integração do modelo hidrológico para grandes bacias mgb ‑ iph e sistemas de informação...

Integrao do Modelo Hidrolgico para Grandes Bacias MGBIPH e Sistemas

de Informao Geogrfica para suporte deciso de outorga de direito de uso da gua

margarita Pereira Rafael bloedow Kayser walter Collischonn

RESUmO: Os procedimentos para decidir tecnicamente sobre pedidos de outorga de direito de uso da gua envolvem etapas de comparao entre a demanda e a disponibilidade de gua, as quais tm forte relao com os atributos espaciais da rede de drenagem e da localizao dos diferentes usurios de gua em uma bacia hidrogrfica. Idealmente, portanto, modelos hidrolgicos utilizados para analisar a disponibilidade de gua nos locais onde a outorga solicitada deveriam ser integrados a um Sistema de Informao Geogrfica (SIG). Neste trabalho apresentamos uma metodologia de integrao de modelos hidrolgicos e SIG para auxlio tomada de deciso em pedidos de outorga de direito de uso da gua. A metodologia envolve: 1) a utilizao de SIG para prprocessamento de dados visando a aplicao de um modelo hidrolgico chuvavazo; 2) a aplicao do modelo chuvavazo para gerar estimativas da vazo de referncia adotada como disponibilidade hdrica em cada trecho de rio em que dividida a bacia; 3) a transferncia dos resultados do modelo hidrolgico de volta ao SIG; e 4) a aplicao de um Sistema de Suporte Deciso no qual clculos simples de balano hdrico so realizados internamente em um SIG. apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do SulBrasil, regio em que as demandas ultrapassam a disponibilidade de gua. Os resultados no estudo de caso demonstraram que possvel aprimorar a metodologia de anlise de outorga ao integrar SIG e modelagem hidrolgica para auxlio tomada de deciso, facilitando assim o aproveitamento sustentvel dos recursos hdricos numa bacia baseados no conhecimento da variabilidade sazonal e espacial da sua disponibilidade.

PAlAVRASChAVE: outorga; modelos hidrolgicos; SIG; modelos de suporte deciso.

AbSTRACT: The procedures for technical deciding about water use permits, involve steps of comparison between demand and availability of water which has a strong relationship between the spatial attributes of the drainage network and the location of different water users in a watershed. Therefore, ideally, the models used to make these analyses should be integrated into a Geographic Information System GIS. We propose a methodology for integrating GIS and hydrological models to support decision making in analysis of water use permits requests. The methodology involves 1) the use of GIS for preprocessing of data for the application of a rainfall runoff hydrologic model; 2) the application of rainfallrunoff model to generate estimates of the flow of reference adopted as water availability in every stretch of river; 3) transfer the results of the hydrological model back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented methodology was tested at the Dos Sinos River basin, at Rio Grande do Sul, Brazil, region where the demands exceed the water availability. The results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights for use permits when GIS and hydrological models are integrated.

KEywORDS: water use permits; Geographic Information System; geoprocessing; hydrological models; decision support models.

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REGA Vol. 9, no. 2, p. 21-33, jul./dez. 2012

INTRODUONo Brasil, a Lei 9.433/1997, que instituiu a

Poltica Nacional de Recursos Hdricos, elenca entre os seus instrumentos a outorga de direito de uso de recursos hdricos. A outorga de recursos hdricos uma autorizao de uso de carter administrativo que depende de uma srie de anlises tcnicas de parte dos rgos gestores outorgantes de recursos hdricos. De forma sucinta, estas anlises dizem respeito, por um lado, eficincia na utilizao de gua por cada setor usurio e, por outro, capacidade do corpo hdrico de atender demanda solicitada (captao ou lanamento), considerando os demais usos j existentes e a hidrologia local (Silva & Pruski, 2000; Collischonn & Lopes, 2008).

A deciso sobre a outorga cabe a um rgo do governo federal ou estadual. No caso de rios de dominialidade federal (i.e. rios que passam por mais de um estado ou de um pas), a deciso cabe Agncia Nacional de guas (ANA). No caso de um rio de dominialidade estadual a deciso cabe a rgo do governo estadual, como a Secretaria Estadual de Recursos Hdricos, ou o Departamento de Recursos Hdricos, subordinado a alguma outra secretaria.

Em geral, a metodologia de verificao de disponibilidade ocorre em trs etapas (Collischonn & Lopes, 2008):

1. Determinao da disponibilidade hdrica, atravs de extrapolao de dados de uma estao fluviomtrica prxima, regionalizao de vazes, vazo regularizada por reservatrio ou outro mtodo adequado;

2. Identificao de todas as demandas existentes na bacia a montante do ponto de demanda, podendo ser os usurios outorgados (federais e estaduais) e os usos identificados atravs de planos e estudos;

3. Clculo de indicadores, determinando qual a porcentagem da disponibilidade hdrica local comprometida individualmente pelo usurio e qual o grau de comprometimento total, considerando todos os usurios.

Em muitos casos as anlises de disponibilidade hdrica ainda exigem que os tcnicos analisem mapas em papel, relatrios e utilizem planilhas de clculo de uma forma no integrada, e com muitos procedimentos manuais. Em outras palavras, no existe uma integrao adequada entre a base de dados geogrficos e a metodologia de anlise dos pedidos de outorga.

Em consequncia disso, a anlise mais demorada, mais sujeita a erros e mais dependente de quem o tcnico que est realizando a anlise.

Uma alternativa interessante para agilizar o processo de anlise de pedidos de outorga o desenvolvimento de um Sistema de Suporte Deciso (SSD). Segundo Porto et al. (1997), os SSD so sistemas computacionais constitudos por bases de dados e modelos matemticos, que, interagindo entre si, atravs de uma interface grfica, tm por objetivo auxiliar indivduos que tomam decises na soluo de problemas no estruturados (ou parcialmente estruturados). Problemas no estruturados so aqueles para os quais no existem solues atravs de algoritmos bem definidos e, por isso no so facilmente tratveis por computador. Em conseqncia, a soluo destes problemas exige uma estreita interao entre homem e mquina, fato que constitui uma das principais caractersticas dos SSD.

Um exemplo de SSD para outorga que vem sendo desenvolvido dentro da ANA o Sistema de Controle de Balano Hdrico para a bacia do rio So Francisco (Collischonn & Lopes, 2008). Este mesmo sistema vem sendo aplicado com sucesso em outras bacias como a do rio Paran e rio Grande (Collischonn & Lopes, 2009).

Outro exemplo o Sistema de Suporte Deciso para a Gesto QualiQuantitativa dos Processos de Outorga e Cobrana pelo uso da gua, proposto por Rodrigues (2005), com aplicaes na bacia do rio Jundia e na bacia do rio Paraba do Sul.

Entretanto, uma carncia de alguns destes sistemas que normalmente no so integrados a um Sistema de Informao Geogrfica.

Considerando que as decises sobre outorga tm forte relao com dados de disponibilidade hdrica que poderiam ser produtos da modelagem hidrolgica, com os atributos espaciais da rede de drenagem e com a localizao dos diferentes usurios de gua; os sistemas utilizados para analisar estes pedidos deveriam, idealmente, integrar modelos hidrolgicos e Sistemas de Informao Geogrfica num esquema de integrao flexvel, com uma interfase de articulao comum para descrever processos complexos de forma abrangente. Nesse sentido Sui & Maggio (1999) descreveram amplamente as prticas, problemas, perspectivas e importncia dessa integrao assim como os diferentes tipos de acoplamentos possveis entre modelos hidrolgicos e SIG.

Neste trabalho apresentamos uma metodologia de integrao de modelos hidrolgicos e SIG para auxlio

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Pereira, M.; Kayser, R. b.; Collischonn, W. Integrao do Modelo Hidrolgico para Grandes Bacias MGBIPH e Sistemas...

tomada de deciso em pedidos de outorga de uso da gua. A metodologia envolve: 1) a utilizao de SIG para prprocessamento de dados visando a aplicao de um modelo hidrolgico chuvavazo; 2) a aplicao do modelo chuvavazo para gerar estimativas da vazo de referncia adotada como disponibilidade hdrica em cada trecho de rio da bacia; 3) a transferncia dos resultados do modelo hidrolgico de volta ao SIG; e 4) a aplicao de um Sistema de Suporte Deciso no qual clculos simples de balano hdrico so realizados internamente no prprio SIG. Tambm apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, regio em que as demandas ultrapassam a disponibilidade de gua.

mETODOlOGIAPropese integrar uma metodologia de clculo

de disponibilidade hdrica e ferramentas de suporte tomada de deciso num ambiente de banco de dados georeferenciados, mais especificamente em ambiente SIG, onde, atravs desta integrao, seja possvel facilitar as anlises tcnicas prvias necessrias para tomada de decises, com nfase na avaliao de pedidos de outorga quantitativa.

Para atender a este objetivo foi desenvolvida uma metodologia que inclui um SIG, um modelo hidrolgico chuvavazo distribudo e um sistema de apoio deciso integrado ao SIG.

A funo do SIG , primeiramente, realizar as etapas de prprocessamento necessrias para o clculo das disponibilidades hdricas na bacia. Para isto foi utilizado o conjunto de ferramentas e funes relacionadas a recursos hdricos denominado ArcHydro (Maidment, 2002). Os conceitos e ferramentas do ArcHydro que permitem a anlise da rede de drenagem, com base em representaes vetoriais de elementos da rede (por. exemplo, rios como linhas e bacias como polgonos) e suas correspondentes tabelas de atributos, permitem a organizao e prprocessamento geoespacial e temporal de dados em um sistema de informao geogrfica para uso em modelos de simulao hidrolgica e hidrulica (Whiteaker et al., 2006). O ArcHydro analisa os Modelos Digitais de Elevao (MDE) e estima as variveis hidrolgicas de forma automtica aumentando a efetividade e preciso na obteno dessas variveis que posteriormente podem ser utilizadas como dados de entrada em simulaes hidrolgicas. No caso do presente estudo uma das funes principais do ArcHydro consiste na discretizao da bacia

de uma forma coerente em pequenas subbacias, denominadas aqui minibacias.

O clculo das disponibilidades de gua realizado utilizando um modelo chuvavazo distribudo que no caso do presente estudo o Modelo Hidrolgico para Grandes Bacias MGBIPH (Collischonn, 2001; Collischonn et al., 2007).

Por fim, foi aplicado um Sistema de Suporte Deciso para outorga integrado ao SIG. Neste passo a bacia foi dividida aplicando exatamente a mesma discretizao utilizada na aplicao do modelo MGBIPH. Os resultados do modelo hidrolgico em cada uma das minibacias foram transferidos ao SIG, e o Sistema de Suporte Deciso foi testado considerando o caso da bacia do rio dos Sinos, uma das mais crticas em termos de poluio e extrao de gua para usos mltiplos do Rio Grande do Sul.

Discretizao da bacia usando ArchydroUma etapa fundamental na metodologia a

discretizao da bacia hidrogrfica. A discretizao consiste na diviso da bacia em unidades menores e a organizao destas unidades menores segundo um ordenamento topolgico.

Existem vrios mtodos de discretizao de bacias, que podem subdividir a rea em unidades regulares, como quadrados e retngulos; ou em unidades irregulares, sendo usadas neste caso tipicamente as subbacias. O modelo Aumod (Silans et al., 2000) e as primeiras verses do modelo MGBIPH (Collischonn, 2001), por exemplo, adotam uma estrutura de unidades regulares (clulas quadradas). Algumas verses mais recentes do modelo MGBIPH, adotam uma subdiviso da bacia em subbacias, ou minibacias (Getirana, 2009; Collischonn, 2009; Paiva, 2009).

Entre os mtodos de diviso da bacia em subbacias, destacamse os de Otto Pfaffstetter (Verdin & Verdin, 1999), adotado na ANA, e o mtodo adotado no conjunto de ferramentas e conceitos denominado ArcHydro (Maidment, 2002). O mtodo de Pfaffstetter interessante porque alm da diviso da bacia, define um mtodo de codificao inteligente de cada subbacia, em que atravs do cdigo da subbacia possvel fazer inferncias sobre sua posio na bacia. Em outras palavras, a estrutura topolgica da bacia, dividida em pequenas subbacias, est definida pela codificao.

O mtodo do ArcHydro, por outro lado, define a topologia da bacia atravs de uma tabela de atri

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butos, em que cada subbacia apresenta um cdigo identificador prprio e um cdigo identificador da subbacia localizada imediatamente a jusante. Assim, a partir da tabela de atributos das subbacias, possvel identificar facilmente a topologia das bacias e da rede de drenagem.

Os conceitos e mtodos do ArcHydro tambm vm sendo utilizados nas etapas de prprocessamento de diversos modelos hidrolgicos, como o HECHMS (Peters et al., 1995) e SWAT (Arnold et al., 1998) e tambm adotado no presente estudo.

A discretizao realizada em varias etapas, todas elas dentro do software de SIG, especificamente o ArcGIS, e atravs do conjunto de ferramentas ArcHydro, com base no Modelo Digital de Elevao (MDE). As etapas so brevemente apresentadas nos pargrafos que seguem e so mais detalhadamente explicadas em Mainardi et al. (2009).

A primeira etapa a determinao de direes de fluxo e consiste em analisar o MDE para definir, para cada pixel, uma nica direo de fluxo da gua. O resultado uma imagem raster onde a cada pixel atribudo um valor ou cdigo que denota para qual dos vizinhos ele drena. Quase sempre esta etapa inclui alguma metodologia para remoo de depresses esprias no MDE, conforme discutido em Buarque et al. (2009).

A segunda etapa a determinao de rea de drenagem acumulada. Nesta etapa gerada uma nova imagem raster onde cada pixel tem como atributo o valor correspondente ao somatrio das reas superficiais de todos os pixels cujo escoamento contribui para o pixel em questo (Burrough & McDonnel, 1998).

A terceira etapa a definio da rede de drenagem em formato raster. Nesta etapa gerado um plano de informaes (PI) raster em que so marcados apenas os pixels que fazem parte da rede de drenagem. Este PI obtido atravs de uma operao de reclassificao sobre o PI resultante da etapa anterior. Neste caso, necessrio definir qual o limite de rea de drenagem a partir do qual um pixel pertence rede de drenagem (Burrough & McDonnel, 1998). Esta escolha vai depender da qualidade do MDE disponvel, das caractersticas fsicas da bacia e da escala em que se pretende representar os mapas resultantes. Quanto menor o valor limite adotado, maior a densidade da rede de drenagem e maior o nmero de trechos de rio resultante.

A quarta etapa da discretizao do ArcHydro a identificao de trechos individuais da rede de dre

nagem. Nesta etapa so encontrados todos os pontos de incio da rede de drenagem e todas as confluncias presentes na rede. Os trechos individuais da rede de drenagem so aqueles que unem duas confluncias ou um trecho que parte do incio da drenagem e chega at a primeira confluncia subsequente. Todos os pixels de um mesmo trecho recebem o mesmo cdigo identificador.

A quinta etapa a definio das minibacias (catchments), que realizada atravs da identificao de todas as clulas que drenam para cada um dos trechos definidos na etapa anterior. Nesta etapa criado um PI raster em que cada pixel tem o mesmo cdigo do trecho de rio para o qual drena. No ArcHydro existem trs nveis de diviso de uma bacia hidrogrfica, para os quais so utilizadas as palavras em ingls Basin, Watershed e Catchment. Aqui se prope a utilizao das palavras Bacia, SubBacia e Minibacia, respectivamente, como substitutas ou como traduo das palavras utilizadas no contexto do ArcHydro.

A sexta etapa a transformao do PI raster de minibacias em um PI vetorial, contendo os polgonos do contorno das minibacias.

A stima etapa a criao do PI vetorial de linhas da rede de drenagem, com os trechos individualizados, que corresponde ao PI raster resultante da quarta etapa. Na stima etapa tambm atribudo um cdigo identificador (HydroID) para cada trecho de rio. Alm disso, para cada trecho de rio identificado o cdigo do trecho localizado a jusante (NextDownID), que um dos atributos mais importantes para o sistema de suporte deciso, porque permite identificar a influencia que a extrao de gua num trecho determinado tem a jusante dele como tambm permite propagar ao longo da rede a quantidade de vazo subtrada nesse e em outros trechos localizados a montante dele.

O sistema de suporte deciso de outorgaO sistema de suporte deciso para outorga

descrito aqui foi desenvolvido com base no trabalho original de Collischonn & Lopes (2008), entretanto adaptado a um ambiente SIG gerado a partir do ArcHydro, conforme descrito em Kayser (2009) e Pereira et al. (2009).

Denominado SADIPH, o sistema foi desenvolvido dentro do prprio SIG, mais precisamente dentro do software ArcGIS, atravs das opes de customizao disponveis no software em linguagem Visual Basic for Applications (VBA). O software ArcGIS foi escolhido devido a sua estreita relao com as ferra

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mentas ArcHydro e por ser um programa que inclui diversas opes de personalizao ou customizao de aplicaes atravs de uma linguagem de programao relativamente simples como a do VBA.

Basicamente, as rotinas do SADIPH esto baseadas na leitura e insero de dados correspondentes aos atributos do arquivo vetorial de rede de drenagem obtida na discretizao da bacia usando ArcHydro. Alm disso, tambm so utilizados arquivos vetoriais no formato de pontos, representando os usurios de gua da bacia.

O SADIPH est constitudo, at o momento, de ferramentas de configurao de layers ou planos de informao, insero dos dados de disponibilidade hdrica, insero e edio de usurios e visualizao dos resultados. Os dados da disponibilidade so obtidos da aplicao do modelo chuvavazo MGBIPH, que ser descrito posteriormente.

Ao selecionar um determinado trecho da rede de drenagem de onde se deseje realizar alguma extrao de gua, o sistema far a busca da disponibilidade hdrica no trecho, de modo que o usurio possa ter esta informao no momento do pedido de outorga. Atravs de uma interface, so solicitadas algumas informaes cadastrais que so posteriormente armazenadas nos atributos do arquivo vetorial de pontos. Tambm solicitada a demanda requerida naquele local, que armazenada no arquivo da rede de drenagem. Este valor de demanda armazenado no prprio trecho onde o usurio se localiza e tambm nos demais trechos a jusante dele.

Para cada trecho de rio e para cada ms do ano realizada uma comparao entre a vazo disponvel e a vazo total de demanda dos usos locais e de montante. Os usos locais so usurios que retiram gua diretamente do trecho de rio considerado. Os usos de montante so todos os usurios que retiram gua de trechos de rio localizados a montante do trecho considerado.

Em termos de banco de dados, isto significa que cada trecho de rio tem campos de registro que contm o valor da disponibilidade de gua local ms a ms no trecho e outros campos que contm o registro da vazo total demandada tambm ms a ms no prprio trecho e a montante dele. Um determinado uso pode receber outorga ou no dependendo da relao entre disponibilidade e demanda em todos os trechos de rio em que foi discretizada a rede hidrogrfica da bacia.

Nas Figuras 1 e 2 e Tabelas 1 e 2 se exemplifica em forma esquemtica a base do funcionamento do SADIPH melhormente descrito nos pargrafos seguintes.

FIGURA 1. Representao de uma rede de drenagem fictcia com trechos codificados de 15 a 23 sem usurios inseridos.

A Figura 1 representa esquematicamente uma rede de drenagem fictcia simples, mostrando os respectivos cdigos associados a cada trecho e tambm o sentido do escoamento na bacia.

Na Tabela 1 se tem uma representao do que seria a tabela de atributos desta rede fictcia. Observar o cdigo identificador de cada trecho (HydroID) e o cdigo identificador do trecho de jusante (NextDownID), originados na etapa de discretizao com o ArcHydro. As outras colunas armazenam os valores de demanda local do trecho, demanda acumulada nos trechos localizados a montante dele mais as demandas dele inclusive e o fator de comprometimento de cada trecho, todos eles explicados seguidamente no exemplo.

TAbElA 1 Representao da tabela de atributos da rede de drenagem fictcia sem usurios inseridos

hydroID Next Down IDDisponibilidade

Demanda local

Demanda Acum.

Fator Comp.

15 17 disp15 0 0 016 17 disp16 0 0 017 21 disp17 0 0 018 20 disp18 0 0 019 20 disp19 0 0 020 21 disp20 0 0 021 23 disp21 0 0 022 23 disp22 0 0 023 1 disp23 0 0 0

Observese que o trecho 23 no possui trechos a jusante dele, motivo pelo qual a coluna de NextDownID tem valor 1. Os dados de disponibilidade na

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tabela representados pelos valores dispi so obtidos atravs da integrao com o modelo MGBIPH e, como possvel notar, os campos de demanda local, demanda acumulada e fator de comprometimento esto zerados antes de serem inseridos os usurios. Estes campos sero preenchidos na medida em que os usurios vo sendo inseridos na rede. O fator de comprometimento (Fc) uma relao entre demanda e disponibilidade que ser explicitada em seguida.

A Figura 2 mostra uma modificao na rede de drenagem, na qual a mesma recebe a insero de dois usurios de gua representados por bolas pretas nos trechos de cdigos 16 e 20.

Observando a Tabela 2, podemse notar as modificaes ocorridas como consequncia da insero dos usurios. Na coluna demanda local encontramse os valores de demanda dos usurios localizados no trecho 16 e no trecho 20.

A coluna de demanda acumulada representa o somatrio da vazo demandada no trecho e em todos os trechos localizados a montante dele.

A seguir, encontrase o clculo das demandas acumuladas demci para um ms especfico qualquer nos trechos 16, 17 e 20. Aqui importante apontar que os valores que representam a disponibilidade hdrica em cada trecho so os valores de vazo com 90% de permanncia no tempo para cada um dos trechos e para cada ms do ano calculados atravs do modelo MGBIPH.

As demandas acumuladas nos trechos 16 e 20 so iguais s demandas locais, pois estes trechos no possuem nenhuma outra demanda a montante.

demc16 = deml16demc17 = deml16demc20 = deml20

J as demandas acumuladas nos trechos 21 e 23 representam a soma das demandas locais, pois os usurios esto localizados a montante destes trechos.

demc21 = deml16 + deml20demc23 = deml16 + deml20

A coluna do fator de comprometimento (Fc) uma relao entre as demandas acumuladas e a disponibilidade de cada trecho. Para um dado trecho i, ela dada segundo a seguinte equao:

demcidispi

Fci =

De acordo com o valor do fator de comprometimento, cada trecho da rede recebe uma classificao quanto ao grau de demanda de gua. Determinado trecho pode ter um comprometimento nulo, baixo,

Figura 2 Representao de uma rede de drenagem fictcia com trechos codificados de 15 a 23 com a insero de dois usurios (bolas pretas) nos trechos 16 e 20.

TAbElA 2 Representao da tabela de atributos da rede de drenagem fictcia aps a insero dos usurios.

hydro ID

Next Down

ID

Disponibilidade

Demanda local

Demanda Acum.

Fator Comp.

15 17 disp15 0 0 016 17 disp16 deml16 demc16 Fc1617 21 disp17 0 demc17 Fc1718 20 disp18 0 0 019 20 disp19 0 0 020 21 disp20 deml20 demc20 Fc2021 23 disp21 0 demc21 Fc2122 23 disp22 0 0 023 1 disp23 0 demc23 Fc23

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mdio, alto ou crtico, de acordo com o valor de Fc. Comprometimentos crticos representam trechos com valor de Fc maior a 1, ou seja, quando a demanda maior que a disponibilidade. Podese ento atribuir uma escala de cores correspondente a cada uma destas classificaes, fazendo com que seja possvel visualizar o comprometimento de cada trecho de acordo com a cor associada ao seu Fc. Neste caso as classes de comprometimento foram fixadas segundo os intervalos de valores seguintes:

Fc 90% Comprometimento crtico.

Estimativa de disponibilidade hdrica usando modelagem hidrolgicaNeste trabalho, os dados de disponibilidade

hdrica foram obtidos por meio de modelagem hidrolgica, especificamente com o uso do MGBIPH, amplamente descrito em Collischonn (2001) e Collischonn et al. (2007).

Este modelo j foi aplicado com sucesso em varias regies do Brasil. No estado de Rio Grande do Sul, aplicaes foram feitas nas bacias do rio Uruguai e do rio TaquariAntas (Collischonn, 2001), rio Quarai (Collischonn et al., 2010) e rio Ca (Estado de Rio Grande do Sul, 2007).

Como j foi comentado, uma boa integrao entre a fonte de dados de disponibilidade hdrica, no caso, o modelo MGBIPH e o sistema de apoio deciso, o SADIPH, dentro do SIG, depende da codificao resultante da discretizao da bacia em minibacias ou a rede de drenagem da bacia discretizada em trechos de nmero igual ao de minibacias. Isto significa que os trechos de rio associados a cada minibacia dentro da modelagem no MGBIPH assim como os trechos da rede de drenagem no SADIPH devem coincidir exatamente em nmero, posicionamento e obviamente em codificao. Para atingir este objetivo, preciso utilizar como base da calibrao do modelo a mesma discretizao em minibacias produto das etapas resumidas em pargrafos anteriores e detalhadas em Mainardi et al. (2009).

Alm do prprocessamento feito a partir de MDE da regio de estudo, para a aplicao do MGBIPH, so necessrios dados que representem suficien

temente a bacia, temporal e espacialmente. Estes dados so: sries temporais de chuva e vazo, sries de temperatura, presso, insolao, umidade relativa do ar e velocidade do vento, mapas de uso da terra e cobertura vegetal, tipos de solo, modelo digital de elevao e cartas topogrficas.

A calibrao pode ser feita atravs das consideraes fsicas ou atravs da otimizao matemtica, em ambos os casos os parmetros so estimados buscando a melhor concordncia possvel entre os dados observados e os resultados do modelo.

O modelo, que calcula balano de gua no solo pelo mtodo simplificado, evapotranspirao por PenmanMonteith e propagao da vazo ao longo dos trechos de rio pelo mtodo de Muskingun Cunge, tem como parmetros: Wm: capacidade de armazenamento do solo [mm] b: parmetro de forma da relao entre

armazenamento e saturao [ ] KINT: parmetro de drenagem subsuperficial.

[mm.dia1] KBAS: parmetro de escoamento subterrneo.

[mm.dia1] CS: parmetro para calibrao da propagao

superficial nas clulas [] CI: parmetro para calibrao da propagao

subsuperficial nas clulas [] CBAS: parmetro de retardo do reservatrio

subterrneo. [dias]Os parmetros fixos que tm valores mensurveis,

que podem ser relacionados vegetao, ou que no interferem profundamente nos resultados so: IAF ndice de rea foliar, rs resistncia superficial [s.m1], a albedo [], e, Wz limite inferior de armazenamento no solo para haver escoamento subsuperficial.

Os valores de todos estes parmetros variam espacialmente dentro da bacia de acordo com cada unidade de resposta hidrolgica, chamados no MGBIPH de blocos, que so produto da combinao de informaes do tipo e uso do solo em cada unidade espacial.

Como o presente trabalho pretende demonstrar a praticidade da integrao de modelagem e SIG para suporte tomada de deciso relacionada outorga entendese que um dos objetivos da aplicao do MGBIPH aqui representar o melhor possvel as vazes mnimas que por sua vez sero utilizadas para avaliar situaes crticas em locais onde a oferta de

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gua mnima ou nula em determinadas pocas do ano. Logo, as funes objetivo consideradas apropriadas neste estudo foram o erro dos valores das vazes com 90% de permanncia no tempo (Q90) observadas e calculadas, a diferena de volumes totais calculados e observados das vazes e o valor 1 menos o coeficiente de Nash Sutcliffe.

Finalmente os resultados ou sadas do modelo MGBIPH utilizadas na metodologia descrita so:

A srie de vazes em todos os trechos de rio para um intervalo de tempo predeterminado; e,

Os valores das vazes com 90% de permanncia no tempo para cada um dos trechos e para cada ms do ano o que descreve a variabilidade sazonal das mesmas.

ESTUDO DE CASOUm teste de aplicao da metodologia de integra

o de modelos hidrolgicos e SIG foi realizado na bacia do rio dos Sinos, localizada no Rio Grande do Sul, e utilizando dados reais de usurios de captao direta de gua dentro da bacia.

A bacia hidrogrfica do rio dos Sinos, Figura 3, situase ao nordeste do Estado do Rio Grande do Sul, entre as coordenadas geogrficas de 2920 a 3010 de latitude sul e 5015 a 5120 de longitude oeste.

Abrange as provncias geomorfolgicas do Planalto Meridional e da Depresso Central. A rea de drenagem total da bacia de 3.747 km, envolvendo municpios como Campo Bom, Canoas, Gramado, Igrejinha, Novo Hamburgo, So Leopoldo, Sapucaia do Sul, Cara, Taquara e Trs Coroas. A populao da bacia estimada em 1.249.100 hab (Rio Grande do Sul, 2010).

Tratase de uma bacia de importncia relevante na regio porque alm do intenso uso de gua para abastecimento, uso industrial e irrigao, outro grande problema encontrado o despejo de efluentes industriais e principalmente domsticos sem tratamento nos cursos de gua nos trechos mdios e baixos. A qualidade da gua do rio dos Sinos chegou a atingir nveis muito baixos provocando em alguns eventos grande mortandade de peixes (CONSEMA, 2006).

Como foi explicado na metodologia, partindo do uso do MDE e com ajuda do conjunto de ferramentas ArcHydro possvel chegar discretizao conveniente da bacia, que ser til no s no clculo da disponibilidade hdrica por modelagem, mas tambm no sistema de apoio deciso testado. Na Figura 4 se apresenta o resultado da discretizao da bacia do rio dos Sinos em minibacias e trechos de rio, totalizando 1036 minibacias, considerando uma rea mnima de 2,5 km2 para a gerao das mesmas.

Figura 1 Localizao da bacia do rio dos Sinos e suas principais sedes municipais.

Figura 2 Discretizao da bacia do rio dos Sinos.

5020'0"W

5020'0"W

5040'0"W

5040'0"W

510'0"W

510'0"W

2920'0"S 2920'0"S

2940'0"S 2940'0"S

300'0"S

Legenda Rede de drenagem Mini-bacias

0 9 18 27 36 4.5 Km

1

Figura 3. localizao da bacia do rio dos Sinos e suas principais sedes municipais.

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Dentro da etapa de clculo da disponibilidade hdrica atravs do modelo MGBIPH, foram utilizados dados de precipitao diria em 83 estaes pluviomtricas distribudas dentro e ao redor da bacia, dados dirios de vazo de 5 estaes fluviomtricas localizadas dentro da bacia, dados das medias mensais de temperatura, presso, insolao, umidade relativa do ar e velocidade do vento em 2 estaes climticas da bacia. Todos estes dados se encontram disponveis no Sistema de Informaes Hidrologicas (HidroWeb) da ANA. Tambm foi feita uma classificao de uso do solo a partir de imagens LANDSAT TM5 disponveis na pgina da Diviso de gerao de Imagens (DGI) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), tendo como resultado 4 classes de uso do solo predominantes como mostra a Tabela 3.

TAbElA 3 Classes de uso do solo e cobertura vegetal

na bacia do rio dos SinosClasse Frequncia

gua 0,10%Zona Urbana 6,28%Floresta 45,77%Agricultura/Pastagem 47,85%

Seguindo o processo de clculo da disponibilidade hdrica dentro da bacia do rio dos Sinos, na Tabela

4 so apresentados os 6 tipos de unidade de resposta hidrolgica ou blocos resultantes da combinao dos 4 usos de solo predominantes e 2 tipos de solo caractersticos na bacia. importante explicar que para efeitos de simplificao e porque existem solos de caractersticas similares neste caso especfico, a classificao em tipos de solo dentro da bacia do rio dos Sinos foi reduzida para duas classes da forma seguinte: os tipos Planosolos, Podzolicos e Terras Roxas Estruturadas foram reclassificados como Solos Profundos e os tipos Cambissolo e Litlicos reclassificados como Solos Rasos. So apresentados nas Tabelas 5 e 6 os valores atribudos para cada um dos parmetros calibrveis associados e de propagao nas clulas respectivamente.

TAbElA 4 Caracterizao dos blocos do modelo

na bacia do rio dos Sinosbloco Uso/Tipo de Solo

1 rea urbana2 Floresta/Solo Raso3 Floresta/Solo Profundo4 Agric.Pastagem/S. Profundo5 Agric.Pastagem/S. Raso6 gua

Figura 1 Localizao da bacia do rio dos Sinos e suas principais sedes municipais.


5020'0"W

5020'0"W

5040'0"W

5040'0"W

510'0"W

510'0"W

2920'0"S 2920'0"S

2940'0"S 2940'0"S

300'0"S

Legenda Rede de drenagem Mini-bacias

0 9 18 27 36 4.5 Km

1


30


TAbElA 5 Valores calibrados dos parmetros associados

aos blocos

Parmetrosblocos

1 2 3 4 5 6Wm(mm) 96,4 158,8 343,5 216,8 236,1 0,0b() 0,36 0,36 0,36 0,36 0,36 0,1KINT(mm.dia1) 26,82 26,82 26,82 26,82 26,82 10

KBAS(mm.dia1) 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,2

XL() 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

TAbElA 6 Valores calibrados dos parmetros de propagao

nas clulasSubbacias CS() CI() CB(dias)

Todas 18,6 380,9 48

Na Tabela 7 so apresentados os valores das funes objetivo para a estao localizada na cidade de Campo Bom.

TAbElA 7 Valores das funes objetivo no posto de Campo bom

no perodo de calibrao (1979 a 2006).

Local Q90m/s1Nash Sutcliffe

V(%)

Rio dos Sinos/ Campo Bom 0,029 0,286 3,812

Nas Figuras 5 e 6 so mostrados os hidrogramas calculado e observado e a curva de permanncia para a estao em Campo Bom.

Foram computados os valores de demanda hdrica por captao direta de gua dentro da bacia atravs da insero de dados de usurios reais de abastecimento pblico, setor industrial, usurios de irrigao e de piscicultura.

A lista de usurios e os dados de captao foram fornecidos pelo Departamento de Recursos Hdricos (DRH) da Secretaria do Meio Ambiente (SEMA) do estado de Rio Grande do Sul e contem usurios at o ano 2008. Estes so dados de captao direta do rio em m3/s com os seus respectivos regimes de captao (Rio Grande do Sul, 2008).

Na Figura 7 apresentada a variabilidade espacial do fator de comprometimento e da disponibilidade

0

50

100

150

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250

300

350

400

450

500

20/0

5/19

99

20/0

8/19

99

20/1

1/19

99

20/0

2/20

00

20/0

5/20

00

20/0

8/20

00

20/1

1/20

00

Vaz

o (m

3/s)

Tempo (dias)

Hidrogramas em Campo Bom Campo Bom CalcCampo Bom Obs

Figura 3 Hidrogramas observado e calculado em Campo

Bom.

Figura 4 Curva de permanncia observada e calculada em Campo Bom.

2

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3/s)

Tempo (dias)

Hidrogramas em Campo Bom Campo Bom CalcCampo Bom Obs

Figura 3 Hidrogramas observado e calculado em Campo

Bom.

Figura 4 Curva de permanncia observada e calculada em Campo Bom.

2

Figura 5 hidrogramas observado e calculado em Campo bom.

Figura 6 Curva de permanncia observada e calculada em Campo bom.

3131


hdrica na bacia do rio dos Sinos para o ms de janeiro. Observase que os trechos mais comprometidos da regio leste da bacia, so os localizados entre os municpios de Cara e Taquara, e os trechos mais comprometidos na poro final da bacia se localizam entre os municpios de Sapucaia do Sul e Canoas. Ambas as regies verificam uso extensivo do recurso para irrigao do cultivo de arroz.

Nas Figuras 8 e 9 se mostram em detalhe esses trechos crticos. importante mencionar que nos trechos finais do rio, os localizados mais a jusante da bacia, existe o efeito de remanso provocado pelo rio Jacu, simulado em Rosauro (1979) e em Garcia (1997), portanto a situao real nos trechos prximos ao exutrio poderia ter certa discrepncia com relao ao que aqui mostrado.

Figura 7 Variabilidade espacial do fator de comprometimento e da disponibilidade hdrica na Bacia do Rio dos Sinos para o ms de janeiro, com destaque para as reas mais comprometidas.

Classificao Comprometimento - Vazo

Fc nulo - vazo baixa Fc nulo - vazo mdia Fc nulo - vazo alta Fc baixo - vazo baixa Fc baixo - vazo mdia Fc baixo - vazo alta Fc mdio - vazo baixa Fc mdio - vazo mdia Fc mdio - vazo alta Fc alto - vazo baixa Fc alto - vazo mdia Fc alto - vazo alta Fc crtico - vazo baixa Fc crtico - vazo mdia Fc crtico - vazo alta

Usurios FINALIDADE

= Abast. Pblico = Industrial = Irrigao = Piscicultura

0 10 20 30 40 5 Km

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5015'0"W

5015'0"W

510'0"W

510'0"W 2920'0"S 2920'0"S

2940'0"S 2940'0"S

3

Classificao Comprometimento - Vazo

Fc nulo - vazo baixa Fc nulo - vazo mdia Fc nulo - vazo alta Fc baixo - vazo baixa Fc baixo - vazo mdia Fc baixo - vazo alta Fc mdio - vazo baixa Fc mdio - vazo mdia Fc mdio - vazo alta Fc alto - vazo baixa Fc alto - vazo mdia Fc alto - vazo alta Fc crtico - vazo baixa Fc crtico - vazo mdia Fc crtico - vazo alta

Usurios FINALIDADE

= Abast. Pblico = Industrial = Irrigao = Piscicultura

0 10 20 30 40 5 Km

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5015'0"W

5015'0"W

510'0"W

510'0"W 2920'0"S 2920'0"S

2940'0"S 2940'0"S

3

Figura 8 Detalhamento da rea comprometida na regio leste da bacia.

Figura 9 Detalhamento da rea comprometida na poro final da bacia.

Figura 5 - Variabilidade espacial do fator de comprometimento e da disponibilidade hdrica na Bacia do Rio dos Sinos para o ms de janeiro, com destaque para as reas mais comprometidas.



4

Figura 5 - Variabilidade espacial do fator de comprometimento e da disponibilidade hdrica na Bacia do Rio dos Sinos para o ms de janeiro, com destaque para as reas mais comprometidas.



4

32


CONClUSESA anlise de disponibilidade de gua para outorga

de direito de uso , em geral, um procedimento relativamente repetitivo, e, por este motivo, deveria permitir a aplicao de mtodos automticos. Modelos hidrolgicos podemse constituir em uma boa alternativa para o clculo da disponibilidade hdrica desde que se disponham dos dados necessrios e tcnicos capacitados para a aplicao e interpretao dos mesmos.

Entretanto, ainda as anlises de disponibilidade hdrica so realizadas atravs de procedimentos manuais como utilizao de mapas impressos, planilhas de calculo e outros dados em forma isolada e no integrada tornando essas anlises demoradas e mais expostas a erros.

Neste trabalho foi apresentada uma forma de facilitar a anlise de pedidos de outorga de direito de uso da gua atravs de uma metodologia que integra SIG e modelagem hidrolgica.

Os resultados no estudo de caso da bacia do rio dos Sinos mostraram que possvel aprimorar a metodologia de anlise de outorga ao integrar SIG

e modelagem hidrolgica e mostraram tambm que possvel identificar facilmente a relao entre as demandas e disponibilidades nos diferentes trechos do curso dgua, avaliando espacialmente o fator de comprometimento de cada trecho e facilitando ao agente outorgante a tomada de deciso quanto s solicitaes de outorga na bacia.

Pretendese estender a metodologia descrita neste artigo para contemplar tambm a tomada de deciso relativa ao lanamento de efluentes, como proposto em outros sistemas de suporte deciso (Nahon et al., 2009).

Seria possvel ainda integrar as retiradas de gua subterrnea na metodologia apresentada. Uma possibilidade neste sentido foi sugerida por Silva (2007), que analisou o impacto das retiradas de gua subterrnea sobre a disponibilidade de gua superficial em escala regional.

AGRADECImENTOSOs dois primeiros autores agradecem CAPES e

ao CNPq pelas bolsas de pesquisa concedidas.

ARNOlD, J.G., SRINIVASAN, R., MUTTIAH, R.R., WIllIAMS, J.R., 1998. large area hydrologic modeling and assessment part I: model development. J. Am. Water Resour. Assoc. 34 (1), 7389.bUARQUE, D. C.; FAN, F.M.; PAZ, A. R.; COllISCHONN, W. 2009. Comparao de Mtodos para Definir Direes de Escoamento a partir de Modelos Digitais de Elevao. RbRH Revista brasileira de Recursos Hdricos Volume 14 n.2 Abr/Jun 2009, 91103.bURROUGH, P. A.; MCDONNEl, R. A. 1998 Principles of Geographical Information Systems. Oxford.COllISCHONN, b; lOPES, A. V. Sistema de Controle de balano Hdrico para apoio outorga na bacia do So Francisco. Anais do I Encontro Nacional de Hidroinformtica. Fortaleza CE. 2008.COllISCHONN, b; lOPES, A. V. Sistema de Apoio Deciso para anlise de outorga na bacia do rio Paran. In: XVIII Simpsio brasileiro de Recursos Hdricos, 2009, Campo Grande. Anais do XVIII Simpsio brasileiro de Recursos Hdricos. Campo Grande : AbRH, 2009.COllISCHONN, b.; CAUDURO R.; COllISCHONN, W.; MEIREllES, F.; SCHETINI, E.; MAINARDI, F. 2010. Modelagem hidrolgica de uma bacia com uso intensivo de gua: caso do rio QuaraRS. Submetido Revista brasileira de Recursos Hdricos.COllISCHONN, W. 2001. Simulao Hidrolgica de Grandes bacias. Tese de doutorado. Instituto de Pesquisas Hidrulicas. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 182p.COllISCHONN, W.; AllASIA, D.G.; SIlVA, b.C.; TUCCI, C.E.M. 2007. The MGbIPH model for largescale rainfallrunoff modeling. Hydrological Sciences Journal, 52, 878895 pp.COllISCHONN, W. Manual de Discretizao de bacias para aplicao do modelo MGbIPH. Verso 1.2. Projeto Integrado de Cooperao Amaznica e de Modernizao do Monitoramento Hidrolgico. 2009.CONSEMA. 2006. Ata da Nonagsima Reunio Ordinria Do Conselho Estadual Do Meio Ambiente CONSEMA. Disponvel em: www.sema.rs.gov.br/ sema/dados/1071210138.doc. Acesso em: maio 2010.GARCIA, R.l. 1997. Simulao da Qualidade da gua em Regime noPermanente no Rio dos Sinos, RS. Disertao de Mestrado. Instituto de Pesquisas Hidrulicas. Universidad Federal do Rio Grande do Sul. 124p.GETIRANA, A. C. V. 2009. Contribuies da altimetria espacial modelagem hidrolgica de grandes bacias na Amaznia. Tese de Doutorado. UFRJ, COPPE.

Referncias

3333


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margarita Pereira Instituto de Pesquisas Hidrulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. [email protected] bloedow Kayser Instituto de Pesquisas Hidrulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. [email protected] Collischonn Instituto de Pesquisas Hidrulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil. [email protected].

integração do modelo hidrológico para grandes bacias mgb ‑ iph e sistemas de informação...

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