Physical characterization of fourteen Brazilian hydrographic basins: proposition of the indicator of the average slope of the rivers and the coefficient of susceptibility to floods

Negri, Robison; Fill, Heinz

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Engenharia Sanitaria e Ambiental

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Sumário

Artigo Científico • Eng. Sanit. Ambient. 28 • 2023 • https://doi.org/10.1590/S1413-415220220194 copy

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Physical characterization of fourteen Brazilian hydrographic basins: proposition of the indicator of the average slope of the rivers and the coefficient of susceptibility to floods

Authorship SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

ABSTRACT

The morphometric parameters are highly relevant information for the physical characterization of watersheds. The present study physically characterized 14 southern Brazilian basins, according to 10 morphometric parameters related to the order, shape, characteristics of the drainage system, and slope of the basins, in addition to developing an analysis of their correlations. The methodology consisted of treating the Digital Elevation Model (DEM), provided by the INPE TOPODATA project (2008), with a spatial resolution of 30 meters, complemented with information from the GIS Google Earth. As a result, in addition to the characterization and classification of basins, two new morphometric parameters can be proposed. The first one, called indicator of the average slope of the rivers, demonstrated good performance to simultaneously represent the slope of the basin and the sinuosity coefficient of the rivers, synthetically representing the average slope of all the rivers of the basin. The second was the flood susceptibility coefficient, which represents the set of all spatial characteristics of the basin and its rivers. Results suggest that the latter is an excellent indicator for analyzing the risk of flooding in small- and medium-sized basins. Classification criteria were also proposed for the parameters runoff length, roughness coefficient, axial slope and average slope indicator of rivers, and flood susceptibility coefficient.

Keywords:
morphometry; hydrographic basin; flood

Nome / Equação	Descrição
Densidade de drenagem $D_{D} = \frac{\sum L_{C}}{A}$	É a razão entre o comprimento total dos canais (ΣL_C) e a área da bacia hidrográfica (A). Vilella e Mattos (1975)VILELLA, S.M.; MATTOS, A. Hidrologia aplicada. São Paulo: McGraw Hill do Brasil, 1975. afirmam que os valores esperados variam de 0,5 km/km² para bacias de drenagem pobre a 3,5 km/km² ou mais para bacias excepcionalmente bem drenadas. Esse parâmetro está diretamente ligado à topografia e reflete a relação entre a forma da bacia e os processos de infiltração e do tempo de resposta à precipitação (KALIRAJ; CHANDRASEKAR; MAGESH, 2015KALIRAJ, S.; CHANDRASEKAR, N.; MAGESH, N.S. Morphometric analysis ft wo River Thamirabarani sub-basin in Kanyakumari District, South west coast of Tamil Nadu, India, using remote sensing and GIS. Environmental Earth Science, v. 73, p. 7375-7401, 2015. https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-1 https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-... ). Quanto menor a densidade de drenagem da bacia, mais alta é a taxa de infiltração, o que, por sua vez, aumenta a recarga das águas subterrâneas (*KRISHNAMURTHY et al., 2000*KRISHNAMURTHY, J.; MANI, A.; JAYARAMAN, V.; MANIVEL, M. Groundwater resources development in hard rock terrain—an approach using remote sensing and GIS techniques. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, v. 2, n. 3-4, p. 204-215, 2000. https://doi.org/10.1016/S0303-2434(00)85015-1 https://doi.org/10.1016/S0303-2434(00)85... ). O inverso é válido no que tange à resposta de escoamento direto.
Densidade hidrográfica $D_{H} = \frac{N}{A}$	Representa a razão entre o número de canais (N) por unidade de área da bacia hidrográfica (A), segundo Christofoletti (1974)CHRISTOFOLETTI, A. Geomorfologia. São Paulo: Edgard Blucher e EDUSP, 1974.. Tem relação com a capacidade de ramificação dos cursos d’água.
Densidade de confluência $D_{C} = \frac{N_{C}}{A}$	É a razão entre o número de confluências ou bifurcações (N_C) e a área da bacia hidrográfica (A). Baixas densidades de confluências indicam bacias aluviais, enquanto valores altos de densidade significam estruturas de colinas (HORTON, 1933HORTON, R.E. The role of infiltration in the hydrologic cycle. Transactions of the American Geophysical Union, v. 14, n. 1, p. 446-460, 1933. https://doi.org/10.1029/TR014i001p00446 https://doi.org/10.1029/TR014i001p00446... ). Também existe relação direta entre a densidade de drenagem e a densidade de confluência (KALIRAJ; CHANDRASEKAR; MAGESH, 2015KALIRAJ, S.; CHANDRASEKAR, N.; MAGESH, N.S. Morphometric analysis ft wo River Thamirabarani sub-basin in Kanyakumari District, South west coast of Tamil Nadu, India, using remote sensing and GIS. Environmental Earth Science, v. 73, p. 7375-7401, 2015. https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-1 https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-... ).
Coeficiente de compacidade $K_{C} = \frac{P_{B}}{P_{C}}$	Consiste na relação entre o perímetro da bacia (P_B) e o perímetro de um círculo ( $P_{C} = 2 \sqrt{π A}$ ) da mesma área que a bacia hidrográfica. Conforme Carvalho e Silva (2006)CARVALHO, D.F.; SILVA, L.D.B. Hidrologia. Rio de Janeiro: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 2006., seu valor é sempre maior que 1, e, quanto menor seu valor, menor é o tempo de concentração.
Fator de forma $K_{F} = \frac{\underline{L}}{L}$	É a razão entre a largura média da bacia ( $\underline{L} = \frac{A}{L}$ ) e o comprimento do eixo da bacia ou comprimento axial (L) (da foz ao ponto mais longínquo da área). Carvalho e Silva (2006)CARVALHO, D.F.; SILVA, L.D.B. Hidrologia. Rio de Janeiro: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 2006. destacam que, quanto menor for seu valor, menos suscetível a enchentes será a bacia.
Comprimento de escoamento superficial $L_{G} = \frac{1}{2 D_{D}}$	É definido como a distância de escoamento superficial da água até atingir determinado canal (HORTON, 1945HORTON, R.E. Erosional development of streams and their drainage basins: hydrophysical approach to quantitative morphology. Bulletin of the Geological Society of America, v. 56, n. 3, p. 275-370, 1945. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1945)56[275:EDOSAT]2.0.CO;2 https://doi.org/10.1130/0016-7606(1945)5... ). Pode ser estimado como a metade do inverso da densidade de drenagem (D_D). Quanto menor for o comprimento de escoamento superficial, menor o tempo de concentração da bacia hidrográfica (IFABIYI, 2004IFABIYI, I.P. A reduced rank model of drainage basin response to runoff in Upper Kaduna catchment of Northern Nigeria. Geo-Studies Forum, v. 2, n. 1, p. 109-117, 2004.).
Declividade da bacia $D_{B} = \frac{\sum D_{P}}{n}$	É a média aritmética das declividades entre cada pixel ( $D_{P} = \frac{Δ Z_{i}}{L_{P}}$ ) do modelo digital de elevação, sendo estimada pela razão entre o desnível dos pixels adjacentes (ΔZi) e a sua resolução espacial (L_P). Essa característica representa a média da inclinação da superfície de drenagem da bacia até sua exutória. A declividade da bacia é um dos aspectos eficazes para avaliar as enchentes, e a velocidade do escoamento superficial aumenta à medida que a declividade aumenta (KALIRAJ; CHANDRASEKAR; MAGESH, 2015KALIRAJ, S.; CHANDRASEKAR, N.; MAGESH, N.S. Morphometric analysis ft wo River Thamirabarani sub-basin in Kanyakumari District, South west coast of Tamil Nadu, India, using remote sensing and GIS. Environmental Earth Science, v. 73, p. 7375-7401, 2015. https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-1 https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-... ).
Declividade axial $D_{A} = \frac{Δ Z}{L}$	Consiste na relação entre a diferença máxima de altitude da bacia (Δz) e o comprimento do eixo da bacia ou comprimento axial (L) (da foz ao ponto mais longínquo da área).
Coeficiente de sinuosidade dos cursos d’água $K_{S} = \frac{L_{R}}{L_{T}}$	É a relação entre o comprimento do rio principal (L_R) e o comprimento do talvegue do rio principal (L_T) medido em linha reta da nascente até a exutória. Tem relação com o controle de velocidade na bacia e com o tempo de concentração. Leopold e Wolman (1957)LEOPOLD, L.B.; WOLMAN, M.G. River channel patterns: braided, meandering, and straight. US Geological Survey Professional Paper 282-B, 1957. recomendam que bacias com valor K_S menor que 1,5 sejam consideradas de baixa sinuosidade e acima desse valor de alta sinuosidade.
Coeficiente de rugosidade da bacia hidrográfica $K_{R} = D_{D} . Δ_{Z}$	É o produto da diferença máxima de altitude da bacia (Δz) pela sua densidade de drenagem (D_D), tendo relação com a declividade média dos cursos d’água. Os valores de rugosidade elevados indicam bacias de declive mais íngremes, enquanto os valores de rugosidade baixos indicam bacias menos íngreme e menos influenciadas pelas estruturas geológicas (KALIRAJ; CHANDRASEKAR; MAGESH, 2015KALIRAJ, S.; CHANDRASEKAR, N.; MAGESH, N.S. Morphometric analysis ft wo River Thamirabarani sub-basin in Kanyakumari District, South west coast of Tamil Nadu, India, using remote sensing and GIS. Environmental Earth Science, v. 73, p. 7375-7401, 2015. https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-1 https://doi.org/10.1007/x12665-014-3914-... ).

Parâmetros e unidades			UFSC	Piteu	Itariri	Vargem Grande	Parque Tingui	CGH Caju	Salto das Flores	Mirim Doce	PCH José Barasuol	PCH Fazenda Velha	Itapocu	PCH Angelina	Guatapará Baixo	Ermo
Características fisiográficas
Área de bacia	A	km²	4,31	39,11	72,89	88,05	107,15	112,73	255,51	280,87	505,30	560,92	762,20	784,30	813,17	855,78
Perímetro	P_B	km	16,01	50,58	66,29	80,04	86,1	73,26	152,94	141,12	156,84	209,52	201,96	411,87	195,48	256,56
Comprimento dos rios	L_R	km	15,75	34,59	52,14	73,38	87,84	77,49	189,00	206,84	373,83	371,87	415,49	556,88	600,18	679,66
Comprimento axial	L	km	3,05	13,90	9,15	20,14	18,39	16,46	43,70	31,29	31,30	36,99	40,57	37,83	40,87	43,35
Número de confluências	N_C	un	40	9	16	29	37	33	79	78	158	55	112	215	238	225
Números de canais	N	un	56	14	26	33	51	41	100	105	209	210	153	279	304	300
Desnível máximo	Δ_Z	m	381	410	943	215	101	393	352	580	125	65	831	862	188	1210
Talvegue do rio de ordem Ω	L_T	km	0,30	9,84	4,25	11,91	6,80	7,67	15,90	24,30	7,98	7,75	15,75	3,52	14,76	4,88
Comprimento do rio de ordem Ω	L_M	km	0,30	10,74	4,81	15,54	9,49	8,57	28,71	30,35	14,23	9,04	27,34	5,78	36,69	8,98
Maior ordem	Ω	-	4	3	4	3	4	4	4	4	5	5	5	5	5	6
Parâmetros morfométricos
Densidade de drenagem	D_D	km/km²	3,65	0,88	0,72	0,83	0,82	0,69	0,74	0,74	0,74	0,66	0,55	0,71	0,74	0,79
Densidade hidrográfica	D_H	N/km²	12,99	0,36	0,36	0,37	0,48	0,36	0,39	0,37	0,41	0,37	0,20	0,36	0,37	0,35
Densidade da confluência	D_C	N_C/km²	9,28	0,23	0,22	0,33	0,35	0,29	0,31	0,28	0,31	0,10	0,15	0,27	0,29	0,26
Coeficiente de compacidade	K_C	-	2,16	2,26	2,17	2,39	2,33	1,93	2,68	2,36	1,95	2,48	2,05	4,12	1,92	2,46
Fator de forma	K_F	-	0,46	0,20	0,86	0,22	0,32	0,42	0,13	0,29	0,52	0,41	0,46	0,55	0,49	0,46
Comprimento de escoamento superficial	L_G	km	0,14	0,57	0,69	0,60	0,61	0,72	0,68	0,68	0,68	0,76	0,91	0,70	0,68	0,63
Declividade da bacia	D_B	%	23,6	18,0	32,9	8,0	12,8	13,5	13,2	24,7	7,0	3,8	24,0	24,7	21,1	32,9
Declividade axial	D_A	%	12,5	2,9	10,3	1,1	0,5	2,4	0,8	1,9	0,4	0,2	2,0	2,3	0,5	2,8
Coeficiente de sinuosidade	K_S	-	1,03	1,09	1,13	1,30	1,40	1,12	1,81	1,25	1,78	1,17	1,74	1,64	2,49	1,84
Coeficiente de rugosidade	K_R	m.km/km²	1392	363	674	179	83	270	260	427	92	43	453	612	139	961
Aplicação dos métodos propostos nas bacias hidrográficas
Parâmetros e unidades			UFSC	Piteu	Itariri	Vargem Grande	Parque Tingui	CGH Caju	Salto das Flores	Mirim Doce	PCH José Barasuol	PCH Fazenda Velha	Itapocu	PCH Angelina	Guatapará Baixo	Ermo
Indicador da declividade média dos rios	D_R	%	12,5	2,7	9,1	0,8	0,4	2,1	0,4	1,5	0,2	0,2	1,2	1,4	0,2	1,5
Coeficiente de susceptibilidade de enchente	K_SE	%.km/km²	45,6	2,6	7,4	0,9	0,5	1,7	0,6	1,4	0,3	0,1	1,1	0,3	1,6	2,2

Parâmetros e critério		UFSC	Piteu	Itariri	Vargem Grande	Parque Tingui	CGH Caju	Salto das Flores	Mirim Doce	PCH José Barasuol	PCH Fazenda Velha	Itapocu	PCH Angelina	Guatapará Baixo	Ermo
D_D	Baixa – D_D < 0,50 km/km² Regular – 0,5 ≤ D_D < 2 km/km² Alta – 2 ≤ D_D < 3,5 km/km² Muito Alta – D_D ≥ 3,5 km/km²	Muito alta	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular	Regular
D_H	Baixa – D_H < 3 N/km² Média – 3 ≤ D_H < 7 N/km² Alta – 7 ≤ D_H < 15 N/km² Muito Alta – D_H ≥ 15 N/km²	Alta	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa
D_C	Baixa – D_C < 3 N_C/km² Média – 3 ≤ D_C < 7 N_C/km² Alta – 7 ≤ D_C < 15 N_C/km² Muito Alta – D_C ≥ 15 N_C/km²	Alta	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa
K_C	Alta – K_C ≤ 1,25 Média – 1,25 < K_C < 1,5 Baixa K_C ≥ 1,5	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa	Baixa
K_F	Alta – K_F ≥ 0,75 Média – 0,75 < K_F < 0,50 Baixa – K_F ≤ 0,5	Baixo	Baixo	Alta	Baixo	Baixo	Baixa	Baixo	Baixo	Médio	Baixo	Baixo	Médio	Baixo	Baixo
L_G	Mal Drenada – L_G ≥ 1 km Mediamente Drenada – 0,33 km ≤ L_G < 1 km Bem Drenada – 0,15 km ≤ L_G < 0,33 km Muito bem drenada – L_G < 0,15 km	Muito bem drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada	Mediamente drenada
D_B	Plano – D_B < 3% Suavemente ondulado – 3 ≤ D_B < 8% Ondulado – 8 ≤ D_B < 20% Fortemente ondulado – 20 ≤ D_B < 45% Montanhoso – 45 ≤ D_B < 75% Escarpado Maior – D_B ≥ 75%	Fortemente ondulado	Ondulado	Fortemente ondulado	Ondulado	Ondulado	Ondulado	Ondulado	Fortemente ondulado	Suavemente ondulado	Suavemente ondulado	Fortemente ondulado	Fortemente ondulado	Fortemente ondulado	Fortemente ondulado
D_A	Plano – D_A < 0,4% Suavemente inclinado – 0,4% ≤ D_A < 1% Inclinado – 1% ≤ D_A < 2% Moderadamente inclinado – 2% ≤ D_A< 3% Fortemente inclinado – 3% ≤ D_A < 9% Montanhoso – D_A ≥ 9%	Montanhoso	Moderadamente inclinado	Montanhoso	Inclinado	Suavemente inclinado	Moderadamente inclinado	Suavemente inclinado	Inclinado	Plano	Plano	Moderadamente inclinado	Moderadamente inclinado	Suavemente inclinado	Moderadamente inclinado
K_S	Retilíneo – K_S ≤ 1,2 Sinuosidade média – 1,2 < K_S < 2 Sinuosidade elevada – K_S ≥ 2	Retilíneo	Retilíneo	Retilíneo	Sinuosidade média	Sinuosidade média	Retilíneo	Sinuosidade média	Sinuosidade média	Sinuosidade média	Retilíneo	Sinuosidade média	Sinuosidade média	Sinuosidade elevada	Sinuosidade média
K_R	Pouco suscetível – K_R < 300 m.km/km² Regular – 300 ≤ K_R < 750 m.km/km² Suscetível – 750 ≤ K_R < 1.000 m.km/km² Muito suscetível – K_R ≥ 1.000 m.km/km²	Muito suscetível	Regular	Regular	Pouco suscetível	Pouco suscetível	Pouco suscetível	Pouco suscetível	Regular	Pouco suscetível	Pouco suscetível	Regular	Regular	Pouco suscetível	Suscetível
D_R	Pouco inclinado – DR < 0,5% Suavemente inclinado – 0,5% ≤ DR < 1% Inclinado – 1% ≤ DR < 2,5% Moderadamente inclinado – 2,5% ≤ DR < 5% Fortemente inclinado – DR ≥ 5%	Fortemente inclinado	Moderadamente inclinado	Fortemente inclinado	Suavemente inclinado	Pouco inclinado	Inclinado	Pouco inclinado	Inclinado	Pouco inclinado	Pouco inclinado	Inclinado	Inclinado	Pouco inclinado	Inclinado
K_SE	Baixo – KSE < 1 %.km/km² Regular – 1 ≤ KSE < 2 %.km/km² Alta – 2 ≤ KSE < 10 %.km/km² Muito alta – KSE ≥ 10 %.km/km²	Muito alto	Alta	Alta	Baixo	Baixo	Regular	Baixo	Regular	Baixo	Baixo	Regular	Baixo	Regular	Alto

Grandezas	Descrição
Declividade	A declividade tanto dos rios como da própria bacia influencia o comportamento do escoamento superficial direto.
Distância a ser percorrida pelo escoamento	A distância percorrida pelo escoamento nas vertentes e nos rios está relacionada à compacidade e à forma da bacia.
Forma da bacia	Indica a probabilidade de ocorrência de eventos de precipitação simultâneos na bacia, mas também denota sua compacidade.
Resistência ao escoamento	A rugosidade das vertentes e dos canais (rios) pode ser relacionada ao uso do solo. Naturalmente, essa característica influencia a velocidade e a magnitude do escoamento direto.

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[1] *Autor correspondente: robisonnegri@gmail.com

	Nome da bacia - código da estação	Nome do rio e localização
	UFSC	Rio do Meio - Florianópolis (SC)
	Piteu - 58217500	Ribeirão Palmital - Cachoeira Paulista (SP)
	Itariri - 81580000	Rio do Azeite - Itariri (SP)
	Vargem Grande - 65006055	Rio Palmital - Pinhais (PR)
	Parque Tingui - 65019640	Rio Barigui - Curitiba (PR)
	CGH Caju - 73331850	Rio Xanxerê - Xanxerê (SC)
	Salto das Flores - 74400000	Rio das Flores – Paraí'so (SC)
	Mirim Doce - 83040000	Rio Taió - Mirim Doce (SC)
	PCH José Barasuol - 75188000	Rio Conceição - Ijuí (RS)
	Guatapará Baixo - 74300000	Rio das Antas - Anchieta (SC)
	PCH Fazenda Velha - 60710800	Rio Ariranha - Jataí (GO)
	PCH Angelina - 84022000	Rio Tijucas - Angelina (SC)
	Itapocu - 82350000	Rio Itoupava – Jaraguá do Sul (SC)
	Ermo - 84949800	Rio Itoupava - Ermo (SC)