1. LOCAL DE DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA

O programa denominado ArcLASH foi desenvolvido no Laboratório de Hidrologia e Modelagem Hidrológica, vinculado ao curso de Engenharia Hídrica e ao Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos, do Centro de Desenvolvimento Tecnológico da Universidade Federal de Pelotas, na cidade de Pelotas, Rio Grande do Sul, em parceria com o Programa de Pós-Graduação Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, do Departamento de Engenharia, da Universidade Federal de Lavras, Lavras – Minas Gerais.

     2. LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO EMPREGADA

Este programa foi desenvolvido, na forma de script, para ser executado através do ArcGIS, que é um conjunto integrado de softwares para Sistemas de Informações Geográficas (SIG), o qual fornece uma série de funcionalidades para a realização de análise, mapeamento e manipulação de dados geográficos. Python foi a linguagem de programação adotada para o desenvolvimento do programa ArcLASH, utilizando especialmente a biblioteca arcpy, que contém um conjunto de procedimentos de geoprocessamento destinados a aplicações no ambiente do ArcGIS.

     3. CONFIGURAÇÃO MÍNIMA PARA UTILIZAÇÃO DO PROGRAMA

Para fins de utilização do programa, se faz necessário um computador com algumas configurações mínimas, a saber: processador com velocidade de 2.2 GHz e memória RAM de 2 GB. Além disso, o usuário também necessita de uma licença do SIG ArcGIS na versão 10.1 ou superior e a extensão Spatial Analyst.

     4. OBJETIVO DO PROGRAMA

O modelo hidrológico “Lavras Simulation of Hydrology” (LASH) foi desenvolvido no Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras em parceria com National Soil Erosion Research Laboratory (NSERL/USDA) – Purdue University, EUA (Viola 2008; Beskow, 2009). O LASH é um modelo hidrológico determinístico, semi-conceitual, distribuído e de longo termo que simula algumas variáveis hidrológicas, representativas de processos hidrológicos, difíceis de serem obtidos em bacias sem o monitoramento, tais como evapotranspiração, interceptação, ascensão capilar, armazenamento de água no solo, escoamento superficial direto, escoamento sub-superficial e escoamento de base. Este modelo já foi utilizado com sucesso em bacias hidrográficas brasileiras de diferentes tamanhos (Mello et al., 2008; Beskow et al., 2011a; Beskow et al., 2011b; Viola et al., 2012a, Viola et al., 2012b; Beskow et al., 2013; Viola et al., 2014a; Viola et al., 2014b). A versão do modelo LASH aplicada nos estudos acima mencionados cumpriu funções exclusivamente de pesquisa, portanto, o mesmo não está apropriado para aplicação de terceiros. Além disso, o mesmo não possui registro de propriedade intelectual.

No intuito de permitir que o modelo LASH possa ser empregado por projetistas de diferentes áreas e com diferentes propósitos, a segunda versão do mesmo vem sendo desenvolvida por meio de projetos de pesquisa, em que diversas alterações e ampliações têm sido implementadas no intuito de tornar mais ampla e realística a aplicação deste modelo. Neste contexto, uma das alterações é o desenvolvimento de um módulo, designado como ArcLASH, estruturado no ambiente do Sistema de Informações Geográficas (SIG) ArcGIS, com o propósito de auxiliar e automatizar o processamento da base de dados espaciais para utilização do modelo hidrológico LASH.

O objetivo do ArcLASH é automatizar toda a preparação do banco de dados geográfico (mapas) para ser usado no modelo hidrológico Lavras Simulation of Hydrology (LASH), minimizando as chances dos usuários introduzirem erros na base de dados necessária para simulação hidrológica e facilitando a compilação do banco de dados. Para atingir este objetivo, o programa ArcLASH foi desenvolvido de modo a executar, seguindo uma sequência lógica, uma série de operações de geoprocessamento e de hidrologia e modelagem hidrológica, as quais são sumarizadas no fluxograma do programa, o qual se encontra em anexo.

    5. INTERFACE DO PROGRAMA E INFORMAÇÕES DE ENTRADA

Após a instalação, o programa é acessado dentro do ambiente do SIG ArcGIS, através do “ArcToolBox”, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1 – Acesso do programa ArcLASH no SIG ArcGIS

A Figura 1 ilustra a interface de comunicação entre o usuário e os algoritmos do ArcLASH, bem como as informações que o usuário deve inserir para executar o programa.

O ArcLASH possibilita que o usuário informe os mapas representando regiões, não necessariamente idênticas em tamanho, e também com sistemas de coordenadas diferentes, pois o programa realiza todos os procedimentos necessários para processar os mapas dentro da mesma região de interesse e com o mesmo sistema de coordenadas.

Segue abaixo as informações que o ArcLASH demanda, sendo que para cada mapa, é apresentado um exemplo ilustrativo considerando uma bacia hidrográfica da região de Pelotas-RS:

5.1) O mapa do modelo digital de elevação (MDE) de uma dada região que contemple no mínimo a bacia hidrográfica de interesse e um mapa contendo um ponto identificando espacialmente a seção de controle desta bacia hidrográfica;

Figura 2 – Entrada no ArcLASH do modelo digital de elevação da região e da seção de controle de interesse que, nesse caso, foi a Ponte Cordeiro de Farias, em Pelotas-RS.

5.2) O mapa de solos de uma dada região que contemple no mínimo a bacia hidrográfica de interesse, bem como a indicação de um atributo, dentre aqueles disponíveis no mapa de solo informado, o qual identifica as classes de solo;

Figura 3 – Entrada no ArcLASH de um mapa de solos considerando todo o estado do Rio Grande do Sul e a definição do campo da tabela de atributos que identifica as classes de solos.

5.3) O mapa de uso do solo de uma dada região que contemple no mínimo a bacia hidrográfica de interesse, bem como a indicação de um atributo, dentre aqueles disponíveis para o mapa de uso do solo informado, o qual identifica as classes de uso do solo;

Figura 4 – Entrada no ArcLASH de um mapa de usos do solo considerando grande parte do estado do Rio Grande do Sul e a definição do campo da tabela de atributos que identifica as classes de uso do solo.

5.4) O mapa identificando espacialmente as estações de monitoramento de chuva;

Figura 5 – Entrada no ArcLASH de um mapa contendo as estações pluviométricas que serão empregadas na modelagem com o LASH.

5.5) O mapa identificando espacialmente as estações de monitoramento meteorológico;

Figura 6 – Entrada no ArcLASH de um mapa contendo as estações meteorológicas que serão empregadas na modelagem com o LASH.

Informações complementares associadas aos dados de entrada, procedimentos empregados e dados de saída, podem ser acessados no tutorial do programa, o qual é armazenado na pasta onde o programa é instalado no computador.

     6. RESULTADOS GERADOS PELO PROGRAMA

O programa ArcLASH realiza inúmeras operações de geoprocessamento e de hidrologia, as quais resultam, em síntese, nos seguintes resultados finais, os quais são armazenados em duas pastas que o programa cria no local especificado pelo usuário (“maps” e “atribute_table”):

6.1) Mapas em raster no formato ASCII

Segue abaixo os mapas gerados pelo programa, no formato ASCII, sendo que para cada um é apresentado o resultado meramente ilustrativo com base em uma bacia hidrográfica da região de Pelotas-RS:

•  Modelo digital de elevação hidrologicamente consistente extraído somente para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 7);

Figura 7 – Modelo digital de elevação hidrologicamente consistente da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

•  Declividade, por célula, extraído somente para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 8);

Figura 8 – Mapa de declividade da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Direção de fluxo, por célula, extraído somente para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 9);

Figura 9 – Mapa de direções de fluxo da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Acúmulo de fluxo, por célula, extraído somente para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 10);

Figura 10 – Mapa de acúmulos de fluxo da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Rede de drenagem numérica dentro da bacia hidrográfica delimitada (Figura 11);

Figura 11 – Mapa da rede de drenagem obtida numericamente para a bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Sub-bacias hidrográficas delimitadas a partir das confluências (Figura 12);

Figura 12 – Mapa de sub-bacias hidrográficas da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Tipos de solo extraído para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 13);

Figura 13 – Mapa de classes de solo da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

De forma opcional, o ArcLASH pode ainda gerar os arquivos ASCII para a umidade do solo na saturação, umidade do solo no ponto de murcha permanente, umidade inicial do solo e profundidade do solo, caso estes sejam informados no sistema.

• Tipos de uso do solo extraído para a bacia hidrográfica delimitada (Figura 14);

Figura 14 – Mapa de classes de uso do solo da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

• Área de influência de cada estação pluviométrica e meteorológica, dentro da bacia hidrográfica, considerando a metodologia dos polígonos de Thiessen (Figura 15);

Figura 15 – Mapa ilustrando a área de influência de cada estação meteorológica dentro da bacia hidrográfica do Arroio Pelotas (Pelotas-RS), a montante da Ponte Cordeiro de Farias, a partir do processamento no ArcLASH e o arquivo ASCII correspondente no formato do SIG ArcGIS.

6.2) Tabelas

Além do processamento de mapas, na forma de arquivos ASCII, no padrão do SIG ArcGIS, o ArcLASH também gera 3 arquivos de texto importantes para executar o modelo hidrológico LASH, os quais são vinculados à seção de controle, às estações pluviométricas e às estações meteorológicas. Estes arquivos são importados para o modelo LASH e são vinculados aos bancos de dados temporais. A título de ilustração é apresentado abaixo um exemplo de arquivo de texto relacionado às estações pluviométricas.

Figura 16 – Arquivo de texto gerado pelo ArcLASH detalhando as informações das estações pluviométricas que serão vinculadas ao respectivo banco de dados no LASH.

7. Referências utilizadas

BESKOW, S. LASH Model: a hydrological simulation tool in GIS framework. 2009. 118 f. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2009.

BESKOW, S. Mello, c. r. de; NORTON, L. D. Development, sensivity and uncertainty analysis of LASH model. Scientia Agricola, v. 68, n. 3, p. 265-274, 2011.

BESKOW, S.; mello, c. r. de; NORTON, L. D.; SILVA, A. M. Performance of a distributed semi-conceptual hydrological model under tropical watershed conditions. Catena, v. 86, p. 160-171, 2011b.

BESKOW, S.; NORTON, L. D.; MELLO, C. R. de. Hydrological prediction in a tropical watershed dominated by Oxisols using a distributed hydrological model. Water Resources Management, v. 27, p. 341-363, 2013.

Mello C. R.; Viola, M. R.; Norton, L. D.; Silva, A. M.; Weimar, F. A. Development and application of a simple hydrologic model simulation for a Brazilian headwater basin. Catena, v. 75, n. 3, p. 235-247, 2008.

VIOLA, M. R. Simulação hidrológica na região do alto rio Grande a montante do reservatório de Camargos/CEMIG. 2008. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2008.

VIOLA, M. R. Simulação hidrológica na cabeceira da bacia hidrográfica do rio Grande de cenários de usos do solo e mudanças climáticas A1B. 2011. 286 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícola) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2011.

VIOLA, M. R.; MELLO, C. R. de; GIONGO, M.; BESKOW, S.; SANTOS, A. F. dos. Modelagem hidrológica em uma sub-bacia hidrográfica do baixo rio Araguaial, TO. Journal of Biotechnology and Biodiversity, v. 3, n. 3, p. 38-47, 2012.

VIOLA, M. R.; MELLO, C. R. de; BESKOW, S.; NORTON, L. D. Applicability of the LASH Model for hydrological simulation of the Grand River Basin, Brazil. Journal of Hydrologic Engineering, v. 18, n. 12, p. 1639-1652, 2013.

VIOLA, M. R.; MELLO, C. R. de; BESKOW, S.; NORTON, L. D. Impacts of land-use changes on the hydrology of the Grande river basin headwaters, Southeastern, Brazil. Water Resources Management, v. 28, p. 4537-4550, 2014a.

 VIOLA, M. R.; MELLO, C. R. de; CHOU, S. C.; YANAGI, S. N.; GOMES, J. L. Assessing climate change impacts on Upper Grande River basin hydrology, Southeast Brazil. International Journal of Climatology, 2014b.