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ANÁLISE MORFOMÉTRICA E DETERMINAÇÃO DE REGIÕES

FISICAMENTE HOMEGÊNEAS NA BACIA DO RIO DOCE

(MG/ES)

Laura Pereira do Nascimento. Aluna do 5º Período do Curso de Tecnologia em

Gestão Ambiental do IFMG, campus Governador Valadares. lauraifmg@gmail.com

Fábio Monteiro Cruz. Professor Mestre do Curso de Tecnologia em Gestão

Ambiental do IFMG, campus Governador Valadares. fabio.cruz@ifmg.edu.br

RESUMO: As bacias hidrográficas constituem unidades onde todos os processos hidrológicos

que caracterizam o ciclo da água se processam simultaneamente. Neste sentido, as

características físicas das bacias podem modular a magnitude destes processes e eventos

hidrológicos que causam grandes prejuízos, como enchentes, e ainda determinar a

disponibilidade hídrica das bacias. A bacia do rio Doce (MG/ES) apresenta recorrentes eventos

de enchentes e ainda possui grandes usuários de recursos hídricos. Desta forma, foi realizada

análise morfométrica das sub-bacias principais do rio Doce e determinação de regiões

fisicamente homogêneas, a fim auxiliar os processos de regionalização hidrológica e

gerenciamento de recursos hídricos regionais. Os resultados revelaram que quanto à forma

não há grande fragilidade a enchentes nas sub-bacias, contudo, o relevo associado ao

antropismo pode estar sendo mais determinantes neste processo. Foram identificadas sete

regiões fisicamente homogêneas na bacia do rio Doce, podendo otimizar eficientemente o

exercício de determinação das regiões hidrologicamente homogêneas na bacia do rio Doce.

Palavras-chave: Análise morfométrica, regiões fisicamente homogêneas, análise de

grupamentos, bacia hidrográfica do rio Doce.

ABSTRACT: Watersheds are units where all the hydrological processes that characterize the

water cycle are processed simultaneously. In this sense, the physical characteristics can

modulate the magnitude of these processes and hydrological events that cause major damage

such as floods, and even determine the availability of water on watersheds. The Doce

watershed (MG/ES) presents recurring flood events and still has large water users. Thus, we

performed a morphometric analysis of major sub-basins of the Doce river and determination of

physically homogeneous regions, to assist the processes of regionalization and hydrological

management of regional water resources. The results showed that as to the great fragility no

flooding sub-basins, however, the relief may be associated with anthropism being more decisive

in this process. We identified seven regions physically homogeneous in Doce river watershed

and can efficiently optimize the performance of determination hydrologically homogeneous

regions in the Doce river.

Keywords: Morphometric analysis, physically homogeneous regions, analysis of clusters, Doce

river watershed.

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1. INTRODUÇAO

A água doce é elemento essencial ao consumo humano, ao desenvolvimento

de suas atividades industriais e agrícolas e aos ecossistemas das terras emersas

(REBOUÇAS, 2006). Além disso, considerando o ciclo hidrológico, a água ao interagir

com os componentes do meio incorpora as características ambientais e de

conservação das áreas drenadas, funcionando como indicador ambiental de grande

eficiência (OKI, 2002).

O ciclo hidrológico representa o percurso da água desde a atmosfera,

passando por diferentes estados físicos (fluxos) e compartimentos (estoques), até

retornar novamente à atmosfera (DERISIO, 2000). A água que cai na superfície

terrestre está sujeita à interceptação da vegetação, evaporação, evapotranspiração,

infiltração no solo e ao escoamento superficial. Assim, a caracterização do ciclo

hidrológico é importante para avaliação da quantidade e qualidade da água,

(EMBRAPA, 2013).

Na fase terrestre do ciclo hidrológico, que ocorre nas bacias hidrográficas, se

sobressaem os processos hidrológicos de infiltração e escoamento superficial. Neste

sentido, a bacia hidrográfica pode ser definida como uma área limitada por um divisor

de águas, que a separa das bacias adjacentes e que serve de captação natural da

água de precipitação através de superfícies vertentes. Por meio de uma rede de

drenagem, formada por cursos d’água, ela faz convergir os escoamentos para a seção

de exutório, seu único ponto de saída (LINSLEY; FRANZINI, 1978; TUCCI, 1997).

Os principais componentes das bacias hidrográficas - solo, água, vegetação e

fauna - coexistem em permanente e dinâmica interação respondendo às interferências

naturais (intemperismo e modelagem da paisagem) e aquelas de natureza antrópica

(uso/ocupação da paisagem), afetando os ecossistemas como um todo (SOUZA;

FERNADES, 2000).

Considerando o contexto climático do Brasil, o clima tropical predominante leva

frequentemente a ocorrência de chuvas intensas sazonais, assim os tipos de solos e

condições do relevo são variáveis que podem favorecer eventos como enchentes, as

quais são agravadas devido às características da drenagem (forma e densidade) de

uma determinada bacia hidrográfica (CASTRO; CARVALHO, 2009).

Do exposto ocorre que, ao longo das últimas décadas, ações corretivas e de

prevenção de danos ambientais surgiram em função da discussão sobre a importância

em se promover o desenvolvimento econômico e social aliado à proteção ambiental,

onde a inclusão de medidas de disciplinamento, principalmente do uso/ocupação do

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solo e da apropriação dos recursos naturais assumem um papel fundamental

(BEZERRA, 2008).

Dado o fato de que o estado de conservação ambiental e as características

físicas das bacias hidrográficas produzem efeitos diretos sobre a disponibilidade

hídrica quali e quantitativa, soluções propostas para equacionar esta problemática

devem estar estreitamente ligada ao manejo e manutenção das bacias (SANTOS,

2004).

Neste contexto, a análise morfométrica constitui uma importante ferramenta

para o planejamento ambiental e de recursos hídricos, uma vez que corresponde a um

conjunto de procedimentos que caracterizam aspectos geométricos e de composição

dos sistemas ambientais, servindo como indicadores relacionados à forma, ao arranjo

estrutural e a interação entre as vertentes e a rede de canais fluviais de uma bacia

hidrográfica (CHRISTOFOLETTI, 1999), que por sua vez evidenciam situações e

valores que extrapolam as questões hidrológicas e geomorfológicas.

Análise morfométrica também pode ser definida como a análise quantitativa

das relações entre a fisiografia da bacia e a sua dinâmica. Ela tem grande importância

nos estudos de bacias hidrográficas, pois, através da abordagem quantitativa, pode-se

ter uma melhor noção do comportamento hidrológico, uma vez que, os parâmetros

morfométricos são bons indicadores da capacidade de escoamento superficial

hidrológica (NUNES; RIBEIRO, FIORI, 2006).

De acordo com Villela e Mattos (1975) as características físicas de uma bacia

constituem elementos de grande importância para avaliação do seu comportamento

hidrológico, pois, ao se estabelecerem relações e comparações entre tais

características e os dados hidrológicos conhecidos, podem-se determinar

indiretamente os valores hidrológicos em locais nos quais faltem dados.

Logo, a morfometria de bacias, pode orientar eficientemente as ações de

gestão territorial das bacias visando à manutenção dos sistemas hídricos.

A unidade básica em que assentam as análises morfométricas é a bacia

hidrográfica. Isto porque legalmente ela constitui a unidade de planejamento e gestão

dos recursos hídricos no Brasil, estabelecida como o sistema “fechado” de balanço

dos processos constituintes de ciclo hidrológico (CRUZ, 2010a).

A determinação de índices e parâmetros morfométricos para bacias

hidrográficas, historicamente foi realizada de forma analógica. Estas técnicas são

bastante imprecisas e demandam bastante tempo e habilidade de quem conduz as

análises. Contudo, com o progresso tecnológico dos meios de obtenção da informação

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ganharam dinamismo e precisão, além de tornar possível o “armazenamento de dados

em ambiente computacional” (CÂMARA; DAVIS, 2013)

Segundo Zeiler (1999) os sistemas de informação geográfica (SIG’s) têm como

função proporcionar uma estrutura espacial para auxiliar as tomadas de decisões para

o uso racional dos recursos naturais e gerenciamento das ações antrópicas sobre

estes recursos. Os SIG’s constituem-se em um conjunto harmônico composto por uma

base de dados, um ou mais softwares que permitam a manipulação de informações e

uma interface gráfica para acesso do usuário (CÂMARA; QUEIROZ, 2013).

A aplicação dos SIG’s em estudos relacionados aos recursos hídricos tem sido

crescente, principalmente pela facilidade de manipulação de mapas, organização de

banco de dados e de obtenção de informações geomorfológicas das bacias

hidrográficas (CÂMARA; QUEIROZ, 2013). Assim, as ferramentas de geotecnologias

têm se consolidado como meio eficaz de caracterização dos sistemas hidrográficos,

possibilitando, por exemplo, a determinação de valores para variáveis de cobertura e

uso do solo, variabilidade espacial de parâmetros climáticos, identificação de fontes

poluidoras significativas e o mapeamento de áreas vulneráveis a processos erosivos

(CRUZ, 2009).

A determinação de índices e parâmetros físicos que caracterizam uma dada

bacia hidrográfica são importantes não somente para identificar eventuais fragilidades

naturais a processos hidrológicos, tais como cheias e enchentes, e auxiliar no manejo

e planejamento do uso/ocupação dos solos destas unidades, mas também como meio

de auxiliar nos processos de gerenciamento de recursos hídricos.

Em estudos do aproveitamento dos recursos hídricos de uma bacia

hidrográfica defronta-se, muitas vezes, com o problema da ausência ou insuficiência

de dados que permitam a construção da série histórica de vazões, necessária à

avaliação da disponibilidade hídrica superficial. Nesses casos, requer-se a aplicação

de técnicas de transferência de informações de outros locais hidrologicamente

semelhantes para a bacia hidrográfica em questão. Ao procedimento de transferência

de informações de vazão denomina-se regionalização (BARBOSA et al., 2005).

Entende-se por regionalização hidrológica, ou mais especificamente

regionalização de vazões, o conjunto de procedimentos e métodos estatísticos que

visam explorar ao máximo os dados existentes numa região, buscando-se permitir a

estimativa da vazão num local com ausência ou insuficiência de dados. Por meio da

regionalização, visa-se permitir, por exemplo, a obtenção indireta das vazões em

seções em que faltem dados ou onde, por fatores de ordem física ou econômica, não

seja possível a instalação de estações hidrométricas. A estimativa é realizada com

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base em modelos de cálculo das vazões, que se demonstram estatisticamente

aplicáveis a qualquer seção fluvial da bacia considerada (BARBOSA et al., 2005).

Em geral, o modelo de regionalização considera as características físicas e/ou

climáticas da bacia que exercem maior importância em seu comportamento

hidrológico. Elementos de natureza física são de grande importância no

comportamento hidrológico da bacia hidrográfica, e são introduzidos no modelo de

regionalização por explicarem a distribuição espacial da vazão e pela sua estreita

correspondência com o regime hidrológico da região (BARBOSA et al., 2005).

Elesbon (2004) afirma que bacias hidrográficas com grandes áreas de

drenagem podem ter comportamentos hidrológicos diferentes e por isso delimitar a

homogeneidade hidrológica de uma determinada região é um dos primeiros objetivos a

ser alcançado para um correto gerenciamento dos recursos hídricos, através dos

processos de regionalização hidrológica.

Oliveira, Antonini e Griebeler (2008) ressaltam ainda que a regionalização

hidrológica é um instrumento eficaz em estudos de planejamento e administração de

recursos hídricos, possibilitando a obtenção de variáveis hidrológicas de maneira

simples e rápida, em consonância com a agilidade que a administração dos recursos

hídricos requer para suas decisões.

O princípio da regionalização se baseia na similaridade espacial destas

informações que permitem essa transferência (TUCCI, 2002).

Segundo Cruz (2010b) regiões hidrologicamente homogêneas correspondem a

bacias ou sub-bacias onde a magnitude dos processos hidrológicos ocorre de forma

semelhante. Nestas regiões ainda, os componentes físicos e climáticos que

determinam o comportamento hidrológico possuem níveis de similaridade bastante

pronunciados, o que de fato, determina a homogeneidade dos processos hidrológicos

em seu interior. Disto decorre que, para a determinação de uma região

hidrologicamente homogênea pode-se lançar mão do estudo dos componentes físicos

das bacias.

Considerando as bacias hidrográficas presentes no Estado de Minas Gerais, a

bacia do rio Doce merece destaque. Na bacia em questão o desmatamento

indiscriminado e o manejo inadequado do solo criaram condições favoráveis à

formação de processos erosivos, que somado aos despejos inadequados advindos da

mineração e de resíduos industriais e domésticos, deram origem ao contínuo processo

de assoreamento dos leitos dos rios da bacia. Além disso, algumas cidades ocuparam

a planície de inundação dos rios e de tempos em tempos, períodos de chuva mais

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severos provocam o alagamento de parte destas planícies, trazendo graves prejuízos

à região. (CBH-DOCE, 2013).

Quanto à susceptibilidade à erosão dos solos da bacia, o poder de erosão das

chuvas e a declividade dos terrenos, assim como a natureza da cobertura vegetal são

as três principais variáveis a considerar na avaliação da erosividade na bacia

(ECOPLAN-LUME, 2010).

Outro grande problema ambiental evidenciado na bacia é ocorrência de

inundações. A questão das cheias está entre as mais prementes da bacia do rio Doce

pelas proporções que têm assumido, pelo rastro de problemas sociais que deixa e

pela vulnerabilidade que a bacia apresenta a esses eventos extremos recorrentes,

agravados ano após ano pelo desmatamento, ações antrópicas que deflagram

processos erosivos e ocupação indevida do uso do solo urbano (ECOPLAN-LUME,

2010).

Alguns exemplos de enchentes registradas na bacia do rio Doce são: a de

fevereiro de 1979, a de janeiro de 1997 e mais recentemente a de janeiro de 2003.

Dentre elas a de 1979 foi a de maior magnitude, que provocou maiores danos. As

cidades mais atingidas foram àquelas localizadas as margens dos rios Doce,

Piracicaba e Manhuaçu.). Mais recentemente também é válido destacar a enchente

de janeiro de 2002 em Ponte Nova, janeiro de 2003 e janeiro de 2004 em Caratinga.

(CBH-DOCE, 2013).

Desnecessário é lembrar a relação que a ocorrência das cheias guarda com o

uso e ocupação do solo, principalmente em áreas urbanas, e o agravamento das

mesmas nessas áreas por sistemas de drenagem insuficientes ou inoperantes por

falta de manutenção. Do mesmo modo pode ser aventada a relação entre cheias e

assoreamento (ECOPLAN-LUME, 2010).

Neste sentido, o presente trabalho objetiva realizar análise morfométrica das

principais sub-bacias da bacia do rio Doce, a fim de identificar os grupos que

apresentam similaridades físicas (regiões fisicamente homogêneas) e evidenciar

eventuais fragilidades a processos de enchentes e inundações advindos das

características físicas das sub-bacias, podendo assim auxiliar nos processos de

regionalização hidrológica e gerenciamento de recursos hídricos regionais.

2. MATERIAL E MÉTODOS

A bacia hidrográfica do rio Doce está situada na região Sudeste, entre os

paralelos 18° 45' e 21° 15' de latitude sul e os meridianos 39° 55' e 43° 45' de

longitude oeste (Sistema de coordenadas geográficas SAD-69), compreendendo uma

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área de drenagem de cerca de 83.400 km², dos quais 86% pertencem ao Estado de

Minas Gerais e o restante ao Estado do Espírito Santo. Limita-se ao sul com a bacia

hidrográfica do rio Paraíba do Sul, a oeste com a bacia do rio São Francisco, e, em

pequena extensão, com a do rio Grande. Ao norte, limita-se com a bacia dos rios

Jequitinhonha e Mucuri e a noroeste com a bacia do rio São Mateus (CBH-DOCE,

2013) (figura 01).

Figura 01: Mapa de localização da bacia do rio Doce.

Fonte: ANA (2013), IBGE (2013), CRUZ & NASCIMENTO (2013).

A extensão do rio Doce é da ordem de 853 Km. Seus principais afluentes

são: pela margem esquerda os rios Piracicaba, Santo Antônio e Suaçuí Grande, em

Minas Gerais, Pancas e São José, no Espírito Santo; pela margem direita os rios

Casca, Matipó, Caratinga-Cuieté e Manhuaçu, em Minas Gerais, e Guandu, no

Espírito Santo (CBH-DOCE, 2013).

As atividades econômicas da bacia do rio Doce são bastante diversificadas,

destacando-se: a agropecuária (reflorestamento, lavouras tradicionais, cultura de café,

cana-de-açúcar, criação de gado leiteiro e de corte e na suinocultura.); a agroindústria

(sucroalcooleira); a mineração (ferro, ouro, bauxita, manganês, pedras preciosas e

outros); a indústria (celulose, siderurgia e laticínios); o comércio e serviços de apoio

aos complexos industriais; e a geração de energia elétrica (ECOPLAN-LUME, 2010).

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Segundo pesquisas realizadas pela Fundação Centro Tecnológicas de Minas

Gerais - CETEC, 95% das terras da bacia constituem pastos e capoeiras,

demonstrando a predominância da atividade pecuária (CETEC apud CBH-DOCE,

2013).

Considerando o clima regional, o regime pluviométrico da bacia caracteriza-se

por dois períodos distintos: chuvoso, de outubro a março, e seco, de abril a setembro

(CUPOLLILO; ABREU; CASTRO, 2006). Dos maiores totais pluviométricos para os

menores, caracteriza-se por apresentar sentido oeste–leste, ou seja, um escoamento

com sentido das regiões serranas do Espinhaço e Mantiqueira para o litoral

(CUPOLLILO, 2008). A região Norte e Leste da bacia do rio Doce apresenta

predominantemente, menor índice pluviométrico que a Sul e Oeste da bacia

(CUPOLLILO; ABREU; CASTRO, 2006).

Cupollilo (2008) ressalta ainda que a duração das estações seca e chuvosa

varia da montante para jusante, com maior duração da estação chuvosa à montante e

maior estação seca na região central da bacia.

Para alcançar os objetivos propostos neste estudo, o mesmo foi dividido em

duas principais etapas sendo: análise morfométrica de sub-bacias da bacia do rio

Doce e determinação do nível de similaridade das sub-bacias pelo método de análise

estatística multivariada de agrupamentos (Cluster).

Inicialmente para a análise morfométrica foi realizada a aquisição de bases de

dados em formato vetorial e matricial disponibilizados nos portais do SNIR (Sistema

Nacional de Informações de Recursos hídricos) (ANA, 2013) e Embrapa

Monitoramento por Satélite (EMBRAPA, 2013).

Segundo Silva (2003) as bases vetoriais são aquelas onde as entidades físicas

dispostas na superfície da terra são representadas por elementos de geometria

simples como pontos linhas e polígonos, enquanto as matriciais (raster) compreendem

representações destas mesmas feições formadas por pequenas unidades digitais

(pixel) que em conjunto formam as entidades em questão.

As bases de dados vetoriais correspondentes as sub-bacias da bacia do rio

Doce, foram obtidas através de download do arquivo de ottobacias nível 03 (feições

poligonais representativas de bacias hidrográficas) no portal do Sistema Nacional de

Informações de Recursos Hídricos (SNIRH) (ANA, 2013). As otto bacias são áreas de

contribuição dos trechos da rede hidrográfica, codificadas segundo o método

elaborado no final da década de 1980 por Otto Pfafstetter, do extinto Departamento

Nacional de Saneamento (DNOS) (ANA, 2013).

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A escolha das ottobacias nível 03, em detrimento das demais disponíveis,

deveu-se ao fato de que esta divide a bacia do rio Doce em um número de sub-bacias

que não é muito pequeno e nem excessivo, tendo apresentado a configuração que

melhor se adequou aos objetivos da pesquisa, analogamente ao que sugere Silva et

al. (2009) ao realizar trabalho em área de abrangência regional de Cerrado em que

utilizou também ottobacias nível 03. Desta forma as sub-bacias (ottobacias nível 03)

estudadas foram: 761, 762, 763, 764, 765, 766, 767, 768 e 769 (figura 02).

Figura 02: Ottobacias nível 03 da bacia do rio Doce.

Fonte ANA (2013), IBGE (2013), CRUZ & NASCIMENTO (2013).

As bases matriciais utilizadas corresponderam às cenas do modelo digital de

elevação (MDE) SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission), que recobrem toda a

extensão da bacia do rio Doce. Logo, as cenas incluíram tanto o Estado de Minas

Gerais, quanto o Espírito Santo. Elas foram obtidas em formato geotiff, através do

portal da Embrapa Monitoramento por Satélite (EMBRAPA, 2013) e seu PROGRAMA

BRASIL EM RELEVO.

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O Modelo Digital de Elevação (MDE) ou Modelo Numérico do Terreno (MNT) é

uma representação matemática computacional da distribuição de um fenômeno

espacial que ocorre dentro de uma região da superfície terrestre. Dados de relevo,

informações geológicas e dados geofísicos são exemplos típicos de fenômenos

representados por um MDE (FELGUEIRAS; CAMARA, 2004).

As cenas do MDE SRTM utilizadas na pesquisa foram as seguintes: SE-23-X-

C/ SE-23-X-D/ SE-23-Z-A/ SE-23-Z-B/ SE-23-Z-C/ SE-23-Z-D/ SE-24-V-C/ SE-24-Y-

A/SE-24-Y-C/ SF-23-X-A/ SF-23-X-B/ SF-23-X-C/ SF-23-X-D/ SF-24-V-A/ SE-24-Y-B/

SE-24-Y-D.

Para a análise morfométrica optou-se por trabalhar apenas com parâmetros

que tivessem alguma interpretação ou relacionamento direto com a hidrologia, como a

fragilidade a processos erosivos, e, por conseguinte, ao assoreamento das redes de

drenagem e também a propensão a eventos extremos, tais como enchentes e

enxurradas. Tal escolha decorreu exatamente do contexto regional da bacia, que

apresenta problemáticas bastante marcantes relativas aos dois processos descritos.

Desta forma, os parâmetros determinados para cada sub-bacia otto nível 03,

do rio Doce foram: índice de circularidade, coeficiente de compacidade, altitude

máxima, altitude mínima, amplitude altimétrica e distribuição de frequência de classes

de relevo.

O coeficiente de compacidade (Kc) constitui a relação entre o perímetro da

bacia e o perímetro de uma circunferência de um círculo de área igual à da bacia

(ALMEIDA, 2007). O Kc foi determinado segundo a equação abaixo:

√ equação 01

Kc=coeficiente de compacidade

P=perímetro (Km)

A=área da bacia (km²)

A susceptibilidade a enchentes medida pelo coeficiente de compacidade

depende da proximidade do valor obtido da unidade, isto é, quanto mais próximo de 1

maior o risco de ocorrências de enchentes (CARDOSO et al., 2006).

O índice de circularidade pode ser descrito matematicamente conforme a

equação descrita abaixo :

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equação 02

onde:

Ic: índice de circularidade;

P: perímetro da bacia (km);

A: área da bacia (km²).

Segundo Tonello (2005) o índice de circularidade tende para a unidade à

medida que a bacia se aproxima da forma circular.

Quanto maior for o valor do índice de circularidade, maior é o perigo de

ocorrência de enchentes, pois haverá uma maior concentração de água no tributário

principal quando se tem uma chuva intensa em uma dada bacia hidrográfica (ROCHA

apud VIEIRA; FURTADO, 2004).

Para o cálculo do coeficiente de compacidade e índice de circularidade foram

utilizados documentos do Microsoft Excel 2007TM, com programação específica feita a

partir das fórmulas que compõe cada método. Contudo, anterior à determinação dos

parâmetros foi necessário calcular a área e o perímetro de cada sub-bacia estudada,

ambos demandados pelos dois parâmetros supracitados.

Para tanto, inicialmente, foi realizada a reprojeção da base de ottobacias em

GCS WGS-84 para o sistema de projeção UTM WGS-84, através da ferramenta

Project do toolbox Data Management Tools, do ArcGIS 10TM. Posteriormente então, na

própria tabela de atributos utilizando o operador Calculate Geometry, sobre duas

novas colunas previamente adicionadas, foram calculadas as áreas e perímetro de

cada sub-bacia, em Km2 e m respectivamente.

As altitudes máxima e mínima corresponderam ao maior e menor valor de cota

altimétrica observado na disposição do relevo de cada sub-bacia. Enquanto que, a

amplitude altimétrica representou o range ou variação total dos níveis hipsométricos.

A variação da altitude e a elevação média de uma bacia, ou sub-bacia, são

importantes pela influência que exercem sobre a precipitação, sobre as perdas de

água por evaporação e transpiração e, consequentemente, sobre o deflúvio médio

(TONELLO, 2005).

Para a determinação das altitudes máxima e mínima de cada sub-bacia, foi

necessário inicialmente gerar o MDE da bacia do rio Doce. Ele foi feito através de

procedimento de mosaicagem das cenas SRTM, função Mosaic to New Raster do

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toolbox Data Management Tools, e posterior eliminação das regiões excedentes pelo

uso da ferramenta Extract by Mask do toolbox Spatial Analyst Tools.

Do MDE da bacia, obteve-se então o MDE de cada sub-bacia pelo uso,

novamente, da ferramenta Extract by Mask, utilizando como máscara o arquivo vetorial

das ottobacias nível 03. A partir daí, apenas consultando a janela de propriedades de

cada arquivo de MDE de cada sub-bacia, obtiveram-se os valores de altitude máxima

e mínima.

A amplitude altimetrica foi determinada apenas subtraindo-se o valor de maior

magnitude de cota do MDE de cada sub-bacia do menor valor, já obtidos conforme

descrito na etapa anterior.

As classes de declividade utilizadas na pesquisa constituíram aquelas

adotadas pela EMBRAPA em sua classificação de tipos de relevo, presente na tabela

01 (EMBRAPA, 1979).

Tabela 01: Classes de relevo.

Fonte: EMBRAPA (1979)

CLASSES DE RELEVO INTERVALO (%)

Plano 0-3

Suavemente ondulado 3-8

Ondulado 8-20

Fortemente ondulado 20-45

Montanhoso 45-75

Fortemente montanhoso >75

A partir dos MDES de cada sub-bacia foi gerado um arquivo matricial de

declividades, através da aplicação da ferramenta Slope do toolbox Spatial Analyst

Tools, tendo sido escolhida a opção da determinação das declividades em percentual.

Em seguida cada arquivo de declividades passou por um processo de reclassificação,

em que a declividade individual de cada pixel na base foi reagrupada à luz dos

intervalos das classes dos critérios adotados, através da ferramenta Reclassify do

toolbox Spatial Analyst Tools.

A partir das bases de declividades reclassificadas de cada arquivo, foram

geradas automaticamente a distribuição de frequência absoluta de níveis de

declividade, simplesmente extraindo o número de pixels dentro de cada classe por

consulta a sua tabela de atributos.

Por fim, os dados de distribuição de cada classe para cada sub-bacia foram

transferidos para documento Microsoft Excel 2007TM, onde se pôde determinar o

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percentual de representatividade de cada classe de relevo, isto é, a distribuição de

frequência relativa em percentual.

A fim de identificar sub-bacias com níveis característicos de similaridades, que

corresponderiam a regiões fisicamente homogêneas da bacia do rio Doce, foi utilizado

método estatístico de análise multivariada de grupamentos (Cluster) sobre o conjunto

de parâmetros morfométricos determinados para cada sub-bacia. Esta etapa utilizou

como ferramental estatístico o pacote Bioestat 5.0TM. O Bioestat 5.0TM é um software

com 210 aplicativos estatísticos de fácil uso (AYRES et al., 2007).

O objetivo principal da Análise de Grupamentos é, obviamente, agrupar os

indivíduos em conglomerados ou Clusters. Os conglomerados são identificados como

grupos que compõem a população ou a amostra que está sendo analisada. As

unidades de um grupo apresentam muitas semelhanças entre si e muitas diferenças

em relação às unidades dos demais grupos (AYRES et al., 2007).

Nos métodos hierárquicos de Cluster, onde se encontra o método de Ward, a

delimitação de grupos é feita de maneira subjetiva, observando-se os pontos de alta

mudança de nível no diagrama de árvore (dendrograma). Por esse motivo, podem-se

esperar diferentes padrões de grupamento, os quais dependem ainda do método de

grupamento e da medida de distância ou de similaridade adotados (PEREIRA; CRUZ,

2003).

Os nós do dendrograma representam grupamentos, que são compostos pelos

grupos e/ou objetos (grupos formados apenas por ele mesmo) ligados a ele (nó). O

dendrograma ao ser cortado em um nível desejado produz uma classificação do

número de grupos existentes e dos indivíduos que os formam. O número de grupos

dos indivíduos é obtido pelo corte do dendrograma em um nível desejado e então cada

componente conectado forma um grupo (ALBUQUERQUE, 2005).

Neste sentido, optou-se por utilizar o método de Ward. O método de Ward é

um método de agrupamento onde os grupos de dados são formados em etapas e são

sistematicamente reduzidos (n,n-1,n-2,...), considerando a união de todos os n(n-1)/2

possíveis pares e selecionando a união que tem um valor máximo para a função

objetivo (WARD apud DINIZ; SOARES; CABRAL, 2012).

O algoritmo Ward pode ser apresentado em linhas gerais, como segue:

1. Criar M grupos, cada grupo contendo um vetor componente da base de

dados;

2. Considerar as M x M combinações e calcular o erro interno para cada

combinação;

3. Escolher a combinação que obteve o menor erro interno;

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4. O número de grupos é reduzido de 1 (M = M-1) e o processamento retorna

ao passo 2 até que se tenha apenas um grupo que inclua todos os objetos ou

qualquer outro critério de parada seja atingido.

Cada nível de agregação implica numa perda de informação resultante de cada

agrupamento. O nível de agregação aumenta à medida que diminui o número de

grupos (BRAGA; BECKER apud BRAGA; MELO; MELO, 2013).

Vicini (2005) ressalta que pelo método de Ward um grupo será reunido se essa

reunião proporcionar o menor aumento da variância intragrupo. Tal método, portanto,

calcula as médias de todas as variâncias para cada grupo, escolhendo a que

proporciona a menor variância.

Outro elemento fundamental na aplicação de qualquer método hierárquico de

análise de grupamentos é a escolha do tipo de distância, ou medida de

dissimilaridade. A distância compreende um parâmetro para medir o grau de

similaridade entre dois objetos. Cada variável corresponde a uma dimensão, e cada

objeto é representado por um ponto no espaço multidimensional resultante. Quanto

menor for à distância mais similar serão os objetos e, portanto, aumenta a

probabilidade de pertencerem ao mesmo grupo (AYRES et al., 2007).

Segundo Ayres et al. (2007) a medida da distância é a base da análise de

grupamentos. A princípio, cada objeto é único e, portanto, as distâncias entre os

grupos são óbvias. Entretanto, à medida que os objetos são agrupados, deve-se

decidir qual a forma de medir a distância entre um grupo (Cluster) e um objeto, ou

entre dois grupos. Cada método de agregação fornece um critério diferente para

definir, no espaço multidimensional, o ponto dentro do grupo que servirá de referência

para calcular as distâncias entre esse grupo e outros objetos ou grupos.

Considerando a escolha pelo método de Ward, como método de Clusterização,

optou-se consequentemente pelo quadrado da distância Euclidiana, como medida de

dissimilaridade. O quadrado da distância euclidiana pode ser definido como o

somatório dos quadrados das diferenças entre os valores i e j para todas as variáveis

(v = 1, 2... p) de todos os objetos (i e j) (ALBUQUERQUE, 2005).

= ∑ ( )

2 equação 03

Para interpretação do dendrograma, sendo a medida da distância euclidiana a

base da análise pelo método de Ward, adotou-se como nível de corte aquele em foi

possível identificar as menores distâncias entre as sub-bacias em análise.

15

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 ANÁLISE MORFOMÉTRICA

A análise morfométrica das sub-bacias otto nível 03 reportou os resultados da

dos quadros 01 e 02.

SUB-

BACIAS Kc Ic

ALTITUDES (m)

MÁX MÍN AMPLITUDE

ALTIMÉTRICA

761 1.86 0.29 1527 0 1527

762 1.49 0.45 2627 75 2552

763 1.96 0.26 1551 16 1535

764 1.78 0.31 1642 138 1504

765 2.00 0.25 1272 94 1178

766 1.66 0.36 1782 184 1598

767 1.32 0.57 1114 172 942

768 1.68 0.35 2076 217 1859

769 1.47 0.46 1915 202 1713

Quadro 01: Parâmetros morfométricos das sub-bacias Otto nível 03

Do quadro 01 pode-se notar que as altitudes máximas variam de 1114 a 2627

metros. O valor máximo das máximas foi registrado na sub-bacia 762, enquanto o

menor ocorreu na sub-bacia 767. Considerando ainda a variação das altitudes

máximas entre todas as sub-bacias foi evidenciada uma amplitude hipsométrica da

ordem de 1513 metros, que pode ser considerada bastante pronunciada.

Em relação à análise das altitudes mínimas foi reportado um valor máximo de

217 metros na sub-bacia 768. O valor mínimo evidenciado correspondeu à cota 0

metros, localizada na sub-bacia 761 que se encontra no baixo curso do rio Doce,

notadamente na região em que ocorre a confluência do rio com o oceano Atlântico.

Quanto à variação das altitudes mínimas entre todas as sub-bacias pôde-se evidenciar

uma amplitude hipsométrica de 217 metros, constituindo assim um “range” de menor

magnitude quando comparada as altitudes máximas.

O estudo das amplitudes altimétricas das sub-bacias revelou haver uma menor

variabilidade na sub-bacia 767, em que ocorreram também os registros das menores

cotas, tendo sido observada uma variação de níveis altimétricos de 942 metros.

16

Enquanto que a maior amplitude foi evidenciada na sub-bacia 762, com exatos 2552

metros. Note-se também que nesta mesma sub-bacia foi também registrado o maior

valor de altitudes máximas. De forma geral, evidencia-se que as amplitudes de todas

as sub-bacias possuem valores significativos, correspondendo com frequência a

variações de mais de 1000 metros.

O coeficiente de compacidade das sub-bacias, de maneira geral, apresenta

valores que se afastam da unidade; se estendendo de 1,47 a 2,0; a exceção da sub-

bacia 767 que registrou o valor de 1,32. Valores de Kc que se afastam da unidade

sugerem bacias que não possuem formato que se aproxima do círculo, constituindo

unidades mais alongadas (SAIS; BELI, 2012). A sub-bacia 767, por apresentar valor

Kc relativamente próximo da unidade, possui uma maior fragilidade aos eventos de

inundações, considerando-se seu formato mais radial, que pode ser constatado pelo

histórico de eventos desta natureza na região do médio rio Doce, onde está inserida

tal sub-bacia (ECOPLAN-LUME, 2010).

Deve-se notar, contudo, que outras regiões que vão além da sub-bacia 767,

sofrem sazonalmente com as inundações decorrentes das cheias do rio Doce, apesar

de que suas fragilidades podem não estar evidentes apenas a partir da análise da

forma da bacia. Tal explicação para a ocorrência desta problemática pode estar,

então, relacionada a outros fatores tais como relevos mais acidentados, solos rasos e

intensos processos de desmatamento e mudanças no uso da terra, segundo Olszevski

et al. (2011). Corrobora para isto Ecoplan-Lume (2010) ao afirmar que o

desmatamento indiscriminado e o manejo inadequado do solo criaram condições

favoráveis à formação de processos erosivos na bacia do rio Doce, assoreando os

mananciais. Além de que algumas cidades ocuparam a planície de inundação dos rios

e de tempos em tempos, períodos de chuva mais severos provocam o alagamento de

parte destas planícies, trazendo graves prejuízos à região.

Com relação ao índice de circularidade todas as sub-bacias registram valores

relativamente pequenos que se afastam da unidade, a exceção da sub-bacia 767; que

apresenta o maior valor encontrado (0,57). Desta forma, pode-se considerar que esta,

dentre todas as sub-bacias estudadas, é a que apresenta o maior potencial para

ocorrência de enchentes, visto que ela é a que mais se aproxima da forma circular

(Ic=1) (TORRES et al., 2007), analogamente ao ocorrido quanto às análises do

coeficiente de compacidade.

Alves e Castro (2003) descrevem o valor de Ic 0,51 como sendo crítico, ou

determinante, do comportamento hidrológico em bacias hidrográficas. Ainda segundo

os autores, Ic menores que 0,51 descrevem bacias mais alongadas onde há um

17

favorecimento do escoamento, ao passo que bacias com valores maiores que 0,51

são característicos de bacias circulares onde há um evidente favorecimento dos

processos de inundação (cheias rápidas).

Considerando que todas as sub-bacias, excetuando-se a 767, possuem valores

de Ic menores que o crítico (0,51), em tese há uma menor tendência a ocorrência de

inundações nestas unidades, visto que constituem sub-bacias mais alongadas, onde

há um favorecimento natural ao rápido escoamento (Oliveira et al., 2010), não

constituindo-se a forma das sub-bacias como relevantes para a formação de

inundações (CAJAZEIRO, 2012).

Contudo, a realidade que se apresenta em várias regiões da bacia do rio Doce

é totalmente contrastante com este cenário, uma vez que as cheias e enchentes que

ocorrem sistematicamente na bacia não costumam se concentrar apenas na área da

sub-bacia 767, mas se estendem por outras sub-bacias, conforme já mencionado.

Desta forma pode-se afirmar novamente que este cenário crítico de eventos

extremos certamente sofre influência na bacia de fatores como o desmatamento e

assoreamento da drenagem, uma vez que, segundo Ecoplan-Lume (2010) a bacia do

rio Doce, de forma geral, teve sua cobertura vegetal removida, principalmente a partir

do século XIX, para o cultivo de café e cana-de-açúcar, exploração madeireira e

formação de pastagens, o que pode ter levado a modificação da capacidade de

infiltração e armazenamento dos solos e agravado os efeitos das cheias,

principalmente nas pequenas bacias.

A distribuição de frequência de classes de relevo, baseado nos critérios da

EMBRAPA (1979), apresentou diferentes proporções, para cada sub-bacia. Contudo,

pôde-se evidenciar um pronunciado predomínio em todas as sub-bacias de relevos

“ondulados” e “fortemente ondulados”, conforme ilustrado no quadro 02 e figura 03.

18

Quadro 02: Distribuição de frequência de classes de declividade nas sub-bacias Otto nível 03

Figura 02: Mapa clinográfico das sub-bacias otto nível 03.

Fonte: EMBRAPA(2013), ANA (2013), CRUZ & NASCIMENTO (2013).

Na sub-bacia 762 há o menor percentual de relevo na classe “ondulado”, mas

ainda assim esta classe recobre 29, 22% da sub-bacia, enquanto a sub-bacia onde há

SUB-

BACIAS

TIPOS DE RELEVO - % (EMBRAPA, 1979)

PLANO SUAVEMENTE

ONDULADO ONDULADO

FORTEMENTE

ONDULADO MONTANHOSO

FORTEMENTE

MONTANHOSO

761 8.78 11.43 29.68 42.01 7.09 1.01

762 2.95 7.94 29.22 51.77 7.32 0.79

763 5.02 11.70 36.02 43.08 3.77 0.41

764 4.93 10.93 38.05 43.86 2.12 0.10

765 5.52 11.26 36.91 42.05 4.09 0.17

766 2.31 9.46 38.87 43.82 5.29 0.26

767 7.50 15.09 40.00 34.41 2.81 0.20

768 2.65 10.22 38.57 43.91 4.34 0.30

769 4.11 10.99 40.03 42.92 1.88 0.07

19

o maior predomínio desta classe é a 769 com aproximadamente 40,03%. Quanto aos

relevos “fortemente ondulado” o menor percentual de classe ocorre na sub-bacia 767,

com 34,41%, e o maior na sub-bacia 762 (51,77%).

Considerando uma composição de ambas as classes de relevos “ondulado” e

“fortemente ondulado”, elas representam, em geral, percentuais em cada sub-bacia,

que variam de 71,69 a 82,95% das respectivas áreas de drenagem.

Disto ocorre que, há uma notável predominância de relevos acidentados em

todas as sub-bacias, incorrendo em grande tendência a efeitos hidrológicos por vezes

de alto poder degradador, uma vez que o tipo de relevo existente na área tem

influência direta na relação entre a precipitação e o deflúvio da bacia hidrográfica,

sobretudo devido ao aumento da velocidade de escoamento superficial, que reduz a

possibilidade da infiltração de água no solo (TORRES et al., 2010).

Considerando o cenário que se apresenta, isto é, aquele em que não há

notáveis fragilidades a enchentes e inundações decorrentes da forma das sub-bacias

no rio Doce, mas há de fato a ocorrência destes eventos em regiões da bacia

diferentes da sub-bacia 762, a constatação de que há declividades muito significativas

em todas as sub-bacias associadas a grandes níveis de antropização na região em

estudo (ECOPLAN-LUME, 2010) pode ser um componente que justifica esta

problemática.

Ambos os fatores descritos acima podem modular as inundações ao promover

aporte de sedimentos nos canais fluviais, que ao depositarem-se reduzem a calha de

drenagem dos rios, pelo assoreamento, podendo levar ao transbordamento e posterior

alagamento marginal. Corrobora para isto Martini (2012) ao atestar que em áreas de

declividades muito elevadas devem haver fortes restrições ao uso agrícola da terra,

uma vez que gera-se assim um quadro de grande risco de erosão hídrica aos solos; e

Tonello (2005) que aponta que este processo pode levar a perdas de solo, provocando

assim assoreamento e eutrofização de corpos hídricos.

Santos, Silva e Cecília (2013) reforçam ainda mais esta conclusão ao

afirmarem que em bacias muito íngremes, caso não haja cobertura vegetal adequada

espera-se um menor tempo de concentração, fato que poderá implicar em enchentes e

um maior escoamento superficial, indicando maior susceptibilidade à degradação.

3.2 REGIÕES FISICAMENTE HOMOGÊNEAS

A análise de cluster hierárquica realizada (método de Ward) permitiu agrupar

as sub-bacias otto nível 03 em regiões fisicamente homogêneas, baseadas em seu

20

nível de dissimilaridade quanto as variáveis morfométricas estudadas, conforme

ilustrado na figura apresentada abaixo.

Figura 04: Grupos formados pela análise de Cluster.

Por se tratar de um método hierárquico, o dendrograma formado pela aplicação

do método de Ward agrega os grupos de sub-bacias em cenários em que uma única

sub-bacia pode constituir desde uma região fisicamente homogênea em si própria, até

o nível em que todas as sub-bacias podem ser consideradas um único grupo, isto é, a

bacia do rio Doce de forma integral poderia ser entendida como uma única região

fisicamente homogênea.

Pode-se constatar, então, que o número de grupos formados, e as sub-bacias

que compõe cada grupo, é fortemente influenciado pela decisão quanto ao nível de

corte no dendrograma.

Desta forma, considerando que o nível de corte adotado pela pesquisa, que

correspondeu aquele em que é possível identificar os primeiros nós que caracterizam

o agrupamento das sub-bacias, foram identificadas sete regiões fisicamente

homogêneas.

As sub-bacias 761, 762, 764, 769 e 767 não apresentaram níveis de

similaridades bem pronunciados, considerando as distâncias euclidianas entre si e o

nível de corte adotado, que permitissem agrupamentos entre si, de forma que todas

21

constituem bacias com características físicas distintas. Elas foram então denominadas

respectivamente, para efeito da pesquisa região 01, 02, 04, 06 e 07.

Apenas dois grupos foram formados pela agregação de mais de uma sub-

bacia. A região denominada 03 foi constituída pelo agrupamento da sub-bacia 763 e

765. Já a região 05 constituiu-se da agregação da sub-bacia 766 e 768. Todos os

grupos formados tem sua disposição espacial apresentada na figura 05.

Figura 05: Regiões fisicamente homogêneas da bacia do rio Doce.

Fonte: ANA (2013), IBGE (2013), CRUZ & NASCIMENTO (2013).

Caso o nível de corte adotado fosse um pouco mais flexível, haveria maior

possibilidade em se formar grupos com mais de uma sub-bacia. Isto pode ser

evidenciado claramente ao se observar que o próximo nível hierárquico no

dendrograma, já pressupõe dois grupos formados por três sub-bacias, o que não

ocorre no nível de corte analisado.

Considerando o cenário mais flexível, a sub-bacia 769 seria agregada ao grupo

já formado pelas sub-bacias 766 e 768, a partir da análise do dendrograma. Contudo,

deve-se observar que dada à significativa distância euclidiana entre o primeiro grupo e

22

a sub-bacia 769, a agregação entre esta sub-bacia e o grupo anteriormente formado,

poderia não representar na prática uma região fisicamente homogênea, apesar de que

esta última sub-bacia apresenta maior dissimilaridade com o grupo citado, do que com

todos os demais grupos.

Desta forma, justifica-se o baixo nível de corte adotado pelo fato deste garantir

a elucidação do maior nível de dissimilaridade entre os grupos, garantindo por sua vez

que a identificação das regiões fisicamente homogêneas, pela análise do

dendrograma, possa apresentar um grau de segurança e confiabilidade factíveis, isto

é, que na prática há níveis de similaridades físicas entre as unidades, que levem a crer

que possivelmente estes níveis de similaridade podem condicionar também

comportamento hidrológico semelhantes nas sub-bacias, dado a relação das

características físicas destas últimas com o processo de escoamento superficial.

Portanto, considerando que os modelos de regionalização hidrológica, que

permitem predizer o comportamento do escoamento superficial em uma dada bacia,

frequentemente utilizam como variáveis explicativas em seus modelos de regressão

estatística variáveis de natureza física das bacias, é de se supor que a identificação de

regiões fisicamente homogêneas pode sugerir os arranjos entre sub-bacias que

poderiam identificar de forma mais ágil as regiões hidrologicamente homogêneas,

gerando assim otimização dos recursos e do tempo necessários no desenvolvimento

dos modelos.

4. CONCLUSÃO

O uso de sistemas de informações geográficas (SIG) constituiu uma ferramenta

fundamental na pesquisa, pois permitiu extrair informações para análise morfométrica

de maneira ágil e eficiente.

As sub-bacias otto nível 03 da bacia do rio Doce, de forma geral não

apresentam uma evidente fragilidade a eventos extremos, inundações e enchentes,

baseada somente nas formas da bacia. Contudo, dado que a bacia do rio Doce

apresenta-se bastante antropizada, onde historicamente as áreas de florestas

primárias foram convertidas em pastagens, plantações de cana-de-açúcar e outros

usos alternativos; e que pôde-se constatar que há uma significativa predominância de

relevos íngremes (relevos ondulados e fortemente ondulados); cria-se um cenário de

risco decorrente dos últimos fatores, associados ao regime de precipitação regional,

que se materializa em enchentes em variadas sub-bacias do rio Doce.

23

Disto decorre que, medidas que visem atenuar ou mitigar a problemática das

enchentes, nas sub-bacias do rio Doce, devem impreterivelmente passar pela

realização de ações de recuperação de áreas degradadas e reflorestamento,

principalmente nas regiões de relevo mais íngreme, uma vez que estas são regiões

que podem potencializar o processo de escoamento superficial e ainda ser uma fonte

de sedimentos para as redes de drenagem, modulando assim a ocorrência das cheias

e enchentes.

A análise de cluster permitiu identificar sete regiões fisicamente homogêneas

na bacia do rio Doce, onde há significativas semelhanças quanto às fatores de

natureza física destas unidades. Considerando que os modelos de regionalização

hidrológica, que permitem predizer o comportamento do escoamento superficial em

uma dada bacia, frequentemente utilizam como variáveis explicativas em seus

modelos de regressão fatores físicos das bacias, é de se supor que a identificação de

regiões fisicamente homogêneas pode auxiliar também na determinação de regiões

hidrologicamente homogêneas, podendo ser entendida como uma etapa de pré-

regionalização hidrológica.

Logo, é necessário que trabalhos de regionalização hidrológica, utilizando

como unidades espaciais de análise as ottobacias nível 03, sejam realizados

complementarmente, a fim de que se possa avaliar se as regiões fisicamente

homogêneas definidas, constituem também regiões hidrologicamente homogêneas.

Podendo-se assim estimar a proporção com que os processos hidrológicos das sub-

bacias do rio Doce, são condicionados por fatores físicos. Desta forma, otimizando os

processos de gestão de recursos hídricos.

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