Suivi de la dynamique spatiale et temporelle des flux sédimentaires dans le bassin de l'Amazone à partir d'images satellite

L'objectif de cette thèse est de caractériser les flux sédimentaires des principaux fleuves amazoniens à partir du suivi par télédétection des propriétés optiques de leurs eaux. Des campagnes ont permis de mesurer les principales caractéristiques des flux hydrologiques, des matières en suspension (MES) et de leurs propriétés optiques apparentes. La réflectance télédétectée est bien corrélée avec le MES dans l'infrarouge (r²=0.81-8400.9), entre les longueurs d'onde de 500 à 800nm. Les données satellitaires MODIS sont privilégiées dans cette étude du fait de leur fréquence d'acquisition. L'utilisation de ces images est rendue difficile par l'étroitesse des cours d'eau vis-à-vis de la taille des pixels. Un algorithme a été développé afin d'identifier de manière automatique les pixels d'eaux purs au sein des scènes MODIS. La réflectance des eaux fluviales calculées par l'algorithme est validée avec les données radiométriques, avec une bonne précision. L'utilisation de cet algorithme permet un traitement automatisée des séries temporelles MODIS. Les données satellites sont utilisées dans un bassin versant de l'Amazone au Pérou et celui du Madeira au Brésil pour vérifier la robustesse des estimations par satellite et comprendre la variabilité spatio temporelle des processus hydrosédimentaires La présente thèse démontre pour la première fois que les propriétés optiques des MES au sein d'un grand bassin versant hydrologique sont suffisamment stables spatialement et temporellement pour permettre un suivi des flux sédimentaires par tédétection.The objective of this thesis is to characterize the sedimentary fluxes of the main Amazonian rivers, using the remote sensing monitoring of their water optical properties. The field campaigns provided main characteristics of hydrological fluxes, suspended sediment (SS) and their apparent optical properties. Remote sensing reflectance is well correlated with the SS concentration in the infrared (r² = 0.81-840 0.9), without saturation between 500 - 850 nm. MODIS data was chosen in this study because of their high acquisition frequency. However, the use of such images is complicated because of the small size of the river steam in comparison to the pixel size. An algorithm was developed in order to automatically identify the pure water pixels into the MODIS images. The fluvial water reflectance calculated with the algorithm is validated with the in-situ radiometric data previously described, with a good precision. This algorithm is used to process automatically MODIS temporal series, along the Amazon River in Peru and the Madeira River in Brazil to check the quality of satellite estimates and understand the temporal and spatial variability of hydrosedimentary processes. This thesis demonstrates, for the first time, that the suspended sediment optical properties in a large watershed are spatially and temporally stable enough to allow effective monitoring of surface sediment flow using remote sensing

Monitoramento das dinâmicas espaciais e temporais dos fluxos sedimentares na Bacia Amazônica a partir de imagens de satélite

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2013.A bacia amazônica é a mais importante do mundo em termos de superfície e de vazão ao oceano, representando uns 15% do volume d’água chegando aos oceanos e proveniente dos continentes. O fluxo de sedimento do Rio Amazonas foi estimado entre 600 e 1200 Milliões de toneladas. Na bacia do Amazonas, por causa de seu tamanho e de difícil acesso, é demasiado complexo e dispendioso o monitoramento das sub-bacias importantes. Para resolver esses problemas serão exigidos instrumentos alternativos, como imagens de satélite. A principal desvantagem da utilização de sensores ópticos nesta região é a grande quantidade de nuvens, mas este problema pode ser solucionado com a utilização de imagens de alta resolução temporal. Este trabalho tem como principal objetivo controlar os fluxos de sedimentos nos grandes rios da Amazônia, e classificar os diferentes tipos de água presente na bacia, a partir de suas características ópticas. O sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), a bordo dos satélites TERRA e AQUA, fornecem imagens diárias por cada satélite, fazendo um total de 2 imagens por dia, com resolução espacial de até 250 m. Nesta pesquisa serão usadas imagens compostas de 8 dias com resolução espacial de 250 e 500 m para ambos os satélites, fazendo um total de 4 produtos MODIS (MOD09Q1, MOD09A1, MYD09Q1 e MYD09A1). Estes produtos fornecem dados de reflectância com uma correção atmosférica bastante robusta. A rede de monitoramento ORE-HIBAM vem coletando dados de qualidade de água, a cada dez dias, desde 2003, em diferentes locais da bacia amazônica. Estas amostras são para a medição da concentração de matéria em suspensão (MES) de superfície. Para calibrar estas estações, o projeto HIBAM, em cooperação com entidades regionais, realiza campanhas para a coleta de amostras d’água e medição de diferentes parâmetros. Nessas campanhas foram também realizadas medições de radiometria (reflectância de sensoriamento remoto (Rrs) e coeficiente de atenuação difusa (Kd)) da água. De maneira simultânea às medições de radiometria foram coletadas amostras de água. As medições de Rrs foram relacionados com as concentrações correspondentes de MES, obtendo um coeficiente de correlação (R2 ) de 0,89 para 259 amostras. Da mesma forma foram correlacionados com as medidas de Kd e a concentração de MES, obtendo R2 de 0,93 para 129 amostras. Ambas as medidas com um intervalo de concentrações de 2-621.6 mg/l. As medições de radiometria também foram utilizadas para classificar as águas naturais da Amazônia em 8 classes, dependendo de suas propriedades ópticas. Com as medidas radiométricas de campo foi possível calcular o coeficiente de absorção (a) das águas naturais, estimar a absorção do CDOM (aCDOM) e dos sedimentos (as). Usando estes dados, também foi calculado o coeficiente de espalhamento (b) e retroespalhamento (bb) para diferentes tipos de água, com resultados consistentes com a literatura. A extração da reflectância das imagens MODIS foi realizada de maneira automatizada, mediante a ferramenta computacional MOD3R. Esta ferramenta extrai a reflectância dos pixels correspondentes da água, a partir de uma região previamente designada. Desta forma, pode-se processar e analisar séries históricas a partir de uma grande quantidade de imagens (mais de 500 imagens por estação). Com as imagens MODIS foram criadas 6 estações virtuais ao longo do Rio Madeira. Para esse trabalho foi usada uma razão de bandas (infravermelha / vermelha) e, a partir dos dados de radiometria de campo e de concentração de MES das campanhas, os dados MODIS foram calibrados a partir da relação entre dados de MES e o resultado da razão de bandas. Os dados de MES estimados com as imagens MODIS foram validados com os dados das estações de Fazenda Vista Alegra e Porto Velho, da rede ORE-HIBAM obtendo-se um valor de R2 = 0.78. Assim, foram estimados os valores de MES para cada estação e para um período de 2000 a 2011. Com esses dados, foi calculado um ano médio (12 médias mensais) para as seis estações. Assim, observamos os processos de transporte de sedimentos como diluição e precipitação ao longo do rio Madeira e do comportamento temporal em cada estação e época do ano, e da influência nos sedimentos do remanso hidráulico causado pelo rio Amazonas, em alguns meses do ano. Na confluência dos rios Ucayali e Maranon é formado o rio Amazonas (peruano). Nessa região existem três estações de amostragem de concentração de sedimentos de superfície, da rede ORE-HYBAM, nos três rios (Marañón, Ucayali e Amazonas). A estação do rio Ucayali teve um problema causado pela pluma de um rio afluente, fazendo com que as amostras nesta estação representem as águas do afluente. O projeto HIBAM realiza campanhas de amostragem de sedimentos e medição do caudal sólido e líquido, assim podem se ligar as amostras de sedimentos de superfície com descarga sólida. Os dados de reflectância infravermelha MODIS foram relacionados com as concentrações médias de superfície, medidas durante as campanhas, obtendo-se boas correlações entre estas duas magnitudes. Usando as relações MES- Reflectância, foram estimadas series de concentração de sedimentos e posteriormente foi estimada a descarga sólida em 3 estações. Nas estações dos rios Marañon e Amazonas, os dados estimados com as imagens de satélite foram validadso com os dados da rede ORE-HIBAM. Para validar o resultado do rio Ucayali foi realizado um balanço de massa entre as três estações, de modo que a descarga sólida dos rios Maranon e Ucayali seja igual à descarga sólida na estação do rio Amazonas. O equilíbrio foi realizado com dados MODIS estimados, em uma série de imagens entre os anos 2000 e 2009, fechando o equilíbrio entre as estações tanto a montante quanto a jusante. Na presente pesquisa foram estimados dados de MES para um intervalo entre 4 e 1832 mg/l, sem achar saturação na reflectância do canal infravermelho, na razão de bandas e no Kd. As estimações de MES, a partir dos dados MODIS, realizadas na presente pesquisa mostraram um erro médio quadrático entre 30 e 40%. Com a utilização da radiometria de campo, este erro diminui cerca de 23%. ______________________________________________________________________________ RÉSUMÉLe bassin Amazonien est le grand plus réseau hydrographique du monde en termes d’extension géographique et de débit. Il couvre approximativement 5 % des surfaces émergées, représente 15 % des apports continentaux en eau douce aux océans tandis que son débit sédimentaire est de l’ordre de 800 millions de tonnes par an. Le suivi hydro-sédimentaire des fleuves amazoniens est rendu difficile par la taille du bassin et la puissance des flux à mesurer pour lesquels les méthodes traditionnelles de caractérisation sont peu adaptées. Les données de télédétection optique pourraient représenter une alternative intéressante pour le suivi de paramètres de qualité des eaux, notamment pour des grands bassins « sous » instrumentés comme l’Amazonie. Un obstacle important reste cependant le fort ennuagement typique des zones tropicales humides qui ne peut être dépassé que par l’utilisation d’une très haute résolution temporelle. L’objectif de la présente thèse est de caractériser les flux sédimentaires des principaux fleuves amazoniens à partir du suivi par télédétection des propriétés optiques de leurs eaux. Les capteurs MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) à bord des satellites Terra et Aqua, fournissent des images journalières sur toute la surface terrestre. Nous considérons les produits continentaux composites à 8 jours et à 250 mètres de résolution spatiale. Ces images présentent l’avantage d’être calibrées, corrigées des effets atmosphériques et géoréférencées de manière robuste permettant un traitement automatisé de longues séries temporelles depuis l’an 2000. La caractérisation des flux sédimentaires in situ se base sur les données de réseaux conventionnels de mesure (ORE-HYBAM) et des campagnes de mesure qui ont permis de mesurer, selon des transects amont-aval, les principales caractéristiques des flux hydrologiques (débit, variations spatiales et saisonnières), des matières en suspension (MES) (concentration, minéralogie, granulométrie) et de leurs propriétés optiques (propriétés optiques apparentes AOP – réflectance télédétectée Rrs et coefficient d’atténuation diffus vertical descendant Kd). Un total de 279 mesures de Rrs et 133 de Kd sont analysées afin de déterminer la variabilité des propriétés optiques des MES au sein du bassin versant de l’Amazone et durant les différentes périodes du cycle hydrologique. Une classification non supervisée de Rrs permet de séparer aisément les eaux des plaines d’inondation et les grands types d’eaux fluviales (eaux noires / claires / blanches). La réflectance est bien corrélée avec la concentration en MES dans l’infrarouge (r² = 0.81 – 840 0.9), sans saturation et pour une large gamme de longueur d’ondes du vert (500 nm) à l’infrarouge (850 nm). Les propriétés optiques inhérentes (IOP) sont aussi étudiées directement (matière organique dissoute colorée – CDOM) ou déduites à partir des mesures des AOP. La moyenne de l'absorption du CDOM à 440 nm varie en fonction des types d’eaux. Pour les eaux noires, aCDOM est de 7.9 m-1, alors qu’il est de l’ordre de 4.8 m-1, pour les eaux blanches. La relation entre aNAP (coefficient d’absorption du matériel particulaire) à 550 nm et la MES est très robuste (r2 =0.91) mais présente une dispersion significative pour les faibles concentrations. L'absorption spécifique des particules non algales (a*NAP), qui est définie comme l'absorption par unité de concentration est évaluée à 0.028 m2/g à 555 nm. La variation de aNAP est modélisée par une exponentielle négative dont l’exposant varie entre 0.006 et 0.015 avec une corrélation négative avec la MES. Le coefficient de diffusion spécifique des particules non algales b*NAP à 555 nm est en moyenne de 0.672 ± 0.18 m2.g-1 et montre une variation spectrale du type λ-0.77 avec la longueur d’onde. Alors que sur l’Amazone et son principal affluent, le Solimões, aucunes variations saisonnières ne sont détectées, on mesure une variation saisonnière de b*NAP au sein du fleuve Madeira qui contribue à hauteur de 50% au débit solide du fleuve Amazone. L’utilisation des données satellitaires de résolution moyenne (hectométrique) est rendu difficile par l’étroitesse des cours d’eau vis-à-vis de la taille des pixels. Le phénomène de mélange spectral peut altérer la réflectance des pixels d’eau en fonction de la proximité d’éléments possédant des signatures spectrales contrastées (végétation de berge). Un algorithme a été développé afin d’identifier de manière automatique les pixels purs d’eaux au sein des scènes MODIS. La réflectance des eaux fluviales calculées par l’algorithme est validée avec les données radiométriques de terrain décrites précédemment, avec une bonne précision et avec un biais compatible avec les études de CAL/VAL précédemment publiées en milieu tropical humide marquée la présence d’aérosols en grande quantité. L’utilisation de cet algorithme permet un traitement automatisée des séries temporelles MODIS sur toutes les stations du réseau HYBAM en Amazonie et sans connaissance a priori des caractéristiques hydrologiques, météorologiques ou de la géométrie d’acquisition. Au Brésil, le fleuve Madeira est étudiée de manière systématique avec les données MODIS Terra et Aqua à partir de la création d’un réseau de stations virtuelles le long du cours d’eau. L’analyse conjointe des données satellitaires, radiométrique de terrain et des données de MES à deux stations (Porto Velho et Borba) met en évidence une hystérésis dans la relation Rrs – concentration en MES. En effet, il apparait que pour une même concentration en MES, la Rrs est inférieure en période de pic de crue, un comportement cohérent avec celui détecté pour le coefficient de diffusion spécifique de la MES comme décrit précédemment. Cette sensibilité est expliquée par une variation du type de MES qui affecte leur propriétés optique bien qu’il ne soit pas possible de conclure sur l’origine exacte de cette variation (variabilité granulométrique, minéralogique ou de la fraction organique). Cependant, l’utilisation d’un ratio Rrs(Infrarouge) / Rrs(Rouge) permet de s’affranchir de cette sensibilité saisonnière et permet un suivi précis de la concentration en MES comme l’atteste la validation avec les données du réseau HYBAM (r = 0.79 – N = 282) pour une large gamme de MES (4 – 1832 mg/ l). L´étude des comportements moyens de la concentration en MES mesurée par satellite au pas de temps mensuel (estimée par une moyenne interannuelle entre 2000 et 2011), d’amont en aval, permet le suivi fin des processus hydro-sédimentaires qui se développent au cours de la traversée du Madeira au sein de la plaine amazonienne jusqu’à sa confluence avec le fleuve Amazone : dilution, sédimentation et resuspension. En particulier, la zone de sédimentation induite par le barrage hydraulique à la confluence Madeira / Amazone est précisément délimitée lors de la période d’étiage. Au Pérou, nous étudions la zone de confluence Marañon / Ucayali où se forme le fleuve Amazone et où l’ORE HYBAM maintient une station hydro-sédimentaire sur chaque cours d’eau avec le service hydrologique péruvien. La station terrain de l’Ucayali montre des mesures incohérentes pendant plusieurs années du fait de l’influence d’un affluent local à l’amont de la station, rendant impossible l’utilisation de ces données. Pour cette étude, les images MODIS sont calibrées à partir de campagnes de mesures intensives des MES aux trois stations du réseau HYBAM entre 2007 et 2009. La validation est effectuée de manière indépendante de deux manières. D’abord en comparant les MES estimées par satellite et les données du réseau HYBAM (données à 10 jours) aux deux stations montrant des enregistrements valides (fleuves Amazone et Marañon). Ensuite, les données de MES de surface estimées par satellite sont utilisées pour calculer une concentration moyenne sur la colonne d’eau grâce aux données de campagne HYBAM. Les MES moyennes sur la section sont ensuite multipliées par le débit liquide pour calculer un débit sédimentaire à chaque station dans la zone de confluence. La comparaison des débits solides déduit par satellite entre amont (Marañon + Ucayali) et aval (Amazone) montre une excellente robustesse des estimations satellitaires (RMSE de 18 %, biais de 3 % sur 104 mois de données) compatible avec une utilisation opérationnelle des données MODIS pour le suivi des flux sédimentaires au sein du bassin amazonien. La présente thèse démontre pour la première fois que les propriétés optiques des MES au sein d’un grand bassin versant hydrologique sont suffisamment stables spatialement et temporellement afin de permettre un suivi efficace des flux sédimentaires de surface. Nous avons également démontré que les données MODIS, grâce au post-traitement que nous présentons, permettent de suivre robustement la réflectance des eaux de rivières. L’exploitation des images satellitaires permet ainsi de mettre en évidence les processus hydro-sédimentaires sur de larges périodes de temps (> 10 ans) et de mesurer les flux sédimentaires en conjonction avec les réseaux conventionnels de mesure. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTThe Amazon basin is the largest hydrographical network in terms of geographical extension and discharge. It covers approximatively 5% of the continental surface, represents 15% of the fresh water continental contribution to the ocean, while its solid discharge is of around the 800 millions of ton per year. The hydro-sedimentary monitoring of the Amazonian rivers is limited by the large extension of the basin and the magnitude of the fluxes to measure, for which the traditionally characterisation methods are not well adapted. The optical remote sensing data could represent an interesting alternative for the monitoring of water quality parameters, particularly for large under-instrumented basins like the Amazon. However, a main limitation of this method is the typical nebulosity of the wet tropical regions. This difficulty can only be resolved by using very high temporal resolution of the data. The objective of this thesis is to characterize the sedimentary fluxes of the main amazonian rivers, using the remote sensing monitoring of their water optical properties. The MODIS sensors (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) on board of Terra and Aqua satellites provide daily images on the whole Earth surface. The continental product composites every 8 days and with 250-m spatial resolution are used. The advantage of those images is that they are calibrated, the atmospheric effects are corrected, and they are robustly georeferenced, which make possible an automatized treatment of large temporal series since 2000. The in-situ sedimentary fluxes characterization is based on a conventional measurement network data (ORE-HYBAM) and field campaigns. Those data provided, via upstream-downstream section, main characteristics of hydrological fluxes (discharge, spatial and seasonal variabilities), suspended sediment (SS) (concentration, mineralogy and granulometry) and their optical properties (apparent optical proprieties AOP – remote sensing reflectance Rrs and downwelling diffuse attenuation coefficient Kd). A total of 279 measurements of Rrs and 133 of Kd are analyzed in order to determinate the variability of optical properties of SS into the Amazon basin and during the distinct periods of the hydrological cycle. With a classification not supervised of Rrs , the flood plains water and the main fluvial water types (black water/clear/white) are separated. The reflectance is well correlated with the SS concentration in the infrared (r² = 0.81 – 840 0.9), without saturation and for a large range of wavelength from green (500 nm) to infrared (850 nm). The inherent optical properties (IOP) are also directly studied (colored dissolved organic matter – CDOM) or deduced from AOP measurements. The mean absorption of the CDOM at 440 nm differs according to water types. For black water, aCDOM is 7.9 m-1, while it is of about 4.8 m-1 for white waters. The relation between aNAP (absorption coefficient of the suspended sediment) at 550 nm and the SS is robust (r2 =0.91) but shows a significative dispersion for weak concentrations. The specific absorption of the non- algal particles (a*NAP), which is defined as the absorption per concentration unity is estimated at 0.028 m2/g à 555 nm. The variation of aNAP is modelized by a negative exponential with an exponent that varies from 0.006 to 0.015, with a negative correlation with the SS. The scattering coefficient specific of the non-algal particles b*NAP at 555 nm is in average of 0.672 ± 0.18 m2.g-1 and shows a spectral variation of the -0.77 type with the wavelength. While for the Amazon and its main tributary, the Solimões, no seasonal variation are detected, a seasonal variation of b*NAP is measured for the Madeira river, which contribute in around 50% to the solid discharge of the Amazon mainstream. The utilization of the medium resolution satellital data (hectometric) is complicated due to the river narrowness by comparison to the pixel size. The mixing spectral phenomenon can degrade the reflectance of the water pixels, in relation to the proximity of the elements having contrasted spectral signatures (riverbank vegetation). An algorithm was developed in order to automatically identify the pure water pixels into the MODIS images. The fluvial water reflectance calculated with the algorithm is validated with the in-situ radiometric data previously described, with a good precision and a compatible bias with the CAL/VAL studies previously published in humid tropical environment characterized by the strong quantity of aerosols. This algorithm is used to automatically treat the MODIS temporal series over all the HYBAM network stations in the Amazon basin, and without an a priori knowledge of hydrological, meteorological or acquisition geometry characteritics. In Brazil, the Madeira River is systematically studied with the MODIS Terra and Aqua data from the creation of a virtual stations network along the river. The parallel analysis of the satellital, in-situ radiometric and SS data at two stations (Porto Velho and Borba) put in evidence an hysterisis in the relation Rrs – SS concentration. Indeed, it seems that for a similar SS concentration, the Rrs is lower during the highflow period, a coherent behavior, with regards to the one detected for the SS specific scattering coefficient, as previously described. This sensibility is explained by a variation of the SS type, which affect their optical properties, while it is not possible to conclude about the extract origin of this variation (granulometrical, mineralogical or organic fraction variability). However, the Rrs(Infrared) / Rrs(Red) ratio is used to avoid the seasonal sensibility and make possible the precise monitoring of the SS concentration, as the validation of HYBAM network data has demonstrated (r = 0.79 – N = 282) for a large SS range (4 – 1832 mg/ l). The study of the mean behaviors of the SS concentration measured by satellite with a monthly time step (estimated with a interannual me

Tributary impacts, hydrological connectivity and distribution of sediment sinks along the middle-lower Amazon River

By integrating hydro-geomorphic data collected from the field with remote sensing data, this dissertation investigates the roles of the tributaries and vast floodplain on suspended sediment distribution patterns in the Amazon River system. To assess the tributary impacts, I focused on the Solimões and Negro Rivers, and found the significant seasonal variations in surface water mixing and distribution patterns; however inter-annual variations between flooded (2009) and drought years (2005) were not notable. It is also observed that the anabranching channel patterns were observed to prevent fast mixing of different water types. Channel-floodplain hydro-sedimentary interactions were investigated over water-saturated floodplain in the lower Amazon by mapping geomorphic mosaic, and characterizing the seasonal flooding and storage patterns. Hydrological connectivity processes over floodplain varied significantly between geomorphic units, which were not correlated with their distance from the river, implying that application of the traditional “flood pulse” model is not applicable in the Amazon. The channel-floodplain connectivity also resulted in failure of the rating curve around Obidos due to the seasonal water storage in floodplain. Using a series of ADCP data, both the threshold of hydrological connectivity and geomorphic factors influencing the rating curve were assessed, and then the rating curve at Obidos was revised. Floodplain suspended sediment storage along the lower Amazon in between Manacapuru and Obidos was estimated as 79 million tons annually. However sedimentation rates which are determined by the connectivity processes and geomorphologic characteristics of floodplain significantly varied between different reaches, showing downstream increase in the magnitude of sediment sinks. This indicates a nonlinear geomorphic evolution of the Amazon floodplain at least since the Holocene through the river’s longitudinal profile. Through sequences of interrelated chapters, I arrived to the conclusion that the influences of the tributaries and channel-floodplain interactions on the Amazon River system’s suspended sediment distribution are significant and their patterns are more complex than expected. The major factor contributing to this complexity is the geomorphologic styles of the river, which are related both to the long-term evolution processes and to the current anabranching channel dynamics. These geomorphologic styles along the Amazon River are different reach-by-reach due to the varying interactive processes with regional tectonics, hydroclimatology and human activities.Geography and the Environmen

Propagação dos Fluxos de Sedimentos em suspensão do Rio Amazonas- Trecho Tamshiyacu (Peru) até Óbidos(Brasil)-Variabilidade Espacial e Temporal

The sediments flux in Amazon Basin have an important role on the aquatic biodiversity and richness in the floodplains because the nutrients and organic matter attached on suspended sediments are deposited in these zones. The suspended sediments have influence in the geomorphology of Amazon River too, because where they are deposited in zone of low turbulence new isle are create. The sediments flux have influence in the meandering movement and sometimes this movement can cause meanders to cutoff and create new lakes. These changes and richeness have influence in the Amazonian population. The Amazon Basin is considered in global terms as one of main source of suspended sediments of Atlantic Ocean, but the Andean region and foreland provide 90% of sedi- ments at the Amazon Basin. The aim of this study is to understand the spatial and temporal distribution of sediments flux in the Amazon River, therefore were select four gauging station located along of Amazon Riven from Peru to Brazil. In each gauging station was make superfi- cial samples each ten days and samples in the section in different times of hydrological period. Turbidity profiles and granulometry measuring were made too in each gauging station. In the Andean region, it is observed a relationship between the suspended sediments concentration and discharge, however, this relationship become a hysteresis in the plain especially in the Óbidos gauging station located at 870 km before of mouth. This result can be by the contribution of influx poor in suspended sediments from Guyanese and Brazilian shields. In 3000 km of long from Peru to Brazil plain, the suspended sediments is composed by two well defined types of suspended sediments: fine sediments (10-20 μm) and coarse sediments (100-250 μm). The percentage of each type of sediments in the main river is different during the hydrologic regime. Peak of fine sediments is observed in the same period of peak of rainfall (December to March) and peak of coarse sediments is observed in flood period (May to July). The Andean and sub-Andean basin gauging station show the coarse sediments in surface due to great turbulence and low depths. Therefore, this gauging station show a relationship between the suspended sediments concentration in surface and averagesuspended sediments concentration in section, with this relation is possible to calcu- late the suspended sediments flux. Hence the Peruvian basin provide 540 Mt year −1 . However in the Brazilian plain the context is different, the depth is from 40 to 100 m, becoming almost null the presence of coarse sediments in the surface. Therefore, cannot use the relationship between suspended sediments concentration in surface and average suspended sediments concentration in section. When the Óbidos gauging station is analysed, it found there is a relationship between suspended sediments concentration in surface and average of fine suspended sediments concentration. It is observed too, that there is the relationship between coarse suspended sediments concentration and discharge. Therefore, it is possible to calculate of suspended sediments flux using this two relationships. The Amazon River export 1100 Mt year − 1 of suspended sediments at Óbidos gauging station, of which 60% correspond at fine sediments flux and 40% to coarse sediments flux. It is observed that the suspended sediments are sensitivity of climate variability, generally El Niño events is associate with increase of fine suspended sediments and La Niña events increase a percentage of coarse sediments in Amazon River. It is using the turbidity for determinate of suspended sediments concentration, we use this technique due the high frequency in acquisition of data. However for use the turbidity is necessary the previous calibration. It was observed that the turbidity signal is an addition to the signal emitted by the particles in one sample and with this assumption the Rose model was used to separate the concentration signal obtained by the turbidity of these two types of sediments present in the Amazon River, fine particles and sand. Therefore, it was obtained the concentration profiles to fine sediments and the concentration profiles to the sand. It is observed during the rising period that the fine sediments profiles show a strong gradient, however in the flood periods this gradient reduce come a constant in all section. These results show that turbidity and Rouse model can be used for prediction of suspended concentration in Amazon River. Keywords: suspended sediNa bacia Amazônica, os fluxos de sedimentos em suspensão têm um papel importante na biodiversidade aquática e na riqueza das zonas inundadas, pois, os nutrientes e matéria orgânica que estão aderidos aos sedimentos são depositados nestas zonas. Os sedimen- tos influenciam na geomorfologia do curso do rio Amazonas ao serem depositados em zonas de menor velocidade, criando novas ilhas. O fluxo sedimentar tem a capacidade de influir na movimentação dos meandros e em certos casos até no desligamento destes, formando assim novos lagos. Estas mudanças e riquezas, têm influência direita nas po- pulações que moram na Amazônia. A bacia Amazônica é considerada como uma das principais fontes de sedimentos para o Oceano Atlântico em termos mundiais, porém, os Andes e as zonas sub-Andinas produzem aproximadamente o 90% desses sedimentos para a bacia Amazônica. Entender o a distribuição espacial e temporal dos fluxos sedimentários é o objetivo deste estudo, no qual foram escolhidas quatro estações de monitoramento de água e sedimento ao longo do rio Amazonas, desde o Peru até o Brasil. Para cumprir com este objetivo, foram feitas coletas superficiais a cada 10 dias em cada estação e amostragens distribuídos na seção em diferentes épocas do ano. Perfis de turbidez e amostragem para granulometria ao longo da seção também formaram parte do monitoramento. Na zona Andina, os fluxos de sedimentos em suspensão têm uma relação direita com os fluxos de água, no entanto, está relação se transforma em uma histereses ao se aproximar da planície, tornando-se bem marcada em Óbidos, localizada a 870 km antes da desembocadura. Atribui-se este resultado à contribuição de fluxos de água de tributários pobres em sedimentos provenientes principalmente dos Escudos Brasileiro e Guianês. Tanto na planície peruana quanto na planície brasileira, em aproximadamente uma longitude de 3000 km, observa-se que a concentração de sedimentos em suspensão está composta de dois tipos de granulometrias bem definidos: sedimentos finos (10-20 μm) e sedimentos grosseiros de tipo areias (100-250 μm). A porcentagem de cada tipo de sedimentos presente no curso principal está em função do regime hidrológico. Picos de concentração de sedimentos finos são presenciados nas épocas de máximas chuvas (Dezembro a Março) e picos de areias em época de cheia (Maio a Julho). Nas estações Andinas e sub-Andinas, a turbulência junto com as baixas profundi- dades permitem a ascensão de sedimentos grosseiros à superfície. Consequentemente,observa-se uma relação direita entre concentração de sedimentos em suspensão na su- perfície com a concentração de sedimentos média da seção, o que permite o cálculo de fluxos sedimentários, sendo que, a bacia peruana contribui com 540 Mt ano −1 . Na planície brasileira o contexto muda, onde as profundidades atingem de 40 á 100 m, tornando quase nula a presencia de areias na superfície. Está é, por tanto, a maior incerteza ao utilizar a relação da concentração de superfície com a média da secção. Analisando a estação de Óbidos constatou-se que existe uma relação direita entre a concentração de sedimentos da superfície e a concentração média de sedimentos finos da seção. Observou-se também que, a concentração média de sedimentos grosseiros da seção têm relação direita com a vazão. Esta diferenciação dos tipos de sedimentos per- mite o cálculo de fluxos do rio Amazonas, concluindo que 1100 Mt ano −1 de sedimentos são transportados para el Oceano Atlântico na estação de Óbidos, sendo que 60% cor- responde ao fluxo de sedimentos finos e 40% ao fluxo de areias. Observou-se que os sedimentos são sensíveis à variabilidade climática, em geral eventos El Niño estão rela- cionados com maiores quantidades de sedimentos finos e eventos La Niña incrementam a porcentagem de sedimentos grosseiros no rio Amazonas. Utilizou-se a turbidez para obter dados de concentração por ser uma medida de alta frequência, na qual, foram feitas curvas de calibração em função do diâmetro da partícula. Observou-se que o sinal de turbidez é uma adição do sinal emitido pelas partículas presentes em uma amostra, com esta premissa utilizou-se o modelo de Rouse para separar o sinal de concentração obtido pela turbidez dos tipos de sedimentos pre- sentes no rio Amazonas, partículas finas e areias. Deste modo conseguiu-se perfis de concentração para sedimentos finos e perfis de concentração para as areias. Observa-se que na época de enchente os perfis de concentração tem um gradiente bem marcado para os sedimentos finos, no entanto, em épocas de cheia o gradiente é governado pelas areias e os perfis de finos são verticais e constantes em toda a seção. Estes resultados indicam que, pode-se predizer perfis de concentração com base na turbidez em rios da Amazônia

Análise da integração das ferramentas de hidrologia espacial “cor das águas” para o monitoramento e a modelagem SWAT dos processos hidrosedimentológicos na bacia do Rio São Francisco - Brasil

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2021.Este trabalho teve como objetivo caracterizar as dinâmicas espacial, sazonal e interanual dos fluxos de sedimentos na Bacia do Rio São Francisco (BRSF) para identificar o papel das atividades antrópicas e quantificar essas alterações. O trabalho foi realizado a partir de uma metodologia original e completa, integrando medições convencionais, dados de sensoriamento remoto (SR) MODIS e modelagem baseada no SWAT. Os dados de reflectância do sensor MODIS dos satélites TERRA e AQUA foram utilizados para estimar a concentração de material particulado em suspensão de superfície (Csup) nos rios e reservatórios da BRSF. Dados espectroradiométricos foram obtidos em campo para elaboração e validação dos algoritmos para transformação de reflectância de superfície em dados Csup. Coletas de sedimentos em suspensão na coluna d’água foram realizadas para transformar Csup de SR em concentração em suspensão integrada na coluna d’água (CSR) e, após, cálculo da descarga sólida integrada na coluna d’água de SR (QsSR). Na validação da C foram obtidos coeficiente de determinação de 0,55 e RMSE-log de 0,33 mg/L (N = 211) enquanto que na validação da Qs foram obtidos coeficiente de determinação igual a 0,78 e um RMSE-log igual a 0,34 T/d (N = 211). As séries de C e Qs de 44 estações virtuais foram analisadas e utilizadas para caracterizar as dinâmicas espacial, sazonal e interanual dos fluxos de sedimentos na BRSF. Os resultados foram comparados com trabalhos já desenvolvidos e publicados em periódicos científicos e teses/dissertações. Os resultados obtidos pelas validações e comparações mostraram a robustez dos dados e a viabilidade da utilização do SR no monitoramento da CSR e da Qs SR ao longo do Rio São Francisco (RSF). A partir dos dados de Qs de SR (QsSR) e de campo da rede sedimentométrica da ANA (QsANA), e com a finalidade de obtenção de séries diárias de QsSR e QsANA, foram elaboradas e analisadas estatisticamente curvas-chave de sedimentos (C-Csed) de SR (CsedSR ) e de campo (C-CsedANA). Com as C-CsedSR e C-CsedANA foram calculadas séries de QsSR e QsANA que foram analisadas, sendo comparadas individualmente e entre si. Foi encontrada uma grande aproximação das estimativas calculadas com os dois conjuntos de dados QsSR e QsANA nas baixas e médias vazões (Q). Entretanto, nas médias-altas e altas Q há um distanciamento dos resultados de QsANA em decorrência da ausência de medições in situ de QsANA em condições de altas vazões, o que levou a uma extrapolação equivocada da curva chave quando o rio alcança o seu leito maior (planície de inundação), o que só foi possível observar na análise dos dados de QsSR. Acima de 10 mil T/d, as QsANA sobrestimaram, em média, 100 % as QsSR, variando de 20 a até 400 % pela falta de calibração nas faixas das mais altas vazões. Consequentemente, o uso de C-CsedSR possibilitou a obtenção de dados diários a um custo muito mais baixo e muito mais representativo da amplitude de Q ocorrente no RSF, quando comparada com as C-CsedANA. As séries de QsSR e QsANA foram calculadas com as C-CsedSR e C-CsedANA e foram transformadas em descarga sólida total de SR (QstSR) e de campo (QstANA) pela equação elaborada que relaciona os dados de QsANA com os dados de QstANA disponíveis no banco Hidro da ANA. Os dados de QstSR e QstANA das estações Cachoeira do Manteiga, São Francisco, Carinhanha, Gameleira e Morpará foram usados na modelagem hidrosedimentologica com vista a integração do QstSR no processo de modelagem com SWAT. Este processo de modelagem foi realizada na Bacia do Alto-Médio Rio São Francisco, que utilizou além dos dados de QstSR, uma base de dados revisada e original para as condições regionais (condições tropicais, em especial para as variáveis de solo) e com resolução espacial adequada para a escala de estudo. Os resultados das calibrações manual e automática conseguiram reproduzir muito bem a vazão ocorrente nas estações. Os resultados da calibração final (automática) foram: Cachoeira do Manteiga (NS=0,88; PBIAS=4,3); São Francisco (NS=0,83; PBIAS=2,7); Carinhanha (NS=0,81; PBIAS=0,2); Gameleira (NS=0,76; PBIAS=3,7) e Morpará ((NS=0,69; PBIAS=-2,5). A comparação dos resultados obtidos no trabalho com dois estudos de modelagem com o SWAT realizados na BRSF mostra que o esforço na elaboração de uma base de dados de solos regional, a utilização de bases com melhor resolução, a inserção dos dados do reservatório Três Marias e a realização de calibração manual seguida por calibração automática no SWAT-CUP contribuiu para um melhor ajuste do modelo. A partir do modelo hidrológico calibrado, a análise dos resultados obtidos nas modelagens com dados de descarga sólida total (Qst), de SR (QstSR) e de campo (QstANA), além de dados oriundos de trabalhos anteriores, demostrou que é possível utilizar QstSR para melhorar as estimativas de sedimentos em modelos como o SWAT. A integração de dados de sedimentos obtidos por SR com a modelagem com o SWAT permite agregar as principais vantagens dos dois métodos, possibilitando a obtenção de dados robustos em áreas com baixa frequência ou nenhum monitoramento a um custo mais baixo, obtenção de séries do passado em função da disponibilidade de dados de satélite, oferecendo uma visão sinóptica do fluxo de sedimentos e a criação de cenários futuros para avaliação de mudanças climáticas e mudança do uso da terra, dentre outros. Embora tenha sido calibrada a estação do exutório (Morpará), nenhuma das modelagens realizadas com as equações de roteamento de sedimentos do SWAT, seja com QstSR ou de QstANA conseguiu propagar corretamente os sedimentos ao longo do trecho do RSF estudado. Por outro lado, utilizando um novo módulo para propagação dos sedimentos com base hidráulica desenvolvido SANTINI (2020), foi possível propagar os sedimentos ao longo do Rio São Francisco e obter bons resultados: Cachoeira do Manteiga (NS=0,84; PBIAS= 3,70), São Francisco (NS=0,74; PBIAS=24,4), Carinhanha (NS=0,52; PBIAS=38,5), Gameleira (NS=0,45; PBIAS=31,2) e Morpará (NS=0,42; PBIAS=34,6).Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).This work aimed to characterize the spatial, seasonal and interannual dynamics of sediment flows in the São Francisco River Basin (BRSF) to identify the role of anthropic activities and to quantify these changes. The work was carried out from an original and complete methodology, integrating conventional measurements, MODIS remote sensing (RS) data and SWAT-based modeling. The reflectance data from the MODIS sensor of the TERRA and AQUA satellites were used to estimate the concentration of particulate matter in surface suspension (Csup) in BRSF rivers and reservoirs. Spectroradiometric data were obtained in the field to develop and validate the algorithms for transforming surface reflectance into Csup data. Collections of sediments suspended in the water column were performed to transform Csup of RS into concentration in suspension integrated in the water column (CRS) and, after, calculation of the solid discharge integrated in the water column of RS (QsRS). In the validation of C, a determination coefficient of 0.55 and RMSE-log of 0.33 mg.L -1 (N = 211) were obtained, while in the validation of Qs, a determination coefficient of 0.78 and a RMSE-log were obtained. equal to 0.34 T / d (N = 211). The C and Q series of 44 virtual stations were analyzed and used to characterize the spatial, seasonal and interannual dynamics of sediment flows in the BRSF. The results were compared with works already developed and published in scientific journals and theses / dissertations. The results obtained by the validations and comparisons showed the robustness of the data and the feasibility of using the RS in monitoring the CRS and the Qs RS along the São Francisco River (SFR). Based on the Qs of RS (QsRS) and field data from the ANA sedimentometric network (QsANA), and in order to obtain daily series of QsR and QsANA, key sediment curves with remote sensing data and field data were developed and analyzed, being compared individually and with each other. A great approximation of the estimates calculated with the two datasets QsSR and QsANA was found in the low and medium flows (Q). However, in the medium-high and high Q there is a gap in the QsANA results due to the absence of in situ measurements of QsANA in high flow conditions, which led to an erroneous extrapolation of the sediment rating curve when the river reaches its largest bed (floodplain), which was only possible to observe in the analysis of the QsSR data. Above 10,000 T.d-1 , the QsANA overestimated, on average, 100% the QsRS, varying from 200 to 400% due to the lack of calibration in the highest flow ranges. Consequently, the use of remote sensing rating curve made it possible to obtain daily data at a much lower cost and much more representative of the Q amplitude occurring in RSF, when compared sediment rating curve elaborated with field data. The QsSR and QsANA series were calculated with remote sensing rating curve and field rating curve and were transformed into remote sensing total solid discharge (QstRS) and field total solid discharge (QstANA) by the elaborated equation that relates the QsANA data with the available QstANA data at ANA's Hydro bank. The QstSR and QstANA data from Cachoeira do Manteiga, São Francisco, Carinhanha, Gameleira and Morpará virtuals stations were used in hydrosedimentological modeling in order to integrate QstRS into the SWAT modeling process. This modeling process was carried out in the Upper-Middle Rio São Francisco Basin, which used in addition to the QstRS data, a revised and original database for regional conditions (tropical conditions, especially for soil parameters) and with resolution suitable for the study scale. The results of the manual and automatic calibrations were able to reproduce the flow occurring in the stations very well. The results of the final (automatic) calibration were: Cachoeira do Manteiga (NS = 0.88; PBIAS = 4.3); San Francisco (NS = 0.83; PBIAS = 2.7); Carinhanha (NS = 0.81; PBIAS = 0.2); Gameleira (NS = 0.76; PBIAS = 3.7) and Morpará ((NS = 0.69; PBIAS = -2.5). The comparison of the results obtained in the work with two modeling studies with SWAT carried out at BRSF shows that the effort in the elaboration of a regional soil database, the use of bases with better resolution, the insertion of data from the Três Marias reservoir and the realization of manual calibration followed by automatic calibration in SWAT-CUP contributed to a better adjustment of model. From the calibrated hydrological model, the analysis of the results obtained in the modeling with total solid discharge (Qst), RS (QstRS) and field (QstANA) data, in addition to data from previous works, demonstrated that it is possible to use QstRS to improve sediment estimates in models like SWAT. The integration of sediment data obtained by RS with the modeling with SWAT allows to aggregate the main advantages of the two methods, making it possible to obtain robust data in areas with low frequency or no monitoring at a lower cost, obtaining series from the past in function of the availability of satellite data, offering a synoptic view of the flow of sediments and the creation of future scenarios for assessing climate change and land use change, among others. Although the exutory station (Morpará) was calibrated, none of the modeling carried out with the SWAT sediment routing equations, either with QstRS or QstANA managed to properly propagate the sediments along the studied SFR section. On the other hand, using a new hydraulic based sediment propagation module developed by SANTINI (2020), it was possible to propagate the sediments along the São Francisco River and obtain good results: Cachoeira do Manteiga (NS = 0.84; PBIAS = 3.70), São Francisco (NS = 0.74; PBIAS = 24.4), Carinhanha (NS = 0.52; PBIAS = 38.5), Gameleira (NS = 0.45; PBIAS = 31.2) and Morpará (NS = 0.42; PBIAS = 34.6)

Correction of interferometric and vegetation biases in the SRTMGL1 spaceborne DEM with hydrological conditioning towards improved hydrodynamics modeling in the Amazon Basin

In the Amazon basin, the recently released SRTM Global 1 arc-second (SRTMGL1) remains the best topographic information for hydrological and hydrodynamic modeling purposes. However, its accuracy is hindered by errors, partly due to vegetation, leading to erroneous simulations. Previous efforts to remove the vegetation signal either did not account for its spatial variability or relied on a single assumed percentage of penetration of the SRTM signal. Here, we propose a systematic approach over an Amazonian floodplain to remove the vegetation signal, addressing its heterogeneity by combining estimates of vegetation height and a land cover map. We improve this approach by interpolating the first results with drainage network, field and altimetry data to obtain a hydrological conditioned DEM. The averaged interferometric and vegetation biases over the forest zone were found to be -2.0 m and 7.4 m, respectively. Comparing the original and corrected DEM, vertical validation against Ground Control Points shows a RMSE reduction of 64%. Flood extent accuracy, controlled against Landsat and JERS-1 images, stresses improvements in low and high water periods (+24% and +18%, respectively). This study also highlights that a ground truth drainage network, as a unique input during the interpolation, achieves reasonable results in terms of flood extent and hydrological characteristics

Dynamic transport of the sediment and nutrient in the Mekong River Basin and the role of the Tonle Sap Lake : Assessment coupling data and modelling approaches

The Asian river basins are great contributors to sediments and nutrient to the seas. These rivers are subject to the influence of climate variability and human activities, which alter the nutrient transport and fate of water quality. The Mekong River is a transboundary river in Southeast Asia and plays an important role in economy, agriculture and also by contributing fluxes into the Mekong delta and into the sea. Within the Mekong basin, the Tonle Sap area is a complex system with a unique reverse flow between Tonle Sap Lake and the Mekong River. Sediment and nutrient in the Mekong River are important to sustain the geomorphology of the floodplains and particularly the Tonle Sap Lake. At the same time, Tonle Sap Lake are contributing the sediment and nutrient for the Mekong delta. Therefore, the sediment and nutrient assessment in the Mekong River and its linkage between the Mekong mainstream and the Tonle Sap Lake would be necessary to evaluate. The study was to assess the dynamic transport of sediment and nutrient in the Mekong River Basin and evaluate the role of the Tonle Sap to the Mekong River through the coupling data and modelling approaches. The physical-based SWAT model was used upstream of the Mekong delta to simulate the water regime and suspended sediment and nutrient flux of the Mekong River. The SWAT model was calibrated based on observed discharge at eight gauge stations, suspended sediment load at six stations and nutrient data at five stations from 1995 to 2016 at a monthly time step. To understand the role of Tonle Sap Lake in sediment and nutrient to Mekong River, the study considered the balanced of the Tonle Sap reverse system at seasonal and annual scales. Before entering the confluence of Mekong and Tonle Sap Lake and delta, the sediment load is found 72±26 Mt/year with a decreasing annual trend from 1995 to 2018. The annual sediment yield of the upper 80% Mekong River basin (310 t/km2/year) is comparable with sediment yields reported for other world major rivers. The Mekong annual average riverine nitrate yield was 202 kg/km2/year with 361.8±83.5 kt/year from 1985-2016 of annual nitrate flux before entering the Mekong delta. The sediment loads variability of the Mekong River and Tonle Sap system presented in this study helps clarify the exchange annual discharge and sediment load toward the Mekong delta. The study also highlighted that the fact that Tonle Sap is the sediment sink (1.35±0.7 Mt annually) in the Mekong basin lead to a reduction in sediment supply, which compounds the threat to the delta from accelerated subsidence and sea-level rise. The study has emphasized the interaction role of Tonle Sap Lake and Mekong in nutrient supply for the Mekong delta. On the annual scale, it is worth discussing these interesting results revealed Tonle Sap Lake contributed 34 kt/year of nitrate and 6.6 kt/year of total phosphorus to the Mekong system or Mekong Delta. In contrast, the Mekong River shared nitrate flux 35.8 kt/year and 8.7 kt/year of total phosphorus to Tonle Sap Lake and its floodplain during the high flow season. Future studies of hydrology together with sediment and nutrients can be carried on based on this model with scenarios of global changes, such as climate changes and land-use changes and include the sediment and nutrient input to Tonle Sap Lake system from the lake tributaries and interconnect with the Mekong River basin model

Indicadores biogeoquímica de qualidade ambiental da Várzea Lago Grande do Curuaí, Amazônia brasileira

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2017.Os ambientes de várzea são ecossistemas singulares, diversificados e os mais produtivos do mundo, mas estão ameaçadas por mudanças climáticas e antrópicas. Possuem uma dinâmica biogeoquímica singular conduzida pelo “pulso de inundação”. A pressão antrópica associada à ausência de infraestrutura de saneamento potencializam processos de eutrofização que comprometem a qualidade ambiental de ambientes lacustres. Esta pesquisa objetiva desenvolver um sistema de indicadores sobre qualidade ambiental para planícies de inundação da Amazônia com base na dinâmica biogeoquímica de uma delas: Várzea Lago Grande do Curuaí, situada na Amazônia brasileira. A hipótese do estudo é que as múltiplas formas de utilização dos recursos naturais impactam os ecossistemas de várzea. Assim, a construção de um sistema de indicadores pode contribuir para mensurar a qualidade ambiental local. Foram apresentados, discutidos e validados Índices de Estado Trófico (IET). Além disso, um novo índice foi criado a partir de informações biológicas (IETBP). Os estados tróficos foram estimados com base nas classificações dos códons C, Td, W2, X2, F, M, P, G e H1. A validação ocorreu em dois períodos hidrológicos (enchente e vazante) e foi comparado com sucesso com categorias tradicionais de estado trófico. Além disso, este estudo apresenta para o período de vazante, uma proposta preliminar para estimar concentrações de fósforo total e derivar índices de estado trófico a partir de imagens de satélite capazes de cobrir toda extensão das planícies de inundação. No período de vazante, houve floração no fitoplâncton com a predominância de cianobactérias, incluindo espécies capazes de produzir cianotoxinas (Dolichospermum spp., Microcystis aeruginosa e a Oscillatoria spp.). As análises estatísticas apontaram que durante os períodos de enchente, cheia, vazante e seca, cada lago apresenta características diferentes entre si. Este estudo confirma que os lagos da várzea formam zonas de mistura individualizadas, em termos de características de biogeoquímicas. As análises apontam também que uma parte considerável da variação estatística não foi possível explicar e pode estar relacionada a outros fatores, abióticos ou bióticos. Alguns fatores antrópicos, como pecuária e agricultura, influenciam na qualidade ambiental desse ecossistema. O aporte de nutrientes do rio Amazonas para os lagos da várzea continua sendo a principal fonte de nutrientes que explica os processos de eutrofização na planície de inundação. As ocorrências de episódios de eutrofização durante o período de vazante associados com floração requer pesquisas adicionais, de modo a construir um sistema de alerta de saúde para as populações locais. Por fim, esta pesquisa apresenta uma proposta de controle ambiental para lagos de várzeas com base no índice de estado trófico, variáveis biogeoquímicas e índices derivados de satélites. A tese propõe uma ferramenta robusta, que pode facilitar a tomada de decisões políticas em relação à qualidade ambiental de lagos de várzeas, podendo ser aplicada não só na região amazônica, mas também, em várias regiões do planeta.Floodplain environments are unique and among the most diverse and productive ecosystems in the world, but the are threatened by climatic and anthropogenic changes. They have a singular biogeochemical dynamics driven by the “flood pulse”. The anthropogenic pressure associated with an absence of sanitation infrastructures enhances processes of eutrophication that compromise the environmental quality of lacustrine environments. This research aims to develop a system of indicators of the environmental quality of Amazonian floodplains based on the biogeochemical dynamics of one of them: the Curuaí’s floodplain, located in the Brazilian Amazon. The hypothesis of the study is that the numerous ways of exploiting the natural resources of the “várzea” impact the floodplain ecosystems. Thus a construction of a set of indicators could contribute to measuring the local environmental quality. Trophic State Indexes (TSI) were presented, discussed and validated. Moreover, a new index was created from biological information (TSIPB). The trophic state was estimated from the classifications of codons C, Td, W2, X2, F, M, P, G and H1. Validation was made during two hydrological periods (rising and flushing) and was successfully compared with traditional trophic states. In addition, this study presents for the flushing period a preliminary work in order to estimate concentrations of total phosphorus and to derive trophic state indices from satellite images covering the entire surface of floodplains. In the flushing period, occurs a phytoplankton bloom, with the predominance of Cyanobacteria, including species capable of producing cyanotoxin (Dolichospermum spp., Microcystis aeruginosa and Oscillatoria spp.). Statistical analysis showed that within the periods, each floodplain lake presents different biological characteristics from one another. This study confirms that the floodplain lakes form a patchwork of individualized zones in term of biogeochemistry characteristics. They also point out that a considerable part of the statistical variation could not be explained and may be related to other factors, either abiotic or biotic. Some anthropic factors, such as livestock and agriculture farming, influence the environmental quality of this ecosystem. The input from the Amazon River to floodplain lakes is still the main source of nutrients explaining the eutrophication processes in the floodplain. The occurrence of eutrophication episodes during the flushing period associated with blooms of cyanobacteria require further research, in order to build a health alert system for local populations. Finally, this research presents a proposition for controlling the environmental quality of floodplain lakes, based on trophic state index, biogeochemical variables and satellite-derived indexes. Thus, this work suggests a robust tool that may facilitate policy decision-making regarding the environmental quality of “várzeas” lake waters and may be applied not only in the Amazon region but also in other parts of the world

Estudo da dinâmica espaço-temporal do fluxo de sedimentos a partir das propriedades ópticas das águas no reservatório de Três Marias - MG

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, 2013.A sociedade moderna ampliou consideravelmente a diversidade de uso da água. Hoje em dia, a água é bem de consumo final ou intermediário na quase totalidade das atividades humanas. Em um país como o Brasil que possui grande parte de sua matriz energética originada do seu excelente potencial hídrico é fundamental o aprofundamento em estudos e tecnologias relacionados ao entendimento dos ecossistemas aquáticos continentais. É na lacuna de limitações do monitoramento espacial e temporal das técnicas convencionais de amostragem que o sensoriamento remoto se insere como uma das tecnologias capaz de ampliar a representatividade das amostras. O objetivo desta tese é estimar a concentração dos sedimentos em suspensão em reservatórios por meio de imagens do satélite MODIS e das propriedades ópticas da água adquiridas com espectrorradiometria de campo. Além de fornecer estimativas sobre a dinâmica espaço-temporal dos fluxos de sedimento que aportam o reservatório de Três Marias. Para isso, é necessário compreender como os sedimentos se comportam no reservatório e como afetam a resposta espectral das águas. A metodologia desenvolvida nesta pesquisa envolveu levantamento de campo do material em suspensão e das propriedades ópticas das águas do reservatório. A caracterização das propriedades ópticas das águas permitem entender os processos de interação entre a radiação eletromagnética com o corpo d'água. As propriedades ópticas medidas a partir da espectrorradiometria de campo foram: Reflectância de sensoriamento remoto, reflectância volumétrica e coeficiente de atenuação vertical da luz. Essas propriedades permitiram estimar as propriedades de coeficiente de absorção, de espalhamento e de retroespalhamento da radiação pelo corpo d'água. Análises de correlação entre as propriedades ópticas da água e a concentração de material em suspensão se mostraram bem robustas com valores de R² acima de 0,9 para todas as propriedades. Entre as propriedades ópticas medidas a reflectância de sensoriamento remoto foi utilizada para simular as respostas espectrais do sensor MODIS. Os dados do sensor MODIS simulados são correlacionados com o material em suspensão. Essa correlação se mostrou bastante robusta com R² de 0,93 para a banda do vermelho e 0,92 para a banda do infravermelho mostraram uma boa possibilidade de se estimar valores de concentração a partir da reflectância do sensor MODIS. As análises de correlação com o material em suspensão foram utilizadas para definir as curvas de calibração para estimar valores de concentração de sedimentos a partir do sensor MODIS. Os valores de concentração estimados foram validados a partir da comparação com as concentrações mensuradas em campo. Os resultados mostram que os dados de satélite conseguem acompanhar de maneira robusta as variações de concentração ao longo do reservatório, permitindo analisar a dinâmica de fluxos de sedimentos espacialmente e temporalmente. Essa tese demonstra a possibilidade de utilizar imagens de sensoriamento remoto para monitorar de maneira criteriosa a dispersão da pluma de sedimentos e suas variações sazonais dentro do reservatório, além da possibilidade de analisar os parâmetros dos constituintes da água por meio das suas propriedades ópticas. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTModern society has significantly expanded the diversity of water use. Today, water is final or intermediate consumer product in almost of all human activities. In a country like Brazil, which has most of its energy originated from its excellent water potential is very important improvements in technologies and studies related to the understanding of aquatic ecosystems. Is in the gap of spatial and temporal monitoring limitations of conventional sampling techniques that remote sensing is included as one of the technologies capable of enhancing the representativeness of samples. The objective of this thesis is to test the effectiveness of t suspended sediment concentration estimates in reservoirs using MODIS satellite images and the optical properties of water measured with field spectroradiometry. In addition to providing estimates of the spatial and temporal sediment fluxes dynamics that contribute to the Três Marias Reservoir. For this it is necessary to understand the behavior of sediments in the reservoir and how they affect the color of the waters. The methodology involves field research of the suspended material and the optical properties of the reservoir water. The characterization of the optical properties of water allow us to understand the processes of interaction of electromagnetic radiation with water. The optical properties measured from the field spectroradiometry were: remote sensing reflectance, irradiance reflectance and vertical attenuation coefficient of light. These properties allowed us to estimate the properties of the absorption coefficient, scattering and backscattering of radiation by water. A correlation between the optical properties of water and the concentration of suspended material was very robust with R² values above 0.9 for all properties. Among the optical properties of water measures the reflectance remote sensing was used to simulate the spectral response of MODIS. Correlation analysis with suspended material are used to define the calibration curve to estimate values of sediment concentration from MODIS datas. The estimated concentration values are validated by comparing with the concentrations measured in the field. The results show that the satellite data can robustly monitor the variability of concentration along the reservoir, allowing to analyze the dynamics of sediment flows spatially and temporally. This thesis demonstrates the possibility of using remote sensing images to monitor very carefully the dispersion of sediment plume and seasonal variations within the reservoir, plus the ability to analyze parameters of the constituents of the water using their optical properties