• Gustavo Willy Nagel

Ferramentas de Avaliação da Distribuição das Águas para Conservação

Atualizado: Jan 28

Por: Gustavo Willy Nagel,

Mestrando em Sensoriamento Remoto – INPE

Engenheiro Hídrico – UFPel


Os recursos hídricos vêm sendo excessivamente explorados devido às pressões de diferentes atividades humanas, como desenvolvimento de cidades sem sistema sanitário adequado, expansão da agricultura em territórios naturais, poluição industrial, entre outros. Essas crescentes pressões ambientais vêm piorando à medida em que as mudanças climáticas aumentam a gravidade de secas e inundações em diferentes países. Além disso, atividades poluidoras dentro de uma bacia hidrográfica têm impacto direto na qualidade e na quantidade de água disponível. Deste modo, pontos de poluição ocasionados no interior de uma bacia hidrográfica têm o potencial de ser escoado para a rede de drenagem, poluindo rios e mananciais, ou de ser infiltrado, degradando importantes reservatórios de água subterrânea.

Assim, para proteger os recursos hídricos, é necessário, primeiramente, quantificar a disponibilidade de água e a sua qualidade. Informação é crucial para qualquer plano de remediação, proteção ou manejo dos recursos naturais. Por exemplo, com a indicação de que um reservatório hídrico está sofrendo crescente piora do seu estado trófico, é possível buscar as causas para esse problema e traçar um plano para remediá-las. Além de poluição, eventos climatológicos de secas e inundações também causam grandes impactos sociais, econômicos e ambientais. Nessas situações, a informação de quais áreas foram as mais atingidas é primordial para que o poder público possa melhor assistir as populações afetadas. Isso porque, o planejamento é necessário para economia de recursos públicos e para a otimização em termos de agilidade e eficácia das respostas oferecidas pelos governos à população.

Contudo, técnicas tradicionais de coleta de água em campo ainda servem como a única fonte de informação em muitos corpos d’água. Essa metodologia, no entanto, por ser pontual, isto é, limitada a espaço e tempo específico, pois não se mostra adequada a todas as dinâmicas e interações que ocorrem entre os corpos d’água e suas bacias de captação. Além disso, por ser dispendioso, o monitoramento da qualidade da água fica restrito a reservatórios de maior importância econômica, o que gera grande déficit de informação sobre a maioria dos corpos hídricos.

Felizmente, a tecnologia orbital avançou nos últimos anos, produzindo sensores que podem ser utilizados ​​para extrair parâmetros de qualidade e extensões de superfície de água, auxiliando a suprir tal carência metodológica. Isso é possível porque a interação entre a luz e os constituintes da água permite estimar parâmetros físico-químicos e biológicos, como a concentração de clorofila, sólidos em suspensão, turbidez e matéria orgânica dissolvida colorida (Barbosa et al., 2019). Esses parâmetros podem ainda servir como indicador para outros parâmetros não opticamente ativos (não detectados por sensoriamento remoto), como fizeram Lannergård et al. (2018), que utilizaram a frequência de turbidez para estimar a concentração de fósforo em um ambiente aquático. Todos esses parâmetros possuem grande variabilidade espacial e temporal, características que tornam o sensoriamento remoto efetivo para monitorá-los.

Há não muito tempo, devido à grande quantidade de dados e restrições computacionais, uma única imagem de satélite costumava ser utilizada para análises de sensoriamento remoto (ou duas em estudos temporais). Estudos complexos, que comportavam mais dados, costumavam ficar restritos a um pequeno número de laboratórios e agências, os quais podiam financiar supercomputadores. Essa realidade mudou nos últimos anos graças ao desenvolvimento da computação em nuvem, em que milhares de computadores trabalham em paralelo para processar grandes quantidades de dados geoespaciais virtualmente. A plataforma Google Earth Engine (GEE - https://earthengine.google.com/), por exemplo, oferece gratuitamente bancos de dados mundiais de satélites e alta capacidade de processamento, requerendo do usuário apenas acesso à internet e uma conta Google. Nesse sentido, Pekel et al (2016) utilizaram a plataforma GEE para processar milhões de imagens de satélite para quantificar globalmente as mudanças nas águas superficiais entre os anos de 1984 e 2016. Os autores identificaram que cerca de 90.000 km² de superfícies de água desapareceram ao longo do período analisado, dos quais 70% ocorreram no Oriente Médio e na Ásia Central (causado por secas, desvio de rios, represas e retiradas ilegais de água). Segundo os autores, apesar dessas perdas, cerca de 184.000 km² de água se formou em outras regiões, principalmente, devido ao enchimento de reservatórios e ao aquecimento global (pelo derretimento de geleiras). Os dados podem ser explorados no site https://global-surface-water.appspot.com/map. Por ora, veja-se a imagem de frequência de inundação do rio Amazonas presente em Pekel et al. (2016).


Figura 1 - Frequência de inundação para um trecho do rio Amazonas. Cores azuis representam alta frequência de inundação. Fonte: Pekel et al. (2016).


Ademais, outras plataformas de computação em nuvem estão sendo criadas, como Brazil Data Cube (http://brazildatacube.org/pt/pagina-inicial-2/), SentinelHub (https://www.sentinel-hub.com/) e NEX (https://www.nasa.gov/nex). Essas plataformas estão permitindo o uso de grandes séries históricas para identificar tendências temporais de água e sazonalidade para um público mais amplo. Essa democratização de alta capacidade de processamento tem o potencial de aprimorar nosso conhecimento sobre a dinâmica espaço-temporal dos recursos hídricos. Assim, análises em escalas globais e que utilizam longas séries temporais já estão transformando o estudo dos recursos hídricos e de suas interações na terra.

Não bastasse isso, satélites de pequenas dimensões (nanosatélites) têm sido desenvolvidos e aprimorados em seus componentes eletrônicos e ópticos, mostrando-se úteis para auxiliar o monitoramento de corpos hídricos (Nagel et al., 2020). A iniciativa privada está liderando a expansão de novos nanosatélites graças aos seus custos e ciclo de desenvolvimento reduzidos. Nesse contexto, a empresa Planet é atualmente a líder no desenvolvimento de nanosatélites (https://www.planet.com/). Sua constelação de satélites PlanetScope (PS) é composta por 120 nanosatélites, que proporcionam imagens diárias de alta resolução espacial (pixels com 3.5m). Essas características tornam a constelação de PS promissora para o estudo de recursos hídricos dinâmicos e de menores dimensões (como açudes, pequenos lagos e rios).

Considerando todas as vantagens da PS, Nagel et al. (2020) desenvolveram uma pesquisa para avaliar o uso das imagens captadas por esses satélites para o estudo da dinâmica de florescimento de algas no Pantanal brasileiro. Nessa região, a expansão da cana-de-açúcar em suas bacias de drenagem pode aumentar a entrada de nutrientes em lagos e, portanto, a ocorrência de florescimento de algas. A figura 2, abaixo, mostra que a constelação PS foi determinante para identificar variações rápidas (ocorridas em poucos dias) na área de floração de algas ao longo do tempo. A primeira linha de cada data mostra pixels classificados como florescimento de algas (manchas em verde), enquanto a segunda linha mostra a informação de cor verdadeira da constelação PS nos lagos.



Figura 2 - Análise temporal de áreas de floração de algas no Pantanal.


As imagens de satélite diminuem a dependência de coletas de campo constantes, mas não as substituem por completo. A integração entre imagens de satélite, processamento em nuvem e campanhas de coleta de água contribuem para um melhor e mais efetivo monitoramento dos corpos hídricos. Cumpre referir que há a possibilidade de que o processamento em nuvem seja desenvolvido em plataformas de fácil acesso para o público em geral, o que permite que a população e os gestores do âmbito público e privado acompanhem a situação dos recursos hídricos de forma sistêmica e barata. Espera-se que esse conhecimento sirva, sobretudo, para organizar o planejamento de políticas públicas que barrem a degradação dos recursos hídricos e de bacias hidrográficas. Nesse sentido, a utilidade desse monitoramento depende de gestões eficientes e ativas em defesa do meio ambiente.


Referências:

Barbosa, C. C. F., Novo, E. M. L., Martins, V. S. Introdução ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos: Princípios e aplicações. Sensoriamento remoto - Tecnologia 178 (INPE, 2019).


Lannergård, E. E., Ledesma, J. L. J., Fölster, J. & Futter, M. N. An evaluation of high frequency turbidity as a proxy for riverine total phosphorus concentrations. Science of the Total Environment 651, 103–113 (2019).


Nagel, G. W., Novo, E. M. L., Maciel, D. A., Martins, V. S., Barbosa, C. C. F. Detection of algae bloom using CubeSat images in the Brazillian Pantanal. 4th International Academy of Astronautics Latin American Cubesat Workshop, (2020), No prelo.


Nagel, G. W., Novo, E. M. L. de M. & Kampel, M. Nanosatellites applied to optical earth observation: A review. Revista Ambiente e Agua 15, 1–19 (2020).


Pekel, J. F., Cottam, A., Gorelick, N. & Belward, A. S. High-resolution mapping of global surface water and its long-term changes. Nature 540, 418–422 (2016).


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