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MANUAL DE APLICAÇÃO DO MODELO SAD-IPH
MAPWINDOW - DISCRETIZAÇÃO DE BACIAS COM
ARCHYDRO
EXEMPLO DE APLICAÇÃO NA BACIA DO RIO DOS SINOS
Versão 1.0
(novembro de 2013)
Rafael Kayser
Walter Collischonn
2
Sumário
1 Introdução .................................................................................................................................. 4
2 Discretização da bacia ................................................................................................................ 4
2.1 Dados de entrada ................................................................................................................ 4
2.1.1 Modelo Digital de Elevação .......................................................................................... 4
2.1.2 Mapa de bacias e de hidrografia .................................................................................. 5
2.2 Etapas da discretização de bacias ....................................................................................... 6
2.2.1 Definição da área de interesse ..................................................................................... 6
2.2.2 Recondicionamento do MDE........................................................................................ 7
2.2.3 Remoção de depressões .............................................................................................. 8
2.2.4 Definição das direções de fluxo ................................................................................... 9
2.2.5 Cálculo das áreas acumuladas .................................................................................... 10
2.2.6 Definição da rede de drenagem raster ...................................................................... 11
2.2.7 Delimitação da bacia .................................................................................................. 12
2.2.8 Extração do arquivo de direção de fluxo de acordo com a delimitação .................... 13
2.2.9 Definição de trechos de drenagem raster .................................................................. 14
2.2.10 Definição das mini-bacias em formato raster .......................................................... 14
2.2.11 Definição dos arquivos em formato vetorial ............................................................ 14
2.3 Etapas adicionais para aplicação no SAD-IPH ................................................................... 15
2.3.1 Cálculo da declividade (apenas para utilização do módulo de qualidade) ................ 15
2.3.2 Exportar arquivos vetoriais para formato shapefile .................................................. 16
2.3.3 Cálculo do comprimento dos trechos da rede de drenagem ..................................... 16
2.3.4 Cálculo da área acumulada ........................................................................................ 18
3 Instalação do MapWindow GIS e do plug-in SAD-IPH .............................................................. 20
4 Entrada dos arquivos vetoriais no SAD-IPH.............................................................................. 21
4.1 Inserção do arquivo de rede de drenagem ....................................................................... 21
4.2 Criação e inserção dos arquivos de usuários .................................................................... 22
4.3 Inserção do arquivo de mini-bacias .................................................................................. 23
4.4 Criação do arquivo do projeto .......................................................................................... 23
5 Inserção dos dados de vazão .................................................................................................... 24
5.1 Utilização de equações de regionalização ........................................................................ 25
5.2 Importar dados de vazão a partir de modelo hidrológico (MGB-IPH) .............................. 26
6 Módulo quantitativo ................................................................................................................ 27
6.1 Inserção manual de usuários (cursor do mouse) .............................................................. 27
3
6.2 Inserção automática de usuários (via tabela de pontos) .................................................. 31
6.3 Inserção automática de usuários (via polígonos) .............................................................. 32
6.4 Visualização dos resultados............................................................................................... 34
6.4.1 Geração de classes no arquivo da rede de drenagem ............................................... 34
6.4.2 Geração de perfis longitudinais até o exutório da bacia ........................................... 34
7 Módulo qualitativo ................................................................................................................... 35
7.1 Inserção de usuários.......................................................................................................... 36
7.2 Simulação qualitativa ........................................................................................................ 37
7.2.1 Parâmetros hidráulicos e temperatura ...................................................................... 37
7.2.2 Parâmetros físico-químicos ........................................................................................ 38
7.2.3 Definição dos parâmetros nas cabeceiras .................................................................. 39
7.2.4 Inserção dos dados de monitoramento ..................................................................... 39
7.2.5 Calibração e simulação ............................................................................................... 41
7.3 Visualização dos resultados............................................................................................... 42
Referências .................................................................................................................................. 43
4
1 Introdução
Este manual descreve a sequência de etapas para a aplicação do Sistema de Apoio à Decisão
SAD-IPH. O manual é dividido em duas etapas: a primeira, com o passo a passo para a
discretização de uma bacia hidrográfica (Capítulo 2); e a segunda, com a apresentação da
interface propriamente dita do sistema SAD-IPH (Capítulos 3, 4, 5,6 e 7).
A metodologia de discretização de bacias é a semelhante à utilizada para aplicação do modelo
MGB-IPH, a partir das ferramentas do ArcHydro e do ArcGIS. Contudo, existem algumas
simplificações com relação à metodologia adotada pelos manuais do MGB-IPH, e também
algumas etapas adicionais, explicitadas no item 2.3.
O manual apresenta um exemplo de aplicação do SAD-IPH na bacia do Rio dos Sinos, a qual
está inserida na Região Hidrográfica do Atlântico Sul. As etapas de aplicação vão desde a
discretização até a aplicação do sistema de suporte à decisão. Junto ao manual, também há
disponível para download o arquivo vetorial resultante da etapa de discretização, além de
arquivos de entrada com dados de usuários de água da bacia do Rio dos Sinos.
2 Discretização da bacia
Este item descreve a criação do banco de dados geoespacial da bacia hidrográfica. O produto
final da etapa de pré-processamento é um arquivo shapefile denominado rede de drenagem,
que representa a drenagem de uma bacia graficamente segmentada em vários trechos. Para a
geração da rede de drenagem, lança-se mão da utilização de ferramentas de
geoprocessamento e dos chamados Modelos Digitais de Elevação (MDE), ou Modelo Numérico
do Terreno (MNT). Os MDE correspondem a uma representação de dados topográficos na
forma de uma imagem no formato raster, ou matricial, onde cada pixel dessa imagem tem
como atributo o valor de elevação do terreno representado.
Para obtenção do arquivo da rede de drenagem, existem duas formas de processamento do
MDE: utilizando a estrutura de dados e o conjunto de ferramentas denominado ArcHydro,
desenvolvidas em parceria pela Universidade do Texas e pela empresa ESRI, que operam
internamente ao programa ArcGIS® (Maidment, 2002), ou então utilizando o plug-in TauDEM,
desenvolvido pela Universidade do Estado de Utah e operado juntamente com o SIG
MapWindow®. Em ambos os processos, é executada uma série de operações a partir do MDE,
entre elas a definição das direções de fluxo, definição das áreas de contribuição, definição dos
cursos d’água e geração dos arquivos de rede de drenagem e das mini-bacias resultantes da
etapa de discretização. Neste manual será apresentada a discretização via ArcHydro e ArcGIS,
sendo possível também a utilização do TauDEM.
2.1 Dados de entrada
2.1.1 Modelo Digital de Elevação
Os dados de relevo podem ser obtidos do Modelo Digital de Elevação do SRTM (Shuttle Radar
Topography Mission). O Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) obteve dados de elevação
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com uma escala próxima à global para gerar a mais completa base de dados topográficos
digitais de alta-resolução da Terra.
Existem muitas fontes de dados disponíveis aonde você pode obter os dados do SRTM,
incluindo:
• NASA (dados brutos): ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/
• USGS (dados parcialmente corrigidos): http://seamless.usgs.gov/
• CGIAR (Dados corrigidos): http://srtm.csi.cgiar.org/
• LabGeo UFRGS (dados corrigidos): http://www.ecologia.ufrgs.br/labgeo/index.php
2.1.2 Mapa de bacias e de hidrografia
Recomenda-se a utilização de arquivos vetoriais que indiquem a localização prévia da bacia, a
fim de facilitar o recorte do Modelo Digital de Elevação. Umas das alternativas é a utilização do
Portal de Metadados da ANA, através do seguinte link:
• http://metadados.ana.gov.br/geonetwork/
Acessando o item “Gestão de Recursos Hídricos”, existem diversas opções de arquivos
disponíveis para download. No arquivo “Unidades Geográficas Espaciais” é possível encontrar
a delimitação, ainda que grosseira, da bacia do Rio dos Sinos.
Outro item importante, porém não essencial, é a utilização de uma base hidrográfica para
aplicação de uma das etapas da discretização. Através do recondicionamento do Modelo
Digital de Elevação a partir do arquivo de hidrográfica, é possível fazer com que as áreas de
depressão do MDE correspondam com as linhas do shapefile. A utilização deste recurso é mais
recomendada em bacias que possuem grandes áreas planas. O Portal de Metadados da ANA
também possui algumas opções de arquivos de hidrografia, porém normalmente estão numa
escala muito grosseira, inadequada para sua utilização.
A Figura 1 apresenta o Modelo Digital de Elevação do Estado do Rio Grande do Sul, além do
arquivo com a delimitação de bacias à nível estadual, obtido no portal da ANA, com destaque
para a bacia do Rio dos Sinos, exemplo de aplicação deste manual.
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Figura 1 - Modelo Digital de Elevação do Estado do Rio Grande do Sul, contendo um arquivo vetorial
com o contorno das bacias hidrográficas.
2.2 Etapas da discretização de bacias
2.2.1 Definição da área de interesse
O pré-processamento usando SIG pode ser demorado quando a área da bacia é grande. Por
este motivo, é conveniente reduzir a área de interesse apenas para a região em que se deseja
trabalhar de fato. Para isto, é necessário identificar a área de interesse. Com o arquivo
shapefile de bacias hidrográficas, disponibilizado pela ANA, é possível realizar a identificação
do local da bacia no Modelo Digital de Elevação. É conveniente não utilizar o contorno de
bacias de bases cartográficas já definidas, e sim com uma determinada folga para que o
próprio processo de discretização defina o contorno da bacia.
Existem algumas maneiras para definição desta “folga”, a primeira consiste na criação de um
novo shapefile no ArcCatalog, um dos recursos do ArcGIS. O polígono deve ser criado em torno
da área da bacia, deixando uma determinada folga em relação ao contorno externo da bacia.
Também é possível criar o envoltório da bacia através da utilização do comando Buffer do
ArcToolbox. No exemplo deste manual, criou-se um Buffer de 6km a partir do contorno da
bacia. Para isto, deve-se deixar selecionada a bacia desejada e acessar o referido comando.
Uma vez que o polígono envolvente foi definido, pode-se extrair o MDE apenas na região
selecionada usando a ferramenta Extract by Mask da extensão Spatial Analyst do ArcGIS. A
Figura 2 indica o Modelo Digital de Elevação após a extração a partir do buffer do contorno
original da bacia.
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Figura 2 - Projeto de ArcMap apresentando a ferramenta "Extract by Mask" do Spatial Analyst, além
do resultado da operação de recorte do MDE.
2.2.2 Recondicionamento do MDE
Esta função modifica um Modelo Digital de Elevação, impondo feições lineares para ele. O
procedimento atua como uma espécie de marcação no MDE, utilizando a rede hidrográfica
como agente marcador, ocasionando um “afundamento” no MDE nas áreas correspondentes
às linhas da hidrografia, forçando a discretização a gerar uma rede de drenagem semelhante
ao shapefile da rede hidrográfica. Este procedimento é opcional, porém é bastante importante
em bacias que apresentem planícies de inundação nas porções baixas, pois o processo de
discretização tende a não representar corretamente a malha hidrográfica. Em casos onde
houve alguma alteração do canal como uma retificação, o uso deste recurso também é
recomendado. A figura xx apresenta o processo de execução do recondicionamento, desde o
acesso à ferramenta no ArcHydro, até a geração do arquivo final, chamado AGREEDEM. Ao
selecionarmos a função DEM Reconditioning, é apresentada uma tela onde se solicita a
indicação do Modelo Digital de Elevação (RawDEM), do arquivo vetorial de hidrografia (AGREE
Stream), além do nome do arquivo de saída. Existem outros parâmetros referentes ao grau de
marcação do shapefile, onde sugere-se que mantenha-se os valores indicados por padrão.
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Figura 3 - Processo de recondicionamento do Modelo Digital de Elevação, indicando as etapas
necessárias para a realização do mesmo.
2.2.3 Remoção de depressões
Depressões ou áreas planas com cotas inferiores à vizinhança podem ocorrer naturalmente no
relevo, mas são, freqüentemente, resultantes de erros nos processos de geração do MDE. Por
este motivo, estas depressões são retiradas por um procedimento automático que precede a
definição das direções de escoamento. No ArcHydro é utilizado um algoritmo de remoção de
depressões que é baseado no preenchimento de regiões mais baixas que a sua vizinhança. Este
algoritmo é acionado no ArcHydro quando se seleciona a ferramenta Terrain Processing/DEM
Manipulation/Fill Sinks. No final do procedimento um novo raster é criado (Fil), sendo
automaticamente adicionado ao projeto. A Figura 4 indica as etapas necessárias para execução
desta ferramenta, além do resultado final desta operação.
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Figura 4 - Processo de remoção de depressões do Modelo Digital de Elevação, indicando as etapas
necessárias para a realização do mesmo.
2.2.4 Definição das direções de fluxo
Uma das primeiras etapas da análise da topografia para derivar informações de interesse
hidrológico é a definição de direções de escoamento para cada elemento da matriz do MDE. A
partir das direções de escoamento são calculados outros parâmetros ou variáveis de interesse
hidrológico, como a área de drenagem a montante de cada célula, delimitação de sub-bacias,
definição da rede de drenagem, determinação de comprimentos e declividades de trechos de
rio, etc. O cálculo das direções de fluxo utiliza a ferramenta Terrain Processing/Flow Direction
no menu do ArcHydro. No final é gerado um arquivo raster em que cada célula tem um código
que indica a direção em que a água escoa naquele local. Assume-se que a água flui de cada
célula para uma das oito células vizinhas
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Figura 5 - Processo de definição das direções de fluxo a partir do arquivo raster com as depressões
removidas, indicando as etapas necessárias para a realização do mesmo, além do resultado final.
2.2.5 Cálculo das áreas acumuladas
Com base no mapa de direções de fluxo é possível calcular a área de drenagem de cada célula
do MDE. No ArcHydro isto é feito utilizando a ferramenta Terrain Processing/Flow
Accumulation no menu. O resultado é um novo arquivo raster (que recebe o nome Fac por
default) em que o valor de cada célula corresponde ao número de células localizadas a
montante, como mostra a Figura 6, para o caso do rio dos Sinos.
Figura 6 - Processo de definição de áreas acumuladas a partir do arquivo de direções de fluxo,
indicando as etapas necessárias para a realização do mesmo, além do resultado final.
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2.2.6 Definição da rede de drenagem raster
O objetivo de criar um mapa raster de rede de drenagem é reclassificar os valores das células
do mapa de área acumulada de forma a gerar um novo arquivo em que as células podem ter
um valor igual a “1”, caso pertençam à rede de drenagem. Este novo arquivo é obtido
reclassificando todas as células do layer de entrada de área acumulada que contenham um
valor maior que um limiar especificado. Todas as demais células na grade contém o valor “no
data”. A função de definição da rede de drenagem é acionada usando a ferramenta Terrain
Processing/Stream Definition no menu do ArcHydro. O arquivo de entrada é o mapa de área
acumulada (Fac) e o arquivo de saída é um mapa de rede de drenagem raster (Str).
O valor do limite de área acumulada a partir do qual inicia a rede de drenagem deve ser
especificado (“Enter a stream threshold to initiate a stream”). Um valor padrão é sugerido pelo
programa. Esse valor representa 1% da área acumulada máxima. Contudo, qualquer outro
valor de limiar pode ser selecionado. Um valor menor de limiar irá resultar em uma rede de
drenagem mais densa. Em aplicações do SAD-IPH este fator é muito importante pois os
balanços hídricos quantitativos e qualitativos serão apresentados de acordo com o grau de
discretização adotado neste momento. No exemplo apresentado, utilizou-se um percentual de
10% do valor sugerido pelo programa.
A Figura 7 apresenta o processo de definição do arquivo raster subdividido em segmentos, a
partir do arquivo com a rede de drenagem raster. A função de definição da rede de drenagem
segmentada é acionada usando a ferramenta Terrain Processing/Stream Segmentation no
menu do ArcHydro. O arquivo de saída é um mapa de rede de drenagem raster (StrLnk)
Figura 7 – Processo de definição da rede de drenagem em formato raster a partir do arquivo de áreas
acumuladas, com destaque para o valor de células que representam o início da rede de drenagem que
deve ser definido.
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2.2.7 Delimitação da bacia
Nesta etapa é realizada uma delimitação definitiva da bacia que será representada. O objetivo
é gerar um polígono com o divisor de água da bacia até o último ponto de interesse (extremo
de jusante da bacia). Na aplicação do modelo no rio dos Sinos, consideramos que será
representada toda a bacia até o ponto imediatamente a montante da confluência com delta
do Rio Jacuí.
O polígono com o contorno da bacia pode ser gerado usando a função Watershed
Processing/Batch Subwatershed Delineation no menu do ArcHydro. Para usar esta função é
necessário que seja definido antes um ponto com o exutório da bacia. Isto pode ser feito
utilizando a ferramenta Batch Point Generation, que é identificada por um ícone em forma de
"X" amarelo na barra de ferramentas do ArcHydro. É importante que este local seja
coincidente com a rede de drenagem (estar posicionado sobre um pixel da rede). É necessário
definir o nome do ponto que foi criado (ex.: Exutorio). Ao final do processo, um layer com um
ponto é acrescentado ao projeto, mostrando o local até onde se deseja delimitar a bacia. A
Figura 8 apresenta um detalhamento do processo de geração do exutório através da
ferramenta Batch Point.
Uma vez definido o ponto do exutório, pode-se acionar a ferramenta de delineamento da
bacia em Watershed Processing/Batch Subwatershed Delineation no menu do ArcHydro. Os
dados de entrada são o arquivo com o ponto criado recentemente, o mapa de direções de
fluxo e o mapa de rede de drenagem.
O resultado da operação de delimitação de bacia no caso do rio dos Sinos pode ser visto na
Figura 9. O arquivo vetorial criado é um feature class que recebeu o nome de Subwatershed.
Neste momento é importante verificar se o divisor de água está afastado do polígono definido
manualmente.
Figura 8 - Processo de definição do exutório da bacia, através da utilização da ferramenta Batch Point.
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Figura 9 - Resultado da operação de delimitação da bacia do Rio dos Sinos.
2.2.8 Extração do arquivo de direção de fluxo de acordo com a delimitação
Estabelecido o contorno da bacia a partir da discretização, a próxima etapa é o recorte do
arquivo de direções de fluxo gerado anteriormente a partir do feature class recentemente
criado. Para tanto, utiliza-se a função Spatial Analist/ Extration/ Extraction by Mask, utilizando
o arquivo “fdr” como entrada e o arquivo SubWatershed como máscara. O resultado desta
operação pode ser visto na Figura 10 a seguir, com a criação do arquivo “fdr_ext”.
Figura 10 - Arquivo de direções de fluxo extraído do contorno definido na delimitação.
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2.2.9 Definição de trechos de drenagem raster
O mapa de trechos de drenagem raster é formado pela segmentação da rede de drenagem em
trechos individuais localizados entre duas confluências sucessivas, ou entre o início da rede de
drenagem e a próxima confluência. Todas as células em um segmento da rede de drenagem
(trecho) têm um mesmo código de grade que é específico daquele segmento.
Para segmentar a rede de drenagem em trechos é utilizada a função Terrain Preprocessing /
Stream Segmentation no menu do ArcHydro. Os dados de entrada são o arquivo raster com as
direções de escoamento previamente extraído (Fdr_ext) e o arquivo raster com a rede de (Str),
e possui como saída o arquivo raster denominado StrLnk.
2.2.10 Definição das mini-bacias em formato raster
A partir do mapa de trechos de rio é criado o mapa de minibacias raster. Neste mapa são
definidas as bacias hidrográficas de cada trecho de rio. Trata-se de um arquivo raster em que o
valor das células pertencentes a uma mesma mini-bacia (catchment) corresponde ao valor
carregado pelo segmento de drenagem que drena a área da minibacia, definida no item
anterior.
Para obter o mapa das minibacias raster é necessário selecionar a função Terrain
Preprocessing / Catchment Grid Delineation, no menu do ArcHydro (Figura 11) O nome dado
para o arquivo de mini-bacias raster pode ser escolhido, mas o padrão sugerido pelo ArcHydro
é Cat.
Figura 11 - Processo de definição das mini-bacias em formato raster, a partir do arquivo de rede de
drenagem raster.
2.2.11 Definição dos arquivos em formato vetorial
A partir dos arquivos anteriores em formato raster é possível criar mapas vetoriais com os
contornos das mini-bacias, rede de drenagem e das mini-bacias acumuladas. O arquivo de
mini-bacias acumuladas representa a área acumulada de cada mini-bacia, à exceção da própria
mini-bacia. Para obter o mapa das mini-bacias, rede de drenagem e mini-bacias acumuladas, é
necessário selecionar, respectivamente, as funções Catchment Polygon Processing / Drainage
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Line Processing / Adjoint Catchment Processing no menu Terrain Processing do ArcHydro. A
Figura 12 apresenta o resultado da transformação do arquivo de mini-bacias raster e rede de
drenagem raster em arquivos vetoriais.
Figura 12 - Resultado da geração dos arquivos vetoriais resultantes da transformação dos arquivos
raster.
2.3 Etapas adicionais para aplicação no SAD-IPH
Neste item são abordadas algumas etapas adicionais para utilização dos arquivos vetoriais
gerados na etapa de discretização no modelo SAD-IPH. Para o leitor que já possui algum
conhecimento do processo de dicretização de bacias através do ArcHydro recomenda-se a
leitura deste item para que a aplicação do SAD-IPH ocorra sem maiores dificuldades. Caso haja
aplicação do modelo MGB-IPH, as operações apresentadas neste item não são necessárias,
pois a etapa de pré-processamento do modelo se encarrega de estabelecer as relações aqui
apresentadas.
2.3.1 Cálculo da declividade (apenas para utilização do módulo de qualidade)
Esta etapa é necessária somente para aplicações do módulo de qualidade do modelo SAD-IPH.
O produto final desta etapa é o estabelecimento do valor de declividade de cada trecho,
importante parâmetro físico para definição de outros parâmetros que interferem diretamente
nos mecanismos de depuração das cargas lançadas na bacia. Para isto, primeiramente é
necessário que o Modelo Digital de Elevação esteja em coordenadas UTM. Caso ele não esteja,
acesse, na ferramenta ArcToolbox, o item Data Management Tools/ Projections and
Transformations/ Raster/ Project Raster. Nela, insira o MDE original como dado de entrada, e
selecione como sistema de coordenada de saída o sistema WGS 1984 Zona 22S, para o
exemplo de aplicação na bacia do Rio dos Sinos. A operação gera um novo raster como saída, e
este raster deverá ser utilizado na função Watershed Processing/ Longest Flow Path
Parameters / Flow Path Parameters from 2D line. Além do raster projetado, será também
utilizada a rede de drenagem em formato vetor. Ao final do processo, serão criados diversos
novos atributos na tabela da rede de drangem, dentre os quais a coluna “Slp” (slope).
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2.3.2 Exportar arquivos vetoriais para formato shapefile
O SAD-IPH é um plug-in que funciona internamente a um software SIG, o MapWindow GIS. O
MapWindow não consegue fazer a leitura de arquivos feature class, que é o formato atual do
arquivo da rede de drenagem e das mini-bacias. Para contornar isto, deve ser necessária a
transformação dos feature class em arquivo do tipo shapefile.
O primeiro passo é a criação de uma pasta onde serão salvos todos os arquivos gerados no
SAD-IPH. Sugere-se a criação de uma pasta com o nome “SAD + [nome da bacia]”, no caso do
exemplo, “SAD Sinos”, e após isso crie os subdiretórios “Rede” e “Mini-bacias”.
Após isso, clique com o botão direito do mouse sobre o arquivo vetorial da rede de drenagem,
clique em Data, Export Data..., e então selecione pasta de saída, correspondente à pasta
“Rede” criada anteriormente. Crie um novo nome para o arquivo da rede de drenagem (no
exemplo da bacia do rio dos Sinos foi criado o nome “rede_sinos.shp”). A Figura 13 apresenta
o acesso à ferramenta para exportar o arquivo vetorial. Repita este procedimento para as
mini-bacias e as mini-bacias acumuladas, exportando ambas para a pasta “Mini-bacias”.
Figura 13 - Processo de transformação do arquivo feature class em arquivo shapefile.
2.3.3 Cálculo do comprimento dos trechos da rede de drenagem
Esta etapa consiste no cálculo do comprimento dos trechos da rede de drenagem. Para isto, o
arquivo de rede de drenagem deve estar projetado em coordenadas UTM, ou então devem ser
alteradas as propriedades do Data Frame, acessando botão View/ Data Frame Properties /
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Coordinate System, e selecionando a coordenada WGS 1984 UTM Zona 22. A Figura 14
apresenta a tela de alteração das propriedades do Data Frame.
Figura 14 - Tela de alteração das propriedades do Data Frame (ArcGIS).
Após isso, como mostra a Figura 15, abra a tabela de atributos do arquivo da rede de
drenagem, utilize a coluna “Shape_Leng” ou então crie um novo campo em formato Double,
clique com o botão direito do mouse sobre o cabeçalho da coluna e selecione a função
“Calculate Geometry...”. Em seguida aparecerá uma tela de aviso, e ao aceitar aparecerá uma
janela onde são solicitadas a propriedade, o sistema de coordenadas e o sistema de unidades.
Selecione a propriedade “Length”, o sistemas de coordenadas em UTM e sistema de
coordenadas em quilômetros.
Figura 15 - Processo de cálculo do comprimento dos trechos da rede de drenagem.
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2.3.4 Cálculo da área acumulada
O processo de cálculo da área acumulada em cada trecho da rede de drenagem se divide em
três fases. Na primeira, deve-se repetir o procedimento utilizado no item anterior para o
cálculo do comprimento dos trechos, porém neste momento, devem ser utilizados os arquivos
Catchment e AdjointCatchment para o cálculo da área. Para isto, devem ser criadas novas
colunas na tabela de atributos de cada arquivo (“Area_Cat” para o arquivo catchment, e
“Area_Adj” para o arquivo AdjointCatchment). Clique com o botão direito sobre o campo
criado e selecione a opção “Calculate Geometry”, selecionando a área como propriedade e
km² como sistema de unidades.
Feito isso, a próxima etapa é a transferência dos dados das áreas calculadas para o arquivo da
rede de drenagem. Para isto, deverá ser utilizada a função Join Data, acessada com o botão
direito do mouse sobre o arquivo de rede de drenagem. A operação de join será feita com os
dois arquivos de bacias, utilizando como field comum o código identificador GridID. A Figura 16
apresenta a tela da operação join, observando a escolha dos mesmos atributos em cada
arquivo como elemento de ligação entre os dois shapefiles.
Figura 16 – Processo de união de duas tabelas de atributos através da função join.
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A última etapa consiste na criação de uma coluna no arquivo da rede de drenagem
(denominada “Area_Acm”), onde as áreas das duas colunas de áreas serão somadas. Porém,
não é possível somar todos os trechos de uma vez, pois os trechos de cabeceira não possuem
atributo no arquivo do AdjointCatchment, e sua área acumulada é a própria área da mini-
bacia. Portanto, selecione todos os trechos nos quais os atributos do adjoint resultaram em
valor nulo, clique com o botão direito sobre o campo criado (“Area_Acm”), selecione Field
Calculator, e na fórmula indique o campo correspondente ao “Area_Cat”. Em seguida,
selecione todos aqueles que não foram selecionados nesta primeira etapa, selecione
novamente a ferramenta Field Calculator, e na fórmula indique a operação: “Area_Cat” +
“Area_Adj”. A Figura 17 ilustra uma parte deste processo de cálculo.
Figura 17 - Processo de cálculo da área acumulada nos trechos da rede de drenagem.
Concluída esta etapa, o arquivo de rede de drenagem estará pronto para a aplicação do
sistema SAD-IPH.
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3 Instalação do MapWindow GIS e do plug-in SAD-IPH
Para a utilização do modelo é necessário que o usuário tenha instalado em seu computador o
programa MapWindow GIS (na versão 4.8). O software pode ser baixado gratuitamente no
endereço (Figura 18):
• http://mapwindow4.codeplex.com/releases/
Figura 18 - Página da web para download do software MapWindow.
O modelo SAD-IPH é um plugin que é adicionado ao MapWindow. Para instalar o plugin no
MapWindow primeiro descompacte o arquivo “Plugin_SAD-IPH.rar” de modo que você
obtenha a pasta “SAD-IPH – Versão 1.0”.
Após esse procedimento vá até a pasta onde o MapWindow foi instalado. Geralmente esse
diretório é C:\Arquivos de programas\MapWindow (ou C:\ Program Files\MapWindow para
computadores com Windows em inglês). Acesse então a pasta denominada Plugins. Copie a
pasta descompactada e cole dentro da pasta Plugins.
Concluindo esta operação, a instalação do SAD-IPH em seu computador está finalizada. Abra o
software MapWindow, acesse o botão Plugins e encontre o item SAD-IPH na listagem de plug-
ins já instalados. Clique sobre o nome do mesmo e o plugin ativa-se. Nesse momento o SIG
deve ter a interface similar à apresentada na Figura 19, com a inclusão dos botões e do painel
de visualização dos resultados. A barra de ferramentas, na parte superior, possui cinco botões:
Arquivos, Vazões, Inserir Usos, Editar Usos, Simular e Perfil Longitudinal. O painel de
visualização, no canto direito, pode ser minimizado e tem a função de gerar classes para
visualização dos resultados no arquivo da rede de drenagem. A seguir, tem-se a descrição de
cada uma das funcionalidades disponíveis nesta versão do sistema SAD-IPH.
21
Figura 19 - Interface do MapWindow GIS com o plug-in SAD-IPH.
4 Entrada dos arquivos vetoriais no SAD-IPH
A primeira etapa da utilização do sistema SAD-IPH propriamente dito é a inserção do arquivo
da rede de drenagem, criado anteriormente na etapa de discretização. Além disso, o arquivo
também deverá ser configurado através da criação das colunas na tabela de atributos onde os
dados gerados pelo modelo SAD-IPH serão inseridos. Também é feita a criação dos arquivos
vetoriais dos usuários de água, representados por pontos, e por fim é necessária a criação de
um arquivo metadados com o registro dos diretórios dos arquivos utilizados. A seguir é feita a
descrição das etapas citadas anteriormente:
4.1 Inserção do arquivo de rede de drenagem
Após o clique no botão “Arquivos” da barra de ferramentas do SAD-IPH, surgirá uma tela com
quatro abas, destinadas à inserção e criação dos arquivos vetoriais. A primeira aba
corresponde à inserção do arquivo de rede de drenagem, existindo duas opções de inserção: a
primeira, onde é feita a importação direta do arquivo gerado na etapa de discretização, e a
segunda, onde é feita a seleção de um arquivo de rede de drenagem que já tenha passado por
este processo. No primeiro caso o sistema fará a configuração do arquivo, com a criação das
colunas na tabela de atributos do arquivo, além da inserção de outros atributos importantes.
No segundo caso o sistema simplesmente chamará o arquivo selecionado e solicitará ao
usuário se o mesmo deseja apagar os resultados de simulações anteriores. A Figura 20
apresenta o processo de inserção do arquivo vetorial da rede de drenagem importado
diretamente do ArcHydro. Ao final do processo, o sistema solicitará que o usuário informe a
coluna onde está armazenado os valores dos comprimentos dos trechos, além dos valores de
área acumulada.
22
Figura 20 - Processo de inserção e configuração do arquivo de rede de drenagem no SAD-IPH.
Na pasta “Manual SAD - Arquivos”, em “Arquivos ArcHydro”, existe um arquivo de rede de
drenagem já configurado para ser utilizado no SAD-IPH, além do seu respectivo arquivo de
mini-bacias. Eles podem ser utilizados para serem aplicados neste manual.
4.2 Criação e inserção dos arquivos de usuários
A segunda aba da janela de inserção dos arquivos representa a definição do arquivo de pontos
de retiradas de água, que pode ser criado ou selecionado algum já existente. No caso da
criação de um novo arquivo, será feita a solicitação do local onde o arquivo será salvo (sugere-
se a criação de uma pasta denominada “Usuários”, dentro do diretório principal da simulação).
Por fim, também é solicitada a definição dos cenários de demandas. Os cenários de demanda
podem ser trabalhados de diversas maneiras, através, por exemplo, na criação da variação
temporal de um usuário, considerando diferentes valores de demandas para cada época do
ano. Os cenários também podem ser encarados como um estabelecimento de projeções
futuras para um mesmo usuário, podendo ser simuladas simultaneamente. No exemplo,
estabeleceram-se os cenários conforme o tipo de uso da água: abastecimento público,
indústria, irrigação e total. Desta forma, é possível analisar o impacto de cada tipo de uso,
individualmente, ou então agregando dois ou mais usos. É possível a criação de até doze
cenários de demandas no modelo. A Figura 21 apresenta o processo de criação e configuração
do arquivo de retiradas de água.
23
Figura 21 - Criação e configuração do arquivo de usuários de retiradas de água.
A terceira aba representa a entrada do arquivo de pontos de lançamentos de efluentes. O
processo é similar ao que ocorre com o arquivo de retiradas, com exceção de que no caso
qualitativo, está disponível a criação de somente três cenários de demandas. A Figura 22
apresenta o processo de criação e configuração do arquivo de lançamentos de efluentes.
Figura 22 - Criação e configuração do arquivo de usuários de lançamentos de efluentes.
4.3 Inserção do arquivo de mini-bacias
A quarta e última aba da janela de entrada solicita ao usuário a inserção do arquivo de arquivo
de mini-bacias (ou catchments), gerados na etapa de discretização. Seu diretório será salvo,
assim como os outros arquivos, num arquivo metadados do projeto.
4.4 Criação do arquivo do projeto
A ultima etapa de inicialização do projeto é a criação do arquivo metadados, onde serão
registrados os locais onde os arquivos estão localizados. Concluindo-se a etapa de definição
dos arquivos vetoriais, clique em “Criar projeto” no canto inferior direito da janela e selecione
um local para a criação do arquivo. Dê um nome para este arquivo, que terá a extensão .sad e
24
clique em “Salvar”. Uma vez que já existam arquivos metadados criados anteriormente, é
possível abri-los diretamente através do botão “Abrir projeto”. A Figura 23 apresenta o
processo de criação do arquivo metadados da simulação.
Figura 23 - Criação do arquivo do projeto, onde são armazenados os diretórios dos arquivos utilizados.
A Figura 24 apresenta a tela do projeto com os arquivos vetoriais inseridos no SIG. O arquivo
de mini-bacias não foi inserido na tela mas seu diretório foi registrado no arquivo de
metadados. Sua adição ao painel de visualização é opcional.
Figura 24 - Visualização da tela do projeto, após a inserção dos arquivos vetoriais.
5 Inserção dos dados de vazão
Os dados de vazão podem ser inseridos de duas formas distintas: através de equações de
regionalização ou então importando os dados do modelo MGB-IPH. Em ambos os casos, estão
sendo definidos cenários permanentes de vazão, ou seja, sem variação temporal. O sistema
25
permite a definição de até doze cenários de vazão. A seguir, apresenta-se uma descrição de
cada um dos procedimentos utilizados para a inserção dos dados de vazão.
5.1 Utilização de equações de regionalização
Clicando-se em “Vazões” e então em “Definir equações de regressão”, surgirá a tela
apresentada na Figura 25, onde será solicitada a definição dos cenários de vazão, com a
definição do nome e da coluna da rede de drenagem onde os dados serão salvos. É possível a
criação de até doze cenários de disponibilidade hídrica. No exemplo estão sendo criados três
cenários de vazões: Q90 anual, Q95 anual e Q95 do mês de janeiro.
Figura 25 - Definição dos cenários de vazão e atribuição às colunas da rede de drenagem.
Clicando-se em “Avançar” surgirá uma segunda janela, onde é definido o tipo de equação de
regressão e os coeficientes da mesma. Além disso, é possível definir uma ou mais equações de
regressão por bacia, através da inserção de um arquivo de sub-bacias. A Figura 26 apresenta
esta janela, sendo que em (a) está sendo definida a segmentação da regionalização (uma única
equação para toda a bacia), em (b) se faz a seleção do cenário de vazão definido na etapa
anterior, e em (c) é definido o tipo de equação utilizada (potencial, linear ou exponencial). No
exemplo da bacia do rio dos Sinos, se utilizará uma equação do tipo linear, cujos dados estão
baseados no Plano Estadual de Recursos Hídricos do Rio Grande do Sul (2007).
26
Figura 26 - Processo de definição dos coeficientes das equações de regionalização, para toda a bacia
ou por regiões.
Os dados de vazão específica que foram utilizados como dados de entrada estão apresentados
na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1 - Disponibilidade hídrica da bacia do rio dos Sinos (fonte: Rio Grande do Sul, 2007)
Cenário Vazão Total (m³/s) Vazão específica
(m³/s.km²)
Q90% anual 12,46 0,00339
Q95% anual 7,50 0,00204
Q95% mês de janeiro 4,54 0,00123
5.2 Importar dados de vazão a partir de modelo hidrológico (MGB-IPH)
Como alternativa mais robusta em relação à utilização de métodos de regionalização, existe
também a possibilidade de inserção dos dados de vazão através da aplicação do modelo MGB-
IPH. Para tanto, é imprescindível que as discretizações adotadas sejam a mesma, e que não
tenha havido nenhuma rediscretização na etapa de pré-processamento do modelo hidrológico,
ou seja, na sub-divisão dos catchments em unidades ainda menores. As etapas necessárias
para importação dos dados gerados no modelo MGB serão descritas sucintamente neste
momento, consistindo primeiramente na junção do arquivo “Mini.MGB” gerado no Pré-Pró
com o arquivo da rede de drenagem através de um atributo em comum (CatID para o arquivo
Mini,MGB e GridID para o arquivo da rede de drenagem). Obtido um valor único de vazão para
cada trecho da segmentação, o próximo passo é a junção do arquivo de saída de vazões com o
arquivo da rede de drenagem, através do atributo que agora eles têm em comum, que é o
código Mini. Por fim, é feita a associação dos cenários de vazão do MGB com as colunas da
27
rede de drenagem onde deverão ser salvos os dados de disponibilidade, conforme mostra a
tela apresentada na Figura 27.
Figura 27 - Atribuição dos valores de vazão obtidos no modelo MGB-IPH.
6 Módulo quantitativo
Nesta etapa é feita a descrição de como se utilizar o módulo de quantidade do SAD-IPH. A
sequência básica do processo se divide em três etapas: inserção de usuários, simulação e
visualização de resultados. Além disso, também é possível realizar e edição de usuários já
inseridos, com a modificação dos valores ou até na exclusão dos mesmos. A seguir, é feita a
descrição dos modos de inserção dos dados dos usuários de retiradas de água no modelo.
6.1 Inserção manual de usuários (cursor do mouse)
A Figura 28 mostra como é acessada a ferramenta de Inserção manual de usuários. Através do
clique na ferramenta “Inserir Usos” e selecionando a opção “Inserção manual” na aba de
Retiradas, o sistema enviará um alerta solicitando que o usuário verifique se o arquivo da rede
de drenagem está selecionado. Caso contrário, deixe o arquivo selecionado e inicie o processo
novamente. Estando selecionado, o cursor do mouse modifica-se, estando habilitado para
selecionar algum trecho da rede de drenagem onde o usuário de retirada de água esteja
localizado.
28
Figura 28 - Seleção da ferramenta de inserção manual de usuários de retiradas de água.
Após a seleção do trecho, surge uma tela onde é solicitada uma identificação deste usuário
(opcional), são apresentadas as coordenadas do ponto clicado, além do código GridID do
trecho. Também é possível ter uma noção da disponibilidade hídrica e das demandas
acumuladas no local. Por fim, são solicitados os dados de disponibilidade, cujos cenários
correspondem aos criados anteriormente na etapa de configuração inicial do sistema. Dessa
forma, conforme se pode observar na Figura 29, são solicitados os valores dos quatro cenários
de demanda, correspondendo aos tipos de uso da bacia. Supondo que este ponto inserido seja
uma captação para abastecimento público cuja demanda é de 4 m³/s, este valor é inserido no
primeiro campo e no último, pois o último é o somatório de todos os usos da bacia. Após a
confirmação dos dados, um novo ponto de retiradas é automaticamente gerado no local onde
foi feita a seleção manual, apresentado também pela Figura 29.
Figura 29 - Tela de inserção manual de usuários de retirada de água.
29
A título de treinamento, sugere-se a inserção de um novo usuário de abastecimento público,
um pouco mais a montante do usuário anterior, com uma demanda de 3 m³/s. Após isso, o
usuário deve clicar em “Simular” e selecionar o “Módulo quantitativo” para que as demandas
inseridas sejam propagadas para jusante. A seleção da função de simulação do módulo
quantitativo está indicada na Figura 30, através do clique no botão “Simular” e da seleção da
opção “Módulo quantitativo”.
Figura 30 - Seleção da ferramenta de simulação do modelo de quantidade.
Após a simulação, pode-se observar a propagação das demandas e o impacto causado com
relação à disponibilidade através da utilização da ferramenta de visualização. Esta ferramenta,
localizada no painel direito do SIG, possui a propriedade de gerar classes de comprometimento
de acordo com a razão entre a demanda e a disponibilidade em cada trecho. A Figura 31
apresenta a tela do SIG após a simulação e a utilização da ferramenta de visualização.
Considerando a aba do módulo quantitativo, em (a) o usuário deve selecionar o cenário de
disponibilidade e o cenário de demanda desejado para a visualização. Em (b), o sistema
apresenta uma distribuição padrão de classes de comprometimento, onde devem ser
definidos o valor limite da classe (em percentual), a espessura da linha da rede de drenagem e
a cor que deve ficar o trecho. Normalmente, utiliza-se o padrão de utilizar tons mais suaves
para expressar comprometimentos baixos e tons mais fortes para indicar comprometimentos
elevados, mas esse critério fica a cargo do usuário. Para incluir ou excluir cenários, utilize os
botões indicados acima da tabela de distribuição de classes, e para mudar a cor da classe,
clique sobre a célula correspondente à cor e utilize a paleta de cores para fazer a alteração.
Figura 31 - Visualização do resultado através do gerador de classes de valores.
30
Utilizaremos agora a ferramenta de edição de usuários, a qual é possível fazer uma
modificação dos valores de demanda ou mesmo do local do ponto de retirada. A Figura 32
apresenta o acesso à ferramenta de edição de pontos de retirada, onde o usuário deve clicar
sobre o ponto desejado. Ao contrário do modo de inserção, no modo de edição o arquivo
selecionado deverá ser o de pontos de retirada. Após a seleção do ponto, correspondendo no
exemplo ao usuário mais a jusante, surgirá a mesma tela apresentada no item anterior para
inserção dos dados, porém neste modo eles já estarão previamente preenchidos para
possíveis alterações. No exemplo fictício a demanda de abastecimento foi reduzida de 4 para 2
m³/s
Figura 32 - Seleção da ferramenta de edição de usuários de retiradas de água.
Na Figura 33 é possível observar o impacto da alteração do valor do ponto sobre o
comprometimento hídrico do curso principal da bacia. Considerando o cenário de vazão com
95% de permanência, o comprometimento imediatamente após o segundo usuário fica abaixo
de 100%, cenário diferente do que foi indicado na Figura 31, com comprometimento acima de
100%, de acordo com a distribuição de classes.
Figura 33 - Visualização do resultado após a edição dos valores de demanda dos pontos inseridos.
Com a ferramenta de edição, também é possível fazer a exclusão dos pontos inseridos, através
do botão “Excluir ponto”, ao lado do botão “Confirmar”, na janela de edição. Solicita-se que os
usuários inseridos sejam excluídos nesse momento, utilizando a ferramenta descrita.
31
6.2 Inserção automática de usuários (via tabela de pontos)
As informações de demandas da bacia também podem ser inseridas de forma automática,
através do carregamento de uma tabela com a listagem dos pontos de captação existentes.
Esta tabela deve conter, nesta ordem, uma coluna com o nome ou identificação do ponto, a
coordenada x ou a longitude, a coordenada y ou a latitude, além dos valores de demandas,
comportando até doze cenários de valores de demanda por ponto. A tabela deve ser salva em
formato .csv, onde as colunas são separadas por vírgulas.
Na aplicação do exemplo na bacia do rio dos Sinos, baixando e descompactando a pasta
“Manual SAD – Arquivos.rar”, e acessando a pasta “Dados Bacia /Tabela de Usuarios”, será
encontrado o arquivo “Sinos_Retiradas.csv”, que pode ser utilizado como teste para execução
desta ferramenta. Nele, estão listadas as principais captações de água na bacia, considerando
o abastecimento público e o uso industrial. A Figura 34 apresenta uma imagem deste arquivo,
que pode ser utilizado como modelo para aplicações em outras bacias
Figura 34 - Tabela Excel com a listagem dos principais pontos de captação de água na bacia, utilizada
como dado de entrada no modelo.
Utilizando o botão “Inserir Usos”, e selecionado a opção “Inserção por tabela”, surgirá uma
tela como a indicada na Figura 35, onde o usuário deverá carregar o arquivo “.csv” com a
listagem dos pontos de retiradas, já previamente preparado. Em (a) é feita a seleção do
arquivo, além se ser definido o número de cenários de demandas contido no mesmo. Em (b) a
tela apresenta a leitura dos dados do arquivo “.csv”, além do atributo “GridID”, de acordo com
a mini-bacia onde o ponto foi localizado. Estes valores podem ser alterados, caso seja
observado que o ponto inserido não corresponda à mini-bacia que o ponto deveria estar
alocado. Em (d) o usuário deve fazer a atribuição entre o cenário de demanda de cada coluna
com os cenários de demanda estabelecidos na etapa inicial. No caso do exemplo, a primeira
coluna corresponde à demanda de abastecimento, a segunda representa as indústrias, a
terceira corresponde à irrigação, e a última corresponde ao somatório dos usos da tabela.
32
Figura 35 - Carregamento da tabela Excel em formato .csv e geração dos usuários de retiradas.
Após o carregamento da tabela e da atribuição das demandas, o usuário deve clicar em “Gerar
usuários” para a atualização do banco de dados de retiradas, devendo surgir na tela os pontos
correspondentes às coordenadas da tabela. Para propagação dos valores de demandas, é
importante lembrar que deve-se selecionar o comando de simular, e após isso, verificar o
resultado da simulação. A Figura 36 apresenta a alocação dos usuários contidos na tabela de
retiradas, além do resultado da simulação, considerando o cenário de vazão com 90% de
permanência.
Figura 36 - Alocação dos usuários inseridos via tabela e visualização do resultado da simulação de
balanço hídrico.
6.3 Inserção automática de usuários (via polígonos)
A última forma de inserção de valores de demandas é através da utilização de arquivos
vetoriais de polígonos que representam uma demanda constante no interior do perímetro
demarcado. Esta ferramenta pode ser útil para o caso em que se deseja estabelecer uma
demanda específica por município ou distrito ou quando não há conhecimento preciso do local
de captação de uma determinada região. No exemplo deste manual, são utilizados arquivos
vetoriais correspondentes às áreas de irrigação na bacia do rio dos Sinos, considerando a
hipótese de que as lavouras tenham um consumo homogêneo de água em todo o perímetro
da lavoura. Na pasta “Arroz”, encontra-se um arquivo vetorial que pode ser utilizado como
exemplo de aplicação deste item.
33
A Figura 37 apresenta a tela de inserção dos valores de demanda através dos polígonos de
área. Em (a) é solicitada a inserção do shapefile com os polígonos de demanda, além de
solicitar também o nome da coluna onde está registrado o nome da unidade territorial e o
nome da coluna com o registro da área dos polígonos, em km². Em (b) são apresentadas as
opções de inserção dos valores de demandas: preenchimento manual na tabela da interface
ou através do carregamento de uma tabela com os valores de demanda por polígono. Definido
o modo de inserção, deve ser indicado o número de cenários de demandas e então clica-se em
“Carregar dados”.
No exemplo do manual, o modo de inserção escolhido foi o de inserção manual, porém em (c)
existe uma ferramenta que calcula a demanda total em função das áreas dos polígonos,
através da definição de um fator multiplicador e da coluna de demanda de demanda onde os
valores serão salvos. Considerando uma demanda de 12000 m³/ha.safra, podemos chegar a
um valor único de 0,1388 m³/km².s, considerando que no mês de maior consumo de água para
irrigação (janeiro), há uma demanda de 30% do total da demanda por safra.
Figura 37 - Processo de inserção de demandas via carregamento de arquivo de polígonos.
Em (d) é feito o processo de atribuição das colunas de demandas definidas na tabela da
interface com os cenários estabelecidos no início do projeto. Em (e) é feita a associação dos
valores de demandas dos polígonos em cada uma das mini-bacias associadas. Para isto, será
necessário entrar com um arquivo vetorial correspondente à união das mini-bacias com os
polígonos de demandas. Este arquivo pode ser gerado no próprio MapWindow, ou então no
ArcGIS. Recomenda-se o ArcGIS pois é menos propenso à erros na operação.
A Figura 38 apresenta o resultado final da inserção das demandas de irrigação, além das
demandas de abastecimento e de uso industrial incluídas no item anterior. Observa-se que as
34
demandas por polígonos foram transformadas em demandas pontuais, de acordo com o área
dos polígonos em cada mini-bacia.
Figura 38 - Alocação total dos usuários de água na bacia e visualização do resultado da simulação de
balanço hídrico.
6.4 Visualização dos resultados
6.4.1 Geração de classes no arquivo da rede de drenagem
Como já demonstrado anteriormente, uma das maneiras de se visualizar o resultado da
simulação é utilizando o próprio arquivo da rede de drenagem, através da utilização do painel
de visualização e da geração das classes de valores, cada uma com uma feição diferente.
6.4.2 Geração de perfis longitudinais até o exutório da bacia
Existe também a opção da geração de perfis longitudinais a partir de determinado trecho da
rede de drenagem até o exutório da bacia. Clicando em “Perfil longitudinal” e mantendo
selecionado o arquivo da rede de drenagem, o cursor do mouse ativa-se para o modo de
seleção, onde o usuário deve selecionar o trecho correspondente ao ponto mais à montante
do perfil. A Figura 39 apresenta um perfil longitudinal ao longo do rio dos Sinos, desde sua
cabeceira até seu exutório, onde são apresentados os perfis de disponibilidade e de
demandas, separadas por uso e também considerando o somatório de usos.
35
Figura 39 - Geração de perfil longitudinal de balanço hídrico ao longo do rio dos Sinos.
7 Módulo qualitativo
O módulo qualitativo do SAD-IPH é capaz de realizar simulações de lançamentos pontuais e
contínuos ao longo da rede de drenagem. O transporte do poluente ao longo do trecho
simulado segue uma relação definida pelo modelo de Streeter Phelps (Chapra, 1997) a qual
estabelece que a variação da concentração do poluente remanescente (��,�) em um
infinitésimo de tempo (dt) é igual a concentração do poluente multiplicada por uma constante
de decaimento (K), podendo ser escrita como:
�(��,�)�� = −�. ��,�
A equação diferencial tem solução analítica, considerando a variação da concentração
do espaço e regime permanente:
��,� = ��,� . exp �−��. ����
�
Onde ��,� é a concentração ao fim do trecho i, �� é a taxa de decaimento que pode
variar por segmento, �� é o comprimento do trecho de rio i em metros, e �� é a velocidade
média, em m.s-1. A velocidade média pode ser estimada através da relação de Manning, por
exemplo. O modelo pode realizar a simulação de qualidade dos seguintes parâmetros:
Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), Oxigênio Dissolvido (OD), formas nitrogenadas
(nitrogênio orgânico, nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato), fósforo total e coliformes fecais.
Para cada parâmetro, são considerados os ajustes necessários na etapa de transporte das
concentrações, contudo, para todos os parâmetros a estrutura de execução do cálculo segue a
descrição realizada anteriormente. Realizou-se alguns testes comparativos com modelos mais
robustos como o QUAL2K, obtendo-se bons resultados, considerando a escala da bacia e o
propósito de aplicação do trabalho.
36
7.1 Inserção de usuários
A metodologia de inserção de usuários é similar à que ocorre no módulo quantitativo. Existem
dois modos de inserção: através da seleção do local de lançamento com o cursor do mouse e
também através do carregamento de uma planilha de dados. No caso do carregamento de
uma planilha, é importante que seja respeitada a ordem dos parâmetros nas colunas do
arquivo, por isso recomenda-se a edição dos dados a partir de um modelo. A Figura 40
apresenta a tela de inserção manual de lançamentos a partir do cursor do mouse, e a Figura 41
mostra a tela de inserção automática, que está sendo carregado com um arquivo que
representa os principais pontos de lançamento na bacia do rio dos Sinos (o nome do arquivo é
“Sinos_Lançamentos.csv”, e se encontra na pasta dos arquivos de teste do manual).
Figura 40 - Tela de inserção manual de pontos de lançamentos de efluentes.
37
Figura 41 - Tela de inserção automática de lançamentos de efluentes via carregamento de planilha de
dados.
7.2 Simulação qualitativa
Clicando em “Simular” e selecionando a opção “Módulo qualitativo”, surgirá uma tela com
cinco abas, cuja função é inserir os parâmetros necessários para a utilização do modelo de
qualidade. A seguir será feita uma descrição de cada uma destas abas, com uma explicação
sucinta do seu modo de utilização:
7.2.1 Parâmetros hidráulicos e temperatura
Os parâmetros hidráulicos são pré-requisitos para a definição dos parâmetros físico-químicos,
que são os que regem os processos de depuração das cargas lançadas na bacia. Os parâmetros
a serem definidos são: declividade, largura, profundidade, velocidade e temperatura, sendo
que a metodologia de definição dos mesmos encontra-se descrita na tela. O cálculo dos
parâmetros é feito para cada um dos trechos da rede de drenagem. É possível ajustar os
valores obtidos, definindo-se limites mínimos e máximos de valores, ou mesmo impondo um
valor único para o parâmetro.
A Figura 42 apresenta a aba de definição dos parâmetros hidráulicos, onde é possível observar
as opções de ajustes mínimos, máximos e fixos para as variáveis. No gráfico à direita é possível
ter uma noção dos valores que estão sendo gerados em todos os trechos. Para isto, é
necessário selecionar o parâmetro desejado e clicar em “Visualizar”. Após a definição dos
valores, o usuário deve clicar em “Confirmar” e seguir para a próxima aba.
38
Figura 42 - Aba de inserção dos parâmetros hidráulicos.
7.2.2 Parâmetros físico-químicos
A aba de parâmetros físico-químicos deve ser utilizada após a definição dos hidráulicos, pois a
maioria das variáveis depende dos valores definidos no item anterior. Os parâmetros a serem
definidos são os seguintes: oxigênio dissolvido de saturação, coeficiente de reaeração (Ka),
coeficiente de remoção de matéria orgânica (Kr), coeficiente de decaimento bacteriano (Kcol),
coeficiente de decaimento do fósforo total (Kp), e os coeficientes de reação dos compostos
nitrogenados. A metodologia de definição de cada um dos parâmetros está descrita
sucintamente na tela, havendo também a possibilidade de ajuste dos valores obtidos, através
de definição de valores mínimos e máximos.
Figura 43 - Aba de inserção dos parâmetros físico-químicos.
39
7.2.3 Definição dos parâmetros nas cabeceiras
Na aba apresentada pela Figura 44 é feita a definição dos valores dos parâmetros na sua
condição inicial, sendo este valor inserido nas cabeceiras. Por default já existem valores
inseridos, mas é necessário realizar o ajuste dos mesmo de acordo com os valores dos pontos
de monitoramento.
Figura 44 - Aba de inserção dos valores dos parâmetros nas cabeceiras
7.2.4 Inserção dos dados de monitoramento
A aba seguinte, apresentada pela Figura 45, é responsável pela entrada dos dados de
monitoramento no modelo de qualidade. Em (a), o usuário deve selecionar o(s) arquivo(s)
contendo os dados de monitoramento em formato que será definido posteriormente. A tabela
localizada logo abaixo será carregada com os postos selecionados, apresentando o nome, as
coordenadas, o código identificador do trecho e a localização. Na pasta de arquivos úteis para
serem utilizados no manual, existe uma pasta denominada “Monitoramento”, com a relação
de algumas estações de monitoramento da FEPAM em algumas campanhas de vazão baixa. Em
(b) será solicitado ao usuário que defina um local para que seja salvo um arquivo texto com a
compilação dos dados de todos os postos. Também será solicitado ao usuário se o mesmo
deseja que seja criado um arquivo shapefile com os pontos de monitoramento, que será salvo
na mesma pasta selecionada. Também se solicita ao usuário definir o número de campanhas
dos postos (os postos devem ter o mesmo número de campanhas). Definindo tudo isto, o
usuário deve clicar em “Confirmar postos”, definido em (c), para geração do arquivo único com
todos os dados de monitoramento da bacia. Em (d) o usuário deve selecionar este arquivo
recentemente criado. Uma vez que este arquivo já exista, não é necessário passar por todo o
processo descrito anteriormente, sendo necessário somente a sua localização. Clicando em
“Abrir”, os dados de monitoramento ficam disponíveis para plotação nos perfis a serem
gerados no item posterior. Em (e) existe uma etapa adicional de visualização dos dados, para
cada um dos parâmetros.
40
Figura 45 - Aba de inserção dos dados de monitoramento.
A Figura 46 apresenta um modelo do arquivo contendo os dados de monitoramento. Deve ser
definido um arquivo para cada posto, sendo que na primeira linha deve ser informado o nome
do posto, na segunda linha, as coordenadas x e y (longitude e latitude), e nas linhas seguintes
os valores dos parâmetros. Cada coluna representa uma campanha de monitoramento, não
havendo limite para o número de campanhas (contanto que todos os postos tenham o mesmo
número de campanhas).
Figura 46 - Modelo de configuração do arquivo com dados de monitoramento.
41
7.2.5 Calibração e simulação
A última aba da janela de simulação da qualidade, apresentada na Figura 47, é responsável por
ativar o modelo de simulação, visualizar os resultados de concentração dos parâmetros no
gráfico através de um perfil longitudinal incluindo os pontos de monitoramento, além de
possibilitar uma calibração manual do modelo. Em (a) é possível ajustar os valores dos
parâmetros físico-químicos de acordo com os resultados da simulação, em (b) o usuário define
o número de simulações simultâneas (até três) e a vazão de referência para cada uma delas.
Em (c) o usuário deve informar o código do trecho de montante e o código de jusante para
geração do perfil longitudinal. Para isto, o usuário pode minimizar a tela e observar os códigos
de acordo com a rede de drenagem. Por fim, em (d) o usuário deve selecionar os parâmetros e
as simulações desejadas para que os perfis de concentração sejam plotados no gráfico logo
acima.
Figura 47 - Aba de calibração e simulação de qualidade, apresentando o resultado da calibração para o
parâmetro DBO.
A Figura 47 também mostra o resultado da calibração para o parâmetro DBO, a e a Figura 48
apresenta a tela com o resultado da calibração para o parâmetro oxigênio dissolvido.
42
Figura 48 - Aba de calibração e simulação de qualidade, apresentando o resultado da calibração para o
parâmetro OD.
7.3 Visualização dos resultados
A visualização dos resultados da simulação, à exemplo do que ocorre no módulo de
quantidade, pode ser feita através da geração de perfis longitudinais e também através da
própria rede de drenagem, com a definição de classes de valores, utilizando o painel de
visualização. Selecionando a aba “Qualitativo”, será solicitado que o usuário defina o
parâmetro desejado, e então deve-se clicar em “Gerar classes CONAMA”. Assim, o sistema
apresenta uma distribuição de classes de acordo com as classes de enquadramento definidas
pela Resolução nº 357/2005 do CONAMA.
Figura 49 - Visualização dos resultados no arquivo de rede de drenagem, utilizando a função de
geração de classes.
43
Referências
AMES, D. P.; MICHAELIS, C.; DUNSFORD, H. Introducing the MapWindow GIS Project. OSGeo
Journal, Vol. 2, 2007.
CHAPRA, S. C. Surface water-quality modeling. New York: McGraw-Hill. 1997.
KAYSER, R. H. B. Sistema de Suporte à Decisão para gerenciamento de recursos hídricos
integrado a um SIG: desenvolvimento e aplicação na Bacia do Rio dos Sinos. 2011. 123 f.
Trabalho de conclusão de curso. (Graduação em Engenharia Ambiental) – Instituto de
Pesquisas Hidráulicas. Escola de Engenharia. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre.
MAIDMENT D. R. Arc Hydro: GIS for Water Resources. Redlands, USA: ESRI Press. 2002.