Producción de Mapas Digitales con Bases de Datos del IBGE para Análisis de Hoyas Hidrográficas:

El caso de la Hoya hidrográfica

La gestión de los recursos hídricos es un tema que exige atención de las entidades envueltas, debido a la diversidad de informaciones presentes en el proceso, conjugada con la importancia ambiental, económica, social y política que posee la bahía hidrográfica. Entre varias propuestas de alternativas para dar soporte y apoyo en las decosiones y gestión de las aguas, una de ellas es el Sistema de Apoyo a la Gestión de las Aguas – SAGA, desarrollado por el Grupo de Acción en Recursos Hídricos – Gearh, que elaboró esa herramienta computacional con objetivo de integrar, en una base de datos informaciones alfanuméricas, vectoriales y raster, dando soporte a la decisión en las acciones referentes a esos recursos.


Ese artículo tiene el objetivo de describir una de las actividades realizadas en la producción de esa herramienta, que consistió en desarrollar una metodología para producción de mapas digitales para servir de base de datos vectorial georreferenciada para el sistema Saga/Gearh. Esas actividades fueron realizadas para la sub-hoya hidrográfica del Río Dulce, partiendo de las bases de datos digitales disponibles por el Instituto de Geografía y Estadística – IBGE. Como resultados fueron producidos mapas temáticos y análisis de las características morfométricas de la hoya hidrográfica, permitiendo la aplicación práctica de la herramienta por los usuarios.

Introducción

Por el carácter integrador, Guerra y Cuña (1996) citan que las hoyas hidrográficas son consideradas excelentes unidades de gestión de los elementos naturales y sociales pues, en esta óptica, es posible acompañar los cambios introducidos por el hombre y las respectivas respuestas de la naturaleza.

El uso antrópico de los recursos hídricos es hecho por diversas calidades de usuarios: agricultura, industrias, abastecimiento urbano, obras hidráulicas para generación de energía entre otros. El crecimiento poblacional mundial trae el aumento de las actividades productivas económicas y del conglomerado urbano, teniendo como consecuencia inmediata el mayor consumo de agua, acrecentando la búsqueda y los conflictos por ese recurso.
Se hace, entonces, necesaria la planificación para toma de decisiones y otorga los recursos hídricos, debiendo considerar para eso aspectos físicos y ambientales, sociales, económicos y políticos.

Debido a la dificultad de articular la diversidad de informaciones necesarias a la gestión de recursos hídricos de forma manual, es creciente la búsqueda por sistemas computacionales que posean la capacidad de integrar las informaciones y articularlas con las herramientas existentes, proporcionado por el desarrollo tecnológico. Con el objetivo de atender la demanda y la implementación, práctica y consolidación de las Políticas Nacionales y Provinciales de Recursos Hídricos, el Grupo de Estudios y Acciones en Recursos Hídricos – Gearh, de la Universidad Federal de Espíritu Santo desarrollo un Sistema de Apoyo a la Gestión de las aguas – Saga/Gearh. Ese sistema de soporte de decisión contempla herramientas computacionales desarrolladas para aplicación en recursos hídricos, y contiene una base de datos alfanumérica, vectorial y raster (Teiceira et al, 2002).

Las actividades descritas en este artículo fueron desarrolladas en la construcción de las bases vectoriales georreferenciadas, producidas a partir de las bases digitales disponibles por el Instituto Brasileño de Geografía y estadística – IBGE, haciendo posible el delineamiento y la caracterización morfométrica de la hoya hidrográfica y compilación de la red de drenaje asociado.

Metodología

La elección de la hoya hidrográfica de Río Caratinga para la aplicación del Saga/Gearh, mientras un proyecto piloto, fue tomada llevando en consideración algunos factores: la hoya ya poseía un comité activo, lo que permitiría el acceso a la Saga por parte de los usuarios; el Instituto Minero de Gestión de las Aguas – IGAM e Instituto Provincial del Medio Ambiente y Recursos Hídricos – IEMA, órganos competentes para viabilizar la aplicación del aplicativo se mostraron interesados y, según el IGAM, la región es prioritaria cuanto al soporte de decisión en recursos hídricos.

La sub-hoya hidrográfica de Río Caratinga con área de 3.234,27 km2 se sitúa en el estado de Minas Gerais formando parte de la hoya del Río Dulce, (figura 1).
Posee una población de 239.260 habitantes, un área de 6.557,3 km² comprendiendo 16 municipios.

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Figura 1 – Mapa de localización de la hoya hidrográfica de Río Caratinga

Los análisis, estudios y acciones en recursos hídricos pueden ser acompañados por procesos de modelamiento, que recogen bases de datos con precisión próxima a las realidades físicas de las hoyas hidrográficas. Los Sistemas de Informaciones Geográficas (SIGs) vienen siendo ampliamente usados para esta finalidad.
Los modelos numéricos del terreno (MNT) se basan en curvas de nivel y recogen las características morfométricas, contribuyendo con el estudio y análisis del comportamiento del drenaje del terreno. Permite también el delineamento del límite de la hoya, cálculos de las características de área y su representación por medio de mapas temáticos, tales como declividad, sombreamiento, orientación de vertientes; y la producción de modelamientos del flujo superficial del drenaje, de entre otros.

Las actividades desarrolladas consistieron en:
Elaboración de la base de datos vectorial: base cartográfica digital.
Producción del Modelo Numérico del Terreno.
Producción de los mapas temáticos.
Análisis morfométrica de la hoya.

Elaboración de la Base Cartográfica Digital

La elaboración de la base de datos vectorial (base cartográfica digital) fue realizada para, juntamente con los datos alfa-numéricos y raster, componer la base de datos del Proyecto Caratinga de SAGA/GEARH.

Para la realización de ese trabajo fue necesario utilizar 5 (cinco) cartas topográficas, en el formato digital y analógico: Caratinga (SI-23-Z-D-IV), Don Cavati (SI-23-Z-D-III), Ipanema (SI-24-Y-C-IV), Itanhomi (SI-24-Y-C-I) en escala 1:100.000 y Simonésia (SF-23-X-B-III-2) en escala 1:1:50.000. Las cartas topográficas de Ipanema y Itanhomi están en el huso 24, diferente de las cartas de Caratinga, Don Cavati y Simonésia en el huso 23. Ese hecho provoca un alejamiento de las cartas en el aplicativo computacional ArcGIS 8.3 (Figura 2), mientras lo correcto sería ellas estuvieran juntas. Esto debido al hecho que, al trabajarse con proyección UTM, la cuenta de las coordenadas no es continua de un huso para el otro. Luego, para la producción de una base cartográfica continua fue necesaria la conversión del sistema de proyección de UTM para proyección Cónica Conforme de Lambert (Figura 3).

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Figura 2 – Curvas de nivel de las cartas topográficas digitales en proyección UTM.

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Figura 3 – Curvas de nivel de las cartas topográficas digitales en la proyección Cónica Conforme de Lambert.

Los archivos digitales del IBGE, no poseen los valores altimétricos de las curves de nivel y esa información es esencial para generar el MNT. Inmediatamente fue necesario insertar esos valores en los archivos y, utilizando el aplicativo computacional ArcMap, se creó un nuevo campo en la tabla de atributos de los archivos digitales. En el estado de edición, se seleccionó cada arco de curva, observando su valor altimétrico en la carta analogical, insertándolo en la tabla del archivo. Ese proceso fue realizado en todas las 5 (cinco) cartas.

Como observado en la Figura 3 los archivos digitales de las cartas de Caratinga, Don Cavati y Itanhomi no poseen gran parte de las curvas de nivel, haciendo necesario teclearlas manualmente. Entonces, fue delimitado y digitalizado de entrada el divisor topográfico de la hoya hidrográfica de Río Caratinga, para hacer el trabajo más rápido y objetivo. Se inició, entonces, la digitalización de las curvas de nivel del interior de la hoya. Para realizar esa tarea de digitalización fue utilizada la Mesa Digitalizadota Drawing Board III de la empresa Calcomp y el aplicativo computacional ArcMap.

Después del término de las curvas de nivel, fue digitalizada la hidrografía de la carta de Itanhomi utilizando el mismo material y método aplicado para las curvas de nivel. Concluida esa etapa, fue atribuida al orden de los cursos de agua de acuerdo con Horton (1945).
La jerarquía fluvial consiste en el proceso de establecerse la clasificación de determinado curso de agua (o de el área drenada que le pertenece) en el conjunto total de la hoya hidrográfica en la cual se encuentra. Eso es realizado con la función de facilitar y hacer más objetivo los estudios morfométricos (análisis lineal, arenal y hipsométrica) sobre las hoyas hidrográficas (Christofoletti 1980).

Producción del Modelo Numérico del Terreno

El modelo numérico del terreno (MNT) es una representación matemática de la distribución espacial de una determinada característica vinculada a una superficie real. El modelo digital es generado a partir de un conjunto de puntos (Xi, Yi, Zi, i=1,2,3,…n) mostrados de la superficie real, siendo que las coordenadas X y Y de los puntos están relacionadas a las posiciones de muestreo en la superficie y la coordenada Z está relacionada a la variable que se quiere modelar (Felgueiras, 1987). Los MNTs son de gran valor cuando se utilizan Sistemas de Informaciones Geográficas (SIGs) en cartografía reglamentaria, auxiliando el ordenamiento del territorio, planificación urbana y regional, cuantificación de grandezas conectadas a las características físicas de hoyas hidrográficas, (Steinke y Campana, 1999).

La variable Z corresponde a los valores altimétricos de las curvas de nivel, las cuales fueron atribuidas a los archivos digitales en la fase anterior del trabajo y son fundamentales para generar el MNT, realizado por medio de la interpolación lineal entre los valores altimétricos de las curvas de nivel. Esa tarea fue realizada en el modulo 3D analyst del aplicativo computacional ArcMap.

El proceso de interpolación utilizado fue de la Red de Triángulos Irregulares (TIN) que es un tipo especial de la triangulación de Delaunay. Este método de interpolación exacta es muy eficiente para expresar relieves acentuados y se basa en un algoritmo que crea triángulos por medio de la conexión de los puntos. Cada triángulo define un plan y el valor del atributo de determinado punto en el interior del triángulo es obtenido a partir de simples cálculos.

Producción de Mapas Temáticos

Mapa de hipsometria

Con la producción del MNT es posible generar un mapa hipsométrico asociado con la hidrografía, permitiendo la percepción morfológica del relieve del área de la hoya, el nacimiento y el exutório de Río Caratinga.

Mapa de hidrografia

Después de atribuir la jerarquía fluvial de la hoya hidrográfica, fue elaborado un mapa para permitir la visualización de la Hoya de Río Caratinga y la red de drenaje asociado de la hoya, después de la conclusión de la etapa de elaboración de la base de datos digitales.

Mapa de iluminación del terreno

Otra posibilidad de representar el relieve es por medio de un mapa del sombreamiento o iluminación de la topografía. En este caso, la variable representada es una simulación del nivel de luz (o de sombra) reflejada por el relieve al ser iluminado por el sol situado en una posición geográfica determinada. Las áreas de mayor declividad, que se encuentran expuestas al sol, reflejarán mucha luz y serán por lo tanto, muy visibles;
aquellas áreas que se encuentran en las arrinconas no iluminadas directamente por el sol, no reflejarán luz y aparecerán oscuras en el modelo. En el presente trabajo, esta representación del terreno fue obtenida utilizando un ángulo azimutal de 315 grados, ángulo de elevación del Sol de 45 grados y el modelo numérico del terreno (Santos, 2002).

Análisis morfométrico de la hoya hidrográfica

El área de drenaje (A) constituye el área plana delimitada por el divisor de aguas, dato fundamental para definir la potencialidad hídrica de la hoya hidrográfica.
En el presente trabajo, el área de la hoya fue obtenida por medio de la sumatoria de todas las áreas de las células que componen la imagen rasterizada del mapa de límite de la hoya.
El perímetro de la hoya (P) constituye el largo medio al largo del divisor de aguas. Para la estimativa del perímetro de la hoya, fue utilizado el mapa rasterizado de su límite, lo cual fue considerada la sumatoria de todas las diagonales que componen sus células limítrofes.

El largo del curso de agua principal (L) constituye el largo del curso de agua principal medido en planta, desde el nacimiento hasta la sección de referencia (sección exutória). Él fue determinado por medio de la reclasificación del mapa de hidrografía que resultó en la hierarquización de los cursos de agua en órdenes específicas. Posteriormente, se determinó el perímetro del curso de agua principal basado en la sumatoria de las diagonales de las células que lo componen.

La forma superficial de una hoya hidrográfica es importante en la determinación del tiempo de concentración, o sea, tiempo que lleva el agua de los límites de la hoya para llegar a la salida de la misma. La forma de la hoya es determinada por índices que la relacionan con formas geométricas conocidas: coeficiente de compacidad (Kc) y factor de forma (Kf).

El coeficiente de compacidad (Kc) relaciona la forma de la hoya con un círculo. Constituye la relación entre perímetro de la hoya y la circunferencia de un círculo de área igual a la de la hoya. De acuerdo con Villela y Mattos (1979) este coeficiente es un número adimensional que varía con la forma de la hoya, independiente de su tamaño. Mientras más irregular que sea la hoya, mayor será el coeficiente de compacidad. Un coeficiente mínimo igual a la unidad correspondería a una hoya circular, y para una hoya alargada, su valor es significativamente superior a 1. Una hoya será más susceptible a las inundaciones más acentuadas cuando su Kc sea más próximo a la unidad. El coeficiente de compacidad (Kc) fue determinado basado en la siguiente ecuación:

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El factor de forma (Kf) es un índice que relaciona la forma de la hoya con la forma de un rectángulo. Es determinado por la relación entre la anchura media y el largo axial de la hoya (largo del curso de agua principal). Según Villela y Mattos (1979), una hoya con el factor de forma bajo es menos sujeta a inundaciones que otra de mismo tamaño, sin embargo con otro factor de forma. El factor de forma (Kf) fue determinado, utilizando la siguiente ecuación:

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El sistema de drenaje es formado por el río principal y sus tributarios y su estudio indica la mayor o menor velocidad con que el agua deja la hoya hidrográfica.
El largo total de los cursos de agua (Lt) es la medida en planta desde el nacimiento hasta la sección de referencia de cada tributario, incluyendo el curso principal. El largo total de los cursos de agua fue determinado por medio de la reclasificación del mapa de hidrografía que resultó en la hierarquización de los cursos de agua en órdenes específicas. Posteriormente, se determinó el largo total de los cursos de agua basado en la sumatoria de las diagonales de sus células.

La densidad de drenaje (Dd) es el índice que indica el grado de desarrollo del sistema de drenaje o sea, suministra una indicación de la eficiencia del drenaje de la hoya. La densidad de drenaje es definido por la relación entre la sumatoria de los largos de todos los canales de la red y la área de la hoya.
Según Villela y Mattos (1979), este índice varía de 0,5 km/km2 para hoyas con drenaje pobre a 3,5 km/km2 o más para hoyas bien drenadas. Este índice fue determinado utilizándose de la siguiente ecuación:

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La extensión media del escoamento superficial (I) constituye la distancia media en que el agua de la lluvia tendría que penetrar sobre los terrenos de una hoya, si el escoamento es en línea recta, desde el punto de caída en la hoya hasta el curso de agua más cercano. En el presente trabajo, él fue calculado basado en la siguiente ecuación:

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Aunque la extensión del escoamento superficial que efectivamente ocurre sobre los terrenos pueda ser diferente de aquella determinada por la ecuación arriba, debido a diversos factores de influencias, este índice constituye una indicación de la distancia media del escoamento superficial.

Resultados y Discusión

La sobreposición de la hidrografía sobre los intervalos de curvas de niveles de la hoya, reclasificados en intervalos de 100 en 100 metros es representada en la Figura 4. La cuantificación de las áreas homogéneas por intervalo de curva de nivel para la hoya hidrográfica de Río Caratinga, MG es mostrada en la Tabla 1.
La Figura 5 presenta el mapa de hidrografía (clasificación de HORTON, 1945) de la hoya hidrográfica de Río Caratinga. Se observa que el río principal (orden 7) aparece en destaque, siendo que su movimiento se da de la dirección Sudeste para Noroeste de la hoya. La Tabla 2 muestra el largo total y porcentaje de ocurrencia de cada una de las órdenes de los cursos de agua.

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Figura 4 – Hipsometria de la hoya hidrográfica de Río Caratinga, MG.

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Tabla 1 – Cuantificación de las áreas homogéneas por intervalo de curva de nivel para la hoya hidrográfica de Río

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Figura 5 – Hidrografía jerarquizada de acuerdo con Horton 1945.

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Tabla 2 – Largo total y porcentaje de ocurrencia de cada una de las órdenes de los cursos de agua.

El mapa de perspectiva orográfica de la hoya hidrográfica de Río Caratinga obtenido con una dirección de visualización de 315 grados y un ángulo de visión de 45 grados es presentado en la Figura 6. Se observa que la clase de declividad representada por el relieve plano corresponde a la localización donde la mayor parte de los cursos de agua se mueven.

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Figura 6 – Iluminación del terreno de la hoya hidrográfica de Río Caratinga, MG.

La Tabla 3 muestra los resultados preliminares obtenidos por medio de técnicas estadísticas y del posterior uso de ecuaciones hidrológicas. De acuerdo con los resultados, la hoya hidrográfica de Río Caratinga, muestra ser poco sujeta a la inundaciones por el hecho del coeficiente de compacidad presentar el valor alejado de la unidad (2,022) y de su factor de forma presentar un valor bajo (0,063), sin embargo debido a la urbanización en el área de la hoya es constante el registro de inundaciones.

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Tabla 3 – Valores de las características físicas de la hoya hidrográfica de Río Caratinga, MG.

Consideraciones Finales

El análisis de los datos y la interpretación de los resultados obtenidos en las condiciones específicas del presente trabajo permitieron concluir que:
1. Los mapas digitales elaborados pueden perfectamente servir de base de datos para auxiliary el Sistema de Apoyo a la Gestión de las Aguas – SAGA;
2. El orden del curso de agua principal (orden 7) según HORTON (1945), muestra una elevada extensión de ramificación de la hoya;
3. La metodología desarrollada resultó eficiente y confiable permitiendo realizar el modelamiento hidrológico y el análisis morfométrica de hoyas hidrográficas.

Fuente:

Diogo Medici Poloni – Universidade Federal do Espírito Santo

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