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

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1 Variações do nível d'água no reservatório de Itumbiara (GO) derivadas do radar altimétrico Jason-2 Eduardo Guilherme Gentil de Farias 1 João Antônio Lorenzzetti 1 Enner Herenio de Alcântara 2 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Caixa Postal São José dos Campos - SP, Brasil {gentil, loren}@dsr.inpe.br 2 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP CEP Presidente Prudente - SP, Brasil enner@fct.unesp.br Abstract. 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. Palavras-chave: remote sensing, hidrology, reservoirs, sensoriamento remoto, hidrologia, reservatórios. 1. Introdução Reservatórios têm geralmente a função de estocar água para usos futuros, aí incluídos: abastecimento de água, controle de inundação e geração de energia. Nesse contexto, a saída da água por meio da barragem para a geração hidrelétrica promove um decréscimo do tempo de retenção de água no reservatório se comparado a um lago com a mesma morfometria (Ford, 1990). Os corpos d'água recebem, transformam e intensificam os sinais climáticos; suas características hidrológicas (nível e volume de água) são também importantes indicadores das mudanças climáticas (Kaczmarek et al., 1996). Em particular, a variação do nível da água pode ser considerada um parâmetro chave em estudos hidrológicos de reservatórios (Coops et al., 2003). Essa variação exerce influência direta nas comunidades bióticas dos corpos d'água interiores, assim como nos processos físicos por meio da erosão e sedimentação (Poff et al., 1997). O nível da água pode ser considerado como um complexo índice de troca natural de água entre as bacias de drenagem do corpo d'água. Essa variação de nível em reservatórios hidrelétricos é geralmente obtida por meio de uma régua linimétrica, de madeira, metal ou pintada em uma superfície vertical de concreto (Santos et al., 2001). No entanto, esse tipo de medida pode estar sujeito a erros de medida pelo responsável ou até mesmo a não anotação da variação do nível. Para evitar esses problemas, o sensoriamento remoto pode ser uma poderosa ferramenta no estudo das flutuações do nível da água. 5545

2 Muitos estudos têm sido desenvolvidos para a estimativa dessa flutuação no nível da água (cota) por meio do sensoriamento remoto (Alsdorf et al. 2001; Jekeli e Dumrongchai, 2003; Coe e Birkett, 2004; Crétaux e Birkett, 2006) com relativo sucesso. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar o potencial do radar altímetro na estimativa da variação de nível da água no reservatório hidrelétrico de Itumbiara (GO). 2. Área de Estudo A área de estudo é a bacia de contribuição do reservatório da UHE Itumbiara (GO), localizada entre as coordenadas 49 47'55"O 20 27'37"S e 45 39'8"O 15 9'43"S, compreendendo uma área de cerca de km² entre os estados de Goiás e Minas Gerais e o Distrito Federal (Alcântara et al. 2010, ver Figura 1). O principal rio da bacia é o rio Paranaíba, que nasce no estado de Minas Gerais, no município de Rio Paranaíba, e após percorrer cerca de km se une ao rio Grande, formando o rio Paraná. Seus principais afluentes dentro da área de estudo são os rios Corumbá (margem direita) e Araguari (margem esquerda). 3. Materiais e Métodos Figura 1: Localização do reservatório hidrelétrico de Itumbiara (GO). Para a elaboração deste trabalho, foram utilizadas 76 passagens contínuas do radar altímetrico Jason 2, entre Agosto de 2008 e Julho de 2010, totalizando 2 anos de dados processados. Paralelamente, foram coletados dados in situ da cota do reservatório de Itumbiara sob as coordenadas 18º 24' 24,31"S; 49º 05' 53,95" O. Neste tópico, serão descritas as características do satélite Jason 2, a metodologia que foi utilizada para o monitoramento das cotas d'água no reservatório e a descrição básica de implementação de estações virtuais. A partir desses conceitos, será possível avaliar a utilização dos dados de satélites altimétricos e também a sua relevante aplicação em estudos de recursos hídricos. 5546

3 3.1 Radar altimétrico JASON-2 Em junho de 2008, foi lançado a partir de um consórcio europeu e americano, o radar altimétrico OSTM/Jason-2 ou simplesmente Jason 2. Conjuntamente ao lançamento deste satélite, foi criado o projeto PISTACH (Prototype Innovant de Système de Traitement pour lês Applications Côtières et Hydrologiques) com o propósito de expandir a utilização de produtos de microondas a partir da elaboração de diferentes algoritmos com a habilidade de extrair uma medida precisa de altura do eco radar correspondente à superfície subjacente. Neste contexto, foram desenvolvidos produtos que têm a capacidade de corrigir dados de altura de corpos de água localizados sob a plataforma continental adquiridos pelo radar altimétrico, constituindo-se, portanto, em uma fonte de dados em potencial para as aplicações de hidrologia de superfície (Mercier et al., 2008). O altímetro Jason-2 tem capacidade de determinar medidas precisas de altura da superfície de corpos aquosos sobre a plataforma continental, com cobertura geográfica global, resolução temporal quase semanal (10 dias) e monitoramento contínuo no tempo, podendo contribuir para verificação e validação dos dados de altura obtidos a partir de sensores in situ. Maiores informações sobre o processamento de dados de altimetria, bem como acerca do satélite Jason 2 e sobre o projeto PISTACH, podem ser obtidas em: Estação virtual para coleta de dados Um conjunto de medições adquiridas a partir de dados altimétricos orbitais, quando do cruzamento do traço em terra do satélite com um reservatório, pode ser analisada sob a perspectiva do que se denomina estação virtual ou estação de coleta remota (Calmant e Seyler, 2006). Esta terminologia é adotada para diferenciar uma estação convencional materializada no local, de uma estação de coleta remota, que é criada a partir de medições de satélites com capacidade de produzir dados de variação temporal dos níveis de água do corpo hídrico. Os valores obtidos ao longo das passagens do altímetro são submetidas a um processo seletivo. Dados considerados espúrios são descartados e posteriormente, é feita uma média simples dos valores representativos das cotas altimétricas oriundas do radar (em cada passagem, foram obtidos entre 12 a 14 pontos de altimetria). A seleção dos pontos de análise foi efetuada via procedimento manual, excluindo da base de dados valores que apresentassem variações abruptas dentro da série temporal. Segundo Moreira (2010), o processamento manual efetuado por especialistas apoiados por ferramentas computacionais e por fundamentos de altimetria espacial, vêm sendo até o presente momento a melhor maneira de pré-processar as bases de dados virtuais. A título de ilustração, a Figura 2 mostra o esquema de captura de dados oriunda de uma passagem do Jason-2 sobre o reservatório de Itumbiara. Observe na Figura 2 a região destacada no interior do quadrado pontilhado, que representa a estação de coleta virtual ou remota de dados de nível d'água para o reservatório de Itumbiara GO adotada neste estudo. 5547

4 Figura 2 Pontos de coleta remota no reservatório de Itumbiara GO. O quadrado pontilhado representa a área denominada de estação de coleta virtual de dados. 4. Resultados e Discussões Para este estudo, os dados referentes às 76 passagens oriundas do radar Jason-2 foram agrupadas em médias mensais para o período compreendido entre Agosto de 2008 a Julho de 2010, totalizando 2 anos de análise altimétrica. Os resultados obtidos pelo satélite, foram inicialmente submetidos a uma filtro de média móvel, visando excluir as altas frequências presentes no conjunto de dados e, posteriormente os resultados oriundos foram comparados com dados in situ, visando validar a estação virtual de captura de dados altimétricos para o reservatório de Itumbiara. Foram utilizados os ciclos de passagem de 1 a 76 do satélite, no track 11 do radar altimétrico. Estes valores, correspondem a região do reservatório de Itumbiara GO para o intervalo analisado. A Figura 3, apresenta o gráfico de dispersão com os resultados obtidos para o período analisado. É possível evidenciar uma forte correlação entre os dados remotos e medições in situ. Esta observação corrobora com os resultados obtidos do coeficiente de correlação de Pearson, que apresentou um valor de 0,82. O que denota uma forte correlação entre os dados de campo e de altimetria. Moreira (2010), analisando o reservatório de Balbina, obteve uma alta correlação entre os resultados obtidos pelo satélite altimétrico Jason-2 e estações físicas, após o reprocessamento dos dados de radar e validação em campo utilizando receptores GPS instalados em embarcações. A estação de coleta remota do reservatório, mostrada na Figura 2 (área referente ao quadrado tracejado em preto), apresentou uma taxa de coleta variando entre 12 a 14 pontos úteis por passagem orbital, numa região com uma largura de espelho d'água de 2,4 km. No trabalho de Birkett et al. (2002), é mencionado o fato que dados úteis somente tinham sido obtidos para corpos de água acima de 1 km de largura. Segundo Andersen et al. (2008), 5548

5 apesar do footprint do altímetro radar ser tipicamente de vários quilômetros, pequenos alvos, com algumas dezenas de metros, poderiam ser vistos nos ecos radar, que, após processados, renderiam informação de altura, porque a água é muito mais refletiva nas freqüências da radiação microondas que a terra circunvizinha. Figura 3 Dispersão de pontos: altímetro x estação in situ. Silva (2010), observou que a largura da superfície de água não é um critério para a limitação da aplicação da altimetria radar embarcada em satélite com os dados do Jason-2. Entretanto, o autor ressalta que em alguns casos, fatores físicos do ambiente podem influenciar o eco radar regionalmente. Cabe ressaltar que o limite geográfico de atuação do radar altimétrico, definido pela largura entre as margens de um corpo hídrico não é a fonte de pesquisa neste trabalho. A figura 4 apresenta um gráfico de barras comparativo entre dados in situ x altimetria. De um modo geral, observa-se que os dados do Jason-2 tendem a apresentar valores de cota inferiores aos obtidos pela estação in situ. Possivelmente, as diferenças observadas entre a estação in situ no reservatório de Itumbiara e a estação virtual, advém em grande parte, da distância física entre ambas, podendo representar deste modo, valores de cota por vezes sensivelmente distintos, independentemente de quaisquer outras considerações. É importante se ressaltar que a situação ideal para utilização de dados oriundos de radares altimétricos deva ser sobre uma região desprovida de obstáculos que introduzam variações nos desníveis observados entre a estação in situ e virtual. De preferência, para fins de validação, uma estação real de medição in situ deve estar disponível próximo a estação virtual associada à passagem do radar, o que nem sempre é possível. Em nosso caso, a estação virtual está localizada na interseção da trajetória de passagem do satélite com um corpo aquoso (Figura 2). A partir do conjunto de dados que se encontram nesta interseção, é possível determinar um valor único que corresponda à estimativa mais eficiente, face aos valores obtidos pela estação in situ (Moreira, 2010). Em nosso estudo de caso, adotamos a média simples de todos os pontos válidos, uma vez que praticamente não observamos diferenças significativas entre os mesmos. 5549

6 Figura 4 Gráfico de barras para todo o período analisado: altímetro x estação in situ. 5. Conclusões A utilização de produtos derivados de radares altimétricos, possibilita monitorar remotamente a evolução do nível d'água em corpos hídricos. Desse modo, é possível consolidar paralelamente ao monitoramento convencional realizado, estações de controle virtuais em reservatórios. Este tipo de abordagem, em conjunto com dados climatológicos podem auxiliar em previsões e modelagem dinâmica de recursos aquáticos continentais. As diferenças existentes entre dados coletados in situ versus altimetria espacial, possivelmente tem origem na influência dos constituintes geofísicos no momento da coleta dos dados e em decorrência da distância física entre a nossa estação virtual x estação real. Recomenda-se a identificação dos diversos fenômenos através de modelagens hidrológica e atmosférica, procurando identificar as correspondentes influências dessas componentes. Essa ação pode auxiliar na compreensão desses fenômenos, no entendimento da sua extensão, de sua intensidade e de seu tempo de resposta no que tange a calibração regional de dados orbitais. Agradecimentos Os autores agradecem Furnas Centrais Elétricas por terem cedido os dados in situ de variação do nível da água no reservatório de Itumbiara (GO). 6. Referências Alcântara, E.H.; Stech, J.L.; Lorenzzetti, J.A.; Bonnet, M.P.; Casamitjana, X.; Assireu, A.T.; Novo, E.M.L.M. Remote sensing of water surface temperature and heat flux over a tropical hydroelectric reservoir. Remote Sensing of Environment, p ,

7 Alsdorf, D.; Birkett, C.; Dunne, T.; Melack, J.; Hess, L. Water level changes in a large Amazon lake measured with spaceborne radar interferometry and altimetry. Geophysical Research Letters, v. 28, p , Andersen, O.; Berry, P.; Freeman, J.; et al. Satellite Altimetry and GRACE gravimetry for studies of annual water storage variations in Bangladesh. Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences, v. 19, n. 1/2, p. 47, Birkett, C. M.; Mertes, L. A. K.; Dunne, T.; Costa, M. H.; Jasinski, M. J. Surface water dynamics in the Amazon Basin: Application of satellite radar altimetry. Journal of Geophysical Research, v. 107, p , Calmant, S.; Seyler, F. Continental surface waters from satellite altimetry. Comptes Rendus Geoscience. v. 338, p , Coe, M.T., Birkett, C.M. Calculation of river discharge and prediction of lake height from satellite radar altimetry: example for the lake Chad basin. Water Resources Research, v. 40, p. 1-12, Coops, H.; Beklioglu M.; Crisman T.L. The role of water-level fluctuations in shallow lake ecosystems - workshop conclusions. Hydrobiologia. v. 506, n , Crétaux, J-F.; Birkett,C. Lake studies from satellite radar altimetry. Comptes rendus Geoscience. v. 338, p , Ford, D.E, Reservoir transport process. In: Thorton, K.W.; Kimmel, B.L.; Payne, F.E. (Org.). Reservoir limnology: Ecological Perspectives. New York: John Wiley, p Jekeli, C.; Dumrongchai, P. On monitoring a vertical datum with satellite altimetry and waterlevel gauge data on large lakes. Journal of Geodesy, v. 77, p , Kaczmarek, Z.; Strzepek, K.; Somlyódy, L.; Priazhinskaya, V. (Org.). Water resources management in the face of climatic/hydrologic uncertainties. Laxenburg-Áustria: Springer, 2006, 408 p. Mercier, F.; Cazenave, A.; Maheu. C. Interannual lake flutuations ( ) in Africa from Topex/Poseidon: connections with ocean-atmosphere interactions over the Indian Ocean. Global and Planetary Change. v. 32. p , Moreira, D. M. Rede de referência altimétrica para avaliação da altimetria por satélites e estudos hidrológicos na região Amazônica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ/COPPE), Rio de Janeiro, Poff, N.L.; Allan, J.D.; Bain, M.B.; Karr, J.R.; Prestegaard, K.L.; Richter, B.D.; Sparks R.E. ; Stromberg, J.C. The natural flow regime: a paradigm for river conservation and restoration. BioScience, Lactec, 2002, 372 p. Santos, I.; Fill, H.D.; Sugai, M.R.B.; Buba, H.; Kishi, R.T.; Marone, E.; Lautert, L.F.C. Hidrometria Aplicada. Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, p. 5551