Impacto das Usinas Hidrelétricas a modo de fio d água no rio Claro na transparência da água, com o uso de dados espectrais de imagens Landsat TM5

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1 Impacto das Usinas Hidrelétricas a modo de fio d água no rio Claro na transparência da água, com o uso de dados espectrais de imagens Landsat TM5 Flávio Wachholz¹ João Batista Pereira Cabral¹ ¹Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí, Programa de Pós-Graduação em Geografia, Laboratório de Geociências Aplicadas, Rua Riachuelo 1530, CEP , Jataí/GO (Brasil). (fwalemao@gmail.com; jbcabral2000@yahoo.com.br) Abstract. The anthropogenic intervention in rivers by building dams has become more frequent in the light of the need for expansion of the energy matrix in Brazil. In Goiás state, the installation of hydroelectric power plants is a process of occupation. The objective was to verify the spectral changes in main shaft in the Caçu and Barra dos Coqueiros reservoirs and relate to the transparency of the water. Landsat TM5 satellite images, after the construction of the mills ( ), were fixed from the atmosphere and converted to reflectance. The spectral data from longitudinal profile of the River at the dam were extracted from the images. Water transparency data were obtained with Secchi disc in January (rainy season) and July (dry season) by Towards river-reservoir was identified a reduction of reflectance in the red and near infrared spectra in indicating the deposition of suspended material in the rainy and dry periods for both shells. Secchi transparency was smaller in the rainy season, when the albedo of reflectance is higher. And transparency is growing from the entrance of the River to the dam in the two reservoirs. Therefore, on the basis of spectral data and transparency of water reservoirs with water wire operation mode of Claro River are suffering process of silting. Palavras-chave: Water reflectance, Secchi transparency, Reservoirs. Reflectância da água, Transparência Secchi, Reservatórios. 1. Introdução A principal base energética Brasileira é a partir de aproveitamento da energia potencial dos rios. Após o aproveitamento quase total dos rios da região Sudeste e Sul do país, atualmente a expansão está ocorrendo para as regiões Norte e Centro-Oeste. A transformação de rios em reservatórios em cascata é uma realidade no Estado de São Paulo (Tundisi, 2006), também modelo de pretensão dos novos empreendimentos, que ocasionam alterações na quantidade e qualidade da água a jusante dos setores represados. As represas com grande área de alague e longo tempo de residência das águas são mais vulneráveis a deterioração da qualidade do que aqueles construídos a modo fio d água. Contudo, as diferenças longitudinais e verticais são acentuadas em um reservatório, que permite a identificação de compartimentos, constituídos da fase rio, de transição e de lago (Kimmel et al, 1990; Wetzel, 2001; Tundisi e Tundisi, 2008). O monitoramento dos reservatórios torna-se importante para sua compreensão em função de suas características afetam a quantidade e qualidade da água, além dos processos que regem na bacia hidrográfica. Tradicionalmente, o monitoramento da qualidade da água é realizado a partir da amostragem in situ (Wang et al, 2004). No entanto, o custo financeiro e operacional é alto, além da difícil coleta simultânea e a difícil amostragem em diferentes setores do corpo hídrico. A base histórica de imagens Landsat TM5 permite a realização de estudos espaçotemporais de corpos d água. As imagens possibilitam monitorar, principalmente, a distribuição espaço-temporal dos constituintes opticamente ativos. Infelizmente, no mês novembro de 2011 o satélite Landsat 5 apresentou problemas operacionais e está sob tentativas de recuperação (USGS, 2012).

2 A transparência da água é uma variável óptica aparente, influenciada pela própria água e pelos constituintes opticamente ativos nela suspensos e dissolvidos. Muitas vezes, a transparência da água é usada como indicador de estado trófico de rios e reservatórios quando o principal constituinte são as algas. É importante reconhecer que, no entanto, as águas podem conter substâncias húmicas e partículas de solo (argilas e silte) que influenciam muito na transparência e não podem ser usados para a determinação do estado trófico (Olmason et al, 2008). A expansão de represas no Estado de Goiás, região Centro-Oeste do país, é uma realidade que está mudando a paisagem do Cerrado e qualidade da água dos rios. No rio Claro, sudoeste de Goiás, já foram instaladas três UHE s e a previsão é de que sejam instaladas mais quatro (NOVELIS, 2005). Situação esta, que implicará na formação de uma série em cascata. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi de verificar as alterações espectrais no eixo principal nos reservatórios Caçu e Barra dos Coqueiros e relacionar com a transparência da água. A localização dos reservatórios está representada na Figura 1. Os reservatórios em estudo entraram em processo de enchimento no período de fevereiro a março de A UHE Caçu apresenta uma área de alague de 16,81 km² e produção de energia de 65 MW. A UHE Barra dos Coqueiros apresenta uma área alagada de 25,48 km² e produção de energia de 90 MW (NOVELIS, 2005). Figura 1 Localização das UHE s Caçu e Barra dos Coqueiros, juntamente com os reservatórios formados.

3 A bacia hidrográfica apresenta o uso antrópico intenso com áreas agrícolas (cultivo da cana-de-açúcar, milho e soja) e pecuária (criação de gado). A eliminação de efluentes domésticos e industriais pode estar ocorrendo nas cidades de Aparecida do Rio Doce, Jataí, Caçu, Cachoeira Alta. Essas condições também podem estar modificando a dinâmica dos rios e reservatórios, pelo aumento da poluição pontual e difusa que as atividades antrópicas proporcionam. 2. Metodologia As imagens de satélite utilizadas correspondem ao período posterior a construção das barragens no rio Claro. Dados de transparência da água foram coletados para comparar com os dados de reflectância das imagens de sensoriamento remoto. Estatísticas foram geradas para os dados de reflectância e dados in situ. As etapas são assim descritas: a) Processamento digital de imagens. As imagens de satélite Landsat 5 TM disponíveis no INPE ( foram utilizadas. A área compreendida pelos reservatórios Caçu e Barra dos Coqueiros está compreendida pela órbita/ponto 223/73. As bandas 1, 2, 3 e 4 foram corrigidas dos efeitos da atmosfera pelo método da subtração do pixel escuro (Chavez Jr, 1988). Após disso, as imagens de satélite foram convertidas para reflectância no software ENVI 4.5. O período das imagens processadas corresponde após a instalação das barragens do período de abril 2010 a setembro 2011, totalizando 16 cenas. b) Geração dos perfis longitudinais e fatiamento das imagens. A imagem de satélite anterior a construção das barragens foi usada para a delimitação do rio e determinação do eixo principal do reservatório. A partir deste foram gerados perfis espectrais utilizando a banda TM3 nas demais imagens para as duas represas. A banda 3 foi utilizada, pois em trabalho realizado por Wachholz (2012) encontrou uma maior variação espectral para essa banda. Seguidamente foi realizado o fatiamento da banda 3 para todas as datas, a fim de verificar a variação espacial da reflectância. c) Transparência da água. A transparência da água foi medida com disco de Secchi, que corresponde ao seu desaparecimento na coluna d água. As medidas foram realizadas de 10 a 12 de janeiro de 2012 (período chuvoso) e 10 a 11 de julho de 2012 (período seco). Os pontos amostrais foram distribuídos espacialmente pelo reservatório a fim de contemplar todos os compartimentos aquáticos. d) Estatística dos dados espectrais e de transparência Secchi. Os compartimentos aquáticos (Zonação do reservatório) encontrados por Wachholz (2012) foi utilizada como delimitação dos dados para a geração da estatística dos dados espectrais e de transparência Secchi. Considerando essa delimitação, média e desvio-padrão foram obtidos. 3. Resultados 3.1. Reflectância da banda do vermelho O fatiamento da banda TM3 das imagens de satélite Landsat 5 indicam a influência dos períodos seco e chuvoso na presença de constituintes opticamente ativos na água nos reservatórios Caçu e Barra dos Coqueiros (Figuras 2 e 3). A reflectância no período chuvoso tende a ser superior a 3%, enquanto no período seco é inferior a 3%. No período chuvoso, o escoamento superficial é a principal fonte de recarga dos rios, fato que tende a ter altas concentrações de sólidos em suspensão em razão da erosão ocorrida e diferenciada em função dos usos da terra na bacia hidrográfica. No período seco, a principal fonte de recarga é a subterrânea nos rios, fato que os reservatórios recebem águas mais transparentes. Todavia, nos dois períodos as águas dos reservatórios apresentam uma redução do albedo no sentido rio-barragem.

4 Figura 2 Fatiamento da reflectância na banda do vermelho na área do Reservatório Caçu

5 Figura 3 Fatiamento da reflectância na banda do vermelho na área do Reservatório Barra dos Coqueiros

6 Analisando o contexto espaço-temporal é possível verificar a forte perturbação no sistema hidrológico no início da operação das duas barragens em 14 de abril de O reservatório Caçu, posterior à dois meses de fechamento, apresentou altas reflectâncias mais próximo do barramento; enquanto, Barra dos Coqueiros, posterior a um mês de fechamento, apresentava altas reflectâncias em quase todo reservatório. Isso mostra que em fase inicial, a concentração de sólidos em suspensão na fase de enchimento do reservatório é maior do que a água do rio, decorrente do afogamento do entorno para a formação dos reservatórios. Nos dois anos analisados as reflectâncias encontradas naquela data não foram recorrentes. As maiores médias na reflectância da banda do vermelho pertencem o reservatório de Caçu, assim como o desvio-padrão. Barra dos Coqueiros se destaca com maiores valores nos meses de enchimento do reservatório e depois em 17 de abril de Nessa última data pode ter havido maior crescimento das algas para o reservatório de Barra dos Coqueiros, decorrente do aumento do tempo de residência e ainda pela alta quantidade de nutrientes disponíveis do período chuvoso. Em dia 20 de junho de 2011 no reservatório de Barra dos Coqueiros é observado nitidamente uma maior reflectância no centro da represa. Esse aumento da reflectância é provocado pela maior concentração de material em suspensão que coincide com o deslocamento do sentido do rio. Nas reentrâncias, no sentido amplo, as reflectâncias no vermelho normalmente são menores, desde que não tenha uma contribuição de material pela área de contribuição direta ou afluente. A tendência de maior desvio-padrão encontrada nos reservatórios para os meses chuvosos é oriunda da entrada de um maior volume de entrada de nutrientes e sua provável deposição no interior do reservatório. Em trabalho realizado por Wachholz (2012) foi realizado uma compartimentação do reservatório com a identificação de três zonas longitudinais com distintas características espectrais. As zonas de rio, de transição e de lago identificadas nas imagens de satélite. Nesse trabalho essa delimitação foi considerada para obtenção da média e desvio-padrão de cada compartimento aquático e reservatório e o resultado está nos gráficos da figura 4. A média da zona de rio sobressai-se com maiores valores de reflectância para os meses do período seco, sendo mais intenso para o reservatório Caçu do que para Barra dos Coqueiros. Os meses de dezembro 2010 e fevereiro de 2011 a maior reflectância encontra-se na zona de transição. Nesse caso, a zona de transição está registrando um aumento de reflectância resultante de um pulso de materiais. Situação esta, possivelmente relacionada há dias com altos índices pluviométricos, que faz repentinamente aumentar a vazão do rio e a quantidade de material em suspensão. No entanto, a zona de lago do reservatório Caçu permanece bem destacada com os menores valores de reflectâncias em todo o período analisado. O reservatório Barra dos Coqueiros apresenta um ritmo temporal das médias de reflectância parecido com reservatório Caçu, embora com valores diferentes. A reflectância da zona de rio de Barra dos Coqueiros apresenta uma menor reflectância do que em relação a Caçu, corroborando com ideia de que uma parcela do material é depositado no reservatório Caçu. Essa zona de Barra Dos Coqueiros está suscetível a pulsos controlados pela geração de energia à montante e pelas próprias alterações proporcionadas pelo turbinamento. Essa maior interferência pode ser verificada em setembro de 2010, fevereiro e abril de A zona de lago para ambos os reservatórios apresenta o menor desvio-padrão da reflectância. Trata-se, portanto de uma área espectralmente mais homogênea, onde a concentração de material em suspensão tem pouca variação espacial. A Zona de rio de Caçu apresenta um maior desvio-padrão, que indica a deposição de parte dos materiais, ainda nesse setor. Pelo desvio-padrão de Barra dos Coqueiros, a reflectância da água pode estar sendo alterado pelos seguintes motivos: controle exercido no volume d água pela UHE Caçu e seu

7 turbinamento; a água recebida tem suas características de qualidade alteradas; e, o tamanho da represa se diferencia, resultando em maior tempo de retenção das águas e possibilidade de maior interação água-atmosfera. Figura 4 Média e desvio-padrão da reflectância da banda do vermelho do perfil longitudinal em relação as três zonas do reservatório (Zona de rio, de transição e de Lago). A falha nos dados referente a 3 maio de 2011 no reservatório Caçu é resultante da cobertura de nuvens Transparência da água Os dados de transparência da água dos reservatórios ressaltam a maior transparência do reservatório Barra dos Coqueiros para todos os compartimentos aquáticos nos períodos seco e chuvoso (Tabela 1). Essa diferença é maior na zona de rio; e, o valor encontrado nesse setor no período chuvoso em Barra dos Coqueiros é maior que na zona de transição do reservatório Caçu. Tabela 1 Estatística dos dados de transparência Secchi dos reservatórios Caçu e Barra dos Coqueiros, segundo os compartimentos aquáticos Compartimentos Caçu Barra dos Coqueiros Chuvoso Seco N Chuvoso Seco N Reservatório 0,73±0,35 1,98±0, ,88±0,32 2,39±0,45 40 Zona de rio 0,34±0,04 1,46±0,33 7 0,53±0,11 1,80±0,16 8 Zona de Transição 0,41±0,15 2,05±0,08 8 0,67±0,04 2,01±0,22 9 Zona de Lago 0,99±0,22 2,13±0, ,08±0,26 2,66±0,30 23

8 Os dados de transparência validam os dados da reflectância obtidos nas imagens de satélite, constituindo uma relação inversa. Os maiores valores de reflectância significa menores transparências e vice-versa. As diferenças entre os períodos seco e chuvoso foi encontrada, como também a definição de compartimentos aquáticos com distintas transparências e, além disso, a maior transparência para o reservatório Barra dos Coqueiros. 4. Conclusões As barragens instaladas no Rio Claro, com operação à modo d água, alteraram as características da água do rio com destaque para o aumento da transparência, proporcionado pelo deposição do material suspenso. A redução desse constituinte opticamente ativo na água conduz para a diminuição no albedo de reflectância. Nesse trabalho com o uso da banda do vermelho permitiu em quase todas as datas verificar a redução da reflectância no sentido do rio. Vale destacar na medida em que vai se distanciando do eixo principal, os valores de reflectância podem diminuir em função do aumento de retenção das águas frente às condições de contorno. Estudos mais detalhados com coleta de dados limnológicos está sendo realizada a fim de entender melhor a dinâmica dos reservatórios. As imagens de sensoriamento remoto foram importantes para compreensão do funcionamento espaço-temporal dos reservatórios. No entanto, a cobertura de nuvens prejudicou a aquisição de imagens no período chuvoso. Agradecimentos À CAPES pela concessão da bolsa de pós-doutorado ao primeiro autor. Também ao CNPq e FAPEG pelo apoio financeiro a partir da aprovação do processo / Referências bibliográficas CHAVEZ JR, P.S. An improved dark-object subtraction technique for atmospheric scattering correction of multispectral data. Remote Sensing of Environment, n. 24, p , KIMMEL, B. L; LIND; O.T. PAULSON, J.L. Reservoir Primary Production. In: Reservoir Limnology: Ecological Perspectives. In: THORTON, K.W; KIMMEL, B.L.; PAYNE, F.E. New York: John Wiley and sons, p NOVELIS. Inc. EIA/RIMA UHEs Caçu e Barra dos Coqueiros. 230p OLMANSON, L.G.; BAUER, M. E.; BREZONIK, P. L. A 20-year Landsat water clarity census of Minnesota's 10,000 lakes. Remote Sensing of Environment, v. 112, n.11, p , TUNDISI, J. G. Gerenciamento integrado de bacias hidrográficas e reservatórios estudos de caso e perspectivas. In: NOGUEIRA, M. G.; HENRY, R.; JORCIN, A. (Org.). Ecologia de reservatórios: Impactos potenciais, ações de manejo e sistemas em cascata. São Carlos: RIMA, TUNDISI, J. G.; TUNDISI, T. M. Limnologia. São Paulo: Oficina de Textos, USGS. Landsat 5 Suspension of Operations Extended. 16/02/2012. Disponível em: < Acesso em: 15 de julho de WACHHOLZ, F. alterações espectrais nas imagens de satélite nos reservatórios das usinas hidrelétricas Caçu e Barra dos Coqueiros GO. Revista Geonorte, V.2, n.4, p , WANG, Y.; XIA, H.; FU, J.; SHENG, G. Water quality change in reservoirs of Shenzhen, China: detection using LANDSAT/TM data. Science of The Total Environment, v. 328, n. 1 3, p , 204. WETZEL, R. G. Limnology: Lake and River Ecosystems. Third ed. San Diego: Academic Press, 2001.