modelagem hidrológica na bacia hidrográfica do córrego … · 2015-01-29 · namento de água...

155

Anais 5º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Campo Grande, MS, 22 a 26 de novembro 2014Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p. 155 -165

Modelagem hidrológica na bacia hidrográfica do córrego Indaiá/MS, através do método Curve Number

¹José Roberto Amaro Mantovani ¹Elias Rodrigues da Cunha¹ArnaldoYoso Sakamoto ²Vitor Matheus Bacani

¹Universidade Federal do Mato Grosso do Sul – UFMS/CPTLAv. Ranulpho Marques Leal, 3.484 Caixa Postal 210

79620-080. Três Lagoas - [email protected]

[email protected]@ufms.br

²Universidade Federal do Mato Grosso do Sul – UFMS/CPAQRua Oscar Trindade de Barros, 740 – Bairro Serraria

79.200-000. Aquidauana - [email protected]

Resumo. Geotecnologias vêm sendo utilizadas em vários estudos de casos na área de hidrologia, contudo o uso do Sistema de Informação Geográfica (SIG), incorporado pelo geoprocessamento e o sensoriamento remoto, está se tornando uma importante ferramenta para modelagem hidrológica devido a sua capacidade de armazenar e manipular grandes quantidades de dados geoespaciais. Neste trabalho propõe-se o uso do método conhecido como método da curva-número (CN), que utiliza um valor de precipitação, dados topográficos, uso e cobertura do solo e composição pedológica para calcular o volume total de água escoado na bacia. Para aplicação desse método foi utilizado o modelo hidrológico HEC-GeoHMS (Hydrologic Enginnering Center), desenvolvido pelo Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos (U.S. Army Corps of Enginners), com objetivo de simular o es-coamento superficial para bacia hidrográfica do córrego do Indaiá, localizada no município de Aquidauana/MS, especificamente para o ano de 2012, relativo ao mês de dezembro, em razão da disponibilidade dos dados. Os resultados mostraram que de maneira geral, a bacia em questão apresenta indícios de alterações impactantes em sua composição, pois vem passando por uma expressiva transformação sócioterritorial, em razão do seu processo de incorporação econômica no município.

Palavras-Chave: Geotecnologias; Sistema de Informação Geográfica (SIG); curva-número; HEC-GeoHMS.

Anais 5º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Campo Grande, MS, 22 a 26 de novembro 2014Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p.

156

156 -165

Abstract. Geo-technologies has been used for various studies in the hidrology research area, however the use of Geographic Information System (GIS) built by GIS and remote sensing is becoming an important tool for hydro-logic modeling because of its ability to store and manipulate large amounts of geospatial data. In this paper, it is proposed the use of method, known as the curve number (CN), which uses a value of precipitation, topography, land cover and land use and pedological composition method, to calculate the total volume of water drained in the watershed. To apply this method the hydrological model HEC-GeoHMS (Hydrologic Enginnering Center), deve-loped by the Army Corps of Engineers of the United States (US Army Corps of Enginners) was used in order to simulate the runoff for the catchment Indaiá stream, located in the municipality of Aquidauana / MS, specifically for the year 2012 on the month of december, due to data availability. The results showed that in general, the watershed in question presents evidence of striking changes in its composi-tion, as has been undergoing a significant transformation territorial partner, because of the process of economic incorporation in this municipality.

Keywords: geotechnology; Geographic Information System (GIS); curve-number; HEC-GeoHMS.

1. Introdução

A estimativa do escoamento superficial em bacias hidrográficas é necessária para o planejamen-to e execução de projetos em gerenciamento de recursos hídricos (Tucci, 2001). A complexi-dade do gerenciamento de sistemas hídricos cresceu devido à diminuição da disponibilidade dos recursos hídricos e deterioração da qualidade das águas. A tendência atual envolve desen-volvimento sustentável nas bacias hidrográficas, implicando em um aproveitamento racional dos recursos naturais com o mínimo dano ao meio ambiente (Tucci, 1991).

A escolha da bacia hidrográfica do córrego do Indaiá como área de estudo, refletiu a preo-cupação deste trabalho com a preservação e conservação dos mananciais existentes em bacia hidrográfica destinada a programas de assentamento rural, sendo de extrema importância ga-rantir a qualidade dos recursos naturais, tanto para a produção agropecuária a ser desenvolvida, quanto para o meio ambiente em si, garantindo dessa forma numa exploração e interação entre sociedade e natureza equilibrada e sustentável.

O Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos (SCS, 1972) desenvolveu um mé-todo, conhecido como método da curva-número (CN), que utiliza o total de precipitação e um índice de abstrações iniciais para calcular o volume total de água escoado na bacia (MAN-TOVANI, et al., 2013). Vários estudos já foram realizados incorporando os Sistemas de Infor-mações Geográficas (SIGs) em modelos hidrológicos (Melesse e Shih, 2002; Liu e De Smedt, 2005).

Neste sentido, este estudo tem como objetivo fazer uma análise hidrológica, por meio do método curva-número (CN) analisando o padrão do potencial ao escoamento superficial na ba-cia hidrográfica do córrego Indaiá (BHCI), para o ano específico de 2012 em razão dos dados pré-estabelecidos para simulação.

2. Metodologia

2.1. Área de Estudo

A bacia hidrográfica do córrego Indaiá localiza-se no Estado de Mato Grosso do Sul, na região sudoeste do município de Aquidauana, entre as latitudes 20º09’00” S e 20º16’00” S e longi-tudes 55º 29’30” W e 55º 39’ 00” W, cuja área é de aproximadamente 94,64 km² (Figura 1). O Córrego Indaiá está inserido na Bacia do Alto Rio Paraguai (BAP), é afluente do rio Taboco, que por consequência adentra a Planície Pantaneira. A bacia hidrográfica do córrego Indaiá está

157


inserida no Bioma Cerrado, a vegetação predominante é a Savana Arbórea Densa (Cerradão) e destaca-se a presença de Agropecuária e Pastagem (BRASIL, 1982).

Figura 1. Localização da área de estudo (MDT/SRTM 30m)

Do ponto de vista geomorfológico está inserida em duas macro-unidades morfoestruturais: a Bacia Sedimentar do Paraná e a Bacia Hidrográfica do Rio Paraguai, subdivididas nas unida-des morfoesculturais, Planalto Maracaju-Campo Grande e Depressão do Paraguai (BRASIL, 1982). As formas de relevo dominantes são colinas convexas com declividades que variam de 6 a 20%, além da presença de planície fluvial, morros e morrotes (CUNHA et al., 2013).

A Geologia é composta pelas seguintes formações: formação Furnas (grupo Paraná), for-mação Aquidauana e por aluviões fluviais (BRASIL, 1982). De acordo com levantamento em trabalho de campo (2012, 2014), Plano de Conservação da Bacia do Alto Paraguai- PCBAP (BRASIL, 1997) e EMBRAPA (2006) os solos predominantes na bacia são: Gleissolos textura arenosa, localizados em toda a planície fluvial, Neossolos Quartzarênicos de textura arenosa que predominam quase metade da área da bacia, faixa que vai próximo a algumas nascentes (na margem esquerda) médio curso (córrego cabeceira comprida) até sua foz com rio Taboco, Latossolos Vermelhos de textura arenosa, encontrados ao longo de alguns dos seus tributários (córrego água limpa, cabeceira cambota e jacuba) ambos limitados com a planície fluvial, Ar-gissolos distribuído ao logo do córrego da mata e seus afluentes e Neossolos Litólicos de textura indiscriminada encontrados nos morros e morrotes.

A precipitação média anual é de aproximadamente 1350 mm (SANT’ANNA NETTO, 1993) e a temperatura média anual é em torno de 25ºC, ao passo que a média mensal do mês mais quente (janeiro) alcança 27,5ºC e a dos meses mais frio (junho) chega a 22,5ºC. Entretanto, são comuns na região temperaturas superiores a 40ºC nos meses de verão e nos meses de inverno,


158

158 -165

temperaturas mínimas inferiores a 5ºC (PINTO, 1998).

2.2. Dados

2.2.1. Dados topográficos

Para realização deste trabalho foi utilizada a carta topográfica do município de Aquidauana, folha SF. 21–X–A III, na escala de 1:100.000, elaborada pela diretoria de Serviço Geográfico (DSG), segunda reimpressão (1999), fornecida gratuitamente pelo Laboratório de Geoproces-samento (LABGEO) do Campus de Aquidauana/UFMS, para delimitação do limite da bacia hidrográfica do córrego Indaiá – MS.

2.2.2. Dados de sensoriamento remoto

Foram utilizados dados de altimetria do Radar Shuttle Radar Topography Mission - SRTM 30m (VALERIANO, 2008) quadrícula 20_57_ZN (. GeoTIFF) extraído do Banco de Dados Geo-morfométricos Brasileiro (TOPODATA), disponível gratuitamente no sítio do INPE(www.dpi.inpe.br/Topodata).

Para o mapeamento de uso e cobertura do solo, para o recobrimento da área da bacia hi-drográfica foram necessárias 119 cenas com resolução espacial de 0,63 metros, salvas no for-mato GeoTIFF, na escala de 1:5.000.

2.2.3. Dados pedológicos

Os dados pedológicos foram obtidos por meio do mapa pedológico, na escala de 1:100.000, levantado em trabalho de campo (2012, 2014), Plano de Conservação da Bacia do Alto Para-guai- PCBAP (BRASIL, 1997) e EMBRAPA (2006). As classes de solo que compõem a BHCI são: Gleissolos Háplicos, Argissolos Vermelho-Amarelos, Latossolos Vermelhos, Neossolos Litólicos e Neossolos Quartzarênicos.

2.3. Método curva-número

O método Curve Number é amplamente utilizado para estimar o escoamento superficial, e, con-sequentemente o fluxo de rios, a recarga de água, o volume de infiltração, a umidade do solo e o transporte de sedimentos. Muitos autores apresentam estudos sobre o método CN, entre eles Mack (1995), Johnson e Miller (1997), Pullar e Springer (2000), Tucci (2000) e Mantovani et al. (2013).

No modelo CN do SCS (1972) a estimativa de escoamento superficial (Q, mm) é realizada da seguinte maneira (Equação 1):

Eq.1

Onde P é a precipitação média mensal (mm mês-1), S é a capacidade máxima de armaze-namento de água (saturação) da camada superior do solo na bacia hidrográfica (mm mês-1). Para esse trabalho foi considerada a precipitação média de 195,2 mm para o mês de dezembro, do ano de 2012. A Equação (1) somente é válida para P > S x S; quando P < 0.2 x S, temos que Q = 0.

159


O parâmetro S, é relacionado ao CN da seguinte maneira (Equação 2):

Eq.2

O CN é um índice para escoamento adimensional baseado no grupo hidrológico de solos (GHS), uso e cobertura, condições hidrológicas e condições antecedentes de umidade. O mé-todo CN permite mostrar o efeito das mudanças no uso e cobertura do solo sobre o escoamento superficial. Os valores de CN variam entre 1 e 100 Valores altos de CN indicam alto escoamen-to (Melesse; Shih, 2002).

O CN deve ser ponderado em função do uso e cobertura do solo e dos tipos de solo da seguinte forma (Equação 3):

Eq.3

Onde CNp é o valor de curva-número ponderado (adimensional); CNi é o valor da curva-número de cada grupo de uso e cobertura e tipo do solo na bacia hidrográfica (adimensional); Ai é a área de cada grupo de uso e cobertura e tipo do solo na bacia (km²); At é a área total da bacia hidrográfica (km²).

2.4. Sistema de Modelagem Hidrológico

O SIG utilizados para processamento e análise foi o software ArcGIS 10® (ESRI, 2012), com a extensão HEC-GeoHMS 5.0 (Geospatial Hydrologic Modeling Extension). O HEC-GeoHMS é um conjunto de ferramentas do Arcmap desenvolvido especialmente para o processamento de dados geoespaciais, criando dados de entrada para o Sistema de Modelagem Hidrológica.

3. Enfoque metodológico

A Figura 2 apresenta de forma esquemática e resumida o enfoque metodológico utilizado du-rante a pesquisa.

O processo de delimitação manual da bacia hidrográfica foi realizado utilizando as curvas de nível, por meio da carta topográfica e dados de altimetria do radar Shuttle Radar Topography Mission - SRTM 30m. Tendo em vista que a topografia do terreno é responsável pela drenagem da água da chuva e os limites entre as bacias hidrográficas encontram-se nas partes mais altas do relevo delimitou-se a bacia seguindo as curvas de nível de maior cota, simulando o trajeto das águas.

O mapeamento de uso da terra e cobertura do solo, foi elaborado com base nos procedi-mentos metodológicos descritos por Jensen (2009), Novo (2010), Moreira (2011) e Cunha et al., (2012), que utilizam como base imagens de alta resolução e técnicas de interpretação vi-


160

160 -165

sual de imagens. O mapeamento foi divido em 4 etapas: 1ª captura das imagens ópticas de alta resolução (satélite GeoEye, agosto de 2012) no ArcGIS 10® Online, 2ª Mosaico das cenas no Global Mapper 14®, 3ª Elaboração da chave de interpretação e 4ª Análise, interpretação, ve-torização e identificação das classes de uso e cobertura do solo. Para obter o mapa de grupos hidrológicos de solos da bacia, os tipos de solos presentes na bacia foram reclassificados de acordo com a classificação proposta pelo “Natural Resources Conservation Service” (NRCS) – antigo “Soil Conservation Service” (SCS) – do “United States Department of Agriculture” (USDA).

Figura 2. Fluxograma Metodológico

O próximo passo foi a realização da fusão entre o mapa de uso e cobertura do solo e o mapa dos grupos hidrológicos de solos. Esse procedimento foi realizado por meio da extensão HEC-GeoHMS, sendo necessário a criação de uma ‘LookUp Table’ com os valores de CN para bacias rurais, conforme a literatura (Tucci, 1993). Após a geração da grade de curva-número (CN), o próximo passo foi estimar a grade de saturação do solo, por meio da Equação 2. Essa grade de saturação, foi utilizada para estimar o escoamento superficial na BHCI, por meio da Equação 1.

161


4. Resultados e discussão

4.1. Mapa de uso e cobertura

A BHCI (Figura 3) é composta majoritariamente pela classe de pastagem, com terraço (28,32 km²; 29,83%) e sujo (26,87 km²; 28,4%). O estrato vegetal que compõe a bacia está divido entre as classes de floresta estacional semidecidual (9,17 km²; 9,69%) e decidual (5,1 km²; 5,39%), em seguida, o cerradão (5,53 km²; 5,84%), cerrado (1,82 km2; 1,92%), matas ciliares (4,15 km²; 4,38%), vegetação secundária (4,09 km²; 4,32%), veredas (3,61 km²; 3,81%) e mata galeria (0,26 km²; 0,27%).

O restante da bacia é constituído pela classe de solo exposto, para agricultura (2,4 km²; 2,53%) e por estradas e outras áreas (0,71 km²; 0,75%). Também a presença de campos gram-inosos úmidos (2,22 km²; 2,34%). As classes com menor expressão em área na bacia foram a silvicultura (0,02 km²; 0,02%), agricultura (0,1 km²; 0,1%), processos erosivos (0,09 km²; 0,09%), áreas construídas (0,01 km²; 0,01%), áreas queimadas (0,1 km²; 0,1%) e corpos d’água (0,03 km²; 0,03%).

Figura 3. Mapa de uso e ocupação do solo.

4.2. Mapa de grupos hidrológicos

No grupo hidrológico A, foi associado o Neossolo Quartzarênico, considerado bem drenado, no grupo hidrológico B o Latossolo Vermelho, devido a textura arenosa, enquanto que o Ar-gissolo Vermelho-Amarelo, considerado mal drenado, foi associado ao grupo hidrológico C. O Gleissolo Háplico, devido a apresentar característica de má drenagem e suscetibilidade às


162

162 -165

inundações e processos erosivos, foi agrupado no grupo hidrológico D, assim como o Neossolo Litólico, devido à característica de contato lítico.

O mapa de GHS (Figura 4) mostra que a maior parte da bacia pertence ao grupo hidrológi-co B (33,58 km²; 35,48 %), seguido pelo grupo hidrológico A (30,25 km²; 31,96 %), isso re-sultara em um baixo potencial de escoamento superficial nessas áreas. Em seguida, o grupo hidrológico C (20,63 km²; 21,79 %). O grupo hidrológico D apresentou menor área na bacia (6,95 km²; 10,75 %). Esses dois últimos grupos hidrológicos são responsáveis por um potencial elevado de escoamento superficial.

Figura 4. Mapa de grupos hidrológicos de solos da BHCI.

4.3. Mapa de escoamento superficial

O mapa de escoamento superficial (Figura 5) mostra que algumas áreas do sudeste da bacia, apresentaram os valores mais elevados de escoamento, acima dos 126 mm/ mês-¹, esses va-lores altos de escoamento decorrem nessas áreas por serem compostas majoritariamente por pastagem em mau estado de conservação (degradada) e campos graminosos úmidos (baixa ca-pacidade de retenção de água), associado a um solo com característica de exercer uma má dre-nagem (Argissolo Vermelho-Amarelo). No extremo oeste da bacia (montante), embora ocorra à presença da Floresta Estacional Decidual apresentou-se um valor elevado de escoamento em razão dos Neossolos Litólicos localizarem em áreas com altitudes mais elevadas (cotas com até 545m) associadas a um relevo fortemente ondulado com declividades que ultrapassam 30%.

O oeste da bacia apresentou o menor valor de escoamento, entre 2 e 19 mm/ mês-¹, em

163


razão da área ser composta pelo Cerradão e situada num solo bem drenado (Neossolo Quartz-arênico). Chama atenção o escoamento na área agrícola, entre 105 e 126 mm/ mês-¹, tendo que haver um maior cuidado para não haver perdas econômicas em eventos extremos.

Ao longo da rede de drenagem o comportamento do escoamento superficial se mostrou controlado, refletindo a boa conservação da vegetação ciliar ao longo da bacia, favorecendo o equilíbrio hidrológico no ambiente.

O restante da bacia apresentou um escoamento considerado baixo, entre 19 e 126 mm/ mês-¹, embora essas áreas sejam caracterizadas pela presença de campos e pastagem, que influ-enciam diretamente em um maior potencial de escoamento intenso, todavia a composição pe-dológica (Latossolo Vermelho e Neossolo Quartzarênico) combinado com relevo suave ondu-lado (declividades inferiores a 20%) possibilita uma boa drenagem, amenizando o escoamento.

Figura 5. Mapa de escoamento superficial médio mensal (dezembro, 2012) na BHCI, conside-rando uma chuva de 195,2 mm mês-1.

5. Conclusão

A utilização da modelagem hidrológica através do método Curve Number (CN) para estimar o escoamento superficial da bacia atendeu com eficiência os objetivos do trabalho.

Os resultados legitimaram a metodologia empregada (curva-número), pois mostraram que os locais onde ocorreram altos valores de escoamento superficial, estavam diretamente rela-cionados com as características de uso e ocupação, sobretudo com a composição pedológica, uma vez que a bacia não apresenta alta declividade, exceto em duas pequenas áreas de morro e morrote.

Os resultados mostraram que de maneira geral, a bacia em questão apresenta indícios de alterações impactantes em sua composição, pois vem passando por uma expressiva transfor-


164

164 -165

mação em função da instalação do primeiro complexo de assentamento rural (Indaiá I, II, III e IV), uma vez que necessita de um maior cuidado e precaução devido as ações antrópicas sem planejamento.

Agradecimentos

Agradecemos a FUNDECT pela concessão de uma bolsa de mestrado (Chamada FUNDECT/CAPES n° 02/2014) e pelo apoio financeiro ao projeto de pesquisa concedido pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico- CNPq, processo nº 400691/2011-6.

6. ReferênciasARCGIS/ARCINFO – Esri Inc. ArcGis Version 10. Environmental Systems Research Institute Inc. New York. 2012. 1 Cd Rom.

BRASIL. Ministério das Minas e Energias. Secretaria Geral. Projeto RADAMBRASIL: Geologia, Geomorfolo-gia, Pedologia, Vegetação e Uso potencial da terra. Rio de Janeiro, 1982. Folha SE. 21 Campo Grande.

BRASIL. Plano de conservação da bacia do alto Paraguai: Análise Integrada e Prognóstico da Bacia do Alto Paraguai. Brasília: PNMA, 1997.

Cunha, E. R.; Silva, L. F.; Ayach, L. R.; Bacani, V, M. Imagens de Alta Resolução do Google Earth como Base para o Mapeamento do Uso e Cobertura da Terra da Bacia Hidrográfica do Córrego Indaiá-MS. Revista Panta-neira, v. 14, p. 60-68, 2012.

Cunha, e. R. da ;Bacani, v. M.; Facincani, e. M.; Sakamoto, a. Y. ; Luchiari, a. Remote sensing and gis applied to geomorphological mapping of the watershed stream Indaia, MS, Brazil. In: 8th IAG International Conference on Geomorphology, 2013, Paris-France. 8th IAG International Conference on Geomorphology, 2013.

Embrapa (2006) Sistema Brasileiro de Classificação de Solos. 2ª Edição, Embrapa Solos, Rio de Janeiro-RJ, 306p.

Environmental System Research Institute (ESRI). ArcGis Version 10. Environmental Systems Research Insti-tute, Inc., Redlands, CA. 2008.

Hydrologic Engineering Center (HEC). HEC-GeoHMS: Geospatial hydrologic modeling extension. US Army Corps of Engineers. User´s Manual. Version 4.2. 2009. Disponível em<www.hec.usace.army.mil/software/hec-geohms>. Acesso em 02 de junho de 2014.

Jensen, J. R. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. Tradução da 2ed. por (pesquisadores do INPE): José Carlos N. Epiphanio (coordenador); Antonio R. Formaggio; Athos R. Santos; Bernardo F. T. Rudorff; Cláudia M. Almeida; Lênio S. Galvão. São José dos Campos: Parêntese. 2009. 672p.

Melesse, A.M.; Shih, S.F. Spatially distributed storm runoff depth estimation using Landsat images and GIS. Computers and Electronics in Agriculture, v. 37, n. 1-3, p. 173-183, 2002.

Moreira, A, M. Uso de imagens do Google Earth capturadas através do software stitch map e do TM/Ladsat-5 para mapeamento de lavouras cafeeiras – nova abordagem metodológica In: XV Simpósio Brasileiro de Senso-riamento Remoto, 2011. Curitiba. XV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 2011.p. 481- 488.

Nono, E. M. L. M. Sensoriamento Remoto: princípios e aplicações. São Paulo: Edgard Blucher, 2010.

NRCS - Natural Resources Conservation Service. “Chapter 7: Hydrologic Soil Groups”. In: National Engi-neering Handbook: Part 630, Hydrology. 2009. Disponível em: <http://directives.sc.egov.usda.gov/>. Acesso em: 15 de maio de 2014.

Pinto, A. L. Saneamento básico e suas implicações na qualidade das águas subterrâneas da cidade de Anas-tácio (MS). 1998 175. Tese (Doutorado em Geociências)- Universidade Estadual Paulista/ Instituto de Geociên-cias e Ciências Exatas, Rio Claro, 1998.

Sant´Anna Neto, J.L. O Caráter Transicional do Clima e a Diversidade da Paisagem Natural na Região de Aquidauana. In: II Semana de Estudos Geográficos: Desenvolvimentos e Geografia. 1993, Aquidauana. Anais... UFMS/CEUA, 1993, v.1,p.188-128.

165


SCS – Soil Conservation Service. National Engineering Handbook, USDA, 1972.

Tucci, C. E. M. Gerenciamento da drenagem Urbana. Ed. Abril; 2001.

Tucci, C.E.M. Hidrologia: ciência e aplicação. 2 ed. Porto Alegre: UFRGS: ABRH. 2001. 943p.

Valeriano, M. de M. TOPODATA: guia de utilização de dados geomorfométricos locais - São José dos Cam-pos: INPE, 2008.

modelagem hidrológica na bacia hidrográfica do córrego … · 2015-01-29 · namento de água...

Documents