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

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

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

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

Detecção de ficocianina por meio de imagens Landsat TM e ETM+ em no reservatório de Guarapiranga, SP

In this paper we tested an algorithm developed for LANDSAT 7 ETM+ and LANDSAT 5 Thematic Mapper (TM) to measure relative phycocyanin content (PC) in Guarapiranga Reservoir, SP - Brazil. Water samples were collected from 3 hydrographic stations arranged in the reservoir 3 times a week then we could related to the period spanning each of the four LANDSAT overpasses. The samples were analyzed for cyanobacteria density (cel/mL). A dark-object-subtracted, spectral ratio model derived from the images of March 6, 2009; April 18, 2010; April 21 and May 23 of 2011 was tested. Very low PC values were detected in the Guarapiranga Reservoir on April 18, 2010 and May 23, 2011. Moderate values were detected on April 21, 2011. The high PC values on March 6, 2009 may have represented a large Microcystis bloom that was noticed in the same day. The PC algorithm analyzed in this study demonstrated to be a good estimator of cyanobacterias which will improve our understanding of the temporal and spatial dynamics of their blooms formation in Guarapiranga reservoir and other aquatic systems. It can provide a seasonal analysis of the occurrence of blooms and it may also serve to alert policy makers to the presence of potentially toxic bloom events in reservoirs of multiple uses.Pages: 6643-665

Uso de propriedades ópticas aparentes e inerentes para a classificação da massa d'água do reservatório hidrelétrico de Itumbiara (GO)

The water represents a complex mixture of a variety of dissolved or particulate materials. These materials have different optical properties, that is, interact with light in different ways in function of their nature and concentration. The quantitatively interpretations of the detected signal by remote sensors in terms of water components require to be identified and isolated the effects caused by variations in the incident light field over the remotely detected signal. Optical property of inland water varies spatially and temporally corresponding to change of concentrations of water components. The same water type classified by optical property may have uniform character which may make water components deriving algorithm simpler and accuracy. Thereupon, the water colour modeling aims to express the remote sensing reflectance in terms of Inherent Optical Properties (IOPs), such as total absorption coefficient. The development of models for deriving IOPs from Apparent Optical Properties (AOPs) have been essential for achieving determinations of water IOPs. The study of IOPs is very important because these properties allow to access the water quality and primary production in aquatic systems. The objective of this paper was to use the IOPs and AOPs to classify and explain the water type of the Itumbiara hydroelectric reservoir. The results shows that the Itumbiara's water is dominated by detritus, allowing their classification water type case II.Pages: 5552-555

Variações do nível d'água no reservatório de Itumbiara (GO) derivadas do radar altimétrico Jason-2

The water level in reservoirs can be considered as a complex index of natural exchange of water between drainage basins of the water body. Normally, fluctuations of water levels in hydroelectric reservoirs are usually obtained by limnimeters calibrated staffs. However, in view of recent technological advances it has been possible in recent years to characterize the dynamics of water bodies height from orbital remote sensing data. In this study it is analyzed data for 76 passages derived from the radar altimeter Jason-2, grouping the results in monthly averages for the period August 2008 to July 2010 on the Itumbiara reservoir - GO, totaling 2 years remote analysis. The results showed a strong correlation between the orbital data and in situ measurements. This observation is confirmed by Pearson correlation coefficient, which showed a value of 0.82, indicating a strong correlation between the field data and orbital altimetry. These results show the potential of using satellite microwave remote sensing products, for the monitoring the evolution of water levels for inland water bodies through virtual control stations in the reservoir. Moreover, such an approach in conjunction with meteorological data can help in forecasting and dynamic modeling of continental water resources.Pages: 5545-555

Cyanobacteria detection in Guarapiranga Reservoir (São Paulo State, Brazil) using Landsat TM and ETM+ images

Algae bloom is one of the major consequences of the eutrophication of aquatic systems, including algae capable of producing toxic substances. Among these are several species of cyanobacteria, also known as blue-green algae, that have the capacity to adapt themselves to changes in the water column. Thus, the horizontal distribution of cyanobacteria harmful algae blooms (CHABs) is essential, not only to the environment, but also for public health. The use of remote sensing techniques for mapping CHABs has been explored by means of bio-optical modeling of phycocyanin (PC), a unique inland waters cyanobacteria pigment. However, due to the small number of sensors with a spectral band of the PC absorption feature, it is difficult to develop semi-analytical models. This study evaluated the use of an empirical model to identify CHABs using TM and ETM+ sensors aboard Landsat 5 and 7 satellites. Five images were acquired for applying the model. Besides the images, data was also collected in the Guarapiranga Reservoir, in São Paulo Metropolitan Region, regarding the cyanobacteria cell count (cells/mL), which was used as an indicator of CHABs biomass. When model values were analyzed excluding calibration factors for temperate lakes, they showed a medium correlation (R²=0.81, p=0.036), while when the factors were included the model showed a high correlation (R²=0.96, p=0.003) to the cyanobacteria cell count. The empirical model analyzed proved useful as an important tool for policy makers, since it provided information regarding the horizontal distribution of CHABs which could not be acquired from traditional monitoring techniques.A eutrofização em sistemas aquáticos possui como uma de suas consequências as florações de algas, entre elas as algas com a capacidade de produzir toxinas. Dentre elas, algumas espécies de cianobactérias, também conhecidas como algas azul-esverdeadas, se destacam devido ao seu poder de adaptação na coluna da água. Dessa forma, a distribuição horizontal de suas florações é essencial, não apenas para o meio ambiente, mas também para a saúde pública. A utilização do sensoriamento remoto para o mapeamento dessas florações tem sido explorada por meio da modelagem bio-óptica da ficocianina, um pigmento único das cianobactérias de águas interiores. Entretanto, o baixo número de sensores com a banda espectral da absorção da ficociana dificulta o desenvolvimento de modelos semi-analíticos. O trabalho avaliou a utilização de um modelo empírico para a identificação qualitativa de florações de cianobactérias utilizando os sensores TM e ETM+ a bordo dos satélites Landsat 5 e 7. Cinco imagens foram adquiridas para a aplicação do modelo. Além das imagens foram utilizados dados coletados no reservatório de Guarapiranga, na região metropolitana de São Paulo, da contagem de cianobactéria (cel/mL), que foi utilizada como indicador de biomassa de cianobactéria. A análise dos valores do modelo sem a utilização dos fatores de calibração proposta para um lago temperado teve uma média correlação (R²=0.81, p=0.036) já com a utilização dos mesmos fatores de calibração houve uma alta correlação com os valores da contagem de cianobactérias (R²=0.96, p=0.003). O modelo empírico analisado mostrou-se capaz de ser utilizado como uma importante ferramenta para os tomadores de decisão, uma vez que fornece uma informação da distribuição horizontal das florações, que não pode ser obtida por meio das técnicas tradicionais de monitoramento

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 falhas