Análise espaço-temporal da clorofila-a no reservatório de Itaparica por meio de imagens Landsat-TM
Helio Lopes1 Maria do Carmo Sobral 1
Günter Gunkel2 Ana Lúcia Candeias 1
Gustavo Melo1
1
Universidade Federal de Pernambuco - UFPE/CTG Caixa Postal 96 - 13416-000 - Recife - PE, Brasil
{helio.lopes, msobral, analucia}@ufpe.br
2
Universidade Técnica de Berlim - TUB Caixa Postal 515 - 10065 - Berlin - Germany
guenter.gunkel@tu-berlin.de
Abstract. In the analysis of chlorophyll dynamic in water bodies, remote sensing become fundamental mainly due to its spatial and temporal cover. Thus, this work aims to determine and to evaluate the spatio-temporal behavior of chlorophyll-a in the Itaparica reservoir located at sub-middle São Francisco, in Semi-arid region of Brazil. For this purpose, Landsat-TM images from 2009 were used, considering band from 1 to 5 and 7. The model was written in LEGAL language available in SPRING 5.2 software. The slicing of the reservoir into nine classes was done by using the chlorophyll layers from each date. The minimum value was 0,003 µg/L and the maximum was 249,93 µg/L considering the three periods. The date that had highest chlorophyll concentration was October 19, and November 20 had lower concentration. By means of graphic analysis of points located throughout the reservoir, we can see that the chlorophyll concentration decrease from fluvial region to lacustrine region and there are always high chl-a concentration from the contact of Pajeu and Barreiras rivers within reservoir. In the next studies It would be necessary to validate the values with field data in order to verify the mapping accuracy in this reservoir, taking into account the day and also the time overpass of the sensor.
Palavras-chave: remote sensing, water quality.
1. Introdução
O manejo sustentável de ecossistemas aquáticos requer o monitoramento constante da qualidade da água. No entanto, a heterogeneidade espacial e temporal de corpos d'água recai frequentemente em sistemas inadequados de monitoramento e caracterização da qualidade da água usando métodos de amostragem convencional (Liu et al., 2003).
O sensoriamento remoto oferece diversas técnicas e maneiras de se monitorar recursos hídricos em diferentes áreas e escala de tempo (Goddijn-Murphy et al., 2009). Além dessas diversas técnicas, há também uma variabilidade de parâmetros a serem monitorados por sensoriamento remoto, os quais: transparência secchi (Kloiber et al., 2002), clorofila-a (Novo et al., 2006; Chen et al., 2011b; Gitelson et al., 2008; Kloiber et al., 2002; Zhang et al., 2011), carbono orgânico particulado (Hadimitsis; Clayton, 2011), sólidos suspensos total (Novo et al., 1991; Artigas et al., 2008; Wang et al., 2006), turbidez (Wang et al., 2006), entre outros. Assim, verifica-se que para a avaliação de diversos indicadores de qualidade da água, o sensoriamento remoto vem sendo usado com frequência devido às características de grande abrangência espacial e temporal na geração de informações da superfície terrestre (Novo, 2007). Dessa forma, facilita os estudos de distribuição temporal e espacial que são difíceis de amostragem in situ devido a dimensão espacial dos grandes reservatórios bem como ao grande número de amostras (Reis et al., 2003), como também pela facilidade de estudos de correlacionamento do uso e cobertura do solo com parâmetros de qualidade da água (Wachhloz e Pereira Filho, 2005).
Em relação a clorofila-a, muitos modelos tem sido desenvolvidos baseados na reposta espectral da água por meio de levantamento in situ como também em imagens de satélite. Por exemplo, Ennes et al. (2010) procederam a caracterização de parâmetro de qualidade da água de reservatório destinado ao abastecimento publico baseado em dados espectrais de imagens e mensurações in situ, observando que foi possível determinar a presença de fitoplâncton e atividade algal por meio da modelagem de equações lineares. Uma outra forma de se obter concentrações de clorofila-a em reservatórios, seria por aplicação de índices espectrais conforme realizado por Coelho et al. (2011) que determinaram a clorofila-a utilizando o NDVI e o RATIO com R2 de 0,76 e 0,70, respectivamente.
O uso do sensoriamento remoto na gestão de reservatórios é baseado no fato de que consequências de eutrofização e o aumento da produtividade estão associadas com a mudança nas propriedades ópticas da massa hídrica. Aumento da clorofila-a está associado com diminuição na quantidade relativa de energia da banda azul (0,45-0,52 µm) e aumento na verde (0,52-0,60 µm) (Friese et al., 2010), e geralmente se utiliza para sua determinação a razão entre os canais 704 e 675 nm (Li, et al., 2010). Aumento de sólidos suspensos está associado com aumento na energia refletida, e o pico de reflectância moverá na direção de comprimentos de onda maiores (Lillesand; Kiefer, 1994). Essas mudanças podem ser medidas por técnicas de sensoriamento remoto (Nellis et al., 1998; Onderka; Perárová, 2008; Novo, 2008; Song et al., 2010). A determinação da clorofila-a é fundamental, pois é um parâmetro que está relacionado com o estado trófico do corpo hídrico bem como com algas nocivas (cianobactérias). Carvalho et al. (2010) desenvolveram um algoritmo para detecção de cianobactéria utilizando imagens orbitais que pode servir de ferramenta de alerta relacionado ao desenvolvimento acelerado de algas. Em muitos corpos hídricos a dominância de algas verdes-azuis está relacionada ao nível trófico elevado (Dembowska, 2011). Dessa forma o monitoramento de clorofila-a é de fundamental importância para alerta e tomada de decisão na gestão dos recursos hídricos. Nesse sentido, esse trabalho tem como objetivo a aplicação de modelo linear para a espacialização da clorofila no reservatório Itaparica, baseado em imagens Landsat e dados de campo.
2. Metodologia de Trabalho 1.1 Área de estudo
O reservatório de Itaparica foi construído em 1988 e seu funcionamento ocorreu em 1989 com o fechamento das comportas. As águas banham os municípios de Tacaratu, Petrolândia, Floresta, Itacuruba e Belém do São Francisco do lado de Pernambuco (Figura 1). Possui uma área normal de 828 km2. Sua usina localiza-se no estado de Pernambuco, 25 km a jusante da cidade de Petrolândia - PE, tendo como coordenadas 38° 19' de Longitude Oeste e 9° 6' de Latitude Sul, com capacidade de gerar 1.479.600 kW de energia (CHESF, 2010).
2.2 Processamento de dados orbitais
Para a determinação da clorofila-a foram realizado o download das imagens no sistema de catálogo localizado na página do INPE. As imagens selecionadas foram correspondente a órbita 216 e ponto 66 referentes ao Landsat TM5. As datas selecionadas foram 19 de outubro, 04 e 20 de novembro de 2009. As bandas foram empilhadas e georreferenciadas sendo o erro de georreferenciamento menor que um pixel. Após o georreferenciamento foi aplicada a correção atmosférica utilizando a Atcor 2 (Erdas 2011) modelo rural e tropical rural respectivamente para os modelos atmosférico e aerossóis. Nenhuma correção topográfica foi implementada.
2.3 Modelo para monitoramento da chl-a
Nesse trabalho foi utilizado o modelo de Chen et al. (2008) que requer como entrada as bandas 1 a 5 e 7 do Landsat e obteve um coeficiente de correlação de 0,82, sendo ajustada para os dados de clorofila-a de 2004 em que cada coeficiente foi multiplicado pela média da clorofila resultando na equação 1.
Chla=4,483+0,44ሺB1ሻ+0,62ሺB2ሻ-0,82ሺB3ሻ-2,6ሺB4ሻ+2,16ሺB5ሻ-4,7(B7) (1) Na validação foram utilizados seis pontos associados a imagem de 2004 apresentando R2 de 0,31, sendo que esse baixo coeficiente pode está relacionado a falta de sincronia do levantamento de dados em campo (clorofila-a) com a época de passagem do satélite. A concentração de clorofila foi determinada em laboratório através de método espectrofotométrico utilizando equação monocromática (CHESF, 2004). Esta metodologia tem sido amplamente utilizada em estudos científicos e programas de monitoramento que visem à determinação da biomassa fitoplanctônica. Sua grande vantagem está na praticidade e custos reduzidos quando comparada com outras metodologias. Contudo, métodos mais sensíveis, como a determinação por fluorimetria, possibilitam a detecção de baixas concentrações e utilização de amostras de volume menor (CHESF, 2004).
No reservatório de Itaparica foram fixados 24 pontos de monitoramento (CHESF, 2004) distribuídos ao longo do corpo hídrico (Figura 2A).
Figura 2. A) Localização dos pontos de monitoramento de parâmetros de qualidade da água (CHESF, 2004) . B) Localização dos pontos de monitoramento por sensoriamento remoto.
Para se verificar o comportamento gráfico da concentração de clorofila para as imagens de 2009 a partir da equação 1, foram escolhidos pontos (Figura 2B) distribuídos por todo o reservatório considerando a margem direita, central e margem esquerda, bem como a entrada dos principais riachos, nos quais foram colocados mais pontos para se ter uma noção do comportamento da concentração de clorofila transversalmente ao reservatório.
Rio Pa jeú Riacho B arreiras 9 8 7 6 5 4 3 2 1 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 500000 500000 525000 525000 550000 550000 575000 575000 600000 600000 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 0 3 6 9 121,5 Km Limão Bra vo Riac ho d os M anda ntes Rio C anoa s Legenda
Pontos de Monitoramento in situ
Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y YY YY Y Y Y Y # # # # # # # # # # # ## # # ## # # # # # # # ### # # # # Rio Paj eú Riacho B arreiras 500000 500000 525000 525000 550000 550000 575000 575000 600000 600000 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 0 3 6 9 121,5 Km Limão Bra vo Riachos Y Pontos Centrais # Pontos na Margem Esquerda
Riac ho do s Man dante s Rio C anoa s #
3. Resultados e Discussão
Foram implementados ao longo da margem direita, central e margem esquerda do reservatório pontos para monitoramento via satélite. Nesses pontos foram verificados os valores da concentração de clorofila determinados por meio da equação 1 para as datas referentes à passagem do satélite e plotados em gráfico (Figura 3 A, B e C).
Figura 3. Análise gráfica longitudinal e transversal dos pontos nas margens esquerda (ME), central (CT) e direita (MD) no reservatório de Itaparica. RP - Rio Pajeu, RM - Riacho dos Mandantes, LB - Riacho do Limão Bravo, RB - Riacho Barreiras e RC - Riacho Canoas. A) 19 de outubro, B) 04 de novembro, e C) 20 de novembro de 2009.
Observa-se na figura 3A de 19 de outubro de 2009 que há uma tendência de diminuição do valor da concentração de clorofila da região fluvial para lacustre. Na entrada do rio Pajeu-RP os valores de clorofila foram maiores que os valores dos ponto localizados no centro e na margem direita, estando acima de 30 µg/L. Esse comportamento indica a entrada de nutriente via rio Pajeu visto que este rio possui uma pequena vazão nesta época do ano e há impacto de agricultura em solos aluviais bem como despejos de esgotos domésticos. Já os pontos localizados na entrada dos riachos Mandantes-RM e Limão Bravo-LB apresentaram baixos valores da concentração de clorofila. Esses riachos são intermitentes, com isso a entrada de nutriente da agricultura irrigada e agropecuária ocorrem na época chuvosa. Mesmo comportamento ocorreu com o riacho Canoas-RC na margem direita do reservatório. Altos valores na concentração de clorofila-a ocorreram na entrada do riacho Barreiras-RB. Nessa região ha entrada de nutrientes via erosão e esgotos domésticos durante todo o ano. Nessa região os valores de clorofila alcançaram concentrações de 65,88 µg/L (Figura 3A). Para esta data, a maioria dos pontos apresentaram valores menores que o limite Conama para classes de água tipo II e 9 pontos centrais apresentaram valores maiores que os pontos das margens. Em relação a data de 04 de novembro de 2009 (Figura 3B) 92% dos pontos apresentaram valores de chl-a abaixo do limite estabelecido pela resolução Conama 357/2005. Para esta data, a
0 20 40 60 80 100 120 140 150 0 10 20 30 40 50 60 70
Distância ao longo do reservatório (Km)
C h l-a (µ g /L ) Margem esquerda Central Margem direita RB RC RM RP Região de Transição LB Limite Conama para classe II A 0 20 40 60 80 100 120 140 150 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Distância ao longo do reservatório (Km)
C h l-a (µ g /L ) Margem esquerda Central Margem direita RP RM LB RB RC Região de Transição Limite Conama para Classe II B 0 20 40 60 80 100 120 140 150 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Distância ao longo do reservatório (Km)
C h l-a (µ g /L ) Margem esquerda Central Margem direita LB RB RC RP Região de transição RM Limite Conama para Classe II C
região correspondente à entrada do rio Pajeu apresentou altos valores na concentração de chl-a (Figurchl-a 3B), porem ligeirchl-amente menores que 19 de outubro. Os pontos locchl-alizchl-ados nchl-as entradas do riacho mandantes e limão bravo apresentaram valores bem menores que os valores encontrado na entrada do ria Pajeu, porem em relação a data de 19 de outubro os valores foram menores. Por exemplo, para os dois pontos localizados no riacho mandantes, em 19 de outubro, os valores foram 25,2 e 15,4 µg/L e para 04 de novembro apresentaram valores de 19,2 e 15,6 µg/L. Já para o riacho limão bravo, ocorreu um aumento na concentração de clorofila para os pontos localizado nesta região. Em 19 de outubro os valores da concentração de chl-a foram 1,9 e 3,3, e para 4 de novembro os valores foram 9,8 e 10,1 respectivamente. Em geral se observa diminuição no valor da concentração de clorofila de 19 de outubro para 04 de novembro. Considerando a data de 20 de novembro de 2009 6,6% dos pontos apresentaram valores acima de 30 µg/L, sendo apenas os pontos localizados na entrada do rio Pajeu e riacho barreiras que apresentaram esses valores. No geral no reservatório de Itaparica os valores de concentração de clorofila-a tende a diminuir apresentando média para os pontos de 19 de outubro no valor de 20,48 µg/L, média para os pontos referentes a 04 novembro de 15,60 µg/L, e média relacionada aos pontos de 20 novembro com valor de 12,23 µg/L.
Considerando todos os pixels da imagem da clorofila a, para a data de 19 de outubro de 2009 a média da concentração de clorofila para o reservatório foi de 21,70 µg/L, sendo o valor mínimo e máximo de 0,003 e 236,73 µg/L, respectivamente, e o desvio padrão foi de 9,40 µg/L. Em 04 de novembro de 2009, a média apresentou valor 16,42 µg/L enquanto que o valor mínimo e máximo foram respectivamente de 0,003 e 249,93 µg/L com desvio padrão de 10,23 µg/L. Considerando a data de 20 de novembro do mesmo ano, o valor médio da concentração de clorofila foi de 15,93 µg/L com valores mínimo e máximo de 0,003 e 245,57 µg/L respectivamente, enquanto que o valor do desvio padrão foi de 9,97 µg/L. Observando-se assim uma tendência na diminuição da clorofila-a que pode está associada à diminuição da disponibilidade de nutrientes (Figura 4A). Conforme Figura 3 observa-se também que os valores na região fluvial são maiores que os valores da região lacustre que pode estar associado á entrada de nutrientes (Figura 4B) (CHESF, 2010).
Figura 4. Amplitude de variação e mediana dos valores da concentração de nitrogênio amoniacal, (A) nos meses, (B) nas estações do reservatório de Itaparica, de dezembro/2008 a setembro/2009. Fonte: CHESF (2009).
Assim, o reservatório de Itaparica apresenta tanto uma dinâmica espacial como temporal que depende do uso e cobertura do solo como também de regimes pluviométricos.
Para verificar o comportamento espacial e temporal da clorofila, é apresentado na Figura 5 sua distribuição para as três épocas. A modelagem da clorofila-a foi realizada por meio do programa Spring 5.2, utilizando a ferramenta LEGAL, pela qual gerou-se os mapas da distribuição da concentração de clorofila no reservatório de Itaparica. Os pontos em que foram verificados os valores de clorofila (Figura 3) estão sobrepostos nesses mapas. Foram colocados pontos ao longo da margem direita (Bahia), no centro do reservatório e ao logo da margem esquerda (Pernambuco), como também pontos adicionais nas entradas dos principais rios e riachos.
B A
Figura 5. Mapa da concentração de clorofila-a para o reservatório de Itaparica no ano de 2009. A) 19 de outubro, B) 04 de novembro, e C) 20 de novembro.
Observa-se na Figura 5A que a região fluvial e na entrada do rio Pajeu apresentam altas concentrações de clorofila-a, representando o dia 19 de outubro. Na Figura 5B é visto uma diminuição da concentração tanto na região fluvial quanto na região de transição e em parte da região lacustre. Porém, há deslocamento dos valores elevados em direção a região de transição. De 19 de outubro para 04 de novembro se percebe um aumento na clorofila-a na entrada do riacho mandantes. Para o mapa de 20 de novembro (Figura 5C) se observa um ligeiro aumento da concentração de clorofila-a na região fluvial (norte) com diminuição na região próxima da de transição, enquanto que há uma diminuição na região de transição à oeste e ligeiro aumento na leste. Na região lacustre houve um pequeno aumento dos valores. Esses comportamentos espaços-temporais mostram que o reservatório apresenta uma dinâmica na concentração de clorofila, necessitando de maiores investigações relacionados à parâmetros físicos, biológicos e químicos com aplicação de análises estatísticas por principais componentes e o emprego de dados orbitais com maior resolução temporal objetivando entender e descrever melhor a dinâmica da massa hídrica, inclusive com associação do uso e cobertura da terra conforme apontado por (Wachhloz e Pereira Filho, (2005).
Conforme visto na Figura 5, as classes acima de 40 µg/L apresentam baixa representatividade. O total da área do reservatório para cada data com concentração de clorofila-a menor que 30 µg/L são 76,32 %, 90,61%, 93,37%, respectivamente para as datas de 19/10, 04/11 e 20/11 de 2009, confirmando diminuição nos valores de clorofila-a.
Observa-se que a classe que contem a maior quantidade de pixels foi a classe de 20-30 µg/L, sendo assim parte do reservatório está abaixo do limite estabelecido na Resolução CONAMA nº 357/ 2005, que é de 30 µg/L para águas tipo II. Na análise realizada por Melo (2007) utilizando pontos amostrais, foram encontrados valores entre 0,40 e 62,0 µg/L para os anos de 2004 e 2005 (CHESF, 2004). A análise ANOVA mostrou o valor de p nulo provando que as diferenças entre as médias dos valores de clorofila-a nas três épocas são altamente significante. Isso é indicativo que o reservatório possui uma dinâmica devido que as imagens
Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y YY YY Y Y Y Y # # # # # # # # # # # # ## # ## # # # # # # #### # # # # Rio Paj eú Riacho B arreiras 500000 525000 550000 575000 600000 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 02,55 10 Km
±
Chl-a (µ g/L) Riacho dos M andant es 5,0 - 10,0 10,0 - 15,0 15,0- 20,0 20,0 - 30,0 30,0 - 40,0 40,0 - 60,0 60,0 - 90,0 0,0 - 5,0 RiachosPontos na Margem Direita Y Pontos Centrais # Pontos na Margem Esquerda
100,0 - 236,7 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y YY YY Y Y Y Y # # # # # # # # # # # # ## # ## # # # # # # #### # # # # Rio Paj eú Riacho B arreiras 500000 500000 525000 525000 550000 550000 575000 575000 600000 600000 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 02,55 10 Km
±
Chl-a (µ g/L) Riacho dos M andant es 5,0 - 10,0 10,0 - 15,0 15,0- 20,0 20,0 - 30,0 30,0 - 40,0 40,0 - 60,0 60,0 - 90,0 0,0 - 5,0 RiachosPontos na Margem Direita Y Pontos Centrais # Pontos na Margem Esquerda
100,0 - 249,9 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y YY YY Y Y Y Y # # # # # # # # # # # ## # # ## # # # # # # #### # # # # Rio Paj eú Riacho B arreiras 500000 500000 525000 525000 550000 550000 575000 575000 600000 600000 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 9 0 2 5 0 0 0 02,55 10 Km
±
Chl-a (µg/L) Riacho dos M andant es 5,0 - 10,0 10,0 - 15,0 15,0- 20,0 20,0 - 30,0 30,0 - 40,0 40,0 - 60,0 60,0 - 90,0 0,0 - 5,0 RiachosPontos na Margem Direita Y Pontos Centrais # Pontos na Margem Esquerda
100,0 - 245.5
A B
utilizadas estão em uma única estação do ano. Em estudos futuros, dados de precipitação, impacto de áreas urbanas e uso e cobertura do solo podem ser analisados para o melhor entendimento do comportamento espacial e temporal da clorofila-a no reservatório de Itaparica.
4. Considerações Finais
Conforme os resultado obtido pela modelagem, a maior parte do reservatório encontra-se abaixo do limiar estabelecido pela resolução CONAMA 357/2005 para concentração de clorofila-a, considerando a data de passagem do satélite.
A distribuição espacial da clorofila-a diminuiu da região fluvial para a região lacustre. Após o contato do rio Pajeu e Barreiras com o reservatório se observa aumento na concentração de clorofila, que pode está associado a entrada de nutrientes.
Etapas de validação do modelo para o reservatório de Itaparica são necessárias, levando em consideração a resolução temporal do satélite e hora de passagem.
Os pontos localizados nas margens, nos contatos dos riachos dos mandantes e limão Bravo, e Canoas apresentam concentrações de clorofila menores que os rios Pajeu e Barreiras principalmente por serem riachos intermitentes e sem influência urbana.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Chesf pela contribuição fundamental ao desenvolvimento desta pesquisa. A bolsa de doutorado do primeiro autor é financiada pelo CNPq/DAAD.
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