Developing a thermodynamic a conceptual model for the Itumbiara hydroelectric reservoir based on satellite and telemetric data

Aquatic systems continually respond to climatic conditions that vary over broad scales of space and time. The response of each water body to external conditions (hydro-meteorological processes) is revealed in the first place by the thermal structures present in water body. Most lacustrine chemical, physical and biological processes are affected directly by lake hydrological (e.g. lake depth) and thermal changes (e.g. seasonal stratification), and are thus, indirectly affected by climate variation. Understanding lake-climate system interactions is therefore of fundamental importance to evaluate the effects of climate change on limnological processes. Based on this, the objective of this work was to develop a thermodynamic conceptual model for the Itumbiara hydroelectric reservoir (Goiás State, Brazil). The developed methodology was based on the use of satellite imagery of moderate resolution that allow the computation of the water surface temperature from 2003 to 2008 (six years) during the daytime and nighttime. The results showed the potential of the use of moderate resolution satellite data to study water surface temperature variability and to explain the main causes of this variability. The use of hydro-meteorological and bulk temperature collected by station and autonomous buoy, respectively, contributed to better understand the physical processes in the mixed depth of the reservoir. Also the results allow the elaboration of conceptual models for the thermodynamics of the Itumbiara reservoir

Influence of summertime mesoscale convective systems on the heat balance and surface mixed layer dynamics of a large Amazonian hydroelectric reservoir

We evaluated the impacts of summertime mesoscale convective systems (MCS) on the heat balance and diel surface mixed layer (SML) dynamics of the Brazilian Amazon's Tucuruí Hydroelectric Reservoir (THR). We used a synergistic approach that combines in situ data, remote sensing data, and three-dimensional (3-D) modeling to investigate the typical behavior of the components of the heat balance and the SML dynamics. During the study period (the austral summer of 2012–2013), 22 days with MCS activity were identified. These events occurred approximately every 4 days, and they were most frequent during January (50% of the observations). An analysis of local meteorological data showed that when MCS occur, the environmental conditions at THR change significantly (p-value < 0.01). The net longwave flux, which was the heat balance component most strongly impacted by MCS, increased more than 32% on days with MCS activity. The daily integrated heat balance became negative (−54 W m−2) on MCS days, while the balance was positive (19 W m−2) on non-MCS days. In response to the changes in the heat balance, the SML dynamics changed when a MCS was over the THR. The SML depth was typically 28% higher on the days with MCS (∼1.6 m) compared with the days without MCS (∼1.3 m). The results indicate that MCS are one of the main meteorological disturbances driving the heat balance and the mixing dynamics of Amazonian hydroelectric reservoirs during the summer. These events may have implications for the water quality and greenhouse gas emissions of Amazonian reservoirs

AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE DADOS AMBIENTAIS POR MEIO DE TÉCNICAS DE ANALÍTICA VISUAL

O desenvolvimento tecnológico tem impulsionado a utilização de sensores para a realização de coletas automatizadas e periódicas de dados, como aqueles empregados no Sistema Integrado de Monitoramento Ambiental (SIMA), cujo conjunto de dados é utilizado neste trabalho. Apesar da automatização do processo de aquisição de dados, estes podem apresentar falhas decorrentes de problemas na coleta, na transmissão ou no armazenamento dos dados. A existência de grande quantidade de dados temporais multivariados e a possibilidade de falhas são indicativos da necessidade de utilização de recursos computacionais para apoiar o processo de análise. Neste trabalho são utilizadas técnicas de análise visual para a extração de características do conjunto de dados, as quais, posteriormente, podem impactar a qualidade da análise dos fenômenos associados. Os resultados obtidos demonstram os benefícios da utilização de representações visuais e interativas para a exploração do conjunto de dados, as quais facilitam a percepção de informações acerca de: disponibilidade dos dados; funcionamento dos sensores; e evidências de padrões de falha

DELINEAMENTO AMOSTRAL EM RESERVATÓRIOS UTILIZANDO IMAGENS LANDSAT-8/OLI: UM ESTUDO DE CASO NO RESERVATÓRIO DE NOVA AVANHANDAVA (ESTADO DE SÃO PAULO, BRASIL)

O uso do sensoriamento remoto voltado para a determinação de amostras de campo é de grande valia para estudos ambientais, uma vez que as imagens de satélite apresentam atributos capazes de avaliar a variabilidade espectral da superfície da água considerando uma área extensa. Desse modo, a abordagem deste trabalho objetiva definir um método de seleção estratificada de amostras baseada na variabilidade de imagens no espectro do visível e infravermelho oriundos do sensor Landsat-8/OLI. O método conta com a utilização de dados raster que representam o desvio padrão de uma série temporal de imagens Landsat-8/OLI e em seguida a definição automática de pontos de campo apoiada na técnica de amostragem estratificada aleatória. A escolha da imagem que deu origem a seleção dos pontos foi baseada na componente de maior variabilidade espectral por meio da técnica de Principal Componente. Como resultado foram obtidos vinte pontos representativos de um total de seis classes espectralmente semelhantes

INTEGRAÇÃO DE DADOS DO SISTEMA DE MONITORAMENTO AUTOMÁTICO DE VARIÁVEIS AMBIENTAIS (SIMA) E DE IMAGENS ORBITAIS NA AVALIAÇÃO DO ESTADO TRÓFICO DO RESERVATÓRIO DA UHE FUNIL

Esse artigo descreve a integração de dados fornecidos pelo sistema automático de monitoramento e imagens de satélite visando à avaliação rápida do estado trófico de reservatórios. Médias diárias de concentração de clorofila foram computadas a partir de medidas coletadas entre fevereiro de 2007 e fevereiro de 2009 a partir de sistemas colocados no Reservatório de Funil. Os dados foram processados de modo a identificar a ocorrência de florações fitoplanctônicas e usados para selecionar imagens de satélites disponíveis durante episódios de floração. Tendo em vista que estudos prévios realizados em reservatórios em cascata demonstraram correlação positiva e alta entre o Índice da Diferença Normalizado de Vegetação (NDVI) e a concentração de clorofila, adotou-se a hipótese de que sob condições eutróficas a correlação entre o NDVI e a concentração de clorofila seria alta devido ao aumento da densidade das células próximas à superfície durante a ocorrência da floração de algas. A imagem selecionada foi processada para se obter o NDVI para o reservatório e comparada com as medidas de concentração de clorofila obtidas in situ pelo sistema automático de monitoramento. Os resultados mostraram que o NDVI é sensível a mudanças na concentração de clorofila em sistemas eutróficos como o reservatório FUNIL e que pode ser usado para uma avaliação rápida da área afetada pelas florações. Embora preliminares, os resultados mostram o potencial da integração de sistemas in situ e imagens de satélite para a avaliação do estado trófico dos sistemas aquáticos. Palavras-chave: Sistema automáticos de monitoramento. Sensoriamento remoto. Estado trófico de reservatórios. Integration of data provided by the automatic environmental variable monitoring system (SIMA) and orbital images to assess the trophic state of the uhe funil reservoir This paper describes the integration of data provided by automatic monitoring systems and satellite images for quick assessment of reservoir trophic state. Daily average of Chlorophyll concentration from February, 2007 to February, 2008 was obtained with automatic monitoring systems deployed at FUNIL reservoir. The data were processed to identify phytoplankton blooms and used to select a satellite image available during the episodes. As previous results in cascade system’s reservoirs indicated a good correlation between the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and chlorophyll concentration, it was hypothesized that in eutrophic conditions the NDVI would be positive due to the high cell density near the surface during the algal bloom. The selected image was processed to derive the NDVI for the reservoir and compared with estimates of chlorophyll concentration provided by the automatic system. The results showed that the NDVI is sensitive to changes in chlorophyll concentration in eutrophic systems as FUNIL reservoir and that it can be used for quick assessment of the area affected by nuisance blooms. Although the results are preliminary, they show the potential of integrating automatic collected in situ data and satellite images for assessment of aquatic system state. Key words: Automatic monitoring system. Remote sensing. Reservoir trophic state

Editorial for the Special Issue “Remote Sensing of Large Rivers”

Large rivers play important roles on Earth, such as transporting eroded materials from the continents to the ocean, facilitating the transfer of nutrients through biogeochemical cycles, and sustaining complex ecosystems and high levels of biodiversity [...

ANÁLISE UNIDIMENSIONAL DOS PROCESSOS DE MISTURA NO SISTEMA ESTUARINO DO RIO PERIÁ (MA), BRASIL / One-dimension analysis of mixing processes of the Periá River Estuary (MA), Brazil

The objective of present work is to analyze the processes of mixture in the estuarinesystem of the Periá River (MA) and to classify the system into zones following Kjerfve (1987). The mathematical model of Dyer and Taylor (1973) was used in order toanalyze the mixture processes. To attain the objectives, the bathymetry of the estuarinesystem was obtained, allowing to define the limits of high and low tides. The one-dimension analysis considered: salinity and the water concentration and/or fresh waterfraction, in high and low tides; the rates and times of discharges; and the volumes offresh water restrained in the estuary in high and low water slacks. The followingresults were obtained: the water volume in the system has maximum of 64,96 * 106 m3and minimum of 0,12 * 106 m3; the tidal prism has maximum of 7,1 * 106 m3 andminimum of 0,045 * 106 m3; the fresh water concentration was higher in low tide (0,99* 106 m3 ) than in high tide (0,91 * 106 m3 ); the salt concentration was always larger inhigh than in low tides, having maximum of 34 ups and minimum of 0,34 ups; regardingthe water volume restrained in the low and high water slacks, it was larger in theebbing (5,36* 106 m3) than flooding (1,12 * 106 m3); and finally, the discharge timespresented larger values in high tides (2 tidal periods) and smaller in low tides (1.2tidal periods).The study allows to conclude that the salinity and fresh water dischargein the estuarine system of Periá River are the dominant factors in the processes ofmixture

A system for environmental monitoring of hydroelectric reservoirs in Brazil

Environmental monitoring of aquatic systems is an important tool to support policy makers and environmental managers' decisions. Long-term, continuous collection of environmental data is fundamental to the understanding of an aquatic system. This paper aims to present the integrated system for environmental monitoring (SIMA), a long-term temporal series system with a web-based archive for limnological and meteorological data. The following environmental parameters are measured by SIMA: chlorophyll-a (µgL-1), water surface temperature (ºC), water column temperature by a thermistor string (ºC), turbidity (NTU), pH, dissolved oxygen concentration (mg L-1), electric conductivity (µS cm-1), wind speed (ms-1) and direction (º), relative humidity (%), shortwave radiation (Wm-2) and barometric pressure (hPa). The data were collected in a preprogrammed time interval (1 hour) and were transmitted by satellite in quasi-real time for any user within 2500 km of the acquisition point. So far, 11 hydroelectric reservoirs are being monitored with the SIMA buoy. Basic statistics (mean and standard deviation) and an example of the temporal series of some parameters were displayed at a database with web access. However, sensor and satellite problems occurred due to the high data acquisition frequency. Sensors problems occurred due to the environmental characteristics of each aquatic system. Water quality sensors rapidly degrade in acidic waters, rendering the collected data invalid. Data is also rendered invalid when sensors become infested with periphyton. Problems occur with the satellites' reception of system data when satellites pass over the buoy antenna. However, the data transfer at some inland locations was not completed due to the satellite constellation position. Nevertheless, the integrated system of water quality and meteorological parameters is an important tool in understanding the aquatic system dynamic. It can also be used to create hydrodynamics models of the aquatic system to allow for the study of meteorological implications to the water body.O monitoramento ambiental de sistemas aquáticos é uma importante ferramenta para subsidiar as tomadas de decisão e o gerenciamento ambiental. Séries temporais de longo prazo de dados contínuos são fundamentais para a caracterização desses sistemas aquáticos. O objetivo deste trabalho é o de apresentar o sistema integrado de monitoramento ambiental (SIMA), um sistema que amostra séries temporais de dados limnológicos e meteorológicos e os armazena em um sistema baseado na web. As variáveis ambientais amostradas pela boia SIMA são: clorofila-a (µgL-1), temperatura da superfície da água (ºC), temperatura da coluna d'água por uma cadeia de termistores (ºC), turbidez (NTU), pH, concentração de oxigênio dissolvido (mg L-1), condutividade elétrica (µS cm-1), velocidade do vento (ms-1) e direção do vento (º), umidade relativa (%), radiação incidente de ondas curtas (Wm-2), pressão atmosférica (hPa). Os dados são amostrados em um intervalo de tempo pré-determinado (1 hora) e são transmitidos por satélite em tempo quase real para qualquer usuário que esteja a um radio de até 2500 km do local de aquisição dos dados. Atualmente estão sendo monitorados 11 reservatórios hidrelétricos via boia SIMA. Uma estatística básica (média e desvio padrão) dos dados e exemplo de séries temporais de alguns parâmetros são apresentados. Entretanto, problemas relacionados aos sensores e ao satélite de coleta de dados foram identificados devido à alta frequência amostral de aquisição dos dados. Os problemas relacionados aos sensores ocorrem devido às características ambientais de cara sistema aquático em monitoramento. Em águas ácidas os sensores de qualidade de água se degradam com maior rapidez, e os dados coletados se tornam inválidos. Outro problema é a infestação de perifíton nos sensores, o que pode causa erro de leitura. Os problemas relacionados ao satélite envolvem a recepção do dado, o qual ocorre somente quando o satélite passa sobre a antena da boia SIMA. Contudo, devido a posição da constelação de satélites algumas localizações não estão totalmente cobertas. O sistema SIMA é uma importante ferramenta para o monitoramento da qualidade da água e dos parâmetros meteorológicos, que pode inclusive contribuir para a caracterização da dinâmica de sistemas aquáticos. Os dados também podem ser utilizados para alimentar modelos hidrodinâmicos, e avaliar os efeitos de eventos meteorológicos no sistema aquático