Aplicação de sistema de análise de linha de costa (Digital Shoreline Analysis System) para avaliação de mudanças costeiras no delta do Parnaíba

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

APLICAÇÃO DE SISTEMA DE ANÁLISE DE LINHA DE COSTA

(DIGITAL SHORELINE ANALYSIS SYSTEM) PARA AVALIAÇÃO

DE MUDANÇAS COSTEIRAS NO DELTA DO PARNAÍBA

Autor:

Thiago Augusto Bezerra Ferreira

Orientadora:

Professora Dra. Helenice Vital

Dissertação nº 228/PPGG

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APLICAÇÃO DE SISTEMA DE ANÁLISE DE LINHA DE COSTA

(DIGITAL SHORELINE ANALYSIS SYSTEM) PARA AVALIAÇÃO

DE MUDANÇAS COSTEIRAS NO DELTA DO PARNAÍBA

Autor:

Thiago Augusto Bezerra Ferreira

Dissertação de mestrado apresentado no dia 07 de agosto de 2019, ao Programa de Pós-graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), como requisito à obtenção do título de Mestre em Geodinâmica e Geofísica, área de concentração Geodinâmica.

Comissão examinadora:

Profa Dra. Helenice Vital – Presidente/Orientadora (PPGG/UFRN) Prof Dr. Moab Praxedes Gomes (PPGG/UFRN)

Prof Dr. José Maria Landim Dominguez (UFBA)

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Dissertação de Mestrado desenvolvida na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica, tendo sido subsidiada pelos seguintes agentes financiadores:

• Auxílio de pesquisa CNPq: Margem Equatorial Brasileira: Da Fonte a Deposição (Processo nº311413/2016-1);

• Projeto Evolução Holocênica e dinâmica atual do Delta do Rio Parnaíba: resposta de um delta natural às mudanças climáticas e à subida do nível do mar (88881.068034/2014-01, CAPES CSF-PVE 2014 3ª chamada)

• INCT Amb Tropic – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia “Ambientes Marinhos Tropicais” (Heterogeneidade Espaço-Temporal e Respostas a Mudanças Climáticas (CNPq – FAPESB – CAPES).

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I

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos são devidos à Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), através do Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG), Departamento de Geologia e laboratório de Geologia e Geofísica Marinha e Monitoramento Ambiental (GGEMMA) pela disponibilização da infraestrutura necessária a elaboração deste trabalho.

Aos órgãos financiadores CAPES e CNPq, através da bolsa de mestrado (CNPq, cota PPGG), e projetos: Evolução Holocênica e dinâmica atual do Delta do Rio Parnaíba: resposta de um delta natural às mudanças climáticas e à subida do nível do mar (88881.068034/2014-01, CAPES CSF-PVE 2014 3ª chamada); Auxílio de pesquisa CNPq – Margem Equatorial Brasileira: Da Fonte a Deposição (Processo nº311413/2016-1, Chamada CNPq nº. 12/2016); INCT AmbTropic – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia “Ambientes Marinhos Tropicais” (Heterogeneidade Espaço-Temporal e Respostas a Mudanças Climáticas (CNPq – FAPESB – CAPES).

À Administração Oceânica e Atmosfera Nacional dos Estados Unidos (NOAA), Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS), à Agência Nacional de Águas (ANA), Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) pela disponibilização dos dados gratuitos da temperatura do oceano pacífico, imagens de satélite e dados hidro climáticos no Delta do Rio Parnaíba.

À professora Dra. Helenice Vital, pela oportunidade de ingressar no laboratório do GGEMA desde 2014, por sua orientação acadêmica e incentivo desde então.

Aos meu coorientador Dr. André Giskard Aquino da Silva e meu amigo Dr. Yoe Alain Reyes Perez pelas correções, sugestões e discussões acerca do mestrado. A ajuda dos senhores foi fundamental para o término dessa dissertação.

A todos os membros do laboratório GGEMMA pelo companheirismo e discussões geológicas, em especial a Francisco Nicodemos, Arthur Gerrad, João Paulo, Khallil Bowl, Carla Gabriela, Miguel Maestro e Fernando Smith.

À minha família, composta por Tânia Maria (mãe), Genibaldo Rodrigues (pai), Thalis Igor (irmão), Kaline Lígia (namorada) e Rocky Balboa (cachorro) pelo amor, carinho e incentivo que me proporcionaram durante toda a minha vida.

Aos meus amigos, Matheus Pessoa, Caroline Pessoa, Breno Silva, Marcela Souza e Vinicius Gaino, pelo apoio, companheirismo e pelas noites de jogos.

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II

RESUMO

As zonas costeiras são ambientes transicionais, nos quais ocorrem mudanças ininterruptas em diferentes escalas temporais e espaciais, as quais estão relacionados os processos oceanográficos, fluviais, climáticos e antropogênicos. O monitoramento contínuo desse ambiente pode auxiliar na compreensão da distribuição espacial dos riscos de erosão, predizendo sua tendência de desenvolvimento, facilitando assim, a tomada de decisões mitigadoras e adaptadoras. O principal objetivo do trabalho foi analisar a evolução temporal das praias situadas no delta do Parnaíba, em curtas (anos) e intermediarias (décadas) escalas temporais, e discutir as principais mudanças, por meio da utilização de imagens de satélites, técnicas de sensoriamento remoto, de sistema de informação geográfica e métodos estatísticos. Os resultados revelaram que, em uma escala intermediária de tempo (1984 a 2017), 52% do litoral do delta do Rio Parnaíba sofreu erosão costeira, enquanto que 48% experimentaram uma progradação de sedimentos. Majoritariamente a erosão ocorre a oeste da desembocadura do Rio Parnaíba (setores III e IV), enquanto que a deposição e estabilidade, prevaleciam no lado leste (setores I e II). Já em uma curta escala temporal, o delta experimentou 6 períodos de erosão e 5 de progradação, relacionados aos efeitos do El Niño e La Niña. Devido a pequena influência antrópica na região, ilustrado pela baixa densidade populacional na sua zona costeira, crescimento da área de manguezais, pouca extração de areia e argila no delta e apenas a construção de uma barragem em todo curso fluvial do seu rio, sugere-se que a condição de desenvolvimento natural seja o fator responsável pela estabilidade a curto/intermediário prazo da linha de costa. Ademais, altos e positivas valores de correlações de Pearson e de determinação indicam que, possivelmente, a ação hidro climática (pluviosidade e descarga fluvial) na bacia de drenagem controlam o comportamento da linha de costa.

PALAVRAS CHAVE: Delta do Rio Parnaíba; Sensoriamento remoto; Digital Shoreline

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III

ABSTRACT

The coastal zone are transitional environments, where continuous changes at different temporal and spatial scales occur, which are related to several processes such as oceanographic, fluvial, climatic and anthropogenic. Continuous monitoring of this environment provides essential information for understand the spatial distribution of erosive/depositional patterns, hence, its development. The main objective of this research was to investigate the Parnaiba River Delta’s (PRD) shoreline behavior, at short and intermediate time scale, between 1984 and 2017, through 12 Landsat satellite imagens and statistical software (Digital Shoreline Analisys System). At intermediate scale, the results showed that 52 % of PRD’s beaches are under shoreline retreat, while 48% exhibited progradation. At short intervals, shoreline variations are directly related to the climatic hydro influence in the drainage basin, specifically with the El Niño and La Niña effects. On both time scales, major erosion trend occurred away from Parnaiba River mouth and predominantly on the west side of the delta, while deposition, or stability, prevailed on the east side. Due to lower anthropogenic impacts, both on coastal zone and the drainage basin area, the natural factors, mainly river discharge and rainfall trends, are likely to be main driving forces of shoreline changes between 1984 and 2017

KEYWORDS: Remote Sensing; Parnaíba River Delta; Digital Shoreline Analysis;

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IV

LISTA DE FIGURAS

Figura 2-1: Variações na propagação das ondas por meio dos efeitos da refração e difração. (a), irregularidades no fundo ocasionam diferentes trends de ondas, convergindo as de maior energia para as regiões protuberantes (promontórios e cabos), enquanto os locais com reentrâncias (enseadas) divergem ondas de menor energia; (b) o obstáculo, representado pelo banco de areia, induz as ondas centrais a quebrar antes dos extremos. Logo na região central haverá maior dissipação de energia e consequentemente maior deposição de sedimento do que nas

extremidades. ... 5

Figura 2-2: Classificação das marés. (a) De acordo com sua frequência; (b) de acordo com sua amplitude; (c) de acordo com a influência lunar. ... 6

Figura 2-3: Obras de engenharia que afetam diretamente os processos oceanográficos na zona costeira. De [a] até [c] têm as estruturas rígidas (“hard”) construídas paralelamente a costa, enquanto em [d] tem-se as estruturas rígidas implementadas de forma paralela ao litoral. Por fim, em [e] há a exemplificação da engorda de praia, uma técnica que imita a natureza (“soft”). ... 9

Figura 2-4: Obtenção de imagens por sensoriamento remoto. Em (a) uma fonte natural ou artificial emite energia na forma de radiação eletromagnética para a superfície terrestre. Essa energia é refletida (b) e captada para o satélite/sensor, que transforma a energia em sinais elétricos e transmitem as informações para as estações. Em (c) a estação transforma esse sinal elétrico em sinal digital. ... 10

Figura 2-5: Aplicações das técnicas de sensoriamento remoto em distintas etapas ambientais (monitoramento, prevenção, mitigação e avaliação) para diferentes problemas ambientais (poluição e geohazards) e socioeconômicos (uso e ocupação do mar e da terra). ... 12

Figura 2-6: Integração entre imagem de satélite e big data para análise vulnerabilidade costeira ao redor do mundo. Em (a) tem-se a percentagem de praias arenosas, enquanto que (b) tem relata a taxas de erosão e progradação dessas praias entre 1984 a 2016. Os hotspots erosionais estão indicados em vermelho. Já as taxas de progradação estão visualizadas em verde. ... 15

Figura 2-7: Evolução das bandas espectrais, do programa Landsat, ao longo do tempo ... 16

Figura 3-1: Localização do Delta do Rio Parnaíba (DRP). ... 17

Figura 4-1: Fluxograma das atividades desenvolvidas na presente dissertação. ... 22

Figura 4-2: Escolha da resolução espacial e temporal de acordo com o estudo ambiental. O satélite Landsat é adequado para os estudos de uso e cobertura da terra, em que se incluem a variação da linha de costa. ... 25

Figura 4-3: Histograma do Índice MNDWI (XU et al, 2006). No MNDWI, os pixels de água, juntamente com os de sedimento molhados irão apresentar valores de reflectância maiores do zero, enquanto que os demais pixels exibirão valores negativos. ... 28

Figura 4-4: Estatísticas dos pixels de interesse da área de estudo. Em [a] tem-se uma imagem Landsat 5 TM, de composição RGB 432, no qual foram coletados dados estatísticos das principais feições. Em [b] tem-se a análise desses pixels, mostrando que os sedimentos quartzosos da praia apresentam uma reflectância máxima na banda MIR, enquanto que os pixels de água obtiveram uma absorção máxima, como proposto por XU (2006). Já na banda verde (green), os pixels de água apresentam uma máxima reflectância. ... 29

Figura 4-5: Resumo do aplicativo DSAS. [a] disposição dos arquivos vetoriais (Linha de base, transectos e Linha de costa) para utilização de forma correta do programa. O método WLR [b.1] utiliza todas as linhas de costa, juntamente com suas possíveis incertezas, para realizar a variação da linha de costa por meio de uma regressão linear. [b.2] o resultado é expresso por uma equação Y= aX + b, no qual o valor de a indica se a região teve acresção ou erosão. A regressão fornece um coeficiente de determinação (WLR²), que indica o quanto o modelo consegue explicar o resultado. Por fim, o método EPR faz a variação temporal da LC utilizando apenas a mais recente e a mais antiga. ... 34

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V

Figura 5-1: Médias anuais e mensais, entre 1984 – 2017, acerca da pluviometria (a) e (b), número de dias chuvosos (c) e (d) e vazão do rio (e) e (f). Os itens (i) e (h) representam os coeficientes de pearson e de determinação. ... 36 Figura 5-2: Diagrama Roseta no Delta do Parnaíba, mostrando a variação da direção e da intensidade dos ventos ao longo dos meses... 38 Figura 5-3: Médias mensais, em diferentes períodos de tempo no delta do Parnaíba, acerca da pluviometria (a), vazão do rio (b) e intensidade dos ventos (c). ... 40 Figura 5-4: Classificação dos transectos do setor I a partir do método WLR(a) e WLR²(b) ... 43 Figura 5-5: Classificação dos transectos do setor I com base no método EPR durante os anos de 1995 – 1999 [a] e 2007 – 2009 [b]. ... 44 Figura 5-6:Classificação dos transectos do setor II a partir do método WLR(a) e WLR² (b) ... 45 Figura 5-7: Classificação dos transectos do setor II com base nos métodos WLR, no decorrer dos anos de 1987 -2017 [a] e EPR durante os anos de 1995 – 1999 [b] e 2007 – 2009 [c]. ... 46 Figura 5-8: Classificação dos transectos do setor II a partir do método WLR(a) e WLR² (b) .... 48 Figura 5-9: Classificação dos transectos do setor III com base nos métodos WLR, no decorrer dos anos de 1987 -2017 [a] e EPR durante os anos de 1995 – 1999 [b] e 2007 – 2009 [c]. ... 49 Figura 5-10:Classificação dos transectos do setor IV a partir do método WLR ... 50 Figura 5-11: Classificação dos transectos do setor IV com base nos métodos WLR, no decorrer dos anos de 1987 -2017 [a] e EPR durante os anos de 1995 – 1999 [b] e 2007 – 2009 [c]. ... 51 Figura 5-12: Valores EPR em curtos períodos de tempo no Delta do Rio Parnaíba. ... 54 Figura 5-13: Correlação de pearson e de determinação entre Linha de costa com a pluviometria (a) e (c) e com a fluviometria (b) e (d). Notem que os coeficientes são maiores quando se utiliza a mediana ao invés da média, pois o mesmo exclui valores extremos na análise estatística. ... 55 Figura 6-1: Erros associados às variações de maré (a,b,c) e à sazonalidade da praia (d,e,f). Desconsiderar esses fatores podem incluir ao modelo estatístico erros entre dezenas a centenas de metros. ... 60 Figura 6-2: Ilustração esquemáticas de interações simplificadas entre a foz do delta e as variáveis oceanográficas (ondas e correntes longitudinais) sob alto escoamento fluvial (a) e baixo escoamento (b) A forte influência do rio (a) é expressa por processos de refração das ondas e a formação de uma corrente longitudinal local, resultando na formação de uma barra de desembocadura e na migração de um spit na direção contrária a da corrente litorânea. (b) Durante os baixos escoamento fluviais, ocasionado por atividades humanas ou climáticas (efeito ENSO), as forçantes oceanográficas irão prevalecer, retrabalhando os sedimentos da desembocadura, ocasionando assim, uma intensa erosão. ... 62 Figura 6-3: Evolução da linha de costa ao longo do tempo. (a) localização dos setores II e III. (b) Refração do trends das ondas devido ao efeito hidráulico e um possível cordão arenoso submerso. A influência da barreira hidráulica e de um possível cordão submerso nos trends. (c) Formação e o preenchimento da barra de desembocadura (praia da Barra das Canárias) quanto a migração do spit na direção contra a deriva litorânea. Em anos de intensa vazão e pluviometria, a foz do rio Parnaíba age como uma barreira hidráulica, favorecendo a deposição de barras de desembocadura. Observar que a desembocadura do delta do Parnaíba age de acordo com o modelo proposto por Anthony (2015), representado na figura 6-2 ... 63 Figura 6-4: Dados de análise multivariada do índice ENSO (a), pluviometria e descarga fluvial (b) e variação da linha de costa em curtos intervalos de tempo no Delta do Rio Parnaíba (c). Observar que há uma relação entre o aquecimento do oceano pacifico (efeito El Niño) com a diminuição da pluviometria na bacia de drenagem, causando tanto uma diminuição na descarga fluvial e consequentemente erosão na linha de costa na área de estudo. O processo inverso também pode ser observado. ... 66 Figura 6-5: Evolução da linha de costa ao longo do tempo. (a) localização dos setores III e IV. (b) Efeito da corrente longitudinal no setor III, em que há uma clara migração dos sedimentos da

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VI

assim, um aumento tanto na largura da praia. (c) Influência das ondas e marés no setor IV. Entretanto, se houver a predominância das correntes longitudinais, os bancos de areia tendem a se posicionar no interior dos canais de maré e serão transportados na direção da preferencial das ondas e da própria deriva litorânea. ... 69 Figura 6-6: Processos de refração e difração das ondas nas (b) praias da pedra do Sal (Setor I) e (c) na praia do Itaqui (Setor ). Mudanças na orientação da linha de costa ou a presença de promontórios rochosos irão gerar mudanças na propagação das ondas, ocasionando assim, dispersão de sedimentos (progradação) a updrift e erosão a downdrift. ... 71 Figura 6-7: Movimentação dos campos de dunas. Em (b) nas proximidades da cidade de Parnaíba (Setor II) e em (c) nas proximidades de Luís Correia. Apesar de não ter sido o foco do trabalho, notou-se que os campos de dunas migraram, em direção ao continente, entre 300 a 700 metros entre 1984 a 2017.Também é notado que houve um aumento dos campos de dunas nos dois setores analisados, indicando que o vento pode ser um importante agente erosivo na área estudada. .... 73 Figura 6-8: Dados históricos mostrando que a Barragem de Boa Esperança não influencia tanto no transporte sedimentar a zona costeira (a) e a visualização das principais empreendimentos de extração de areia e argila no baixo curso fluvial do Rio Parnaíba (b). ... 75 Figura 6-9: Taxas de crescimento populacional na zona costeira do Delta do Parnaíba ... 76 Figura 6-10: Visualização do porto de Luís Correia. Com a construção desse tipo de obra, os sedimentos transportados pela deriva litorânea são bloqueados, causando uma progradação a downdrift (Praia do Atalaia – Setor I). As letras (b) e (c) demonstram exatamente isso. Mesmo com o bloqueio dos sedimentos, a os transectos iniciais da praia da Eólica ainda conseguem ter uma progradação sedimentar, pois ela é alimentada diretamente pelo Rio Igaraçu. O item (d) é a concentração de sedimento em suspensão (mg/l), estimada por meio de técnicas de processamento digital. Ela indica que há uma grande quantidade de sedimento em suspensão tanto nos transectos iniciais da praia da eólica quanto próximo da praia do Atalaia, corroborando com as ideias propostas. Também é notado que mesmo com o aumento da urbanização próximo a orla do setor I (ver figuras b e c), a linha de costa se manteve relativamente estável com o passar do tempo. 77 Figura 6-11: Comparação do delta do Parnaíba com diferentes deltas e praias espalhados ao redor do globo terrestre em termos de (a) descarga fluvial, (b) carga anual de sedimentos, (c) área da bacia de drenagem, (d) variação da linha de costa e (e) densidade populacional. ... 80

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VII

LISTA DE TABELAS

Tabela 4-1: Aquisição das imagens de satélite com as respectivas datas, horário de aquisição e erros. Ep: Erro de processamento; Er: Erro de retificação. Et: Erro total ... 24 Tabela 4-2: Comparação entre os valores dos pixels por meio do Processamento topo atmosfera e Dark Object Substracion. Note que os pixels obtidos pelo DOS são menores, pois parte do espalhamento atmosférico foi retirado. Os dados extraídos foram obtidos a partir da imagem Landsat de 2007 e os pontos de coleta podem ser visto na imagem 4-3. ... 27 Tabela 4-3: Compilado dos principais métodos estatísticos do Digital Shoreline Analysis (DSAS) ... 31 Tabela 5-1: Dados estatísticos de todos os setores situadas no Delta do Parnaíba ... 41 Tabela 5-2: Tabela 5 1: Dados estatísticos de todas as praias situadas no Delta do Parnaíba .... 41 Tabela 5-3: Dados referentes a taxa de regressão linear pluviométrica, fluviométrica, variação da linha de costa pelo método EPR (média e mediana) e percentagem de erosão e acresção no Delta do Rio Parnaíba em curtos intervalos de tempo. ... 52 Tabela 5-4: Taxas de EPR (média e mediana) nos setores do delta do Parnaíba ... 53

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VIII

LISTA DE SIGLAS

ANA – Agência Nacional de Águas

BDMEP - Banco Histórico de Dados Meteorológicos para Ensino e Pesquisa DN -Digital Numbers

DOS – Dark Object Substraction DRP – Delta Rio Parnaiba

DSAS – Digital Shoreline Analisys System ED – Erro de Digitalização

EM – Erro de Marpe

ENSO – El Niño Oscilação Sul EP -Erro de pixel

EPR - End Point Rate ER – Erro de retificação

ES – Erro de Sazonalidade

IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística INMET - Instituto Nacional de Meteorologia

MNDWI – Modified Normalized Difrerence Water Index NDWI – Normalized Difference Water Index

RMSE –

RP – Rio Parnaíba

WI2015 – Water Index 2015

WLR - Weighted Linear Regression WLR² - R²squared

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IX

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 1

2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 4

2.1 Processos costeiros ... 4

2.2 Uso de imagens multiespectrais para monitoramento da zona costeira. ... 9

3 ÁREA DE ESTUDO ... 17

3.1 Localização ... 17

3.2 Aspectos climáticos, oceanográficos e fluviais ... 18

3.3 Geologia e Geomorfologia ... 19

3.4 Vulnerabilidade costeira ... 21

4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 22

4.1 Aquisição dos dados hidro climáticos ... 23

4.2 Aquisição das imagens de satélite ... 23

4.3 Pré-Processamento ... 25

4.3.1 Georreferenciamento das imagens ... 25

4.3.2 Correção Atmosférica ... 25

4.4 Delimitação da linha de costa ... 27

4.5 Análise de Incertezas ... 29

4.6 Quantificação da linha de costa a partir uso do Digital Shoreline Analisys (DSAS) .. 31

5 RESULTADOS ... 35

5.1 Análise Climatológica ... 35

5.2 Análise das Linhas de Costa entre 1984 – 2017 e em alguns períodos individuais .... 40

5.2.1 Análise Global ... 40

5.2.2 Setor I ... 42

5.2.3 Setor II ... 44

5.2.4 Setor III ... 47

5.2.5 Setor IV ... 49

5.3 Variabilidade temporal entre a Linha de costa e as variáveis hidroclimáticas ... 51

6 DISCUSSÕES ... 57

6.1 Aplicação de Métodos estatísticos e de Sensoriamento remoto para análise da morfodinâmica costeira ... 57

6.2 Principais influências na linha de costa ... 60

6.2.1 Fatores hidro climáticos ... 60

6.2.2 Influência das ondas, ventos, marés e correntes ... 68

6.2.3 Fatores antrópicos ... 73

7 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 81

8 BIBLIOGRAFIA ... 84

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FERREIRA, T.A.B (2019) INTRODUÇÃO

1 INTRODUÇÃO

As zonas costeiras estão entre as áreas mais povoadas no mundo devido à sua importância comercial, industrial, logística, agrícola, recreativa, estética, etc.(Beatley et al. 2002; Anthony 2015; Luijendijk et al. 2018). Atualmente, mais de 2 bilhões de habitantes (25% da população mundial) vivem a 100 km dessa região, o que representa três vezes mais densidade populacional global (Nicholls et al. 2007).

Nos últimos anos, 70% da costa mundial está suscetível à erosão e inundação costeira (Nicholls et al 2007), devido à diminuição do aporte sedimentar, seja pela edificação de barragens ou mineração de areia e argila (Anthony et al. 2015; Ghoneim et al. 2015; Kong et al. 2015; Dada et al. 2018). subsidência (Mentaschi et al, 2018), estruturas costeiras construídas pelo homem (Luijendijk et al. 2018), desflorestamento de manguezais (Corbau et al. 2019), conversão de áreas naturais em terrenos urbanos (Kuleli et al. 2011) aumento do nível do mar (Nicholls e Cazenave 2010), fenômeno El Niño-Oscilação Sul (Martínez et al. 2018), resultando em prejuízos socioeconômicos a e ambientais. O monitoramento contínuo desse ambiente pode auxiliar na compreensão da distribuição espacial dos riscos de erosão, predizendo sua tendência de desenvolvimento, facilitando assim, a tomada de decisões mitigadoras e adaptadoras por parte dos gestores costeiros (Ouellette and Getinet 2016; Luijendijk et al. 2018; Qiao et al. 2018)

Para o monitoramento da zona costeira, o estudo acerca da linha de costa é de suma importância. A linha de costa, definida como o limite entre a interface da terra e água (Dolan et al 1980), é considerado como um sistema geomorfológico bastante dinâmico, no qual ocorrem mudanças ininterruptas em distintas escalas temporais (Boak and Turner 2005; Bird 2008; Del Río et al. 2013). De acordo com os autores acima, em curta escala de tempo (minutos a meses), tais mudanças estão diretamente relacionadas com a ação das ondas, tempestades, marés, correntes, enquanto em largas escalas temporais (séculos e milênios), as variações do nível relativo do mar, climáticos, glaciações e tectonismo são os fatores predominantes. Por fim, em uma escala intermediária (anos a décadas), os fatores são mais complexos e inter-relacionados, incluindo tanto as causas naturais quanto as antropogênicas. Dentre estas causas, destacam-se a capacidade e competência dos rios, as barreiras hidráulicas na desembocadura do delta, construção de estruturas rígidas de proteção costeira (e.g. molhes, quebra-mares, espigões), a ocupação da zona costeira, etc.

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Técnicas de sensoriamento remoto, como fotografias aéreas, vídeo monitoramento, satélites ópticos, LIDAR e drones são úteis para monitorar as áreas costeiras em escalas espaciais e temporais adequadas (Gens 2010). Dentre todas essas técnicas, os satélites ópticos de média resolução, tais como o Landsat e Sentinel, têm sido amplamente utilizados para monitorar mudanças na linha costeira, em escala intermediária de tempo, devido à sua moderada resolução espacial e espectral, baixo custo financeiro e capacidade de aquisição de dados em grandes áreas e de difíceis acessos, a cada 18 a 5 dias (Ouellette e Getinet 2016; Hagenaars et al. 2018). Estudos prévios (Hagenaars et al. 2018; Pardo-Pascual et al. 2018) comprovaram a eficiências dos satélites Landsat e Sentinel para determinar a posição da linha costeira através da comparação de observações in situ, obtidos por dados de GPS-RTK. De acordo com os autores acima, a precisão da linha costeira depende da inclinação da praia, resolução dos pixels, presença de nuvens, pixels das ondas e erros de georreferenciamento.

Nesta última década, vários estudos foram feitos para quantificar a mudança da linha de costa em ambientes deltaicos e/ou estuarinos ao longo do planeta, como no delta do Niger (Dada et al. 2018), Nilo (Ghoneim et al. 2015), Po (CORBAU et al. 2019) Manahadi (Mukhopadhyay et al. 2018), Mekong (Anthony et al. 2015) e Amarelo (Kong et al. 2015). Todos estes estudos demonstraram que está ocorrendo a retração da linha de costa, no qual o fator antropogênico está envolvido de forma direta e decisiva. Diferentemente destas regiões, o Delta do Rio Parnaíba, localizado na região nordeste do Brasil, não apresenta graves intervenções humanas, tendo apenas uma pequena barragem ao longo do seu curso fluvial (Bento Gonçalves) que não afeta tanto a distribuição de sedimentos para a zona costeira (AQUINO DA SILVA et al. 2015a). Ademais, a zona costeira apresenta um baixo adensamento populacional, menor do que 70 habitantes/km² (IBGE, 2016), grandes áreas florestais não cultivadas (DE PAULA FILHO et al. 2015) Desta forma, quaisquer variações da linha de costa possivelmente estão diretamente relacionadas aos processos naturais (e.g. oceanográficos, fluviais, climáticos).

Neste contexto, os principais objetivos desta dissertação são examinar a evolução temporal das zonas situadas próximas ao Delta do Rio Parnaíba, entre 1984 a 2017, por meio das utilizações de imagens de satélite e técnicas de Sistema de Informações Geográficas (SIG), bem como analisar e discutir as principais causas das mudanças ocorridas neste intervalo de tempo. Como objetivos específicos, tem-se: (a) realizar processos digitais de imagens para corrigir erros induzidos nas imagens de satélite, (b)

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bibliográficos, que mais se identifique com a área de estudo, (c) determinar as regiões de erosão, progradação e estabilidade no delta do Parnaíba, (d) comparar sua situação com alguns deltas ao redor do mundo e (e) relacionar suas mudanças da linha costa a partir da compilação dos resultados e de outros trabalhos científicos publicados.

Para alcançar estes objetivos foram adquiridas doze (12) imagens de satélite Landsat, correspondendo ao período entre 1984 a 2017, com intuito de extrair a linha de costa de forma automática e, a partir do software Digital Shoreline Analisys (DSAS), delimitar os locais que apresentam hotspots de erosão e acresção sedimentar.

A presente dissertação de mestrado está estruturada em oito capítulos, sendo o primeiro a introdução. O capítulo dois, denominado de referencial teórico, debate os processos costeiros e a utilização de imagens de satélite multiespectrais para o monitorar a evolução espaço-temporal da linha de costa. No capítulo três é descrita a área de estudo, informando os domínios geológicos, geomorfológicos, climáticos, hidrodinâmicos e oceanográficos.

O quarto capítulo, por sua vez, aborda a metodologia utilizada nessa dissertação, relatando os critérios utilizados para a aquisição dos dados hidro climáticos e das imagens de satélites, as etapas de pré-processamento das imagens, métodos automáticos para extração da linha de costa, análise de incertezas e quantificação da linha de costa por meio do uso do DSAS

No capítulo cinco, é exposto à evolução da linha de costa da área de estudo durante os diferentes intervalos de tempo propostos na metodologia, identificando os principais locais de erosão e acresção. O sexto capítulo corresponde as discussões, no qual é debatido a variação da linha costa do Delta do Rio Parnaíba com os processos oceanográficos, hidro climáticos e antrópicos. Ademais, é feito uma comparação da estabilidade do Delta do Rio Parnaíba com diversas regiões espalhadas pelo globo terrestre. No sétimo, é retratado as conclusões da dissertação, no qual é feito um resumo dos resultados obtidos, sua validade e possíveis direcionamentos metodológicos para investigações futura.

Por fim, em anexo, está a submissão do artigo cientifico, intitulado deThe use of Digital Shoreline Analysis System (DSAS) to assess Parnaíba Delta (NE,Brazil) short-term morphodynamics conditions, para revista Geo-Marine Letters, seção: From the Coastal Zone to the Deep Sea, . A submissão do artigo é um dos pré-requisitos necessários para obtenção do grau de mestre pela PPGG/UFRN

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FERREIRA, T.A.B (2019) REFERENCIAL TEÓRICO

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Processos costeiros

A zona costeira compreende ambientes dinâmicos e transitórios, no qual ocorrem modificações em diversas séries temporais, de segundos a milênios, relacionados aos processos oceanográficos (ondas, correntes, maré), eólicos, fluviais, climáticos (eventos extratropicais, ENSO, variação do nível do mar), geotectônicos e antrópicos (Boak e Turner 2005; Bird 2008; Del Río et al. 2013). De acordo com esses autores, quando há uma maior quantidade de materiais retirados do que ganhos na zona costeira, durante essas séries temporais, diz-se que o ambiente sofreu um processo de erosão costeira.

As ondas têm papel fundamental na morfologia costeira devido sua capacidade de transportar e remobilizar grandes quantidades de energia e massa ao litoral (Beatley et al. 2002) A intensidade com que as ondas afetam o transporte sedimentar depende de vários fatores, tais como o seu comprimento de onda (λ) e o perfil da praia. No momento em que as ondas ultrapassam profundidades inferiores a metade de λ, elas começam a interagir com o fundo, remobilizando e transportando os sedimentos. Já do ponto de vista do perfil da praia, quanto maior o seu declive, as ondas irão quebrar diretamente na fácies de praia, fomentando maior energia e maior retirada de sedimentos (Silva et al, 2004). Variações na propagação da onda, quanto a sua frequência, altura e ângulo de incidência, são originadas por irregularidades na topografia e/ou presença de obstáculos, ocasionando modificações no transporte de sedimento ao longo da costa, por meio dos efeitos de refração, difração e reflexão da onda (Fig.2-1) (Bird 2008)

A depender do seu ângulo de incidência sobre a linha de costa, diferentes categorias de correntes são geradas. As correntes longitudinais (longshore currents), ocorrem quando a onda quebra obliquamente a linha de costa, sendo a responsável por movimentar, retrabalhar e distribuir os sedimentos paralelamente a linha costeira (Bird 2008). A interrupção da corrente longitudinal, através da construção de espigões e/ou outras obras costeiras, têm gerado desequilíbrio sedimentar em várias praias e deltas do mundo, fazendo que grande parte dos sedimentos se acumule no obstáculo, ocasionando intensa erosão em outros setores (Komar 2012). As correntes de retorno (rip currents), desenvolvem-se quando as ondas se aproximam paralelamente a linha costeira, no qual será criado células de circulação costeira, transportando os sedimentos para antepraia (nearshore zone) e costa afora (offshore zone) (Silva et al, 2004).

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Figura 2-1: Variações na propagação das ondas por meio dos efeitos da refração e difração. (a), irregularidades no fundo ocasionam diferentes trends de ondas, convergindo as de maior energia para as regiões protuberantes (promontórios e cabos), enquanto os locais com reentrâncias (enseadas) divergem ondas de menor energia; (b) o obstáculo, representado pelo banco de areia, induz as ondas centrais a quebrar antes dos extremos. Logo na região central haverá maior dissipação de energia e consequentemente maior deposição de sedimento do que nas extremidades.

Fonte: Adaptado de Bird (2008)

As marés são originadas pela combinação da atração gravitacional entre a terra, lua e sol e pelas forças tangenciais não compensadas, relacionadas movimentos de rotação em torno do centro de massa do sistema sol-terra-lua (Silva et al, 2004).

Durante um ciclo lunar podem ser registrados diferentes ciclos de maré (Fig.2-2a). Conforme relatado por Davidson-Arnott (2010), as marés diurnas ocorrem principalmente ao longo da costa da antártica e do oceano índico, sendo caracterizadas por apresentar uma preamar e uma baixa mar. Já as marés semi-diurnas, localizadas preferencialmente ao longo da costa do Atlântico e do Ártico, apresentam duas baixa-mares e duas preabaixa-mares. Por fim, também existem as marés mistas, comuns no Norte do Pacifico, que envolvem variações desses dois extremos.

O efeito conjugado da atração gravitacional do sol também exerce modificações significativas nas amplitudes de maré (Fig.2-2c), sendo responsáveis pelas variações observadas entre as marés de sizígia (spring tides) e as marés de quadratura (neap tides) (Silva et al, 2004). As primeiras ocorrem em períodos de lua nova ou cheia, quando o sistema terra-lua-sol está em conjunção, acarretando na maior energia das marés,

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enquanto que as marés de quadratura transcorrem na fase minguante e crescente da lua. Além das classificações com base na sua frequência e influência do sol e da lua, as marés podem ser classificadas de acordo com a amplitude da maré de sizígia (Fig.2-2b).

Figura 2-2: Classificação das marés. (a) De acordo com sua frequência; (b) de acordo com sua amplitude; (c) de acordo com a influência lunar.

Fonte: Adaptado de Davidson Arnott, 2010.

O vento desempenha um papel de grande importância na modelagem costeira por ser um dos componentes responsáveis pela geração e sustentação das ondas. Variações na sua intensidade, distribuição e/ou na sua direção afetem diretamente a circulação hidrodinâmica costeira (Woodroffe, 2002). Como um mecanismo de transporte, o vento, a depender da sua direção, tem velocidade suficiente para transportar areia e argila da praia até a pós-praia, formando os campos de dunas.

Os rios, em ambientes deltaicos, são considerados como as principais fontes de sedimentos para a zona costeira, no qual o sedimento é transportado do montante até a foz pelo curso fluvial e canais tributários, sendo retrabalhados na linha de costa pela ação das ondas e correntes (Bird 2008). De acordo com este autor, a natureza, granulometria e

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que afloram ao longo da bacia de drenagem. Ademais, outros fatores, tais como o declive do terreno, o vigor do escoamento da água pluvial e/ou derretimento de neve, a cobertura vegetal e o uso e ocupação do solo, também influenciam diretamente o volume de sedimentos que chegam a zona costeira (Syvitski e Milliman 2006; Milliman e Farnsworth 2011)

Mais do que apenas fornecer sedimentos a linha de costa, altos fluxos contínuos dos rios, em ambientes deltaicos, podem ocasionar o efeito de molhe (hydraulic groyne effect), cuja consequência será a refração das ondas e o bloqueio da corrente de deriva litorâneas nas proximidades da desembocadura deltaica, favorecendo a formação e acumulação de barras de desembocadura e migração de pontais arenosos (“spits”) em contra deriva. (Bhattacharya e Giosan 2003; Anthony 2015)

O evento El Niño Oscilação Sul (ENSO) é um fenômeno associado ao aquecimento anormal da Temperatura da Superfície do Mar (TSM) concomitantemente com a diminuição dos ventos alísios na região do Pacífico Equatorial, entre a costa peruana e a costa oeste australiana. Este fenômeno afeta diretamente o nível médio do mar, o clima de ventos e ondas, a frequência e intensidade nos eventos de tempestades, na pluviosidade, na descarga fluvial e na distribuição de sedimentos (Woodroffe, 2002). No Brasil, durante esse evento, é perceptível o incremento da pluviosidade nas regiões sul e sudeste, enquanto que há uma diminuição drástica nas regiões do Norte e do Nordeste. O La Niña, no que lhe concerne, é o evento oposto ao ENSO.

As tempestades extratropicais também são consideradas como agentes modificadores da geomorfologia e dos ecossistemas costeiros, uma vez que são responsáveis por provocar chuvas torrenciais, inundações, ventanias e aumento da frequência e da altura das ondas (Beatley et al, 2002).

A ação antrópica está relacionada com a influência humana diretamente e/ou indiretamente na zona costeira, sendo capaz de alterar cada um dos processos acima (Beatley et al, 2002). Segundo Souza et al (2005) a conversão de terrenos naturais da planície costeira em áreas urbanas (praias, dunas, manguezais, planícies fluviais e/ou lagunares) eliminam os estoques sedimentares da zona costeira, enquanto que a implantação de estruturas rígidas na praia (Fig.2-3), dispostas de formas paralelas (seawall, quebra-mares e enrocamentos) e/ou transversais (espigões, molhes, píer, portos) à linha de costa, modificam tanto o ângulo de incidência das ondas, quanto seu padrão de refração, alterando assim, o perfil praial de toda região litorânea. Conforme Komar (2012)

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em muitas áreas de erosão intensa, a engorda de praia é um dos métodos mais eficazes para recuperação das praias.

A redução da oferta de sedimentos fluviais, devido a construção de barragens para edificação das hidrelétricas e melhor navegação fluvial, são uma das principais causas da erosão costeira nas regiões deltaicas. Obras de transposição, canalização dos cursos fluviais e mineração de sedimentos, afetam diretamente a distribuição de sedimentos na zona costeira. (Komar 2012; Best 2015)

Conforme Nicholls e Cazenave (2010), um aumento da elevação do nível do mar em torno de 0.30 a 1.8 metros, estipulado pelo IPCC, intensificará erosão e inundações nas cidades relativamente baixas, principalmente nos países do sul da Ásia e na África. Ademais, outras consequências foram relatadas pelos autores, como a destruição dos manguezais e intrusão de água salgada nos aquíferos.

Por sua vez, Emanuel (2005) apud Komar (2012) relata que a maior ocorrência dos eventos extratropicais, registrados no hemisfério norte nos últimos cinquenta anos, está relacionado diretamente com o aquecimento global. Segundo o autor, o aquecimento anormal da temperatura das águas oceânicas é o principal mecanismo para formação dos eventos extratropicais, que têm efeitos drásticos na zona costeira, podendo levar até a destruição de pântanos, praias e dunas, ocasionando intrusão salina em águas superficiais, etc.

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Figura 2-3: Obras de engenharia que afetam diretamente os processos oceanográficos na zona costeira. De [a] até [c] têm as estruturas rígidas (“hard”) construídas paralelamente a costa, enquanto em [d] tem-se as estruturas rígidas implementadas de forma paralela ao litoral. Por fim, em [e] há a exemplificação da engorda de praia, uma técnica que imita a natureza (“soft”).

Fonte: Adaptado de Prata (2017)

2.2 Uso de imagens multiespectrais para monitoramento da zona costeira.

Os cientistas têm desenvolvido procedimentos para coletar e analisar dados de sensoriamento remoto desde 1858, quando o francês Gaspard Feliz conseguiu realizar a primeira fotografia a partir de plataforma área (Jensen, 2011). Avanços significativos na

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coleta de dados de sensoriamento remoto ocorreram durante as guerras mundiais, na corrida espacial e nas 3ª e 4ª revoluções industriais (Jensen, 2011). Uma das primeiras definições afirma que o sensoriamento remoto é: “A aquisição de dados sobre um objeto

sem tocá-lo”. (Colwell, 1984 apud Jensen, 2011)

Com o tempo, modificações na definição do termo foram realizadas. Meneses e Almeida (2012), por exemplo, afirmam para definição de sensoriamento remoto:

A obtenção de imagens da superfície terrestre por meio da detecção e medição quantitativa das respostas das interações da radiação eletromagnética com os materiais terrestres sem que haja qualquer contato físico entre o sensor e o objeto. (MENESES e ALMEIDA, 2012, p.4)

A obtenção das imagens de sensoriamento remoto é realizada a partir de sensores e satélites que detectam alvos na superfície terrestre através da radiação eletromagnética, no qual cada objeto reflete, absorve e transmite a radiação a partir de uma fonte, podendo ser natural ou artificial (Florenzano, 2011). A energia captada pelos sensores é transformada em sinais elétricos, que são registradas e transmitidas para estações que, por sua vez, transformam esses sinais em gráficos, tabela ou imagens (Figura 2-4).

Figura 2-4: Obtenção de imagens por sensoriamento remoto. Em (a) uma fonte natural ou artificial emite energia na forma de radiação eletromagnética para a superfície terrestre. Essa energia é refletida (b) e captada para o satélite/sensor, que transforma a energia em sinais elétricos e transmitem as informações para as estações. Em (c) a estação transforma esse sinal elétrico em sinal digital.

Fonte: Florenzano (2011)

A energia eletromagnética se dá em função de seu comprimento de onda ou de sua frequência, sendo esta denominada de espectro eletromagnético (Jensen, 2011).

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Conforme o autor acima, o espectro eletromagnético se estende desde comprimentos de onda muito curtos associados aos raios cósmicos, até as ondas de rádio de baixa frequência e grandes comprimentos de onda. Florenzano (2011), escreve por sua vez que todos os tipos de cobertura de solo, juntamente como os afloramentos rochosos e corpos d'água, absorvem uma porção do espectro eletromagnético. O fato de cada corpo absorver porções distintas do espectro eletromagnético, fazem com que os usuários de sensoriamento remoto utilizem essa informação para distingui-los uns dos outros nas imagens de satélite.

Como já explicado nos parágrafos acima, a energia captada pelo sensor pode ser fruto de uma fonte natural ou artificial. Caso a fonte captada seja natural, como o próprio sol ou a energia emitida pela superfície terrestre, o sensor é classificado como passivo. De acordo com Figueiredo (2005), esse tipo de sensor capta as faixas eletromagnéticas do visível (0,4 – 0,7 µm), infravermelho (1 µm – 2,5 um) e o termal (2,5 µm – 13 µm). Ainda segundo o autor, os sensores ativos captam uma energia eletromagnética artificial, produzida por radares instalados nos próprios satélites. Esse sensor opera na faixa de micro-ondas (0,8 cm – 30 cm), e sua grande vantagem é a penetração da energia sobre as nuvens.

Jensen (2011) relata que, no sistema de sensoriamento remoto, a escolha do método é determinada a partir da resolução espacial, temporal, espectral e radiométrica. A resolução espacial é explicada como o menor elemento ou superfície que pode ser detectada pelo sensor, enquanto a resolução temporal é definida como a frequência em que o sensor obtém informações de uma mesma área. Já a resolução espectral pode ser entendida como o número e o tamanho de intervalos de comprimentos de onda (chamados bandas espectrais) no espectro eletromagnético no qual o sensor remoto é sensível. Por fim, a resolução radiométrica é quantidade máxima de níveis de cinza (bits) que é discriminado pelo sensor.

Na resolução de problemas ambientais e socioeconômicos (Fig.2-4) da zona costeira, o uso dos sensores remotos tem um papel fundamental nas principais etapas do estudo ambiental (monitoramento, prevenção e mitigação e avaliação) (Ouellette e Getinet 2016). Dentre os diversos métodos de sensoriamento remoto utilizados para monitoramento ambiental serão aqui descritos os principais, com suas respectivas vantagens e desvantagens.

As fotografias aéreas são as fontes de dados de sensoriamento remoto mais antigas, sendo utilizadas para estudos costeiros desde a década de 1930. Esse instrumento

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fornece uma boa resolução espacial da linha de costa, porém sua resolução temporal, juntamente como a cobertura geográfica, é bem restrita. Além disso, esse método apresenta várias distorções na imagem, como a distorção radial, de relevo, inclinação e de escala, que pode induzir o interprete ao erro (Boak e Turner 2005; Gens 2010)

Figura 2-5: Aplicações das técnicas de sensoriamento remoto em distintas etapas ambientais (monitoramento, prevenção, mitigação e avaliação) para diferentes problemas ambientais (poluição e geohazards) e socioeconômicos (uso e ocupação do mar e da terra).

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O sistema SAR (Synthetic Aperture Radar) registra imagens da linha de costa a partir das propriedades dielétricas e geométricas da superfície terrestre em quaisquer condições atmosféricas, de dia e/ou noite (Gens 2010). De acordo com este autor, a vantagem desse método é a sua grande cobertura temporal, permitindo o gestor adquirir dados desde 1978. Já a falta de precisão da posição da linha costeira faz com que poucos cientistas utilizem este método para estudos costeiros.

O LiDAR (Light Detection And Ranging) é considerado o método mais preciso para monitoramento costeiro, pois fornece dados de alta resolução espacial, espectral e radiométricos da zona costeira, possibilitando até a visualização tridimensional da pós praia até a antepraia (e.g. Boak e Turner 2005; Gens 2010; Ouellette e Getinet 2016). Entretanto, segundo estes autores, o elevado custo para aquisição e manutenção do equipamento, torna-o inviável para monitoramento costeiro na maioria das universidades ou órgãos gestores.

O uso de técnicas de vídeo monitoramento fornece uma alternativa de baixo custo aos métodos de fotografias aéreas, SAR e LiDAR. Apesar desse sistema fornecer uma boa resolução temporal, com imageamento em tempo real, este método tem uma baixa resolução espectral, fornecendo imagens apenas no visível e não cobre grandes áreas, visto as câmeras serem posicionadas em locais fixos, como casas e/ou prédios (Boak e Turner 2005)

Diversos autores (e.g. Boak e Turner, 2005; Gens, 2010; Ouellette e Getinet, 2015; Luijendijk et al, 2018), afirmam que em estudos de monitoramento ambiental no qual a resolução temporal tem um papel fundamental, como no caso de geohazards (e.g. erosão costeira, inundações, subida do nível do mar), o uso dos satélites multiespectrais (Landsat, Sentinel, CBERS, Ikonos, SPOT) é mais indicado do que as outras técnicas de sensoriamento remoto, tais como Radar, SAR, LiDAR. Além da sua alta resolução temporal e grande acervo histórico, os satélites multiespectrais conseguem adquirir dados em extensas áreas geográficas (muitas vezes de difícil acesso), com uma boa resolução espacial e espectral a um custo financeiro bem menor do que as demais técnicas citadas acima.

Nesta década foram realizados diversos estudos ao longo do planeta, por meio da utilização de imagens multiespectrais, para o monitoramento de ambientes deltaicos. Ghoneim et al. (2015) e Valderrama-Landeros e Flores-de-Santiago (2019) correlacionaram a erosão costeira, respectivamente, nos deltas Nilo (Egito) e San Pedro (México), com a diminuição do aporte sedimentar, sendo uma consequência direta da

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construção de hidrelétricas nas últimas décadas ao longo dos principais cursos fluviais. De acordo com os autores acima, em determinados períodos, a erosão costeira atingiu um estado tão crítico que houve a necessidade da criação de planos emergenciais e mitigadores, por meio dos governos locais e/ou federais. Dada et al. 2016 estudaram a variação sazonal da linha de costa nigeriana, nos anos de 2011 a 2013, com dados de onda e de correntes litorâneas. Já Dada et al. 2018 relacionaram as mudanças da linha de costa no delta do Níger (Nigéria), nos últimos cem anos, com as variações hidro climáticas e atividades antrópicas no rio Niger.

Kuleli et al (2011), Petropoulos et al (2015) e Anthony et al (2015) concluem que além da construção de barragens, o processo de erosão, ocorrida nos deltas do Kizilirmak & Gediz (Turquia), Axios & Aliakmonas (Grécia) e Mekong estão relacionadas com a ocupação indevida na zona costeira, extração de areia e cascalho nos principais cursos fluviais e subsidência da terra devido a extração de água subterrânea. Já Qiao et al (2018) relataram que apesar da redução da carga de sedimentos dos rios Yangtze e Qiantang e do aumento relativo do nível do mar, a região de Shanghai registrou um crescimento da linha de costa em torno de 50 m/ano. De acordo com os autores, os processos de aterramento nas regiões de manguezais, recuperação de praias e de canalização de alguns canais fluviais foram as principais causas da acresção sedimentar.

No nordeste do Brasil, (Aquino da Silva et al. 2015b) determinaram a concentração de sedimentos em suspensão transportado em 2008 pelo rio Parnaíba até a plataforma interna. De acordo com estes autores a extensão da pluma de sedimentos depende das condições hidrodinâmicas específicas, tais como a intensidade de escoamento do rio, das correntes e amplitudes das marés e pelo clima das ondas e ventos. Já Aquino da Silva et al. (2015a) tentou relacionar a conexão da ocorrência e intensidade da Oscilação El Niño-Sul com a vazão fluvial, concentração de sedimentos em suspensão, pluviosidade, correntes de maré e variações na linha de costa no Delta do Rio Parnaíba – PI.

Luijendijk et al. 2018, por sua vez empreenderam uma pesquisa inédita, na qual, a partir da utilização de imagens Landsat e Sentinel juntamente com métodos machine

learning e big data, conseguiram determinar a percentagens de praias arenosas no mundo,

e realizam o monitoramento costeiro destas, entre 1984 a 2016, identificando os principais hotspots erosionais ou pontos críticos de erosão costeira. De acordo com referidos autores (Fig.2-5), 24% das praias arenosas encontram-se sob erosão a taxas superiores a 0.5

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Figura 2-6: Integração entre imagem de satélite e big data para análise vulnerabilidade costeira ao redor do mundo. Em (a) tem-se a percentagem de praias arenosas, enquanto que (b) tem relata a taxas de erosão e progradação dessas praias entre 1984 a 2016. Os hotspots erosionais estão indicados em vermelho. Já as taxas de progradação estão visualizadas em verde.

Fonte: Adaptado de Luijendijk et al (2018)

Dentre os diversos satélites multiespectrais, o programa Landsat é o mais utilizado pelos cientistas para estudar a mudanças ambientais a curtos e longo prazo, com mais de 254 artigos publicados, desde de 2004, nas 15 principais revistas cientificas do mundo (Zhu 2017). Isso ocorre pois, de acordo com o autor acima, desde do lançamento do primeiro satélite do programa, em 1972, é possível conseguir imagear a mesma área de estudo a cada 18 dias (resultando entre 20 a 21 imagens por ano) e operando em quatro comprimentos de onda, do visível (verde e vermelho) ao infravermelho (proximal e médio) de forma gratuita. Com o surgimento do sensor Thematic Mapper (TM), em 1982,

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houve a melhora significativa da resolução espacial, saindo de 80 metros para 30 metros, da resolução temporal (16 dias de revisita) e a possibilidade de se trabalhar com mais bandas do visível (azul), infravermelho (médio) e até no termal.

No ano de 1999, com o lançamento Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), foi criada a banda pancromática, possuindo uma resolução espacial de 15 metros. Já em 2013, com o lançamento do Landsat 8 Operational Land Imager (OLI), houve a geração das bandas Cirrus e Coastal, utilizadas respectivamente para análises de nuvens e estudos em mapeamentos geomorfológicos onshore. Em meados de 2016, a partir do projeto “Landsat Level Data 1T”, todas as imagens de satélite, do Landsat 4 Thematic Mapper (TM) ao Landsat 8 Operational Land Imager (OLI), obtiveram reajuste de ortorretificação por meio de dados de modelo de elevação digital (DEM) e pontos de controle, garantindo um erro de posicionamento médio quadrático (RMSE) de no máximo 12 metros. Atualmente, o programa deu início ao o projeto “Landsat Level Data 2”, cujo objetivo é fazer a correção atmosférica de todos os sensores citados acima, diminuindo ainda mais o tempo de processamento de dados por meio do interprete.

Figura 2-7: Evolução das bandas espectrais, do programa Landsat, ao longo do tempo

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FERREIRA, T.A.B (2019) ÁREA DE ESTUDO

3 ÁREA DE ESTUDO

3.1 Localização

O Delta do Rio Parnaíba (DRP) está localizado no nordeste do Brasil, entre os estados do Maranhão e Piauí (Fig.3-1), cobrindo aproximadamente 3138 km² (MMA, 2006), onde vivem mais de 280.000 habitantes (IBGE, 2016). Conforme de Paula Filho et al. (2015), 48% da região deltaica é classificada como áreas florestais não cultivadas, 16% em áreas de conservação, 17% em dunas e manguezais, 10% em pastagens, 8% em áreas agrícolas e apenas 1% em áreas urbanas.

O Delta do Rio Parnaíba é um delta assimétrico, dominado tanto por ondas quanto por marés, com uma plataforma continental estreita (aproximadamente 50 km de largura), relativamente rasa (profundidade média de 25 metros) e suave (0.04º), típico da costa do nordeste brasileiro. (Szczygielski et al. 2014; Vital 2014; Aquino da Silva et al. 2016)

Figura 3-1: Localização do Delta do Rio Parnaíba (DRP).

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3.2 Aspectos climáticos, oceanográficos e fluviais

Os estados do Piauí e Maranhão estão situados entre a Pré-Amazônia Úmida e o Nordeste Semiárido (Belda et al. 2014). De acordo com esse autor, a área de estudo apresenta um clima tropical com estação seca de inverno (Aw), caracterizado por ter uma estação chuvosa no verão (janeiro a julho) e uma nítida estação de seca no inverno (agosto a dezembro). A duração de cada período depende da posição da Zona de Convergência Intertropical – ZCIT (El-Robrini et al 2018). Entre 1965 a 2009, a precipitação acumulada média foi de 1210 mm/ano (Aquino da Silva et al. 2015a)

Os ventos alísios, na costa nordestina, exibem uma direção preferencial para E-NE com uma velocidade média de 2.1 a 5.9 m/s (Paula et al 2016). Os ventos alísios atuantes próximos a linha de costa do Delta do rio Parnaíba (DRP) são influenciados pela locomobilidade da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) (Paula et al 2016). Os autores acima argumentam que quando a ZCIT se locomove ao sul do equador, nos meses de abril a maio, os ventos alísios são mais fracos. Por sua vez, no momento em que a ZCIT se locomove ao norte do equador, entre agosto a dezembro, os ventos alísios são mais fortes, atingindo velocidades de até 10.7 m/s.

No período correspondente entre 2010 a 2012, as ondas situadas próximas ao DRP, apresentaram uma direção N, N-NE e/ou E-NE, com altura variando entre 0.6 a 1.1m e com período de 5 a 9 segundos (El-Robrini et al, 2018; Paula et al, 2016). No período chuvoso, entre janeiro a junho, a altura das ondas variou entre 0.53 a 0.71m, ostentando uma média de 0.64m (Paula et al 2013). Já no período seco, de julho a dezembro, os autores acima relatam que as ondas têm uma altura média de 0.83 metros, com valores mínimos de 0.58m e máximo de 1.25m. Ainda segundo os autores, há a incidência de ondas N-NW e N-NE, influenciadas diretamente pela presença de promontórios e recifes de arenito e ao efeito da barreira hidráulica. Por fim, as correntes longitudinais exibem uma velocidade máxima de 1 m/s, com uma direção predominante de E-W.

No Delta do Rio Parnaíba, a maré é classificada como semi-diurna e de transição entre meso a macromaré, com uma amplitude de maré de sizígia de 1.70 metros na maré de quadratura e 3.06 a 6.1 na maré sizígia (Aquino da Silva et al. 2015a). Levantamentos realizados por Aquino da Silva et al. (2015b) demonstram que a velocidade média das correntes de maré é de 0.19 m/s (atingindo valores máximos de 0.52 m/s) com direção preferencial para NNE.

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A bacia hidrográfica do Parnaíba apresenta aproximadamente 1.400 Km de extensão e 331.441 km² de área de captação (MMA, 2006). De acordo com esse órgão ambiental, esta bacia de drenagem pode ser dividida em três regiões: o alto Parnaíba (151.630 km²), médio Parnaíba (137.000 km²) e baixo Parnaíba (42.810 km²). A vazão média anual do Baixo Parnaíba, região hidrográfica mais próxima da área de estudo, é de 841 m³/s, com concentração de sedimentos em suspensão em torno 50 mg/l. estima-se um transporte de sedimentos para o litoral na ordem de 115ton/ano/km2 (MMA, 2006).

3.3 Geologia e Geomorfologia

A 700 km da foz, há uma represa no rio Parnaíba (RP), onde opera a usina hidrelétrica de Boa Esperança. O Rio flui principalmente sobre rochas sedimentares da Bacia do Parnaíba e sobre a Bacia de Barreirinhas em seu curso mais baixo.

A bacia do Parnaíba é composta principalmente de rochas sedimentares depositadas em cinco Supersequência do Siluriano até o Cretáceo (Feijó 1994; Góes e Feijó 1994). A bacia de Barreirinhas possui composição sedimentar semelhante, e sua formação está relacionada à fragmentação do supercontinente Gondwana, durante o Mesozóico (Feijó 1994). Os tipos de rocha de ambas as bacias variam de conglomerados e arenitos de granulação grossa a folhelhos e siltitos. Ambas as bacias possuem forte componente estrutural com ocorrência de falhas listrica normais (Feijó, 1994; GóeS e Feijó, 1994). Dados de turbidez coletados antes e depois da represa do rio demonstram que a maior parte do sedimento é gerado a jusante da barragem(Aquino da silva et al. 2019)

O Delta do Rio Parnaíba apresenta feições geomorfológicas distintas ao longo da sua zona costeira (Cavalcanti 2004; Szczygielski et al. 2014). Conforme esses autores, a parte oriental do delta (setores I, II), localizada no Estado Piaui, consiste em um campo de dunas costeiras ativa, que se sobrepõe sobre os manguezais e paleodunas parcialmente vegetadas. Praias de até 200 metros de largura caracterizam a geomorfologia dessa região. Já a oeste da desembocadura (setores III e IV), no Estado do Maranhão, a costa é dominada por canais de maré associados às condições estuarino-lagunares. Além dos campos de dunas e praias relativamente estreitas (larguras menores do que 50 metros), a ocorrência de pontais arenosos (“spits”) são comuns.

As praias se estendem em toda costa até a base das dunas móveis (Cavalcanti, 2004; Lima e Brandão et al 2010). Os autores acima asseguram que esses depósitos são compostos por areias quartzosas medias a grossa, bem selecionadas e com grande

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presença de matéria orgânicas, sedimentos biogênicos e minerais pesados. Nas praias ainda são encontrados “beach rocks” (arenitos de praia), que estão distribuídos paralelamente a linha de costa, comumente aflorando na zona de estirâncio (Paula et al 2013).

Os campos de dunas têm significativa expressão territorial no Delta do Parnaíba, dispostas de forma continua, dispostas paralelamente a linha de costa, sendo as vezes interrompidas pelas planícies fluvio-marinhas e fluvio-lacustre (Cavalcanti, 2004; Lima e Brandão, 2010). De acordo com esses autores, essa feição geomorfológica pode ser dividida em dunas recentes (depósitos eólicos costeiros holocênicos) e em paleodunas (depósitos eólicos costeiros pleistocênicos).

As dunas recentes apresentam pouca ou nenhuma cobertura vegetal, causando uma instabilidade e uma grande mobilidade (Calvancanti 2004). Gonçalves et al (2003) classifica as diversas formas de depósitos eólicos costeiros holocênicos na região associado à presença da vegetação. Dunas barcanas, transversais de crista reta (2D), crista sinuosa (3D), dunas obliquas e cordões longitudinais estão associadas às dunas sem vegetação. As dunas relativamente vegetadas ocorrem próximos a desembocadura do rio Parnaíba e podem ser do tipo nebkha e sombra (shadow dunes). Por fim, as dunas fixas, que representam mais de 70% dos depósitos eólicos recentes, são do tipo parabólica e lençóis de areia.

As paleodunas estão localizadas afastadas em relação a linha de costa e depositadas de forma discordante sobre os tabuleiros costeiros (Cavalcanti, 2004; El-Robrini et al, 2018). Essa feição geomorfológica é composta por sedimentos quartzosos e feldspáticos, de cores acastanhada a acinzentada, tendo sua formação relacionada a um período de nível relativo do mar (NRM) mais elevado que o atual, ocorrido durante o pleistoceno.

As Planícies Fluviais ou fluvio-lacustres ocorrem ao longo das margens do rio Parnaíba, caracterizado por áreas de baixo gradiente topográfico, resultante da combinação de processos fluviais e lacustres, podendo comportar canais anastomosados, paleomeandros, etc (Ferreira e Dantas, 2010). Essa unidade é formada por sedimentos quaternários, englobando depósitos aluvionais e colúvio-aluvionais, sendo compostos essencialmente por silte, argila, areia, cascalho e matéria orgânica (Cavalcanti, 2004).

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3.4 Vulnerabilidade costeira

Análise multicritério feita por Nicolodi e Petermann (2010), envolvendo dados populacionais, climáticos e altimétricos, demonstraram que apesar da escassa densidade populacional (menor do que 12 habitantes/km²), as regiões próximas ao DRP apresentam média a alta vulnerabilidade. Conforme os autores, o risco se dá pela presença de pronunciados eventos de erosão associados ao regime de inundações periódicas no baixo curso do rio em períodos de cheia. Também por análise multicritério (geologia, geomorfologia, altimetria, declividade e uso e ocupação do solo), Frota et al (2017), comprovaram as informações dos autores acima, ao relatar que as cidades de Luís Correia (setor I), Parnaíba e Ilha Grande (setor II) são altamente susceptíveis a inundação e erosão. Os autores alegam que esse problema se dá pelo fato das cidades estarem situadas em planícies de inundação (fluvio-marinha e fluvio-lacustre) e com a expansão urbana próxima a linha de costa.

Dados de imagem de satélite demonstram que as ilhas do Caju (setor IV) e do Poldro (setor III) obtiveram, respectivas perdas de 600 e 180 metros de largura, entre os anos de 1981 a 2009 (Aquino da Silva et al. 2015b). Nos setores I e II, perfis de praias demonstram que 45% da linha de costa apresentam tendências erosivas, enquanto que 6% das praias estão progradando e 50% estão estáveis (Paula et al, 2013). Conforme estes autores, além das causas naturais, a ocupação da pós-praia e da própria praia por intermédio da construção de casas de veraneio, hotéis, bares, parques eólicos e a atividade portuária em Luís Correia têm acelerado os processos erosivos. A situação só não é mais grave devido a influência do Delta do Parnaíba, que de acordo com os pesquisadores acima e Aquino da Silva et al. (2015a), provoca uma pluma de sedimentos até 10 km costa-afora, que é redistribuída para estes setores.

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FERREIRA, T.A.B (2019) METODOLOGIA

4 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste estudo, o fluxo (Fig.4-1) utilizado para a análise quantitativa da evolução temporal da linha de costa situadas próximas ao Delta do Rio Parnaíba compreendeu: (a) Aquisição dos dados hidro climáticos ; (b) Aquisição das imagens de satélite; (c) Pré-processamento das imagens de satélite; (d) Delimitação da linha de costa; (e) Análise das incertezas; (f) Quantificação da linha de costa a partir uso do Digital Shoreline Analisys (DSAS).

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FERREIRA, T.A.B (2019) METODOLOGIA

Fonte: Próprio autor (2019)

4.1 Aquisição dos dados hidro climáticos

Para a caracterização climatológica foram coletados dados de pluviometria, intensidade e direção dos ventos a partir da estação Parnaíba (ID: 82287), entre o período de 1984 a 2017, adquiridos a partir do Banco Histórico de Dados Meteorológicos para

Ensino e Pesquisa (BDMEP), disponibilizados pelo sitio

<http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=bdmep/bdmep>.

Os dados hidrográficos do Rio Parnaíba foram coletados a partir das estações convencionais e telemétricos do Sistema Nacional de Informações sobre Recursos Hídricos (SNIRH), disponibilizado no sítio da Agência Nacional de Águas (ANA), < http://www.snirh.gov.br/hidroweb/>. A estação na qual foi adquirido o dado, Luzilândia, representa o baixo curso do Rio Parnaíba (MMA, 2006) e foi escolhida por estar mais próxima da área de estudo (cerca de 70 km da linha de costa), como visualizado na figura 3-1).

Por fim, foi utilizado o coeficiente de correlação produto momento (correlação de Pearson) e o coeficiente de determinação com o intuito de verificar a dependência entre dados pluviométricos e hidrográficos com a variação da linha de costa em pequenos intervalos de tempo. O primeiro mede a direção o e grau da correlação entre duas variáveis de escala métrica (intervalar ou de razão). Valores próximos a +- 1 indicam uma alta correlação (positiva ou negativa), enquanto que resultados próximos a zero relatam que não há dependência entre as duas variáveis. Já o coeficiente de determinação é o valor quadrado do coeficiente de determinação, que indica em percentagem, o quanto o modelo consegue explicar os valores observados.

4.2 Aquisição das imagens de satélite

Existem considerações acerca da resolução espacial e temporal que devem ser realizadas para certas aplicações (Jensen, 2009). De acordo com o autor acima, em estudos que envolvam mudanças na cobertura terrestre, é necessário utilizar sensores cuja resolução espacial varie entre 0.5 até 50 metros e uma série temporal de anos até décadas (Fig.4-2). Além disso, diversos estudos envolvendo a variação da linha de costa (e.g. Besset et al, 2017; Dada et al, 2018; Luijendijk et al, 2018; Mentaschi et al, 2018; Mukhopadhyay et al, 2018; Qiao et al, 2018; Aquino da Silva et al, 2019) empregaram o uso de imagens Landsat com diferenças temporais entre décadas. Sendo assim, a cenas da zona costeira no Delta do Rio Parnaíba Parnaíba (Path: 219; Row: 62) foram extraídas