Protótipo de Sistema de Controle de Balanço Hídrico para apoio à outorga integrado a um Sistema de Informações Geográficas

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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 Pós-
Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental (IPH-UFRGS) – Contato: Setor Policial Área 5, 
Quadra 3 – 70.610-200 – Fone: (61) 2109-5249 – bruno.collischonn@ana.gov.br 
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 
atributosem 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 ferramentasde 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). 
 
 
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 
Ferramentas de 
análise para 
implementação 
de outorgas 
 Atributos dos trechos 
 
Atributos das outorgas 
 
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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), nota-
se 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) (b) 
 
 (c) (d) 
Figura 9: Visualização do efeito da inclusão de novosusuários 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 
 
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deferimento de outorga preventiva e de direito de uso de recursos hídricos, e dá outras 
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