2008 - II SRHSS -Protótipo de Sistema de Suporte a Decisão

7/25/2019 2008 - II SRHSS -Prottipo de Sistema de Suporte a Deciso

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Simpsio de Recursos Hdricos do Sul e Sudeste Rio de Janeiro2008

Prottipo de Sistema de Controle de Balano Hdrico para apoio outorga integrado a um Sistema de Informaes Geogrficas

Bruno Collischonn

Especialista em Recursos Hdricos da Agncia Nacional de guas e Doutorando do Programa de Ps-Graduao em Recursos Hdricos e Saneamento Ambiental (IPH-UFRGS) Contato: Setor Policial rea 5,Quadra 3 70.610-200 Fone: (61) 2109-5249 [email protected]

Walter Collischonn, Rafael H. Bloedow Kayser e Carlos Ruberto Fragoso Jr.Instituto de Pesquisas Hidrulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Resumo: Este trabalho apresenta um prottipo preliminar de um Sistema de Controle deBalano Hdrico integrado ao ArcGIS, para apoio emisso de outorgas de uso da gua. Osistema est baseado na estrutura de dados preconizada pelo conjunto de ferramentasdenominada ArcHydro para discretizao e extrao das caractersticas topolgicas dabacia hidrogrfica. Ferramentas complementares para anlise de pedidos de outorga esto

sendo desenvolvidas em linguagem VBA de forma integrada ao prprio ArcGIS. O sistemadever ser capaz de realizar anlises de outorgas para captaes e lanamentos, e permitira visualizao dos resultados da anlise atravs de uma interface de uso amigvel, conectadadiretamente ao banco de dados geoespacial.Um exemplo de aplicao do sistema na bacia dorio dos Sinos apresentado, porm as ferramentas so suficientemente flexveis para seremaplicadas em outras bacias.

Abstract:In this work

Palavras-chave:Rio So Francisco; Outorga; Sistema de Apoio Deciso.

1. Introduo

A Lei 9.433/1997, que instituiu a Poltica Nacional de Recursos Hdricos, elenca entreos seus instrumentos a outorga de uso de recursos hdricos. Trata-se de uma autorizao deuso que, no obstante o seu carter administrativo, depende de uma srie de anlises tcnicasrelativamente aprofundadas de parte dos rgos gestores estaduais e, especialmente, nombito da Agncia Nacional de guas. De forma sucinta, estas anlises dizem respeito, porum lado, eficincia na utilizao de gua por cada setor usurio (volume de gua porhectare, no caso de irrigao, ou consumo per capita, no caso de abastecimento humano,apenas para citar dois exemplos), e, por outro, capacidade do corpo hdrico de atender

demanda solicitada (captao ou lanamento), considerando os demais usos j existentes e ahidrologia local.

A deciso sobre a outorga cabe a um rgo do governo federal ou estadual. No caso derios federais (incluir definio de rio federal), a deciso cabe a Agncia Nacional da gua(ANA). No caso de um rio estadual a deciso cabe ao rgo do governo estadual, como aSecretaria Estadual de Recursos Hdricos, ou o Departamento de Recursos Hdricossubordinado a alguma outra secretaria.

Uma etapa importante na avaliao de um pedido de outorga a verificao dadisponibilidade hdrica no local da demanda requerida. Em geral, esta verificao consistebasicamente de trs etapas:

a) determinao da disponibilidade hdrica, atravs de extrapolao de dadosde uma estao fluviomtrica prxima, regionalizao de vazes, vazo


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regularizada por reservatrio ou outro mtodo adequado;

b) identificao de todas as demandas existentes na bacia a montante do pontode demanda, podendo ser os usurios outorgados (federais e estaduais) ouusos identificados atravs de planos e estudos;

c) Clculo de indicadores, determinando qual a porcentagem dadisponibilidade hdrica local comprometida individualmente pelo usurio equal o grau de comprometimento total, considerando todos os usurios.

A identificao de todos os usurios a montante de um determinado trecho de riorequer uma srie de procedimentos de geoprocessamento em ambiente SIG, tornando oprocesso de anlise pouco gil. Paralelamente, identifica-se um alto potencial desistematizao deste processo no prprio ambiente de SIG, utilizando ferramentas jdisponveis e complementando estas com algumas funes programadas especificamente paraas anlises de outorga.

Neste artigo apresentamos um prottipo preliminar de um Sistema de Controle deBalano Hdrico integrado ao ArcGIS, para apoio emisso de outorgas de uso da gua. Osistema est baseado na estrutura de dados preconizada pelo conjunto de ferramentasdenominada ArcHydro para discretizao e extrao das caractersticas topolgicas da baciahidrogrfica. O desenvolvimento do sistema est em andamento no estgio atual o sistemapermite algumas anlises simples de disponibilidade hdrica de forma integrada ao prprioArcGIS.

2. Extrao de informao de um SIG e o ArcHydro

Uma etapa fundamental da elaborao de um sistema de suporte deciso parapedidos de outorga de uso da gua o pr-processamento dos dados de uma baciahidrogrfica em que o produto mais importante uma estrutura topolgica dos cursos dguada bacia.

A extrao de informao til para a modelagem hidrolgica a partir de informaescontidas em um SIG pode ser uma etapa bastante trabalhosa do processo de desenvolvimentode um modelo. Entre estas atividades incluem-se tarefas como delimitao da bacia,determinao da rea de contribuio em pontos de interesse, identificao dos principaiscursos dgua e obteno de caractersticas como comprimento, declividade e perfillongitudinal dos rios (Paz e Collischonn, 2008). Tradicionalmente, tais informaes eram

preparadas manualmente a partir de mapas topogrficos impressos. Atualmente, ferramentasde geoprocessamento e Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) tm sido empregados paraobter as mesmas informaes a partir do processamento automtico de dados de elevao doterreno (Burrough e McDonnel, 1998; Mendes e Cirilo, XXXX).

O desenvolvimento e aprimoramento de SIGs e algoritmos de processamentoautomtico, em combinao com o aumento da capacidade computacional e com adisponibilidade de dados obtidos via sensoriamento remoto, tm permitido preparar diversosplanos de informao para estudos hidrolgicos de grandes reas a baixo custo e com incrvelrapidez.

Os dados topogrficos so usualmente trabalhados sob a forma de um Modelo

Numrico do Terreno (MNT), ou Modelo Digital de Elevao (MDE), cuja representaomais tradicional atravs de uma imagem raster, ou grade, onde cada elemento, oupixel, tem


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como atributo o valor de elevao do terreno em relao a um determinado referencial(Burrough e McDonnel, 1998). Atualmente, a principal fonte de dados de elevao do terrenoem escala global a base de dados obtida pelo projeto Shuttle Radar Topographic Mission(SRTM) e disponibilizada gratuitamente na Internet.

Neste trabalho apresentada a utilizao da estrutura de dados e do conjunto deferramentas denominado ArcHydro desenvolvidas em parceria pela Universidade do Texas epela empresa ESRI, que operam internamente ao programa ArcGIS (Maidment, 2002), paraextrair informaes teis para a modelagem hidrolgica simples em um prottipo de sistemade suporte deciso, a partir do MDE do SRTM.

ArcHydro pode ser entendido tanto como um conjunto de ferramentas como umaestrutura de dados projetada para armazenar e relacionar entre si conjuntos de dadosgeogrficos utilizados na rea de recursos hdricos. A estrutura de dados ArcHydro definidautilizando classes de objetos, em que os objetos de uma dada classe possuem propriedades ouatributos em comum, e objetos de classes diferentes podem ser relacionados atravs deatributos em comum (Maidment, 2002).

A estrutura de dados ArcHydro utilizada para automatizar os processos de extraode informao e preparao de dados para modelagem em diversos modelos hidrolgicos,como os modelos desenvolvidos pelo Corpo de engenheiros do exrcito dos Estados Unidos(HEC, 2001; HEC, 2003) e pelo modelo SWAT (xxxxx).

Uma seqncia tpica de utilizao das ferramentas ArcHydro inicia com um MDE, apartir do qual so obtidas informaes como direes de escoamento; rea de drenagem; redede drenagem; definio de trechos de rios; e definio de bacias hidrogrficas. Para aelaborao do prottipo apresentado neste artigo foram utilizadas apenas algumas dasferramentas disponveis no ArcHydro, nas etapas descritas nos itens que seguem.

2.1 Determinao de direes de fluxo

As direes de fluxo constituem o plano de informaes bsico derivado de um MNTem formato rasterpara suporte a estudos hidrolgicos. O procedimento mais comum consisteem considerar uma nica direo de fluxo para cada pixel do MNT, sendo essa direoatribuda para um de seus 8 vizinhos (tomando uma janela 3x3). A determinao de qualdireo de fluxo atribuir feita escolhendo a direo que proporcione a maior declividade,calculada como sendo a diferena de elevao entre o pixelvizinho e opixelcentral divididapela distncia entre eles (Paz e Collischonn, 2008).

O algoritmo de definio de direes de fluxo mais comumente empregado

conhecido como D8 ou Deterministic Eight Neighbours (Jenson e Domingue, 1988).Aplicando a regra da maior declividade para cada pixel do MNT, obtm-se a correspondentedireo de fluxo e, ao final do processo, gera-se uma imagem raster onde a cada pixel atribudo um valor ou cdigo que denota para qual dos vizinhos ele drena.

2.2 Determinao de rea de drenagem acumulada

Com base exclusivamente nas direes de fluxo, pode-se determinar um plano deinformaes que representa as reas de drenagem acumuladas. Gera-se uma nova imagemraster 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 (Jenson eDomingue, 1988). Quando se trabalha com grandes reas e sistema de coordenadas


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geogrficas (latitude-longitude), os pixelspodem ter reas superficiais individuais distintas eisso deve ser levado em conta.

2.3 Definio da rede de drenagem

Supondo que existe um limite mnimo de rea de drenagem, Amin, que caracteriza oincio da formao de cursos dgua, possvel gerar automaticamente um plano deinformaes referente rede de drenagem a partir do raster de reas acumuladas. Pode-sefazer uma reclassificao da imagem de reas acumuladas, considerando que todos os pixelscuja rea de drenagem,Ai, seja inferior a Amin recebem valor 0 e aqueles com rea superior aesse limite mnimo ficam com valor 1. Ou seja, nesta operao se obtm um raster cujos

pixelspertencentes rede de drenagem tm atributo 1 e os demais tm atributo 0.

No ArcHydro esta etapa denominada Stream Definition e o arquivo de sadagerado do tipo raster, ou grade.

2.4 Identificao de trechos individuais da rede de drenagem

A rede de drenagem, gerada na etapa anterior, pode apresentar locais em que dois oumais rios se unem, e pontos em que a rede de drenagem se inicia. Um trecho individual definido como um trecho da drenagem que une duas confluncias ou um trecho que parte doincio da drenagem e chega at a primeira confluncia subseqente.

O produto desta etapa, denominada Stream Segmentation no ArcHydro, umarquivo rasterem que todas as clulas pertencentes a um mesmo trecho tem o mesmo valordo atributo, e trechos diferentes tem valores diferentes.

2.5 Definio das sub-bacias incrementais

A partir dos trechos individualizados so identificadas todas as clulas que drenampara um mesmo trecho, e a estas clulas atribudo o mesmo valor dos trechos.

Esta etapa chamada Catchment Grid Delineation, onde o produto um arquivoraster com clulas identificadas pelo atributo do segmento individual para o qual drenam. Emoutras palavras um arquivo rasterde sub-bacias incrementais.

2.6 Definio das sub-bacias incrementais em formato vetorial

A etapa seguinte as sub-bacias inicialmente definidas em um arquivo raster soutilizadas para gerar um arquivo vetorial, com o contorno de cada sub-bacia individualizadocomo um polgono.

Cada polgono automaticamente recebe um nmero identificador (HydroID) e temdefinidos atributos adicionais, como rea e permetro.

2.7 Definio dos trechos de rio em formato vetorial

Aps a definio das sub-bacias em formato vetorial so definidos os trechos de rioem formato vetorial, utilizando como informao de entrada o arquivo com trechos de rios

individualizados em formato raster.Neste passo gerada uma linha de drenagem para cada sub-bacia. Automaticamente o


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procedimento tambm define nmeros identificadores (HydroID) e os valores de atributos decada uma destas linhas, como o comprimento.

Para os objetivos do desenvolvimento de um modelo hidrolgico, ou de um sistema desuporte deciso, o atributo mais importante de um trecho de drenagem o nmeroidentificador do trecho seguinte, pois assim definida a topologia do sistema. Estainformao tambm gerada automaticamente na definio dos trechos em formato vetorialno campo denominado NextDownID.

2.8 Definio das bacias associadas a cada sub-bacia incremental

A ltima etapa necessria para gerar os dados utilizados no prottipo de sistema desuporte deciso a definio das bacias associadas a cada sub-bacia incremental. Nocontexto do ArcHydro estas bacias so denominadasAdjoint Catchments.

O atributo mais importante das bacias associadas, ou Adjoint Catchments, a reatotal de drenagem montante do trecho.

3. Preparando arquivos para o sistema

Finalizada a etapa de gerao dos arquivos e de extrao de atributos utilizando asferramentas ArcHydro possvel, utilizando a ligao entre arquivos (Join), gerar um arquivocom a rede de drenagem da bacia, em que cada trecho de rio apresenta as seguintescaractersticas fundamentais: nmero identificador (HydroID); nmero identificador do trechoque est localizado a jusante (NextDownID); rea da bacia a montante do incio do trecho.

Adicionalmente necessrio criar, para cada trecho de rio, o atributo vazo dereferncia. No prottipo descrito neste artigo, a rea de drenagem utilizada para gerar

valores de vazo de referncia (Q90) baseada numa regionalizao simples utilizando apenasum valor de vazo especfica em toda a bacia. Em verses mais elaboradas do sistemadescrito aqui, seria possvel utilizar equaes de regionalizao para definir os valores desteatributo. Estes valores de vazo tambm podem vir a ser obtidos usando um modelohidrolgico chuva-vazo ligado estrutura de dados ArcHydro.

Um atributo adicional importante no arquivo vetorial da rede de drenagem ademanda de gua acumulada, denominada Vout. Neste campo, que inicia com o valor zeropara todos os trechos de drenagem, o sistema armazena a vazo total de demanda de todos osusurios ligados ao trecho e a todos os trechos localizados a montante. A tabela de atributosque reuni todas as informaes de entrada para o sistema de suporte deciso, considerando a

bacia do rio dos Sinos, apresentada na Figura 1.

4. Ferramentas de anlise

O sistema descrito neste artigo est em desenvolvimento e conta, at o momento daredao deste artigo, com trs ferramentas de anlise. Todas as ferramentas foramprogramadas em ArcObjects que seria a linguagem Visual Basicno prprio ArcGIS, usandoVBA (Visual Basic for Applications). Os componentes ArcObjects so os pilares do softwareArcGIS, de maneira a otimizar e automatizar trabalhos e tarefas organizacionais. Aprogramao em ArcObjects pode ser utilizada para expandir e criar novas funcionalidades eaplicaes no ArcGIS.


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Figura 2: Tabela de atributos gerada para os trechos da bacia do rio dos sinos. A colunaHydroID representa o cdigo identificador do trecho com ndice OID. A coluna NextDownIDrepresenta o cdigo do trecho jusante. Q_Dispo a vazo de referncia do trecho,regionalizada pela rea de drenagem montante do trecho (Area_km2), e Vout apresenta avazo de demanda montante ao trecho.

Basicamente, o sistema composto por trs ferramentas de anlise, as quais estointegradas ao ambiente ArcGis (Figura 2).

Figura 2: Apresentao das ferramentas de anlise para implementao de outorgas eelementos do sistema de suporte deciso em ambiente ArcGIS.

A primeira ferramenta permite incluir um novo usurio de gua, especificando a vazodemandada, o nome do usurio e um cdigo que pode estar associado a um outro banco de

Ferramentas deanlise paraimplementaode outorgas

Atributos dos trechos

Atributos das outorgas


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dados no espacial (Figura 3). O trecho de rio ao qual o usurio est ligado definido comuma seleo direta usando o mouse. Quando um novo usurio de gua includo, o algoritmopercorre toda a rede de drenagem, desde o trecho selecionado at o exutrio da bacia,seguindo a topologia indicada pelos cdicos HydroID e NextDownID de cada trecho. Paracada trecho o valor do atributo Vout atualizado, somando ao valor pr-existente o valor da

demanda que est sendo includa. Ao final da operao cada trecho apresenta no atributo Vouto valor correspondente soma de todas as demandas a montante e do prprio trecho.

Figura 3: Incluso e cadastro de outorgas no sistema. Esta ferramenta tambm disponibilizainformaes do trecho, tais como a vazo outorgada montante, comprimento do trecho erea de drenagem montante.

Uma segunda funo desta primeira ferramenta de anlise incluir, em um layerdepontos, o novo usurio recm acrescentado ao sistema. A posio em que includo este novo

ponto pode ser obtida diretamente pela posio do mouse, quando selecionado o trecho de rio,ou via teclado, com as coordenadas de latitude e longitude do ponto. Aps a incluso de umnovo usurio no sistema, automaticamente, lanado um objeto no mapa, o qual estrelacionado ao trecho clicado. Adicionalmente, as informaes do objeto lanado (e.g.nmero do trecho, nome do usurio, nmero do processo e coordenadas) so includas nobanco de dados do layeroutorgas.shp (Figura 4).


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Figura 4: Tabela de atributos gerada para as outorgas no sistema.

A segunda ferramenta de anlise permite a edio de informaes de um usurio jincludo no sistema (Figura 5). Nesta ferramenta, o usurio previamente cadastrado

selecionado atravs do clique do mouse sobre o objeto correspondente. As informaesrelacionadas identificao do usurio (e.g. nmero do processo, nome do usurio,localizao) pertencem a uma base esttica que no dependem de informaes em outrostrechos. E, conseqentemente, as informaes relacionadas demanda pertencem a uma basedinmica, onde a alterao de seu valor resulta na mudana dos valores de demanda jusantedo trecho.

Figura 5: Edio das informaes de um usurio j cadastrado no sistema.

O sistema permite ainda a excluso de um usurio j cadastrado no banco de dados(Figura 6). Caso o usurio seja excludo, automaticamente considerada uma disponibilidade


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de gua incremental nos trechos jusante, cujo valor correspondente demanda atual notrecho.

Figura 6: Excluso de um usurio previamente cadastrado no banco de dados.

A terceira ferramenta de anlise permite analisar toda a rede de drenagem, utilizandoum cdigo de cores para, por exemplo, exibir a relao entre demanda e oferta de gua. Desta

forma, esta ferramenta visa identificar trechos quantitativamente e qualitativamente crticos narede de drenagem.

5. Exemplo de aplicao (Bacia do Rio do Sinos/RS)

Um exemplo de aplicao do sistema foi realizado utilizando dados da bacia do rio dosSinos, RS. A bacia hidrogrfica do rio dos Sinos tem uma rea de 3.820 km e envolve, totalou parcialmente, 32 municpios (Figura 7). Os principais afluentes do rio dos Sinos so os riosRolante e Paranhana alm de diversos arroios.

Figura 7: Localizao da bacia do rio dos Sinos, com seus principais municpios e afluentes.


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Os dados de topografia de foram obtidos atravs do MDE disponibilizado pela NASAa partir de dados do SRTM. A rede de drenagem foi definida considerando apenas os trechosque drenam reas superiores a 10 Km2. A seqncia de obteno de informaes a partir doMDE at a rede de drenagem, conforme descrito no item 3, est ilustrada na Figura 8. Adisponibilidade hdrica (Q_Dispo) foi estimada com base num valor constante de vazoespecfica, adotada como 1 L.s-1.km-2.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 8: Seqncia de passos para a gerao de uma rede de drenagem com informaes detopologia no ArcGis usando ferramentas ArcHydro: (a) Modelo digital de elevao; (b)Direes de escoamento; (c) rea de drenagem acumulada; (d) Sub-bacias em formato raster;(e) Sub-bacias em formato vetorial; (f) Rede de drenagem final.


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Supondo que inicialmente o sistema no possua usurios cadastrados, em termosquantitativos, todos os trechos apresentariam demanda nula e, conseqentemente, a razoentre a demanda e a disponibilidade (Vout/Q_Dispo) seria igual a zero em toda rede dedrenagem da bacia do rio do Sinos (representado pela cor verde escura nos trechos daFigura 9a). Com o cadastramento de dois novos usurios no rio Paranhana (afluente do rio dos

Sinos), observa-se um intermedirio impacto (i.e. a demanda representando 40 a 60% davazo de referncia) no prprio trecho e em alguns trechos de jusante (Figura 9b). Entretanto,esta demanda no significativa para produzir um sensvel impacto na disponibilidade hdricaa partir da confluncia do rio Paranhana com o rio do Sinos. Com a incluso de umaexpressiva demanda em um trecho situado bem montante do rio do Sinos (2,5 m 3.s-1), nota-se um significativo impacto jusante do trecho (Figura 9c). Este efeito tem intensidademoderada no trecho mdio do rio dos Sinos, e vai perdendo fora ao longo do curso dgua.Um significativo trecho (aprox. 30 Km), imediatamente a jusante deste novo usurio, estariaimpossibilitado de receber novos usurios. E, finalmente, a incluso de usurios no trechobaixo do rio Sinos no produziria impactos montante deste trecho, mas agravaria um poucomais a disponibilidade hdrica nos trechos de jusante (Figura 9d).

(a) (b)

(c) (d)

Figura 9: Visualizao do efeito da incluso de novos usurios na disponibilidade hdrica dosistema (Vout/Q_Dispo). Vout a vazo de demanda montante de um determinado trecho eQ_Dispo a vazo de referncia no trecho.


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6. Desenvolvimentos futuros e consideraes finais

Neste trabalho foi descrito um prottipo de um sistema de suporte deciso que estbaseado na estrutura de dados do ArcHydro e que roda internamente ao programa ArcGIS.

A vantagem de utilizar um sistema de suporte a deciso internamente a um SIG comoo ArcGIS que pode-se utilizar todos os recursos do prprio programa de SIG para visualizarresultados, gerar mapas e relatrios. Alm disso, um SIG permite uma boa interface para obanco de dados de usurios de gua.

Pretende-se desenvolver este sistema acrescentando novas ferramentas de anlise, edesenvolvendo uma conexo entre o sistema e modelos hidrolgicos mais complexos,incluindo modelos que representam a variao das vazes ao longo do tempo e a influncia dereservatrios, por exemplo.

Um desenvolvimento relativamente simples, que poderia ser includo neste sistema aanlise de lanamentos de poluentes e a vazo de diluio necessria a cada trecho.

Referncias

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