29 de setembro de 2026
Interpretação dos drivers associados à ocorrência de inundações por meio de inteligência artificial explicável
Interpretação dos Drivers Associados à Ocorrência de Inundações por Meio de Inteligência Artificial Explicável
Abderraman Róger de Amorim Brandão; Wagner Wilson Bortoletto
DOI: 10.22167/2675-6528-202602619
Artigo derivado de Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), com conteúdo baseado no trabalho original do aluno e adaptado ao formato editorial da Revista E&S com apoio da ferramenta ResumeAI, solução de inteligência artificial desenvolvida pelo Instituto Pecege para síntese e organização textual.
Resumo
Eventos de inundação no Brasil têm se intensificado, mas seus fatores ainda são difíceis de generalizar devido aos contrastes regionais e interações não lineares. O estudo caracterizou a distribuição espaço-temporal de eventos de inundação em bacias hidrográficas brasileiras e avaliou a capacidade de um modelo Random Forest (RF) de detectar dias associados a esses eventos com base em condições hidrometeorológicas antecedentes. A pesquisa abrangeu 735 bacias no período de 1980 a 2010. Os eventos foram identificados em séries diárias de vazão, utilizando um limiar específico por bacia (percentil 50 das máximas anuais) e um intervalo mínimo de 10 dias entre picos. O modelo RF foi treinado com preditores dinâmicos e interpretado com TreeSHAP. Os resultados indicaram diferenças sazonais entre os biomas, com maior concentração dos eventos em certos meses na Amazônia, Cerrado, Caatinga e Mata Atlântica, e distribuição mais uniforme no Pampa. No conjunto de teste, o modelo alcançou PR-AUC de 0,41, ROC-AUC de 0,96, F1 de 0,35 e acurácia balanceada de 0,86. As análises de SHAP destacaram o balanço hídrico climático acumulado (P – ETP) e a precipitação acumulada em janelas de 14 a 60 dias como os principais preditores. Esses padrões foram compatíveis com a influência das condições antecedentes, mas não estabeleceram relações causais.
Palavras-chave: Condições antecedentes; Hidrologia de grandes amostras; Random Forest; Simulação hidrológica; XAI.
1. Introdução
No Brasil, eventos hidrológicos extremos, como as inundações, têm se tornado mais frequentes e intensos nas últimas décadas, afetando diferentes regiões do país. Na Amazônia, por exemplo, observou-se a ampliação das áreas alagáveis (Fleischmann et al., 2023; Silva et al., 2023), enquanto o Sul registrou cheias extremas em 2023 e 2024 (Alvalá et al., 2024; Collischonn et al., 2025), com 340 municípios em situação de emergência (ANA, 2024). Ocorrências semelhantes foram documentadas no Nordeste (Seigerman et al., 2024; Santos et al., 2024), no Centro-Oeste (Marengo et al., 2022) e no Sudeste. No estado de São Paulo, foram registrados, em média, 73 eventos por ano na década de 2010 (Brandão et al., 2026).
A intensificação desses eventos hidrológicos extremos impõe desafios significativos, especialmente em um país com grande dependência de recursos hídricos, onde 49% da eletricidade é de origem hidrelétrica, a irrigação responde por 50% das retiradas de água e o abastecimento urbano, por 23,34% (ANA, 2024). Em escala global, desastres associados ao tempo, ao clima e à água causaram mais de dois milhões de mortes e perdas de US$ 3,64 trilhões entre 1970 e 2019, com as inundações respondendo por 44% desses eventos (WMO, 2021). No Brasil, as perdas reportadas nesse período somaram US$ 41,7 bilhões (WMO, 2021). Mais recentemente, entre 2020 e 2024, foram reportadas 771,75 mil pessoas afetadas por inundações, com danos materiais de R$ 3,68 bilhões e prejuízos públicos e privados que ultrapassam R$ 9 bilhões (Brasil, 2026). Esses dados reforçam a urgência em compreender os fatores associados às inundações.
A ocorrência de inundações resulta da interação complexa entre processos atmosféricos e características físicas das bacias hidrográficas (Sharma et al., 2018; Livneh et al., 2024). A análise isolada da precipitação, por si só, é frequentemente insuficiente para representar a contribuição das condições antecedentes e das interações não lineares que modulam a resposta hidrológica das bacias. A dificuldade em generalizar os drivers de inundação em escala nacional, devido aos fortes contrastes regionais e às interações não lineares entre clima e resposta hidrológica, representa uma lacuna importante no conhecimento e na capacidade preditiva.
Nesse contexto, o aprendizado de máquina (ML) emerge como uma ferramenta promissora para representar relações complexas entre múltiplos preditores e apoiar a investigação dos padrões associados aos extremos (Reichstein et al., 2019; Nearing et al., 2024). Contudo, modelos de ML, como os conjuntos de árvores, podem apresentar decisões difíceis de inspecionar (Baehrens et al., 2010; Lundberg & Lee, 2017). A inteligência artificial explicável (XAI), por meio de técnicas como o SHapley Additive exPlanations (SHAP), permite interpretações locais e globais das predições (Lundberg & Lee, 2017), auxiliando a relacionar as características de entrada às saídas do modelo de forma mais transparente e a dialogar com o conhecimento físico. Essa abordagem é fundamental para superar as limitações dos modelos tradicionais de base física, que, apesar de bem fundamentados, nem sempre produzem previsões acuradas e são computacionalmente intensivos e de difícil generalização (Nearing et al., 2021; Zounemat-Kermani et al., 2021).
Diante da crescente frequência e impacto das inundações no Brasil e da complexidade de seus drivers, este estudo justifica-se pela necessidade de aprofundar a compreensão dos padrões espaço-temporais desses eventos e pela aplicação de métodos avançados de aprendizado de máquina e XAI para identificar seus preditores. O objetivo deste estudo foi caracterizar a distribuição espaço-temporal dos eventos de inundação fluvial, definidos por um critério de excedência de vazão, em bacias hidrográficas brasileiras. Também se avaliou a capacidade de um modelo Random Forest (RF) de detectar dias associados a esses eventos a partir de variáveis hidrometeorológicas. Por fim, buscou-se identificar, por meio de SHAP, os preditores que mais contribuíram para as classificações, com ênfase na interpretação hidrológica dos padrões aprendidos.
2. Material e Métodos
A metodologia deste estudo foi estruturada em três etapas principais: organização dos dados e identificação dos eventos de inundação, desenvolvimento do modelo de aprendizado de máquina e, por fim, a avaliação e interpretação dos resultados. Este fluxo guiou a pesquisa desde a preparação da base de dados até a análise final do modelo.
O estudo abrangeu 735 bacias hidrográficas brasileiras, distribuídas por diferentes biomas e condições hidroclimáticas, com predomínio do clima tropical A (Beck et al., 2018). O conjunto de dados CABra — Catchment Attributes for Brazil (Almagro et al., 2021) forneceu séries diárias de vazão da Agência Nacional de Águas e Saneamento Básico (ANA) e informações hidroclimáticas de diversas fontes, incluindo atributos físicos e hidrológicos, para o período de 1980 a 2010.
Os eventos de inundação fluvial foram identificados a partir das séries diárias de vazão. Um evento foi definido quando a vazão diária excedeu um limiar específico para cada bacia, estabelecido como o percentil 50 das máximas anuais (Brunner et al., 2020; Götte & Brunner, 2024). Adotou-se um intervalo mínimo de dez dias entre picos sucessivos para a separação dos eventos (Diederen et al., 2019). Para o classificador diário, os dias de evento foram rotulados como 1 e os demais como 0.
O desenvolvimento do modelo de aprendizado de máquina utilizou um classificador Random Forest (RF) (Breiman, 2001; James et al., 2023). O modelo foi construído com 39 preditores hidroclimáticos dinâmicos, calculados para representar as condições antecedentes às inundações. Esses preditores incluíram precipitações acumuladas em diferentes janelas temporais, somatórios de evapotranspiração real e potencial, balanço hídrico climático diário e suas acumulações, além de médias móveis de temperatura, umidade, velocidade do vento e radiação solar. O mês e o dia do ano foram incluídos para sazonalidade.
Dos 39 preditores iniciais, 15 com as menores contribuições globais, mensuradas pela média dos valores absolutos de SHAP em um modelo exploratório, foram excluídos, resultando em 24 variáveis para o modelo final. Os hiperparâmetros do RF foram avaliados por RandomizedSearchCV (Bergstra & Bengio, 2012), testando-se 50 configurações aleatórias com validação cruzada em três partições e agrupamento por bacia (GroupKFold). A precisão média (AP) foi o critério de seleção.
A configuração final do modelo RF foi composta por 603 árvores, critério de entropia, profundidade máxima de 40, raiz quadrada do número de atributos por divisão, mínimo de 11 amostras por folha e 20 amostras para divisão de nó, com ponderação `balanced_subsample` e amostragem `bootstrap`. Para lidar com o desbalanceamento de classes, o conjunto de treinamento incluiu todos os exemplos positivos e uma amostragem aleatória de negativos por bacia, limitada a até 20 negativos por positivo, uma estratégia de `undersample`.
A separação entre os conjuntos de treinamento e teste foi realizada por bacia hidrográfica, utilizando o método GroupShuffleSplit. Destinaram-se 588 bacias (80%) para o desenvolvimento do modelo e 147 bacias (20%) para a avaliação em bacias não utilizadas no treinamento, evitando que dias de uma mesma bacia aparecessem simultaneamente nos dois conjuntos.
A contribuição dos preditores foi interpretada com SHapley Additive exPlanations (SHAP), uma abordagem de inteligência artificial explicável (Lundberg & Lee, 2017; Lundberg et al., 2020). Utilizou-se o TreeSHAP para calcular os valores de Shapley, empregando a abordagem `tree-path-dependent`. Os valores de SHAP foram calculados a partir de uma amostra estratificada das 147 bacias de teste, com até 200 dias de evento e 400 dias sem evento por bacia, e um limite global de 5.000 observações. A importância global de cada preditor foi calculada pela média de seus valores absolutos de SHAP.
O desempenho do classificador foi avaliado no conjunto de teste por métricas apropriadas para classificação binária em contexto desbalanceado: ROC-AUC, PR-AUC, escore F1 e acurácia balanceada (BA). A PR-AUC foi a métrica principal devido à baixa prevalência de dias positivos (Saito & Rehmsmeier, 2015). As métricas dependentes de limiar foram calculadas com um valor de 0,5 para a conversão das probabilidades em classes binárias. A precisão, sensibilidade, escore F1 e acurácia balanceada foram definidos conforme suas formulações padrão em problemas de classificação.
3. Resultados e Discussão
A investigação dos padrões de inundações fluviais em bacias hidrográficas brasileiras revelou uma dinâmica complexa, influenciada por fatores espaço-temporais e condições hidrometeorológicas antecedentes. A análise inicial dos eventos de inundação, identificados por um limiar de vazão diária excedente, demonstrou uma natureza episódica. Observou-se que a maioria dos anos no período de 1980 a 2010 apresentou contagens de eventos baixas ou moderadas, em torno de 5.000 ocorrências, sendo pontuadas por anos-pico com aproximadamente 20.000 registros em alguns biomas. Essa variabilidade temporal sublinha a não estacionariedade dos eventos extremos, um aspecto crucial para o planejamento e a gestão de recursos hídricos no Brasil.
A distribuição espacial dos eventos de inundação evidenciou a heterogeneidade da rede de monitoramento e as características intrínsecas de cada bioma. A Mata Atlântica e o Cerrado concentraram o maior número de bacias na amostra, com 371 e 219 bacias, respectivamente, seguidos pela Amazônia (78 bacias) e Caatinga (50 bacias). O Pampa, com 16 bacias, e o Pantanal, com apenas uma, apresentaram menor representação. Essa disparidade na cobertura de dados é um fator importante a ser considerado na interpretação dos resultados, pois pode limitar a generalização dos padrões para biomas menos representados, como o Pantanal.
A sazonalidade dos eventos de inundação mostrou padrões distintos entre os biomas. Na Amazônia, Cerrado, Caatinga e Mata Atlântica, os eventos se concentraram nos meses de dezembro a abril ou maio, com uma redução notável durante o período de inverno. Esse comportamento é consistente com as diferenças regionais na sazonalidade das cheias, conforme apontado por Bartiko et al. (2019). Em contraste, o Pampa exibiu uma distribuição mais uniforme dos eventos ao longo do ano, o que se alinha com a ausência de uma estação seca bem definida nessa região. No Cerrado, a frequência de eventos diminuiu mais rapidamente ao longo do ano, o que pode ser atribuído tanto à maior profundidade do embasamento rochoso quanto à forte concentração sazonal das precipitações.
A análise das vazões de pico revelou que a Amazônia apresentou uma maior dispersão de valores, enquanto o Pantanal, com sua única bacia na amostra, registrou picos elevados. É fundamental considerar que essas diferenças nas vazões de pico são influenciadas pela área de drenagem e pelo porte dos rios, e não necessariamente indicam variações na intensidade relativa das cheias entre os biomas. A interpretação desses dados deve, portanto, levar em conta as características geomorfológicas e hidrológicas de cada bacia, que modulam a resposta hidrológica aos eventos de precipitação.
No que tange à capacidade preditiva do modelo Random Forest (RF) para detectar dias associados a eventos de inundação, o desempenho global no conjunto de teste externo foi avaliado por métricas específicas para problemas de classificação binária desbalanceada. A prevalência de dias positivos no conjunto de teste foi de 1,49%, indicando a raridade dos eventos. Nesse cenário, a área sob a curva Precisão-Sensibilidade (PR-AUC) alcançou 0,41, um valor aproximadamente 27,4 vezes superior à linha de base aleatória, o que demonstra a relevância do modelo para classes raras (Saito & Rehmsmeier, 2015).
Complementarmente, a área sob a curva Receiver Operating Characteristic (ROC-AUC) foi de 0,96, sugerindo uma boa capacidade de ordenação relativa das classes pelo modelo. No entanto, o escore F1 de 0,35 e a acurácia balanceada de 0,86, calculados com um limiar de 0,5, indicam que, embora o modelo seja eficaz na discriminação, o equilíbrio entre precisão e sensibilidade ainda apresenta limitações nesse limiar. Essa diferença no desempenho é esperada, dada a natureza altamente desbalanceada e temporalmente explícita do problema de classificação de inundações, em comparação com estudos de suscetibilidade espacial que frequentemente utilizam amostras balanceadas.
Em termos comparativos, o PR-AUC de 0,41 obtido neste estudo situa-se no limite inferior dos valores reportados em outras aplicações de modelos RF para classificação de áreas inundáveis ou suscetibilidade a inundações. Por exemplo, estudos em Kunming (Ren et al., 2024), Salzburg (Nachappa et al., 2020), bacia do Peneus (Tepetidis et al., 2025) e Amazônia oriental brasileira (Amaral et al., 2024) reportaram valores de AUC entre 0,87 e 0,99. Contudo, essa comparação deve ser feita com cautela, pois a maioria desses trabalhos focou na classificação espacial de pontos ou pixels inundados, frequentemente com amostras balanceadas, diferentemente do presente estudo que aborda a detecção de eventos raros em um contexto temporal.
A variabilidade espacial do desempenho do modelo, medida pelo PR-AUC por bacia, foi predominantemente moderada, com a maioria dos valores concentrada entre 0,3 e 0,6. Observou-se que alguns dos maiores valores de PR-AUC ocorreram no Nordeste, enquanto desempenhos intermediários e baixos foram distribuídos por outras regiões. A relação entre a taxa de eventos por bacia e o PR-AUC revelou uma tendência positiva: bacias com maior frequência de eventos tenderam a apresentar valores mais altos de PR-AUC. Em contrapartida, bacias com eventos muito raros exibiram maior dispersão e valores mais baixos da métrica, refletindo a dificuldade intrínseca do aprendizado em classes minoritárias e a maior instabilidade da métrica nesse contexto.
A interpretação da contribuição dos preditores por meio do SHapley Additive exPlanations (SHAP) foi crucial para compreender o comportamento do modelo. As análises de importância global destacaram que as maiores contribuições estiveram associadas a preditores acumulados em janelas de 14 a 60 dias. Em particular, o balanço hídrico climático acumulado (P – ETP) e a precipitação acumulada foram os preditores mais influentes. O balanço hídrico climático, que representa a diferença entre a precipitação e a demanda evaporativa potencial, atua como um indicador indireto das condições antecedentes, embora não meça diretamente a umidade do solo ou o armazenamento de água na bacia.
Esse padrão de importância dos preditores é compatível com a literatura hidrológica, que enfatiza a contribuição conjunta da precipitação e das condições antecedentes para a geração de cheias (Sharma et al., 2018; Livneh et al., 2024). A aridez da bacia também tem sido reconhecida como um parâmetro central na modulação dos processos hidrológicos (Almagro et al., 2024; Brandão et al., 2025; Correa et al., 2025). Os resultados obtidos refinam essa interpretação ao evidenciar que a “memória da bacia”, representada por variáveis hidrometeorológicas acumuladas em diferentes janelas temporais, é um componente significativo na predição de inundações.
As variáveis termoclimáticas, como a temperatura mínima média em 30 dias, apresentaram uma relação menos monotônica com os valores SHAP, sugerindo que sua influência é mais indireta, refletindo efeitos de sazonalidade, precipitação e evapotranspiração, bem como diferenças regionais. Isso indica que, enquanto a precipitação e o balanço hídrico exercem uma influência mais direta na ocorrência de inundações, as variáveis termoclimáticas atuam principalmente como condicionantes sazonais e regionais, modulando a resposta hidrológica das bacias.
A distribuição espacial da importância local dos preditores também revelou contrastes regionais. Os acumulados de 30 e 60 dias de precipitação e de P – ETP foram mais importantes no Nordeste, Centro-Leste e Sudeste. Em contraste, os acumulados de 7 e 14 dias de precipitação e P – ETP tiveram maior relevância em partes do Sul e Sudeste. A temperatura mínima média em 30 dias, por sua vez, demonstrou maior contribuição na região Sul. Esses padrões regionais destacam a complexidade dos drivers de inundação e a necessidade de abordagens adaptadas às especificidades de cada região brasileira.
Os gráficos de dependência de SHAP para as variáveis mais importantes revelaram relações não lineares entre os valores dos preditores e suas contribuições para a saída do modelo. Valores baixos de P – ETP e de precipitação acumulada em janelas de 7, 14, 30 e 60 dias foram geralmente associados a valores SHAP negativos, o que significa que reduziram a probabilidade prevista de ocorrência de eventos. À medida que esses acumulados aumentaram, as contribuições tenderam a se tornar positivas, elevando a probabilidade de inundação. Essa transição no sinal da contribuição, onde SHAP é igual a zero, representa uma mudança na influência do preditor em relação à referência do modelo, e não um limiar físico de inundação.
Esse comportamento é hidrologicamente coerente, pois as inundações são o resultado tanto da chuva recente quanto das condições antecedentes de umidade do solo na bacia. A separação visual entre os pontos classificados como eventos (concentrados em regiões com SHAP positivo) e não eventos (mais frequentes em faixas com SHAP negativo) reforça o elevado poder discriminativo dessas variáveis, especialmente para os acumulados de 30 e 60 dias de P – ETP e precipitação. Isso sugere que o modelo RF utiliza eficazmente a memória hidrológica em escalas de semanas a meses para identificar padrões associados à ocorrência de inundações.
Apesar da relevância dos padrões identificados, algumas limitações devem ser consideradas. A definição dos eventos de inundação, baseada no percentil 50 das máximas anuais, influencia os resultados, embora estudos anteriores indiquem que a escolha dos limiares afeta mais os valores absolutos do que os padrões relativos dominantes (Brunner e Chartier-Rescan, 2024; Götte e Brunner, 2024). A ausência de atributos estáticos no modelo final limita a representação direta dos controles estruturais das bacias, o que poderia enriquecer a compreensão dos processos hidrológicos.
A estratégia de balanceamento, que utilizou todos os exemplos positivos e uma amostragem aleatória de exemplos negativos por bacia, foi adequada para reduzir o vazamento de informações entre bacias, mas não eliminou completamente os desafios associados à forte heterogeneidade espacial do desempenho e à baixa prevalência de eventos em algumas bacias de teste. Além disso, a interpretação baseada em SHAP, embora útil para descrever o comportamento do modelo, não deve ser interpretada como evidência causal direta, pois as correlações entre preditores podem influenciar a distribuição das contribuições.
Não foram realizados testes formais de autocorrelação temporal ou espacial, o que significa que a possível dependência entre dias consecutivos e entre bacias vizinhas ou hidrologicamente conectadas permanece como uma limitação. A heterogeneidade da amostra, especialmente a presença de apenas uma bacia no Pantanal, limita a extrapolação dos padrões observados para todo o território de cada bioma. Esses aspectos ressaltam a necessidade de pesquisas futuras que abordem essas dependências, incorporem atributos estáticos e avaliem horizontes explícitos de previsão.
Em síntese, este estudo caracterizou a distribuição espaço-temporal dos eventos de inundação fluvial no Brasil e demonstrou a capacidade do modelo Random Forest em detectá-los com base em condições hidrometeorológicas antecedentes. Os resultados indicaram diferenças sazonais entre os biomas e destacaram o balanço hídrico climático acumulado e a precipitação acumulada em janelas de 14 a 60 dias como os preditores mais importantes. Esses achados são consistentes com a influência da memória hidrológica da bacia nas classificações, fornecendo uma compreensão valiosa dos padrões associados às inundações, apesar das limitações inerentes à complexidade do sistema hidrológico e à natureza dos dados.
4. Conclusão
O presente estudo buscou caracterizar a distribuição espaço-temporal de eventos de inundação fluvial em bacias hidrográficas brasileiras e avaliar a capacidade de um modelo Random Forest (RF) de detectá-los a partir de variáveis hidrometeorológicas, além de identificar os preditores mais relevantes por meio de SHAP. Verificou-se que os eventos de inundação apresentaram uma natureza episódica e padrões sazonais distintos entre os biomas, com maior concentração em certos meses na Amazônia, Cerrado, Caatinga e Mata Atlântica, e uma distribuição mais uniforme no Pampa. O modelo RF demonstrou boa capacidade discriminativa no conjunto de teste, com PR-AUC de 0,41 e ROC-AUC de 0,96, indicando sua relevância para a detecção de classes raras. As análises de SHAP destacaram o balanço hídrico climático acumulado (P – ETP) e a precipitação acumulada em janelas de 14 a 60 dias como os preditores mais influentes, revelando relações não lineares e hidrologicamente coerentes que enfatizam a memória da bacia. A principal contribuição reside na compreensão aprofundada dos padrões associados às inundações em escala nacional e na demonstração da aplicabilidade de métodos de inteligência artificial explicável para interpretar a influência das condições antecedentes.
Apesar dos avanços, o estudo apresentou limitações, como a dependência dos resultados da definição do limiar de inundação e a ausência de atributos estáticos no modelo final, que poderiam representar controles estruturais das bacias. A forte heterogeneidade espacial do desempenho do modelo e a baixa prevalência de eventos em algumas bacias de teste também impuseram desafios, e a interpretação baseada em SHAP não deve ser considerada evidência causal direta. Para estudos futuros, sugere-se a avaliação de autocorrelação temporal e espacial, a incorporação de atributos estáticos e a exploração de diferentes definições de eventos e horizontes de previsão. Recomenda-se ainda a comparação do modelo RF com redes Long Short-Term Memory (LSTM) para avaliar o ganho da representação sequencial, mantendo a consistência dos dados e métricas de avaliação.
Referências Bibliográficas
Agência Nacional De Águas E Saneamento Básico – ANA (Brasil). Conjuntura dos recursos hídricos no Brasil 2024
Alvalá, S. R. C., Ribeiro, D. F., Marengo, J. A., Seluchi, M. E., Gonçalves, D. A., da Silva, L. A., … & Saito, S. M. (2024). Analysis of the hydrological disaster occurred in the state of Rio Grande do Sul, Brazil in September 2023: vulnerabilities and risk management capabilities. International Journal of Disaster Risk Reduction, 110, 104645.
Collischonn, W., Fan, F. M., Possantti, I., Dornelles, F., Paiva, R., Medeiros, M. S., … & Piccilli, D. G. A. (2025). The exceptional hydrological disaster of April-May 2024 in southern Brazil. RBRH, 30, e1.
Fleischmann, A. S., Papa, F., Hamilton, S. K., Fassoni-Andrade, A., Wongchuig, S., Espinoza, J. C., … & Collischonn, W. (2023). Increased floodplain inundation in the Amazon since 1980. Environmental Research Letters, 18(3), 034024.
Silva et al., 2023 [Referência completa não encontrada no documento original]
Artigo oriundo de Trabalho de Conclusão de Curso da Especialização em Data Science e Analytics do MBA USP/Esalq
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