Predictive model for monitoring water turbidity in a subtropical lagoon using Sentinel-2A/B MSI images

ABSTRACT Ensuring prompt and effective water quality monitoring is increasingly important. Remote sensing has been shown to be an effective tool for simplifying and speeding up this process. The aim of this study is to develop an empirical model to map the spatial and temporal dynamics of turbidity in Mirim Lagoon, located in southern Brazil. To achieve this, Sentinel-2A/B MSI sensor data were combined with turbidity data collected in situ. The model was applied to monthly images (with cloud cover ≤ 20%) in 2019 and 2020 using the Google Earth Engine (GEE) platform. Mean turbidity values in the lagoon did not vary significantly, remaining between 30 and 75 NTU overall. However, there were differences in turbidity levels between the northern and southern regions of the lagoon in some months of the investigated years. By applying this methodology and analyzing the results, we were able to better understand the behavior of turbidity throughout the lagoon and gain insights into the quality of this important freshwater source

Aspects of water security in family production systems of strawberry under irrigation in Turuçu-RS(Brazil)

The strawberry cultivation has been among the main features in family production systems in Turuçu-RS (Brazil), being produced and sold both fresh as well as in the processed form, allowing to the farmers employment generation, income and social inclusion. The strawberry production system, in general, is characterized by the use of soil cover with black color plastic, the use of low tunnels and drip irrigation systems with the fertilizer application through irrigation water (fertigation). The importance and benefits of irrigation for strawberry production have been found by farmers, as it has allowed the improvement of fresh fruits quality. However, as strawberry fields were mostly located far from major water sources, many farmers need to build dams to impound water efficiently, to assure the success of the irrigation for crops, and also to ensure the quality and quantity of water for these activities. Based on this, this study aimed to evaluate: i. spatial and temporal behavior of physical and hydraulic properties of soils in the 0-200 mm layer (available water capacity and water storage) related to irrigation management adopted in 12 crops of strawberry, ii. geotechnical and safety characteristics of two small earth dams used to store water for irrigation of strawberries and other crops, and iii. the existence of correlation between eight water quality parameters with: different types of water sources used for strawberry irrigation; with the micro-regions where they are located; and with the preceding precipitation, referring to 14 rural properties in Turuçu RS (Brazil). Box-plot charts were built to study the spatial and temporal behavior of the available water capacity and of the soil water storage based on the data collected by Bamberg (2010) and on data resulting from the installation of tensiometers at 200 mm depth in the 12 fields. The following activities were conducted in two rural small dams: studies of the embankment geometry, execution of geotechnical tests, assessment of security conditions and the estimative of the project design flood and design of the spillway. Multivariate statistical tools and Pearson correlation analysis were applied to data collected from 2007 to 2008 to identify the existence of correlation between eight water quality parameters (alkalinity, electrical conductivity, biochemical oxygen demand, dissolved oxygen, suspended solids, dissolved solids, total solids and turbidity) with the different types of water sources used for the strawberry irrigation, with the micro-regions where they are located and with the preceding precipitation, referring to 14 rural properties Turuçu-RS. We found that: i. there was not a similar pattern of spatial and temporal behavior for the values of available water capacity and water storage in the soil for the evaluated months, ii. the soil erosion on the upstream slope observed in the embankments is a major problem, since the sediments produced may impair the quality of irrigation water and there is a undersizing of the spillways considering the maximum discharge on the drainage area, and iii. There was strong correlation just between turbidity of the water used in irrigation and the preceding precipitation in some fields.O cultivo do morangueiro tem sido destaque em sistemas familiares de produção em Turuçu-RS, sendo produzido e comercializado in natura e de forma processada, propiciando aos produtores geração de emprego, renda e inclusão social. O sistema de produção de morango, de forma geral, é caracterizado pela utilização de cobertura do solo com plástico de coloração preta, pela utilização de túneis baixos e pelo sistema de irrigação por gotejamento com aplicação de fertilizantes via água de irrigação (fertirrigação). A importância e os benefícios do uso da técnica de irrigação na cultura do morango vêm sendo constatados pelos agricultores, já que tem influenciado na melhoria da qualidade do produto in natura . Entretanto, em virtude das lavouras de morango localizarem-se na sua maior parte distantes de grandes mananciais, muitos agricultores necessitam construir barramentos para represar a água de forma eficiente, garantir o êxito da irrigação das lavouras, e também para assegurar a quantidade e a qualidade de água para estas atividades. Baseado nisto, este trabalho teve como objetivos avaliar: i. o comportamento espacial e temporal, na camada de 0-200 mm, de parâmetros físico-hídricos do solo (capacidade de água disponível e armazenamento de água) relacionados ao manejo de irrigação adotado em 12 lavouras de morango; ii. as características geotécnicas e de segurança de duas pequenas barragens de terra que armazenam água para a irrigação de morango e outras culturas; e iii. a existência de correlação entre oito parâmetros de qualidade da água com os diferentes tipos de mananciais usados como fonte de captação na irrigação do morango, com as micro-regiões em que se localizam e com a precipitação antecedente, referentes a 14 propriedades rurais de Turuçu-RS. Gráficos em caixa foram construídos para representar o comportamento espacial e temporal da capacidade de água disponível, do armazenamento de água no solo a partir dos dados coletados nas lavouras e de dados de tensiômetros instalados na profundidade de 200 mm em cada uma das 12 lavouras no ano de 2007. Foram realizadas as seguintes atividades em duas pequenas barragens de terra agrícolas: estudos de geometria do aterro, execução de ensaios geotécnicos, avaliação das condições de segurança e o cálculo da vazão de projeto bem como de dimensionamento de vertedouro. Ferramentas da estatística multivariada e utilização da correlação de Pearson foram aplicadas aos dados de análises da água coletados nos anos de 2007 e 2008 para identificar a existência de correlação entre oito parâmetros de qualidade da água (alcalinidade, condutividade elétrica, demanda bioquímica de oxigênio, oxigênio dissolvido, sólidos suspensos, sólidos dissolvidos, sólidos totais e turbidez) com os diferentes tipos de mananciais usados como fonte de captação na irrigação do morango, com as micro-regiões em que se localizam e com a precipitação antecedente, referentes a 14 propriedades rurais de Turuçu-RS. Conclui-se que: i. não houve um padrão de comportamento espacial e temporal dos valores de capacidade de água disponível e de armazenamento de água no solo para os meses de setembro e dezembro de 2007 avaliados; ii. o processo erosivo no talude a montante observado nos maciços de terra constitui um problema, pois os sedimentos assoreados podem prejudicar a qualidade da água de irrigação e existe subdimensionamento dos vertedouros quanto a vazão máxima referente à área de drenagem; e iii. houve correlação forte somente entre o parâmetro turbidez de qualidade de água usada na irrigação e a precipitação antecedente em algumas propriedades

Empirical modelling and mapping of water quality parameters in a subtropical lagoon using remote sensing data

Degradation of water quality in water bodies, usually, occurs because of anthropogenic actions, that is, due to occupation and use of their margins, as well as for natural factors. Considering those aspects, remote sensing has becoming an alternative to help monitoring big water bodies, such as the Mirim Lagoon. Located in the extreme Southern of the Rio Grande do Sul state, Brazil, the lagoon has a great importance in economic, social, and environmental aspects of that region. Although, nowadays excess of nutrients and of suspended solids has been putting at risk the quality of its water. Therefore, the aim of this study was to develop empirical models and mapping water quality parameters in the Northern Mirim Lagoon, using data from the MSI/Sentinel-2 sensor. Optically active components, such as suspended solids, are used as indicators of water quality during the characterization of the aquatic environment, making it possible to infer about water composition, since the intensity of the spectral radiance registered by the sensors is modulated by the optical properties of the optically active components. Two water collections were accomplished under different climatic conditions. Samples were collected at points previously established and distributed overall the Northern Mirim Lagoon. Then, they were taken to the Water and Residues Laboratory of the Sul-rio-grandense Federal Institute – Pelotas Campus – Rio Grande do Sul, in order to be analyzed. Images used to monitor Mirim Lagoon waters were obtained from the Multispectral Imager sensor, onboard of the Sentinel-2 satellite, having atmospheric corrections accomplished by the Sen2Cor processor. The Linear Spectral Mixing Model was applied in the modelling process. It has the capacity of estimating the proportion of constituents, called endmembers, in each pixel of the image, through a linear combination. Modelling was based on empirical models adjusted in interactive combinations aiming at the best correlation between in situ data and the images from remote sensing. In chapter 1, suspended solids concentrations were estimated from empirical relations with the application of the Linear Spectral Mixing Model, which depends on the physical-optical properties of the constituents and of the spectral band of the sensor. In chapter 2, estimation of concentration of total phosphorus was accomplished. This process was developed from significative correlations of the optically active constituent suspended solid with the total phosphorus, using multivariate linear regression methods based on data in situ and on the Multispectral Imager Sensor, in order to map the total phosphorus in the study site. Results found may help in the decision making process related to the planning and management of the Mirim Lagoon’s water resources. Thus, we hope to encourage the conservation of this important fresh water source, preserving it to the next generations.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA degradação da qualidade da água nos corpos hídricos, em geral, pode ocorrer tanto por ações antropogênicas, isto é, por ocupações e usos de suas margens, como por fatores naturais. Considerando esses aspectos, o sensoriamento remoto tem se tornado uma alternativa para auxiliar no monitoramento de grandes corpos de água, como, por exemplo, a Lagoa Mirim. Localizada no extremo sul do Estado do Rio Grande do Sul, a lagoa possui uma grande importância nos aspectos econômico, social e ambiental da região. No entanto, atualmente, o excesso de nutrientes e de sólidos em suspensão vem comprometendo a qualidade das suas águas. Sendo assim, o objetivo geral deste estudo foi desenvolver modelos empíricos e mapear parâmetros de qualidade de água no norte da Lagoa Mirim, utilizando dados do sensor MSI/Sentinel-2. Na prática, os constituintes opticamente ativos, como os sólidos em suspensão, são usados como indicadores de qualidade da água durante a caracterização do meio aquático, sendo possível realizar inferências sobre a composição da água, uma vez que a intensidade da radiância espectral registrada pelos sensores é modulada pelas propriedades ópticas dos constituintes opticamente ativos. Foram realizadas duas coletas de água em condições climáticas distintas. As amostras foram coletadas em pontos previamente estabelecidos e distribuídos no norte da Lagoa Mirim. Em seguida, foram encaminhadas para o Laboratório de Águas e Resíduos do Instituto Federal Sul-rio-grandense – Campus Pelotas – Rio Grande do Sul, para posteriores análises. As imagens utilizadas para o monitoramento das águas na Lagoa Mirim foram obtidas pelo sensor Multispectral Imager, a bordo do satélite Sentinel-2, com a realização de correções atmosféricas por meio do processador Sen2Cor. No processo de modelagem foi aplicado o Modelo Linear de Mistura Espectral, que possui a capacidade de estimar a proporção de componentes, chamados endmembers, em cada pixel da imagem, através de uma combinação linear. A modelagem foi baseada em modelos empíricos ajustados em combinações interativas visando à melhor correlação entre os dados in situ e as imagens de sensoriamento remoto. No capítulo 1 deste estudo, foram estimadas as concentrações de sólidos em suspensão a partir de relações empíricas, com a aplicação do Modelo Linear de Mistura Espectral, que dependem das propriedades físico-ópticas dos constituintes e da faixa espectral do sensor. No capítulo 2, foram realizadas as estimativas da concentração do fósforo total. Esse processo foi desenvolvido a partir de correlações significativas do constituinte opticamente ativo sólido em suspensão com o fósforo total, sendo usados métodos de regressão linear multivariada baseados nos dados in situ e nos do sensor Multispectral Imager para mapear o fósforo total na área de estudo. Os resultados encontrados poderão auxiliar na tomada de decisão referente ao planejamento e ao gerenciamento de recursos hídricos da Lagoa Mirim. Espera-se, assim, incentivar a conservação desse importante manancial de água doce, preservando-o para as gerações futuras