Simpósio de Recursos Hídricos do Sul e Sudeste – Rio de Janeiro 2008

Protótipo de Sistema de Controle de Balanço Hídrico para apoio à outorga integrado a um Sistema de Informações Geográficas Bruno Collischonn Especialista em Recursos Hídricos da Agência Nacional de Águas e Doutorando do Programa de PósGraduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental (IPH-UFRGS) – Contato: Setor Policial Área 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 Hidráulicas – Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Resumo: Este trabalho apresenta um protótipo preliminar de um Sistema de Controle de Balanço Hídrico integrado ao ArcGIS, para apoio à emissão de outorgas de uso da água. O sistema está baseado na estrutura de dados preconizada pelo conjunto de ferramentas denominada ArcHydro para discretização e extração das características topológicas da bacia hidrográfica. Ferramentas complementares para análise de pedidos de outorga estão sendo desenvolvidas em linguagem VBA de forma integrada ao próprio ArcGIS. O sistema deverá ser capaz de realizar análises de outorgas para captações e lançamentos, e permitirá a visualização dos resultados da análise através de uma interface de uso amigável, conectada diretamente ao banco de dados geoespacial.Um exemplo de aplicação do sistema na bacia do rio dos Sinos é apresentado, porém as ferramentas são suficientemente flexíveis para serem aplicadas em outras bacias. Abstract: In this work…… Palavras-chave: Rio São Francisco; Outorga; Sistema de Apoio à Decisão.

1. Introdução A Lei 9.433/1997, que instituiu a Política Nacional de Recursos Hídricos, elenca entre os seus instrumentos a outorga de uso de recursos hídricos. Trata-se de uma autorização de uso que, não obstante o seu caráter administrativo, depende de uma série de análises técnicas relativamente aprofundadas de parte dos órgãos gestores estaduais e, especialmente, no âmbito da Agência Nacional de Águas. De forma sucinta, estas análises dizem respeito, por um lado, à eficiência na utilização de água por cada setor usuário (volume de água por hectare, no caso de irrigação, ou consumo per capita, no caso de abastecimento humano, apenas para citar dois exemplos), e, por outro, à capacidade do corpo hídrico de atender à demanda solicitada (captação ou lançamento), considerando os demais usos já existentes e a hidrologia local. A decisão sobre a outorga cabe a um órgão do governo federal ou estadual. No caso de rios federais (incluir definição de rio federal), a decisão cabe a Agência Nacional da Água (ANA). No caso de um rio estadual a decisão cabe ao órgão do governo estadual, como a Secretaria Estadual de Recursos Hídricos, ou o Departamento de Recursos Hídricos subordinado a alguma outra secretaria. Uma etapa importante na avaliação de um pedido de outorga é a verificação da disponibilidade hídrica no local da demanda requerida. Em geral, esta verificação consiste basicamente de três etapas: a)

determinação da disponibilidade hídrica, através de extrapolação de dados de uma estação fluviométrica próxima, regionalização de vazões, vazão

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regularizada por reservatório ou outro método adequado; b)

identificação de todas as demandas existentes na bacia a montante do ponto de demanda, podendo ser os usuários outorgados (federais e estaduais) ou usos identificados através de planos e estudos;

c)

Cálculo de indicadores, determinando qual a porcentagem da disponibilidade hídrica local é comprometida individualmente pelo usuário e qual é o grau de comprometimento total, considerando todos os usuários.

A identificação de todos os usuários a montante de um determinado trecho de rio requer uma série de procedimentos de geoprocessamento em ambiente SIG, tornando o processo de análise pouco ágil. Paralelamente, identifica-se um alto potencial de sistematização deste processo no próprio ambiente de SIG, utilizando ferramentas já disponíveis e complementando estas com algumas funções programadas especificamente para as análises de outorga. Neste artigo apresentamos um protótipo preliminar de um Sistema de Controle de Balanço Hídrico integrado ao ArcGIS, para apoio à emissão de outorgas de uso da água. O sistema está baseado na estrutura de dados preconizada pelo conjunto de ferramentas denominada ArcHydro para discretização e extração das características topológicas da bacia hidrográfica. O desenvolvimento do sistema está em andamento é no estágio atual o sistema permite algumas análises simples de disponibilidade hídrica de forma integrada ao próprio ArcGIS.

2. Extração de informação de um SIG e o ArcHydro Uma etapa fundamental da elaboração de um sistema de suporte à decisão para pedidos de outorga de uso da água é o pré-processamento dos dados de uma bacia hidrográfica em que o produto mais importante é uma estrutura topológica dos cursos d’água da bacia. A extração de informação útil para a modelagem hidrológica a partir de informações contidas em um SIG pode ser uma etapa bastante trabalhosa do processo de desenvolvimento de um modelo. Entre estas atividades incluem-se tarefas como delimitação da bacia, determinação da área de contribuição em pontos de interesse, identificação dos principais cursos d’água e obtenção de características como comprimento, declividade e perfil longitudinal dos rios (Paz e Collischonn, 2008). Tradicionalmente, tais informações eram preparadas manualmente a partir de mapas topográficos impressos. Atualmente, ferramentas de geoprocessamento e Sistemas de Informação Geográfica (SIG) têm sido empregados para obter as mesmas informações a partir do processamento automático de dados de elevação do terreno (Burrough e McDonnel, 1998; Mendes e Cirilo, XXXX). O desenvolvimento e aprimoramento de SIGs e algoritmos de processamento automático, em combinação com o aumento da capacidade computacional e com a disponibilidade de dados obtidos via sensoriamento remoto, têm permitido preparar diversos planos de informação para estudos hidrológicos de grandes áreas a baixo custo e com incrível rapidez. Os dados topográficos são usualmente trabalhados sob a forma de um Modelo Numérico do Terreno (MNT), ou Modelo Digital de Elevação (MDE), cuja representação mais tradicional é através de uma imagem raster, ou grade, onde cada elemento, ou pixel, tem

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como atributo o valor de elevação do terreno em relação a um determinado referencial (Burrough e McDonnel, 1998). Atualmente, a principal fonte de dados de elevação do terreno em escala global é a base de dados obtida pelo projeto Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) e disponibilizada gratuitamente na Internet. Neste trabalho é apresentada a utilização da estrutura de dados e do conjunto de ferramentas denominado ArcHydro desenvolvidas em parceria pela Universidade do Texas e pela empresa ESRI, que operam internamente ao programa ArcGIS (Maidment, 2002), para extrair informações úteis para a modelagem hidrológica simples em um protótipo de sistema de suporte à decisão, a partir do MDE do SRTM. ArcHydro pode ser entendido tanto como um conjunto de ferramentas como uma estrutura de dados projetada para armazenar e relacionar entre si conjuntos de dados geográficos utilizados na área de recursos hídricos. A estrutura de dados ArcHydro é definida utilizando classes de objetos, em que os objetos de uma dada classe possuem propriedades ou atributos em comum, e objetos de classes diferentes podem ser relacionados através de atributos em comum (Maidment, 2002). A estrutura de dados ArcHydro é utilizada para automatizar os processos de extração de informação e preparação de dados para modelagem em diversos modelos hidrológicos, como os modelos desenvolvidos pelo Corpo de engenheiros do exército dos Estados Unidos (HEC, 2001; HEC, 2003) e pelo modelo SWAT (xxxxx). Uma seqüência típica de utilização das ferramentas ArcHydro inicia com um MDE, a partir do qual são obtidas informações como direções de escoamento; área de drenagem; rede de drenagem; definição de trechos de rios; e definição de bacias hidrográficas. Para a elaboração do protótipo apresentado neste artigo foram utilizadas apenas algumas das ferramentas disponíveis no ArcHydro, nas etapas descritas nos itens que seguem. 2.1 Determinação de direções de fluxo As direções de fluxo constituem o plano de informações básico derivado de um MNT em formato raster para suporte a estudos hidrológicos. O procedimento mais comum consiste em considerar uma única direção de fluxo para cada pixel do MNT, sendo essa direção atribuída para um de seus 8 vizinhos (tomando uma janela 3x3). A determinação de qual direção de fluxo atribuir é feita escolhendo a direção que proporcione a maior declividade, calculada como sendo a diferença de elevação entre o pixel vizinho e o pixel central dividida pela distância entre eles (Paz e Collischonn, 2008). O algoritmo de definição de direções de fluxo mais comumente empregado é conhecido como D8 ou Deterministic Eight Neighbours (Jenson e Domingue, 1988). Aplicando a regra da maior declividade para cada pixel do MNT, obtém-se a correspondente direção de fluxo e, ao final do processo, gera-se uma imagem raster onde a cada pixel é atribuído um valor ou código que denota para qual dos vizinhos ele drena. 2.2 Determinação de área de drenagem acumulada Com base exclusivamente nas direções de fluxo, pode-se determinar um plano de informações que representa as áreas de drenagem acumuladas. Gera-se uma nova imagem raster onde cada pixel tem como atributo o valor correspondente ao somatório das áreas superficiais de todos os pixels cujo escoamento contribui para o pixel em questão (Jenson e Domingue, 1988). Quando se trabalha com grandes áreas e sistema de coordenadas

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geográficas (latitude-longitude), os pixels podem ter áreas superficiais individuais distintas e isso deve ser levado em conta. 2.3 Definição da rede de drenagem Supondo que existe um limite mínimo de área de drenagem, Amin, que caracteriza o início da formação de cursos d’água, é possível gerar automaticamente um plano de informações referente à rede de drenagem a partir do raster de áreas acumuladas. Pode-se fazer uma reclassificação da imagem de áreas acumuladas, considerando que todos os pixels cuja área de drenagem, Ai, seja inferior a Amin recebem valor 0 e aqueles com área superior a esse limite mínimo ficam com valor 1. Ou seja, nesta operação se obtém um raster cujos pixels pertencentes à rede de drenagem têm atributo 1 e os demais têm atributo 0. No ArcHydro esta etapa é denominada “Stream Definition” e o arquivo de saída gerado é do tipo raster, ou grade. 2.4 Identificação de trechos individuais da rede de drenagem A rede de drenagem, gerada na etapa anterior, pode apresentar locais em que dois ou mais rios se unem, e pontos em que a rede de drenagem se inicia. Um trecho individual é definido como um trecho da drenagem que une duas confluências ou um trecho que parte do início da drenagem e chega até a primeira confluência subseqüente. O produto desta etapa, denominada “Stream Segmentation” no ArcHydro, é um arquivo raster em que todas as células pertencentes a um mesmo trecho tem o mesmo valor do atributo, e trechos diferentes tem valores diferentes. 2.5 Definição das sub-bacias incrementais A partir dos trechos individualizados são identificadas todas as células que drenam para um mesmo trecho, e a estas células é atribuído o mesmo valor dos trechos. Esta etapa é chamada “Catchment Grid Delineation”, onde o produto é um arquivo raster com células identificadas pelo atributo do segmento individual para o qual drenam. Em outras palavras é um arquivo raster de sub-bacias incrementais. 2.6 Definição das sub-bacias incrementais em formato vetorial A etapa seguinte as sub-bacias inicialmente definidas em um arquivo raster são utilizadas para gerar um arquivo vetorial, com o contorno de cada sub-bacia individualizado como um polígono. Cada polígono automaticamente recebe um número identificador (HydroID) e tem definidos atributos adicionais, como área e perímetro. 2.7 Definição dos trechos de rio em formato vetorial Após a definição das sub-bacias em formato vetorial são definidos os trechos de rio em formato vetorial, utilizando como informação de entrada o arquivo com trechos de rios individualizados em formato raster. Neste passo é gerada uma linha de drenagem para cada sub-bacia. Automaticamente o

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procedimento também define números identificadores (HydroID) e os valores de atributos de cada uma destas linhas, como o comprimento. Para os objetivos do desenvolvimento de um modelo hidrológico, ou de um sistema de suporte à decisão, o atributo mais importante de um trecho de drenagem é o número identificador do trecho seguinte, pois assim é definida a topologia do sistema. Esta informação também é gerada automaticamente na definição dos trechos em formato vetorial no campo denominado NextDownID. 2.8 Definição das bacias associadas a cada sub-bacia incremental A última etapa necessária para gerar os dados utilizados no protótipo de sistema de suporte à decisão é a definição das bacias associadas a cada sub-bacia incremental. No contexto do ArcHydro estas bacias são denominadas Adjoint Catchments. O atributo mais importante das bacias associadas, ou Adjoint Catchments, é a área total de drenagem à montante do trecho. 3. Preparando arquivos para o sistema Finalizada a etapa de geração dos arquivos e de extração de atributos utilizando as ferramentas ArcHydro é possível, utilizando a ligação entre arquivos (Join), gerar um arquivo com a rede de drenagem da bacia, em que cada trecho de rio apresenta as seguintes características fundamentais: número identificador (HydroID); número identificador do trecho que está localizado a jusante (NextDownID); área da bacia a montante do início do trecho. Adicionalmente é necessário criar, para cada trecho de rio, o atributo vazão de referência. No protótipo descrito neste artigo, a área de drenagem é utilizada para gerar valores de vazão de referência (Q90) baseada numa regionalização simples utilizando apenas um valor de vazão específica em toda a bacia. Em versões mais elaboradas do sistema descrito aqui, seria possível utilizar equações de regionalização para definir os valores deste atributo. Estes valores de vazão também podem vir a ser obtidos usando um modelo hidrológico chuva-vazão ligado à estrutura de dados ArcHydro. Um atributo adicional importante no arquivo vetorial da rede de drenagem é a demanda de água acumulada, denominada Vout. Neste campo, que inicia com o valor zero para todos os trechos de drenagem, o sistema armazena a vazão total de demanda de todos os usuários ligados ao trecho e a todos os trechos localizados a montante. A tabela de atributos que reuni todas as informações de entrada para o sistema de suporte à decisão, considerando a bacia do rio dos Sinos, é apresentada na Figura 1. 4. Ferramentas de análise O sistema descrito neste artigo está em desenvolvimento e conta, até o momento da redação deste artigo, com três ferramentas de análise. Todas as ferramentas foram programadas em ArcObjects que seria a linguagem Visual Basic no próprio ArcGIS, usando VBA (Visual Basic for Applications). Os componentes ArcObjects são os pilares do software ArcGIS, de maneira a otimizar e automatizar trabalhos e tarefas organizacionais. A programação em ArcObjects pode ser utilizada para expandir e criar novas funcionalidades e aplicações no ArcGIS.

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Figura 2: Tabela de atributos gerada para os trechos da bacia do rio dos sinos. A coluna HydroID representa o código identificador do trecho com índice OID. A coluna NextDownID representa o código do trecho à jusante. Q_Dispo é a vazão de referência do trecho, regionalizada pela área de drenagem à montante do trecho (Area_km2), e Vout apresenta a vazão de demanda à montante ao trecho. Basicamente, o sistema é composto por três ferramentas de análise, as quais estão integradas ao ambiente ArcGis (Figura 2).

Ferramentas de análise para implementação de outorgas Atributos dos trechos

Atributos das outorgas

Figura 2: Apresentação das ferramentas de análise para implementação de outorgas e elementos do sistema de suporte à decisão em ambiente ArcGIS. A primeira ferramenta permite incluir um novo usuário de água, especificando a vazão demandada, o nome do usuário e um código que pode estar associado a um outro banco de

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dados não espacial (Figura 3). O trecho de rio ao qual o usuário está ligado é definido com uma seleção direta usando o mouse. Quando um novo usuário de água é incluído, o algoritmo percorre toda a rede de drenagem, desde o trecho selecionado até o exutório da bacia, seguindo a topologia indicada pelos códicos HydroID e NextDownID de cada trecho. Para cada trecho o valor do atributo Vout é atualizado, somando ao valor pré-existente o valor da demanda que está sendo incluída. Ao final da operação cada trecho apresenta no atributo Vout o valor correspondente à soma de todas as demandas a montante e do próprio trecho.

Figura 3: Inclusão e cadastro de outorgas no sistema. Esta ferramenta também disponibiliza informações do trecho, tais como a vazão outorgada à montante, comprimento do trecho e área de drenagem à montante. Uma segunda função desta primeira ferramenta de análise é incluir, em um layer de pontos, o novo usuário recém acrescentado ao sistema. A posição em que é incluído este novo ponto pode ser obtida diretamente pela posição do mouse, quando selecionado o trecho de rio, ou via teclado, com as coordenadas de latitude e longitude do ponto. Após a inclusão de um novo usuário no sistema, automaticamente, é lançado um objeto no mapa, o qual está relacionado ao trecho clicado. Adicionalmente, as informações do objeto lançado (e.g. número do trecho, nome do usuário, número do processo e coordenadas) são incluídas no banco de dados do layer “outorgas.shp” (Figura 4).

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Figura 4: Tabela de atributos gerada para as outorgas no sistema. A segunda ferramenta de análise permite a edição de informações de um usuário já incluído no sistema (Figura 5). Nesta ferramenta, o usuário previamente cadastrado é selecionado através do clique do mouse sobre o objeto correspondente. As informações relacionadas à identificação do usuário (e.g. número do processo, nome do usuário, localização) pertencem a uma base estática que não dependem de informações em outros trechos. E, conseqüentemente, as informações relacionadas à demanda pertencem a uma base dinâmica, onde a alteração de seu valor resulta na mudança dos valores de demanda à jusante do trecho.

Figura 5: Edição das informações de um usuário já cadastrado no sistema. O sistema permite ainda a exclusão de um usuário já cadastrado no banco de dados (Figura 6). Caso o usuário seja excluído, é automaticamente considerada uma disponibilidade

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de água incremental nos trechos à jusante, cujo valor é correspondente à demanda atual no trecho.

Figura 6: Exclusão de um usuário previamente cadastrado no banco de dados. A terceira ferramenta de análise permite analisar toda a rede de drenagem, utilizando um código de cores para, por exemplo, exibir a relação entre demanda e oferta de água. Desta forma, esta ferramenta visa identificar trechos quantitativamente e qualitativamente críticos na rede de drenagem. 5. Exemplo de aplicação (Bacia do Rio do Sinos/RS) Um exemplo de aplicação do sistema foi realizado utilizando dados da bacia do rio dos Sinos, RS. A bacia hidrográfica do rio dos Sinos tem uma área de 3.820 km² e envolve, total ou parcialmente, 32 municípios (Figura 7). Os principais afluentes do rio dos Sinos são os rios Rolante e Paranhana além de diversos arroios.

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

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Os dados de topografia de foram obtidos através do MDE disponibilizado pela NASA a partir de dados do SRTM. A rede de drenagem foi definida considerando apenas os trechos que drenam áreas superiores a 10 Km2. A seqüência de obtenção de informações a partir do MDE até a rede de drenagem, conforme descrito no item 3, está ilustrada na Figura 8. A disponibilidade hídrica (Q_Dispo) foi estimada com base num valor constante de vazão específica, adotada como 1 L.s-1.km-2.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 8: Seqüência de passos para a geração de uma rede de drenagem com informações de topologia no ArcGis usando ferramentas ArcHydro: (a) Modelo digital de elevação; (b) Direções de escoamento; (c) Área 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 não possua usuários cadastrados, em termos quantitativos, todos os trechos apresentariam demanda nula e, conseqüentemente, a razão entre a demanda e a disponibilidade (Vout/Q_Dispo) seria igual a zero em toda rede de drenagem da bacia do rio do Sinos (representado pela cor verde escura nos trechos da Figura 9a). Com o cadastramento de dois novos usuários no rio Paranhana (afluente do rio dos Sinos), observa-se um intermediário impacto (i.e. a demanda representando 40 a 60% da vazão de referência) no próprio trecho e em alguns trechos de jusante (Figura 9b). Entretanto, esta demanda não é significativa para produzir um sensível impacto na disponibilidade hídrica a partir da confluência do rio Paranhana com o rio do Sinos. Com a inclusão de uma expressiva demanda em um trecho situado bem à montante do rio do Sinos (2,5 m3.s-1), notase um significativo impacto à jusante do trecho (Figura 9c). Este efeito tem intensidade moderada no trecho médio do rio dos Sinos, e vai perdendo força ao longo do curso d’água. Um significativo trecho (aprox. 30 Km), imediatamente a jusante deste novo usuário, estaria impossibilitado de receber novos usuários. E, finalmente, a inclusão de usuários no trecho baixo do rio Sinos não produziria impactos à montante deste trecho, mas agravaria um pouco mais a disponibilidade hídrica nos trechos de jusante (Figura 9d).

(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 9: Visualização do efeito da inclusão de novos usuários na disponibilidade hídrica do sistema (Vout/Q_Dispo). Vout é a vazão de demanda à montante de um determinado trecho e Q_Dispo é a vazão de referência no trecho.

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6. Desenvolvimentos futuros e considerações finais Neste trabalho foi descrito um protótipo de um sistema de suporte à decisão que está baseado na estrutura de dados do ArcHydro e que roda internamente ao programa ArcGIS. A vantagem de utilizar um sistema de suporte a decisão internamente a um SIG como o ArcGIS é que pode-se utilizar todos os recursos do próprio programa de SIG para visualizar resultados, gerar mapas e relatórios. Além disso, um SIG permite uma boa interface para o banco de dados de usuários de água. Pretende-se desenvolver este sistema acrescentando novas ferramentas de análise, e desenvolvendo uma conexão entre o sistema e modelos hidrológicos mais complexos, incluindo modelos que representam a variação das vazões ao longo do tempo e a influência de reservatórios, por exemplo. Um desenvolvimento relativamente simples, que poderia ser incluído neste sistema é a análise de lançamentos de poluentes e a vazão de diluição necessária a cada trecho.

Referências AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Resolução 542/2004 – Delega competência para o deferimento de outorga preventiva e de direito de uso de recursos hídricos, e dá outras providências.. Disponível em http://www.ana.gov.br/ , 2004. AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Resolução 219/2005 - Diretrizes para análise e emissão de outorga de direito de uso de recursos hídricos para fins de lançamento de efluentes. Disponível em http://www.ana.gov.br/ , 2005. COLLISCHONN, B; LOPES, A. V. Sistema de Controle de Balanço Hídrico para apoio à outorga na bacia do São Francisco. Anais do I Encontro Nacional de Hidroinformática. Fortaleza – CE. 2008. KELMAN, J. Gerenciamento de Recursos Hídricos: Outorga e Cobrança. Anais do XII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Vitória – ES, 1997. MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE. SISAGUA – Sistemas de Apoio ao Gerenciamento de Água. Brasília, 2000. OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA. Inventário das restrições operativas hidráulicas dos aproveitamentos hidrelétricos. Rio de Janeiro, 2000. Whiteaker, T. L.; Maidment, D. R.; Goodall, J. L.; Takamatsu, M. 2006 Integrating Arc Hydro Features with a schematic Network. Transactions in GIS, 2006, 10(2): 219–237. Correia F N, Rego F C, Saraiva M G, and Ramos I 1998 Coupling GIS with hydrologic and hydraulic flood modelling. Water Resources Management 12: 229–49. Maidment D. R. Arc Hydro: GIS for Water Resources. Redlands, CA, ESRI Press. 2002 IPH Trabalho de regionalização de vazões do Tocantins ...