HISTERESE ENTRE CONCENTRAÇÃO DE SEDIMENTOS EM SUSPENSÃO E
REFLECTÂNCIA DE SENSORIAMENTO REMOTO GERADO PELA
DISTRIBUIÇÃO DO TAMANHO DE PARTÍCULAS
Henrique Bernini 1; Jean Michel Martinez 2; Henrique Llacer Roig 3; Diogo Olivetti 4; William Santini5 & Franck Timouk 6
ABSTRACT – Remote Sensing is the most potential surrogate technologies to estimate
suspended-sediment concentration (SSC). The effects of suspended-sediment size on remote sensing reflectance are poorly documented and the hysteresis in relations of SSC – Reflectance in inland waters is an example that particle size distribution (PSD) affect the accuracy of retrieval model. Hysteresis was performed and quantified for a 3 dataset that include time series (2000-2017) of MODIS remote sensing data, suspended-sediment concentration and concurrent measurements of radiometry in situ, SSC and volumetric PSD during two hydrologic periods (rise and flood) in Madeira river basin. Annual monthly average show hysteresis in three tributaries and the main channel in different range of SSC and reflectance. Regressions of SSC-normalized reflectance (Ref/SSC) on concurrently measured PSD percentiles show the influence of particle size on reflectance especially smaller sizes (finer than 15 µm).
Palavras-Chave – Histerese, Sensoriamento Remoto, Sedimentos em Suspensão.
1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS
Equipamentos que estimam Material em Suspensão - MES geralmente fornece dados com boa precisão de maneira contínua, com uma resolução temporal maior e custo potencialmente menor do que o monitoramento convencional de fluxos de sedimentos em suspensão. No entanto, os estudos de corpos d’água com predominância dos sedimentos em suspensão apresentam fontes de erro devido à variação das propriedades físicas do MES. Sari et al. (2015) explicam que há fatores físicos das partículas que influenciam no sinal óptico de águas com sedimentos em suspensão modulado por um sensor de turbidez assim como Sassi et al. (2012)
1) Universidade de Brasília e Faculdade de Rondônia, Campus Universitário Darcy Ribeiro, Asa Norte, Brasilia, DF, Brasil, henriquebernini@hotmail.com, (61)99882-0433
2) Institut de Recherche pour le Développement – GET Laboratory (IRD – Toulouse/France), martinez@ird.fr 3) Universidade de Brasília Campus Universitário Darcy Ribeiro, Asa Norte, Brasilia, DF, Brasil, roig@unb.br
relatam que medidores acústico doppler – ADCP exige uma calibração inerente ao ambiente aquático monitorado devido ao retroespalhamento da energia emitida e registrada ser sensível qualidade das partículas inorgânicas (granulometria).
Da mesma maneira, o registro das reflectâncias oriundo de sensores remotos se mostram sensíveis às particularidades inerentes ao alvo. No rio Madeira, área de estudo desta investigação, diversos trabalhos (Martinez et al., 2009; Espinoza Villar, 2013; e Montanher et al., 2014) estiveram focados em alimentar a série temporal de informações sobre a CSS e foi neste contexto que ao construir modelos empíricos entre a CSS e reflectância (CSS – Ref) que Espinoza Villar et al., (2013) revelaram uma histerese na relação entre MES e reflctância.
Este tipo de relação ocorre se duas variáveis tiverem uma série temporal de forma semelhante, mas não síncrona. No âmbito da hidrossedimentologia a histerese se apresenta nas relações entre CSS e descarga fluvial (CSS – Q) que estão sob ação de um evento de precipitação e é uma fonte bem documentada de incerteza nas curvas de classificação CSS – Q (Williams, 1989; Evans & Davies, 1998; Minella et al., 2011), diferentemente da histerese na relação CSS e turbidez (CSS – T) que assim como a relação CSS – Ref há pouca referência na literatura. No caso dos estudos de Espinoza Villar et al. (2013) o efeito detectado sobre a média mensal da CSS – Ref foi posteriormente estudado por Pinet et al. (2017) que identificaram também a presença da histerese entre a absorção das particulas não-algais (aNAP) e a CSS além de uma variação da distribuição do tamanho de partículas (PSD – Particle Size Distribution) entre o período do aumento e a cheia da Qanual.
Neste estudo, nosso objetivo é mostrar a histerese da relação CSS – Ref, por meio de uma análise-quali-quantitativa a partir de um índice, usando uma série temporal de 17 anos entre CSS e dados de reflectância do sensor MODIS. Como objetivo específico demosntraremos a influência da distribuição do tamanho das particulas como modulador da histerese.
2 - MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 -
Área de estudo
Com uma área drenada de aproximadamente 1.420.103 km2 , apresentando vazão média de 32.000 m3/s em sua foz, o rio Madeira surge da confluência entre os rios Beni e Mamoré, ambos com suas nascentes na Bolívia e considerando seus afluentes principais é possui status de um rio transfronteriço, cuja maior parte do território drenado é a Bolívia (51%), seguido do Brasil (42%) e Peru (7%). Neste estudo, as estações referente aos dados utilizados estão localizados em El Sena (rio Madre de Dios), Cachuela Esperanza (rio Beni) e Guayaramerim (rio Mamoré) na Bolívia além da estação situada em Porto Velho no estado de Rondônia (rio Madeira).
Para compreensão do processo hidrossedimentológico dessa bacia é preciso enfatizar que a combinação de grandes eventos convectivos oriundo da Zona de Convergência Intertropical variando de norte a sul da bacia durante o verão austral (Espinoza et al., 2009) alimentam o sistema fluvial com precipitações que promovem altas concentrações (>3.000 mg.l-1 segundo Registros do Serviço Nacional de Hidrologia e Meteorologia SENHAMI/Bolivia) durante o primeiro bimestre do período chuvoso, ao longo de uma superfície terrestre com condições morfoestruturais em diferentes diversas unidades litoestratigraficas ligadas a atividades neotectônicas cuja anomalias na morfologia do sistema deposicional fluvial e anomalias na rede de drenagem é visto como evidências para Souza Filho et al. (1999).
A descarga sólida em suspensão da bacia atualizada pelos estudos de Vauchel et al. (2017) indica diferentes padrões associados a hipsometria da onde altitudes acima de 4.000 metros são registrados na cordilheira dos Andes (porção alta da bacia) em um trecho de 500 km aproximadamente onde Vauchel et al. (2017) detectaram uma alta produção de sedimentos (3.000 ton.km2.ano) produzindo 640 Mt.ano. Após percorrer este trecho as altitudes decaem a menos de 1.000 metros e assim se estendem por vastas regiões denominadas de “subandina” em regiões morfostruturais como a bacia Subandina do Beni e Alto estrutural de Guajará Mirim–Porto Velho cujo processo fluvial se inverte e a deposição detectada é de aproximadamente 210 Mt.ano, onde está localizado as três estações dos tributários estudados e descritos na tabela 1.
Neste contexto é possível sugerir que mudanças na qualidade física dos sedimentos transportados sofram com as diferentes condições hidráulicas, sobretudo a distribuição do tamanho das partículas nas concentrações após a passagem pela região “subandina”, também conhecido localmente como “Llanos”. O Relatório de Impacto Ambiental apresentado por FURNAS em 2006, considera-se que já no canal principal a granulometria dos sedimentos transportado pelo Rio Madeira seja de textura fina composta por 25% de argila, silte 60%, 12% de areia fina, 2,5% de areia média/grossa.
Tabela 1 – Localização e características das estações. (adaptado de Vauchel et al., 2017)
Estação Rio Latitude longitude Altitude Área de drenagem
(graus dec.) (graus dec.) (m) (Km2) (%)
El Sena Madre de Dios -11.4702 -67.2368 140 118 9
Cach. Esperanza Beni -10.5374 -65.5846 110 280 21
Guayaramerin Mamoré -10.8124 -65.3430 120 611 45
Porto Velho Madeira -8.7700 -63.9104 50 975 71
Neste estudo, o conjunto de dados reune três bases de informações. A primeira base é referente a dados radiométricos do sensor MODIS a bordo dos satélites TERRA e AQUA. Com uma resolução temporal de 2 a 8 dias e resolução espacial de 250 metros possui faixas na região do vermelho e infravermelho, sendo esta ultima faixa (865 nm) escolhida para observar a histerese. Os dados foram tratados nas plataformas GETModis e MOD3R criadas para extrair e identificar dados de reflctância de corpos d’água dos produtos MOD09Q1 e MYD09Q1 que são processados para melhor observação diária, durante um período de 8 dias, excelente para suprir dados em períodos com alta cobertura de nuvens (Robert et al., 2017, Santos et al., 2017). Estas imagens são fornecidas desde 2000 sendo esta particularidade útil para o resgate temporal do efeito histerese.
Os dados sobre a Concentração de Sedimentos em Suspensão e nível d’água foram extraídos da base do Obsevatório Hybam (http://www.so-hybam.org) pertencente ao Institut de Recherche et Development – IRD. Amostras de campo do Material em Suspensão - MES são obtidas a cada 10 dias desde 1995, nas 4 estações deste estudo e é considerada por Vauchel et al. (2017) como o conjunto de dados mais completo da bacia do rio Madeira. A terceira fonte de informação é oriundo de campanhas de campo em períodos específicos (Dezembro/Abril) para a compreensão da variabilidade dos parâmetros hidrossedimentológicos com técnicas de radiometria de campo baseado em protocolos usados por Santos (2015), Rodrigues T et al. (2015) Robert et al. (2017), CSS (Filizola & Guyot, 2011), granulometria (Pinet et al., 2017) e dados hidrológicos (Vauchel et al., 2017).
2.3 -
Índice de Histerese
Alguns trabalhos focado na relação entre as Concentrações de Sedimentos em Suspensão (CSS) e Vazão (Q) Evans & Davies (1998), Lawrer et al. (2006) e Minella et al. (2011) partem do principio de classificação da histerese apresentada por Williams (1989) que identificou e qualificou em cinco classes de curva que caracterizam a análise quantitativa. Para o autor, o sentido do laço é definido pela variável que cronológicamente antecipa seu pico, sendo que no caso do rio Madeira laço é horario, ou seja o pico da reflectância se antepõe a CSS.
Na literatura, relações do tipo CSS – Q e CSS – T são avaliados para serem relacionados com eventos (únicos) de precipitação e assim aferir sobre a origem do fenômeno da histerese, no entanto, pela resolução temporal da base de dados que é de 10 dias para MES e 8 para reflectância MODIS, os dados foram tratados para gerar média mensal anual e assim determinar o formato da relação entre as variáveis entre NIRMODIS/CSS, assim como os observados pelos autores que discutidos anteriormente. A fim de retirar eventos discrepantes oriundo da variável dependente (NIRMODIS), a distribuição da CSS foi particionada em intervalo de classes da variável
independente aplicou-se outliers. Por fim para testar a robustez entre as variáveis utilizou-se dos intervalos de confiança (α=95%) para aferir sobre o universo amostral do modelo.
O formato do laço de histerese pode ser quantificado a partir da metodologia apresentada por Lawler et al. (2006) que utilizou tal método para avaliar o nível de histerese entre a concentração de sedimentos e seu respectivo valor de vazão para eventos em pequenas bacias. A adaptação para as variáveis desta investigação faz com que o índice de histerese – IH seja obtido a partir da análise dos dados de CSS e reflectância e da construção do gráfico de CSS versus Rrs. Neste gráfico é possivel observar que na relação entre as duas variáveis é observado um ramo ascendente e outro decrescente, e a partir disso é preciso; primeiro, conhecer a CSS máxima – CSSmax e a CSS mínima - CSSmin do modelo, para calcular o valor central entre a CSSmax e CSSmin do ramo ascendente – CSScen do evento (Eq. 1).
(1)
(2)
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Como foi dito anteriormente, estudos de Espinoza Villar et al., (2013) e Pinet et al., (2017) detectaram que propriedades ópticas aparente (reflectâncias) e inerente (absorção de particulas não-algais) correspondente aos meses de enchente (novembro, dezembro, janeiro e fevereiro) são maiores que as detectadas durante o período de cheia (março, abril e maio) no rio Madeira. Considerando a figura 1 e a tabela 2 os resultados abaixo evidenciam que esse comportamento também ocorre nos principais tributários do rio Madeira.
A figura 1 mostra que o formato do laço no sentido horário na histerese ocorre pela antecipação do pico de reflectância, variando de 1 mês (entre janeiro e fevereiro) para os rios Mamoré e Madeira e de dois meses para os rios Madre de Dios (de novembro para janeiro) e Beni (de dezembro para fevereiro). Como ja enfatizado anteriormente, a combinação de grandes eventos convectivos oriundo da Zona de Convergência Intertropical varia com a orientação de norte, onde está situado a sub-bacia do rio Madre de Dios, cuja CSS e reflectância do ramo ascendente da histerese se iniciam antes das demais até a porção sul onde se encontra a parte alta da bacia do rio Mamoré, onde o pico só ocorre em janeiro.
De fato, isto sugere que a variação da amplitude das reflectâncias está diretamente ligado a concentração das particulas em suspensão, expressa aqui pela alternância da CSScentral, mas essa diferença entre as reflectâncias do R.a e R.D é que estão sujeitas a distribuição do tamanho das
relações entre CSS, Granulometria e reflectância em duas campanhas nos quatro rios estudados durante os meses de dezembro de 2015 (R.A) e Abril de 2016 (R.D). Para verificar aconsistência da reflectância entre dados MODIS e de campo com o espectrorradiometro RAMSES (TrIOS) Bernini
et al. (submited 2018) verificaram por meio da estatística a similaridade entre as variáveis,
obtendo um R2=0,92 para RrsNIR (865 nm).
Figura 1: Formato do laço de histerese para os rios Madeira (a), Beni (b), Mamoré (c) e Madre de Dios (d). Legenda do gráfico indica os meses de janeiro a dezembro (1 a 12) e as barras indicam a variação
média mensal.
De fato, isto sugere que a variação da amplitude das reflectâncias está diretamente ligado a concentração das particulas em suspensão, expressa aqui pela alternância da CSScentral, mas essa diferença entre as reflectâncias do R.a e R.D é que estão sujeitas a distribuição do tamanho das particulas. Com base nestes resultados, a terceira base de dados foi organizada para observar as relações entre CSS, Granulometria e reflectância em duas campanhas nos quatro rios estudados durante os meses de dezembro de 2015 (R.A) e Abril de 2016 (R.D). Para verificar aconsistência da reflectância entre dados MODIS e de campo com o espectrorradiometro RAMSES (TrIOS) Bernini
et al. (submited 2018) verificaram por meio da estatística a similaridade entre as variáveis,
obtendo um R2=0,92 para RrsNIR (865 nm).
Tabela 2 – Resultado das variáveis hidrossedimentológicas e da histerese para os pontos monitorados.
Rio REFmax REFmin CSSmax CSSmin CSScen REFac REFdec IH Madeira 0,14 0,05 889,82 65,75 477,79 0,12 0,09 0,29
Beni 0,15 0,07 1974,35 115,10 1044,67 0,11 0,10 0,11 Mamoré 0,12 0,04 444,76 59,11 251,93 0,08 0,07 0,19 Madre de Dios 0,12 0,07 1090,05 74,98 582,51 0,11 0,09 0,23
Assim, seguindo o exemplo de Landers & Sturms (2013) que normalizou dados de turbidez pela respectiva concentração para entender o efeito da distribuição do tamanho de particulas na histerese entre CSS – T, as reflectâncias de campo (Rrs) foram normalizadas pela CSS (Rrs/CSS) e correlacionadas com dados de granulometria correspondente. Landers & Sturms (2013) concluiram em seus resultados que a influência da distribuição do tamanho das particulas (PSD) não é constante em toda amplitude volumétrica, tendendo a aumentar nas frações mais finas. Da mesma maneira que Clavano et al. (2007), que por meio de resultados teóricos, detectaram que alterações no volume de particulas a 10 µm afetam significativamente o espalhamento e a absorção da luz assim como Pinet et al. (2017) identificaram com amostras de PSD do rio Madeira.
Figura 2: Esquerda - Relação entre dados de reflectância de sensoriamento remoto obtidas em campo com a respectiva Concentração de Sedimentos em Suspensão. Legenda = D50 (µm). Direita – Relação entre a
Reflectância de sensoriamento remoto normalizada pela CSS e a respectiva porcentagem de particulas menores que 15 µm.
A figura 2 mostra o resultados da base de dados obtido em campo com n=23 que inclue observações feitas nos 4 rios investigados. Mesmo para essa quantidade de evento amostral é possivel visualizar que uma relação de histerese entre a RrsNIR (865 nm) e respectiva CSS, sendo que enquanto o de D50 varia em torno de ±1 µm a Rrs oscila em ±0,01 Sr-1 para valores aproximados de CSS. Para este conjunto de dados foram observados o percentual do volume de particulas < 15 µm e o resultado mostrou que para o rio Madeira este percentual chega a 97% no período de dezembro e enquanto que o Beni e Madre de Dios abaixo de 70%.
Correlacionando este percentual com a reflectância normalizada é possivel observar (ver figura 2) um bom desempenho do R2 (0,70) indicando que o resultado apresentado é coerente com o da literatura, onde possivelmente a fração mais fina do PSD influência na quantidade do sinal refletido, gerando uma fonte de incerteza para as estimativas de CSS por meio de satélites. Embora a técnica de razão de bandas tenha atenuado este problema conforme ressalta Martinez
et al. (2015), o presente estudo demonstra que o processo de interação entre corpos d’água e
casos de águas continentais. Os estudos de corpos d’águas com predominância dos sedimentos em Suspensão como rios de “águas brancas” não estão isentos dessa reflexão.
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