na área espacial da bacia e os usos múltiplos da água direcionados às diversas atividades.

A metodologia que foi aqui descrita e aplicada para a extração da rede de drenagem e a delimitação da bacia hidrográfica, utilizou-se de ferramentas do software Arcgis e dentre elas foram duas as principais ferramentas utilizadas, a direção de fluxo (Flow direction) e o fluxo acumulado (Flow acumulation).

A ferramenta flow direction realiza, como ilustrado na figura 1, uma relação entre a célula central e as células adjacentes determinando as áreas de maior declive através dos dados de altimetria, proporcionando o traçado da direção do fluxo do canal hídrico uma vez que a água segue o caminho de menor esforço, neste caso o de maior declividade.

Já a ferramenta flow acumulation determina por onde o fluxo hídrico irá se acumular, permitindo a extração da rede de drenagem e a delimitação automática da bacia hidrográfica. Este processo compara cada célula raster com seus vizinhos e determina através dos dados do flow direction quantas células fluem para a primeira, realizando este cálculo para todas as células e determinando os canais hídricos por onde a água escoa e concentra e delimitando a bacia hidrográfica a partir das células que não recebem fluxo de água, as quais na realidade seriam as cristas e os topos de morro, divisores de bacias hidrográficas.

A gestão dos recursos hídricos em cenário nacional é delineada pela Política Nacional de Recursos Hídricos, a qual foi instituída pela Lei nº 9433, de janeiro de 1997, popularmente conhecida como “Lei das Águas” e que traz como fundamentos da gestão dos recursos hídricos dois pontos importantes para a utilização da metodologia aqui empregada, sendo o primeiro “a adoção da bacia hidrográfica como unidade territorial de implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos” e o segundo fundamento é que “a gestão dos recursos hídricos deve ser descentralizada”, ou seja, a adoção de bacias hidrográficas menos abrangentes, ou seja, com menor unidade territorial é defendida, de forma que a participação do poder público e dos diversos usuários nas decisões locais sejam mais fortes e constantes.

A utilização desta metodologia além de permitir a delimitação da bacia hidrográfica, ainda permite extrair a rede de drenagem desta unidade territorial, facilitando o planejamento e a gestão dos usos múltiplos da água, o que também é defendido como fundamento na Política Nacional de Recursos Hídricos. Além disso a elaboração da cartografia base para a bacia hidrográfica irá permitir a utilização destes dados para a obtenção de dados de diversas naturezas e a construção de um banco de dados de informações com várias finalidades quantitativas e qualitativas que permitirá maior agilidade na tomada de decisões e facilitará o processo de planejamento e gestão de recursos hídricos.

Alfredo A. Guimarães

alfredo.arantes@gmail.com