Delimitando Área de Drenagem e Malha Hidrográfica no ArcGIS

by Cássio Rampinelli

Este tutorial descreve como traçar a rede hidrográfica e como realizar a delimitação da área de drenagem da bacia hidrográfica em estudo com emprego do software ArcGIS e da ferramenta Arc-Hydro.

A delimitação da área de drenagem até o local de interesse, bem como a caracterização da hidrografia da bacia são procedimentos prévios às simulações hidrológicas de grande importância. A delimitação da área de drenagem permitirá, além de uma avaliação geral da região de estudo, averiguar em trechos a montante a existência de outros aspectos de interesse que possam contribuir para avaliações mais abrangentes do estudo. Além disso, muitas vezes, não se dispõem de estudos hidrológicos atualizados, sendo necessário a revisão desses estudos com a realização de novas estimativas para as vazões extremas (centenária, milenar e/ou decamilenar, por exemplo). Para isso, a quantificação da área de drenagem, a definição da rede hidrográfica, bem como a identificação do posicionamento de estações hidrométricas ou meteorológicas em relação aos limites da bacia de interesse são informações importantes a serem levantadas (Figura 3.0).

Figura 3.0 Exemplo de delimitação da Área de Drenagem, Malha Hidrográfica e Estações Hidrométricas de uma bacia hidrográfica

A Ferramenta Arc Hydro

O software ArcGIS/ArcMap possui no seu conjunto de recursos padrão ferramentas que permitem realizar operações de geoprocessamento para essas tarefas. Contudo, o trabalho pode ser facilitado com a instalação do pacote de ferramentas adicional chamado Arc-Hydro. A ferramenta Arc-Hydro consiste em uma extensão que é instalada no ArcGIS/ArcMap e reúne uma série de recursos específicos voltados para análises hidrográficas. Para a instalação desta ferramenta, basta fazer o download do arquivo de instalação do programa, executar o arquivo de instalação, abrir o ArcGIS/ArcMap e habilita-la no menu de ferramentas.

Visão Geral dos Processos

Antes de iniciar a descrição dos procedimentos para a definição da malha hidrográfica, das bacias e sub-bacias e do cálculo da área de drenagem até o ponto de interesse, é conveniente apresentar sucintamente o conjunto de tarefas/processos que serão executados.

Para melhor visualizar todos os processos envolvidos, esses serão organizados de forma a alcançar os seguintes objetivos: Definição da Malha Hidrográfica, divisão de Bacias e Sub-bacias relacionadas à malha hidrográfica e delimitação/cálculo da Área de Drenagem em relação ao ponto específico do aproveitamento (Figura 3.0.1).

Figura 3.0.1 Resumo dos procedimentos a serem realizados

Para cada um desses objetivos, diversos processos serão executados a partir de ferramentas do pacote Arc-Hydro e do pacote padrão ArcGIS/ArcMap. De modo a permitir uma compreensão geral das principais funções e recursos que serão utilizados para alcançar cada um dos objetivos descritos, uma breve apresentação das principais funções que serão utilizadas é resumida na Tabela 3.1, a seguir. Mais detalhes dessas funcionalidades podem ser explorados no Manual Arc Hydro Tools.

Tabela 3.1 Principais comandos/procedimentos para geração da malha hidrográfica

Procedimento	Descrição
Fill Sinks	Se uma célula da imagem raster estiver cercada por células com elevações maiores, a água ficará presa nesta célula (como se estivesse em um buraco). Esta função altera o valor de elevação desta célula para corrigir este problema.
Flow Direction	Calcula para cada célula (pixel) a direção do fluxo. O valor calculado para cada célula indica em relação às 8 células circunvizinhas o sentido daquela que possui a maior inclinação descendente.
Flow Accumulation	Calcula para cada célula o número de células que apontam a direção de fluxo para ela.
Stream Definition:	Define uma malha hidrográfica com base nos valores de fluxo acumulado do arquivo de saída do processo Flow Accumulation.
Stream to Feature:	Converte o arquivo em formato raster (matricial) com a malha hidrográfica para um arquivo na forma de vector (vetor)
Stream Order:	Define a ordem dos trechos da malha hidrográfica conforme metodologia proposta por Strahler (1957) utilizando os arquivos rasters decorrentes dos processos Flow Direction e Flow Accumulation.

A seguir são descritos os procedimentos para a extração da área de drenagem e delimitação da malha hidrográfica.

Criando a Malha Hidrográfica

• Passo 1: Verifique se a ferramenta Arc-Hydro está habilitada na barra de ferramentas.

Habilitação da ferramenta Arc-Hydro

• Passo 2: Verifique se a ferramenta Arc-Hydro está habilitada na barra de ferramentas.

Ferramenta Arc-Hydro disponibilizada no menu de trabalho

• Passo 3: Após habilitar a ferramenta execute o procedimento para preencher eventuais falhas na topografia por meio do seguinte comando:Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) DEM Manipulation \(\Longrightarrow\) Fill Sinks

Procedimento Fill Sinks

• Passo 4: Na janela Fill Sinks que se abriu no campo DEM certifique-se de que a última imagem com projeção esteja selecionada. O campo Hydro DEM consiste no nome do arquivo que será gerado após o processamento, podendo-se assumir o valor padrão indicado, assim como para os demais campos pendentes. Clique em OK, aguarde o processamento e em seguida clique em OK novamente na janela que indicará o término do procedimento com sucesso Fill Sinks successfully completed. Observe na Table of Contents que uma nova imagem chamada Fil foi criada.

Configuração da janela Fill Sinks

Procedimento finalizado com sucesso e nova imagem criada

• Passo 5: Em seguida, execute o procedimento para gerar o arquivo com as direções de fluxo, por meio do seguinte comando:Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Flow Direction e clique em OK.Na janela Flow Direction que se abriu certifique-se se o arquivo gerado anteriormente (Fil) está selecionado no campo Hydro DEM, e se o campo Outer Wall Polygon está configurado para Null. O campo Flow Direction Grid consiste no nome do arquivo que será gerado e pode ser mantido com o valor padrão Fdr. Em seguida, clique em OK e aguarde o processamento. Uma nova imagem com o arquivo de direção de fluxo (Fdr) surgirá na Table of Contents.

Acionando o comando Flow Direction

Janela Flow Direction

Janela de aviso de processamento realizado com sucesso

Arquivo Flow Direction Criado

• Passo 6: Em seguida, execute o procedimento para gerar o arquivo de acumulação de fluxo, por meio do seguinte comando:Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Flow Accumulation e clique em OK.Na janela Flow Accumulation que se abriu certifique-se se o arquivo gerado anteriormente (Fdr) está selecionado no campo Flow Direction Grid. O campo Flow Accumulation Grid consiste no nome do arquivo que será gerado e pode ser mantido com o valor padrão Fac. Em seguida, clique em OK e aguarde o processamento. Uma nova imagem com o arquivo de acumulação de fluxo (Fac) surgirá na Table of Contents.

Acionando o comando Flow Accumulation

Janela Flow Accumulation

Janela de aviso de processamento realizado com sucesso

Arquivo Flow Accumulation Criado

• Passo 7: Em seguida, execute o procedimento para definir os caminhos de fluxo, por meio do seguinte comando:Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Stream Definition .Na janela Stream Definition que se abriu existem duas possibilidades para definir o número de células que será considerado para geração da malha hidrográfica. Um é digitando diretamente o número de células no campo Number of cells. O segundo é indiretamente, digitando a menor unidade de área a partir do qual será considerada para criação da hidrografia. Quanto menor o valor da área maior será o número de células e mais detalhes da malha hidrográfica gerada serão criados. Neste exemplo usaremos o valor de área 1 km² e automaticamente o campo Number of cells será configurado para o valor 1111. O campo Stream Grid consiste no nome do arquivo que será gerado e pode ser mantido com o valor padrão Str. Em seguida, clique em OK e aguarde o processamento. Uma nova imagem com o arquivo de definição de fluxo (Str) surgirá na Table of Contents.

Acionando o comando Stream Definition

Janela Stream Definition

Janela de aviso de processamento realizado com sucesso

Arquivo Stream Definition Criado

• Passo 8: O arquivo Stream Definition (que é um arquivo do tipo Raster) será transformado em uma classe de feição por meio de uma ferramenta da ArcToolBox do ArcGIS.Após acessar a ArcToolBox siga o seguinte comando:Spatial Analyst Tools \(\Longrightarrow\) Hydrology \(\Longrightarrow\) Stream to Feature .Na janela Stream to Feature que se abriu, no campo Input Stream Raster, selecione o arquivo Str criado no passo anterior. No campo Input Flow Direction selecione o arquivo de direção de fluxo Fdr. No campo Output polyline features escolha a pasta onde os arquivos estão sendo salvos e atribua um nome para o arquivo que será gerado. Em seguida, clique em OK e aguarde o processamento. O arquivo com a malha hidrográfica para a imagem surgirá na Table of Contents.

Acionando o comando Stream To Feature

Janela Stream To Feature

Ordenando a Malha Hidrográfica

Arquivo Stream To Feture gerado

• Passo 9: É possível ordenarmos hirarquicamente as vertentes hidrográficas, utilizando o número de Strahler ou Horton-Strahler. Para tal, recorremos novamente à ArcToolBox seguindo o seguinte comando:Spatial Analyst Tools \(\Longrightarrow\) Hydrology \(\Longrightarrow\) Stream Order .Na janela Stream Order que se abriu, no campo Input Stream Raster, selecione o arquivo Str criado no passo anterior. No campo Input Flow Direction Raster selecione o arquivo de direção de fluxo Fdr.No campo Output raster escolha a pasta onde os arquivos estão sendo salvos e atribua um nome para o arquivo que será gerado. No campo Method of stream ordering mantenha o método STRAHLER, clique em OK e aguarde o processamento. O arquivo com a malha hidrográfica ordenada surgirá na Table of Contents.

Acionando o comando Stream Order

Janela Stream Order

Arquivo Stream Order gerado

• Passo 10: Para atribuirmos os números de ordem às vertentes criadas, primeiro, devemos converter o arquivo streamOrder de raster para classe de feição, em procedimento similar ao realizado no Passo 8. Chamaremos este arquivo de odernumber. Em seguida, para o arquivo criado, dê um clique duplo no nome do arquivo na Table of Contents onde estão os Layers. Na janela Layer Properties, que se abriu, vá na aba Symbology, no campo Show, em Categories clique em Unique Values. No campo Value Field selecione a opção GRID_CODE e, em seguida, Add All Values. Por fim, clique em Aplicar e OK. Observe que o arquivo ordernumber atribuiu cores à malha hidrográfica conforme o número de ordem.

Janela Stream to Feature para converter Raster para Classe de Feição

Acessando as propriedades do arquivo Order Number

Configurando as propriedades do arquivo Order Number

Classe de feição Order Number ordenada

Gerando bacias e sub-bacias hidrográficas

• Passo 11: Para preparar a malha hidrográfica gerada para geraração de bacias e sub-bacias automaticamente é preciso segmenta-la automaticamente em diversos trechos. Para isso, execute o seguinte comando a partir da ferramenta ArcHydro: Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Stream Segmentation. Na janela, Stream Segmentation, verifique se no campo Flow Direction Grid está indicado o arquivo Flow Direction Fdr, se no campo Stream Grid o arquivo Str está indicado. Deixe os campos Sink Watershed Grid e Sink Link Grid na configuração padrão Null. No campo Stream Link Grid, mantenha a sugestão de nome padrão do arquivo que será criado StrLnk e clique OK. O arquivo StrLnk surgirá na Table Of Contents

OBS: É conveniente fazer uma observação em relação ao local em que os arquivos gerados ao executar a ferramenta ArcHydro são salvos. Dependendo da configuração padrão, os arquivos criados automaticamente podem ser inseridos em uma pasta temporária local. É interessante posteriormente localizar esta pasta e copiar os arquivos gerados nela para a pasta corrente de trabalho juntamente com os demais arquivos para melhor organizá-los.

Acessando o comando Stream Segmentation

Configuração da janela Stream Segmentation

Processamento completado

Arquivo StrLnk criado

• Passo 12: Para processar as áreas de drenagem das sub-bacias da malha hidrográfica fragmentada criada, na ferramenta ArcHydro, siga o seguinte comando: Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Stream Catchment Grid Delineation. Na janela, Catchment Grid Delineation, verifique se no campo Flow Direction Grid está indicado o arquivo Flow Direction Fdr, se no campo Link Grid o arquivo StrLnk está indicado. Mantenha o campo Catchment Grid com o nome padrão do arquivo que será criado Cat e clique OK. O arquivo Cat surgirá na Table Of Contents

Acionando o comando Stream Catchment Grid Delineation

Configuração da janela Catchment Grid Delineation

Processamento Grid Delineation executado com sucesso

Arquivo Cat criado

• Passo 13: As sub-bacias geradas no passo anterior estão em formato raster. Para gerar os poligonos delineando-as, na ferramenta ArcHydro, siga o seguinte comando: Terrain Preprocessing \(\Longrightarrow\) Catchment Polygon Processing. Na janela, Catchment Polygon Processing, verifique se no campo Catchment Grid está indicado o arquivo Cat gerado no passo anterior, mantenha o campo Catchment com o nome padrão do arquivo que será criado Catchment e clique OK. O arquivo Catchment com o polígono das sub-bacias surgirá na Table Of Contents

Acionando o comando Catchment Polygon Processing

Configuração da janela Catchment Polygon Processing

Processamento Catchment Polygon executado com sucesso

OBS: Clicando com o botão direito no arquivo Catchment gerado e abrindo a sua tabela de atributos é possível verificar as áreas de drenagem (Shape_Area) e o comprimento (Shape_Length) dos inúmeros polígonos das sub-bacias geradas

Tabela de atributos dos poligonos das sub-bacias geradas

Área de Drenagem para um ponto específco

Nos passos anteriores, geramos automaticamente uma série de polígonos com as áreas de drenagem definidas automaticamente. Contudo, para um estudo de Dam Break estamos interessados em avaliar a área de drenagem no ponto do aproveitamento, ou ainda na foz do rio ou córrego onde se encontra o aproveitamento. Para tal, precisamos ser capaz de delimitar a área de drenagem para um ponto específico. Os passos a seguir apresentam o procedimento para este objetivo.

• Passo 14: Para extrair a área de drenagem de um ponto, primeiro é preciso criar um ponto no local onde pretende extrair a área de drenagem.Assim, abra o programa ArcCatalog, a partir do menu iniciar do sistema operacional, em seguida, localize a pasta de trabalho, clique com o botão direito dentro da pasta desejada, selecione a opção New Shapefile, escolha o tipo Point. No campo Name define o nome do ponto, no nosso caso será Eixo e selecione para o campo Feature Type o tipo Point.

Acessando o o Arc Catalog

Criando um novo Shapefile

Criando um Shapefile de ponto

• Passo 15: Ainda na janela Shapefile clique no campo Edit e configure a o sistema de coordenadas para projeção WGS 1984 UTM Zone20S, a partir dos seguintes comandos Projected Coordinate Systems \(\Longrightarrow\) UTM\(\Longrightarrow\) WGS 1984\(\Longrightarrow\) Southern Hemisphere \(\Longrightarrow\) WGS 1984 UTM Zone 20S.Em seguida, na janela Create New Shapefile clique em OK e observe a partir do Arc Catalog, na pasta de trabalho que o arquivo shapefile Eixo foi criado.

Criando um Shapefile de ponto

• Passo 16: Para localizarmos o ponto visualmente no mapa, vamos habilitar um mapa de base. Assim, volte ao ArcMap, no campo Layers e desabilite a visualização de todos os arquivos. Em seguida, no campo superior do menu do ArcMap, clique em adicionar Add para inserir um mapa base. Dentre as opções disponíveis, selecione a imagem de satélite Imaginary, clique em Add e aguarde o mapa ser carregado. Em seguida, aproxime-se da área onde se encontra o barramento. Pode-se utilizar o Google Earth em paralelo para visualizar mais rápido o local ou um ponto de referência e, em seguida, se aproximar do local de interesse pelo ArcMap. (os comandos de se aproximar ou ao se afastar no ArcMap as vezes são mais lentos, o que pode dificultar um pouco a localização do ponto visualmente pelo ArcMap. Outra opção seria inserir as coordenadas do ponto de interesse pelo visualizador do ArcMap - Go to XY e, em seguida, aproximar a visualização do ponto inserido)

Desabilitando a visualização dos demais layers para facilitar a inserção do mapa base

Adicionando o mapa base

Selecionando o mapa base de interesse

Explorando o mapa base para localizar o ponto de interesse

Aproximando-se do ponto de interesse

Identificando o local do barramento

• Passo 17: Em seguida, retorne ao ArcMap, habilite o layer streamtofeature para visualizar a hidrografia, na sequência, clique com o botão direito em Layers e em , Add Data. Selecione o arquivo shapefile Eixo e clique em Add.No painel do ArcMap, clique em Editor e em Start Editing. Na janela Start Editing, selecione o arquivo shapefile Eixo e clique em OK. Caso a janela Create Features não apareça, clique no último botão da barra de ferramentas Editor localizada no menu superior para abri-la. Em seguida, na Janela Create Features clique em Eixo. Inicie a edição clicando no ponto do barramento do mapa. Procure posicionar o ponto sobre ou próximo a linha de hidrografia que marca a calha do rio. Em seguida, finalize a edição e clique salvar.

Adicionando o shapefile criado nos layers disponibilizados

Selecione o arquivo shapefile Eixo

Selecione o arquivo shapefile Eixo

Abrindo o Editor

Selecionando o shapefile Eixo

Habilitando a janela Create Features

Clique em Eixo e em seguida no ponto a ser inserido

Após clicar no ponto de interesse clique em stop editing e salve as alterações

• Passo 18:Para a delimitação da área de drenagem no ponto inserido, abra a ArcToolBox, e siga o seguinte comando:Spatial Analyst Tools \(\Longrightarrow\) Hydrology\(\Longrightarrow\) Watershed. Na janela Watershed que se abriu, no campo Input flow direction raster, insira o arquivo Flow Direction Fdr. No campo Input raster or feature pour point data selecione o arquivo shapefile Eixo. No campo Pour point field selecione Id. Por fim selecione a pasta onde o arquivo que será criado será salva e atribua um nome para ele. Por fim, clique em OK. O arquivo raster criado com a área de drenagem surgirá na Table Of Contents.

OBS: Caso o arquivo raster com a delimitação da bacia não seja gerado adequadamente, deve-se repetir o procedimento. Pode-se reposicionar o ponto de interesse, movimentando-o levemente para um lado ou outro, retomando o comando Edit, salvando as alterações e repetindo a geração da área da bacia

Acessando a ferramenta Watershed

Configuração da Janela Watershed

Arquivo raster com a delimitação da área de drenagem criada

• Passo 19: A próxima etapa consiste em converter o arquivo raster gerado para um polígono. Para tal acesse a ArcToolBox e siga o seguinte comando:Convertion Tools \(\Longrightarrow\) From Raster\(\Longrightarrow\) From Raster to Polygon. Na janela Raster to Polygon que se abriu, no campo Input raster, insira o arquivo com a delimitação da área de drenagem gerado no passo anterior watershed. No campo Field, mantenha a configuração padrão VALUE. No campo Output polygon features selecione a pasta onde o arquivo criado será salvo e atribua um nome para ele. Por fim, clique em OK. O polígono criado com a delimitação da área de drenagem surgirá na Table Of Contents.

Acessando o comando Raster to Polygon

Configurando a janela Raster to Polygon

Polígono gerado com a delimitação da área de drenagem

• Passo 20: A etapa seguinde consiste em calcular a área e o perímetro da bacia hidrográfica gerada. Para tal, clique com o botão direito sobre o nome do polígono bacia gerado na Table Of Contents e abra a tabela de atributos Open Attribute Table.

Acessando a Tabela de Atributos

Tabela de Atributos

• Passo 21: Na tabela de atributos aberta insira duas novas colunas para armazenar os valores calculados para área de drenagem e o perímetro. No menu da tabela, clique no primeiro botão Table Options e, em seguida, em Add Field. Na janela Add Field que se abriu, no campo Name digite P_Km, no campo Type selecione a opção Float e clique OK. Repita o mesmo procedimento e insira um campo para área de drenagem denominado AD_km2. Em seguida verifique na Tabela de Atributos que as duas colunas criadas foram adicionadas na tabela.

Adicionando a coluna para o perímetro

Configurando a janela de perímetro

Adicionando a coluna para a área

Configurando a janela da área

Tabela de atributos com as novas colunas adicionadas

• Passo 22: Na tabela criada, clique com o botão direito no título da coluna destinada ao perímetro e, em seguida, no menu aberto clique em calculate geometry. Na janela aberta no campo Property selecione a opção Perimeter. No campo Coordinate System, mantenha a configuração padrão com o sistema de coordenadas UTM na zona de trabalho. No campo Units escolha a unidade Km. Repita o mesmo procedimento para a coluna área de drenagem. Para essa coluna, selecione a opção Property e configure para Units a unidade km². Ao final a área de drenagem e o perímetro da bacia estarão indicados nos campos da tabela.

Habilitando o campo calculate geometry para a coluna perímetro

Clique em OK na janela field calculator

Configuração da janela Calculate Geometry para o perímetro

Clique em OK na janela field calculator

Habilitando o campo calculate geometry para a coluna área

Clique em OK na janela field calculator

Configurando a janela Calculate Geometry para área

Clique em OK na janela field calculator

Tabela de atributos com a área e perímetro calculados