distribución espacial de material en suspensión y clo

DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE MATERIAL EN SUSPENSIÓN Y CLOROFILA-A EN CUERPOS DE AGUA NATURALES Y ARTIFICIALES.
Pagot, M.1; Rodríguez, A. 1; Niencheski, L. F. 2; Hillman, G. 1; Corral, M. 1; Oroná, C. 1; Scavuzzo, M.3; Bazán, R.1; Cossavella, A.4; Del Olmo, S.5; Rodríguez, M.I.1; Larrosa, N.1; Bonfanti
E.5; Busso, F.5; Plencovich, G.1; Martinez, N.6
(1) Laboratorio de Hidráulica, Universidad Nacional de Córdoba (UNC), Argentina. Av. Vélez Sarsfield1601, Córdoba, CP
5000.
(2) Laboratorio de Hidroquímica, Dpto. de Química, Fundación Universitaria de Río Grande (FURG), Brasil.
(3) Instituto de Altos Estudios Espaciales Mario Gulich (CONAE-UNC), Argentina.
(4) Dirección Provincial de Aguas Cordobesas (DiPAS), Argentina.
(5) Aguas Cordobesas (AACC), Córdoba, Argentina.
(6) Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente, EPSG, UPV, (Valencia, España)
RESUMEN
En el presente trabajo se aplicaron técnicas de teledetección para modelar la distribución espacial de parámetros sedimentológicos y biológicos en dos cuerpos de agua: la Laguna de Los Patos, ubicada al sur de Brasil, y el
embalse Los Molinos, en la región central de Argentina. En ambos casos se han desarrollado modelos cuantitativos
que correlacionaron parámetros de calidad con valores de reflectividades medidos sobre imágenes LANDSAT. El
primer caso de estudio fue la Laguna de Los Patos que presenta una superficie aproximada de 10.360 km² y se
conecta al sur con el Océano Atlántico. Las condiciones hidrometeorológicas en esta laguna (vientos, corrientes,
marea) causan frecuentemente resuspensión de sedimentos. El ingreso de agua dulce por los tributarios representa
el mayor mecanismo de transporte de material en suspensión, generalmente con dirección Norte-Sur. El segundo
caso fue el embalse Los Molinos, el cual es la segunda fuente de suministro para agua potable de la ciudad de Córdoba. .Las principales actividades desarrolladas en la cuenca son agrícola-ganaderas y se señalan como una de
las causas del marcado deterioro de la calidad del agua, con signos de eutrofización y periódicos florecimientos
algales.
Palabras claves: Material en suspensión, clorofila-a, teledetección, modelo.
ABSTRACT
In this work was applied technical of remote sensing for to model the space distribution of sedimentary and biological parameters in two bodies of water: the Patos lagoon, located to the south of Brazil, and the Los Molinos
reservoir, in the central region of Argentina. In both cases, quantitative models have been developed that correlated
parameters of quality with reflective values measured on images LANDSAT. The first one of study was the Patos
lagoon with approximate surface of 10,360 km² and it is connected to the south with the Ocean Atlantic. The conditions hydrometeorological in this lagoon (winds, currents, tide) cause frequently resuspension of sediments. The
entrance of fresh water from the tributary ones represents the biggest mechanism of matter transport in suspension,
generally with orientation North-south. The second case was the Los Molinos reservoir, which is the second supply
source for drinkable water of the city of Córdoba. The main activities developed in the basin are agriculturalcattlemen and they are pointed out like one of it is the causes of the marked deterioration of the quality of the water,
with eutrophication signs and periodic algal blooms.
Key Words: Material in suspension, chlorophyll-a, remote sensing, model.
INTRODUCCIÓN
La Laguna de Los Patos se sitúa entre -30° y -32° de latitud al sur de Brasil. Este es un cuerpo de agua de aproximadamente 10,360 km², conectado en su extremo sur con el Océano Atlántico. En la dirección NE-SO mide 250 km con un ancho promedio de 40 km y una profundidad
media de 5 m (Möller et al., 1999). Entre los principales tributarios al sistema se encuentran los
ríos Guaiba, Camaquã y el Canal São Gonçalo, con un aporte total medio anual de 1,800 m³/s y
una distribución porcentual de 57%, 15% y 28%, respectivamente (¡Error! No se encuentra el
origen de la referencia.). Las condiciones hidrometeorológicas en esta Laguna (vientos, corrientes, marea) representan las principales causas de resuspensión de sedimentos, con un mecanismo de transporte dominado en mayor medida por los tributarios. Las características del tipo
de sedimentos y la metodología utilizada para su medición se presenta en Niencheski et al. (1994 y
2001).
Figura 1: Esquema de ubicación de la Laguna de los Patos, sur de Brasil.
El segundo lugar de estudio, el Embalse Los Molinos (Figura 2) presenta un área de 21,1
km² y se ubica en la región semiárida central de Argentina. La cuenca de aporte al embalse abarca una superficie de 894 km².
Figura 2: Ubicación relativa del embalse Los Molinos.
Las principales actividades desarrolladas en la cuenca del embalse Los Molinos son de tipo
agropecuario prevaleciendo la ganadería en la mayor parte de la cuenca. Los principales cultivos
de la zona son de soja, maíz y papa. Desde hace 30 años se señalan signos de eutroficación tales
como proliferaciones de algas conjuntamente con elevadas concentraciones de fosfato y nitrógeno amoniacal (Bonetto et al., 1976). Los antecedentes más recientes (Rodríguez et al., 2002 y Cossavella, 2003) verifican las condiciones eutróficas de este cuerpo de agua en relación a los valores límites establecidos por la OECD (1982).
El principal objetivo planteado fue definir y calibrar modelos de distribución espacial que
permitan cuantificar parámetros sedimentológicos y de calidad como material en suspensión
(MES) en la Laguna de Los Patos y clorofila-a (Cl-a) en el embalse Los Molinos, en base a niveles de reflectancia obtenidos por teledetección como herramienta complementaria a los métodos
tradicionales.
Datos de campañas
Los datos disponibles de MES y otros parámetros como temperatura, pH, conductividad,
profundidad de disco Secchi, etc., fueron obtenidos en campañas mensuales llevadas a cabo durante marzo a noviembre de 1999 por la Fundación Universitaria de Río Grande (FURG-Brasil),
sobre diez estaciones de monitoreo (Figura 3)
Figura 3: Esquema de ubicación de las estaciones de monitoreo en Los Patos. De arriba hacia abajo: R1:
Desembocadura Guaiba, P1 a P8: Laguna de los Patos, desde el norte al sur y O1: Salida al Océano Atlántico.
En el marco de un proyecto de investigación conducido por la Universidad Nacional de Córdoba (Argentina), se iniciaron también en 1999 campañas estacionales de monitoreo de agua y
sedimentos en el embalse Los Molinos. Actualmente estas campañas se realizan mensualmente y
con la participación de otras instituciones como la Dirección Provincial de Agua y Saneamiento
(DiPAS) y la empresa Aguas Cordobesas S.A., actual concesionaria del servicio de agua potable
para la ciudad de Córdoba. En esta etapa de trabajo se procesaron datos correspondientes al período 1999-2003.
El monitoreo del embalse se realizó en seis estaciones (). Los parámetros medidos in situ
fueron: temperatura, pH, oxígeno disuelto (OD), conductividad, turbiedad y profundidad de disco Secchi. En laboratorio se determinaron: Cl-a, alcalinidad, dureza total, fósforo total (PT), fósforo reactivo soluble (PRS), serie de nitrógeno, carbono orgánico total, fitoplancton, iones mayoritarios, pesticidas, coliformes totales (CT) y termorresistentes (CTr).
Figura 4: Esquema de ubicación de las estaciones de monitoreo en Los Molinos.
Datos satelitales
Se utilizaron para este estudio, imágenes productos de los satélites LANDSAT 5 y 7, correspondientes a los años 1999 a 2003 cedidas por la Comisión Nacional de Actividades Espaciales
(CONAE) a través del Instituto de Altos Estudios Espaciales “Mario Gulich” (CONAE-UNC).
Cubrieron la zona de la Laguna de los Patos un total de 8 imágenes satelitales con las cuales se
generaron 4 mosaicos completos de la Laguna (debido a que la extensión de la misma (cerca de
250 km) superó el área de cobertura de las imágenes LANDSAT: 180 km aproximadamente de
lado). Mientras que en Los Molinos se procesaron 7 imágenes próximas a las fechas de campañas de muestreo. (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)
El procesamiento de las imágenes se realizó con el programa ENVI 3.5, The Environment for
Visualizing Images, desarrollado por ESRI (2001).
Cuadro 1: Fechas de campañas e imágenes satelitales disponibles en Los Patos (Año: 1999) y en Los
Molinos (período 1999-2003).
Los Molinos
Los Patos
Campaña
03/03/1999
08/08/2000
22/09/1999
03/11/1999
Imágenes
x2
17/03/1999
24/08/1999
17/09/1999
12/11/1999
Sensor
Campaña
Imágenes
Sensor
Landsat 7
Landsat 5
Landsat 7
Landsat 7
15/12/1999
01/06/2000
16/08/2000
15/11/2000
11/06/2002
07/01/2003
12/03/2003
14/12/1999
30/05/2000
18/08/2000
14/11/2000
13/06/2002
07/01/2003
12/03/2003
Landsat 7
Landsat 5
Landsat 5
Landsat 7
Landsat 7
Landsat 7
Landsat 7
En el Cuadro 1 se observa que las imágenes satelitales disponibles en su mayoría difieren en
uno o dos días respecto de la fecha de campaña, y sólo dos coinciden (07/01/03 y 12/03/03) ya
que a partir del año 2003 inclusive se logró coordinar los monitoreos con el paso de los satélites
LANDSAT. Para evaluar la posibilidad de utilización de estas series de imágenes se verificó que
en el intervalo entre las respectivas fechas de campaña e imagen no se registraran alteraciones
climáticas de importancia.
METODOLOGÍA
La metodología adoptada consistió en utilizar dos tipos de métodos empíricos (deductivo e
inductivo). El primero, consistió en convertir, a partir de funciones ya establecidas valores de
niveles digitales (ND) a valores físicos de reflectividad. Se utilizaron factores definidos propios
de cada banda y cada sensor (Chuvieco, 2002). Por otro lado, en el método inductivo se ha inferido una función matemática entre los valores observados de ND convertidos a reflectividad con
respecto a los valores medidos de MES y Cl-a.
El resultado del proceso de identificación de los ND para cada estación y fecha se consideró
efectuando previamente un filtro espacial con respecto a los ocho píxeles vecinos. Esto se realizó
con el objetivo de disminuir el error introducido en las coordenadas de la estación y su ubicación
en la imagen.
En la Figura 5 se presenta el gráfico resultante del proceso anterior con datos de Los Patos, a
partir de los que se identificó una tendencia en aumento de los valores de ND a medida que aumentan las concentraciones de los parámetros de campo. Esto derivó en la definición de una ley
logarítmica entre las respectivas variables (ND y MES por un lado y ND y Cl-a por otro lado), lo
que hace al desarrollo del método inductivo.
Figura 5: Niveles digitales (ND) medidos en la Banda 1 (B1) de cada imagen satelital junto con los respectivos valores de MES medidos en campaña. (Laguna de Los Patos)
De esta forma el algoritmo adoptado para ambos casos presentó la misma estructura matemática (Ecuación 1). El cual se basó en un proceso de regresión múltiple entre los datos de campaña
y los datos de reflectividad calculados en cada banda. Se realizó una evaluación entre las distintas alternativas propuestas en los antecedentes consultados, seleccionando aquella que mejor
superó las pruebas estadísticas realizadas -prueba de los coeficientes de regresión, de significancia, etc.- (Hines et al., 1996).
La fórmula propuesta se adaptó de aquella recomendada para estimar profundidad de disco
Secchi (Kloiber et al., 2002). Se han utilizado dos bandas espectrales (1 y 2), correspondiendo a la
región azul (0,45 – 0,52 µm) y verde (0,53 – 0,62 µm) del espectro electromagnético, respectivamente.
 R1 
Ln( y ) = a × 
 + b × (R1) + c
 R2 
(1)
Donde: y es el parámetro a calcular: MES (mg/L) o Cl-a (µg/L); R1 y R2 son los valores de
reflectividad de las bandas 1 y 2, respectivamente. Los coeficientes a, b y c son los parámetros a
ajustar por regresión múltiple. Para el conjunto de datos analizados se calibraron los coeficientes
(a, b y c) de la Ecuación (1), basándose en una operación de regresión múltiple convencional
(Hines et al., 1996).
Así, la expresión resultante para estimar valores de MES a través de datos satelitales y hasta
los 200 mg/L se presentan a continuación: (este límite se adoptó debido a la escasez de mediciones superiores a este valor, sólo se disponía de dos mediciones).
 R1 
Ln (MES [mg/L]) = − 4.6502 × 
 + 12.3698 × (R1) + 5.1550
 R2 
(2)
En la relación planteada se observa que cuando en el agua se presentan importantes concentraciones de MES, la reflectividad en la banda azul (R1) tiende a aumentar, disminuyendo la reflectividad en la banda verde (R2). Esto explica el signo negativo en el primer término del segundo miembro en la ecuación (2), al vincular la reflectividad del agua en la banda azul y la concentración de MES medida. La expresión resultante para estimar Cl-a entre 0 y 10 µg/L, se presenta a continuación:
 R1 
Ln (Cl − a [ µg/L]) = − 0.0329 × 
 − 4.2854 × (R1) + 1.9544
 R2 
(3)
La relación planteada en la Ecuación (3) muestra que cuando se presentan concentraciones
elevadas de Cl-a, la reflectividad en la banda azul (R1) disminuye, aumentando la reflectividad
en la banda verde (R2). Esto explica el signo negativo en el segundo y tercer término del segundo miembro de dicha ecuación.
La relación con el MES arrojó un valor de coeficiente de determinación (R²) igual a 0.72
determinado sobre 30 pares de valores en la Ecuación (2) y de 0.79 con 17 pares de valores en un
intervalo de confianza de 95 % en la Ecuación (3).
En la Figura 6 se presentan las series de Cl-a calculadas con la Ecuación (3) (eje vertical) y
las medidas en campañas (eje horizontal). En el mismo se observó la buena correlación alcanzada.
Cl-a (calculadas con teledetección)
[mg/l]
10
2
R = 0,79
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cl-a (medida en campaña) [µg/l]
01/06/00
20/08/2000
16/11/2000
11/06/2002
07/01/2003
12/03/2003
Figura 6: Valores de Clorofila –a medida en campaña y los respectivos calculados con valores de reflectividades.
Aplicación del modelo
La modelación requiere la posibilidad de combinar planos de acuerdo con varias ecuaciones
matemáticas. De esta forma, la resolución de las ecuaciones 2 y 3 junto con la aplicación del
programa ENVI 3.5, permitieron arribar a modelos de distribución espacial de MES y Cl-a en la
Laguna de Los Patos y en el embalse Los Molinos, respectivamente. Lo cual se logró modificando los valores originales en el plano de las imágenes a través de las operaciones y transformaciones matemáticas detalladas.
En la Figura 7 se presenta el modelo propuesto aplicado sobre la imagen del día 17 de septiembre de 1999 en Los Patos. Se observa, al norte de la Laguna, altas concentraciones de MES
con el aporte del río Guaiba (ver Figura 1). Según la escala gráfica se pueden estimar valores
próximos a los 80 mg/L (correspondiendo 73.13 mg/L medidos en campaña). Se detectaron también, hacia la Laguna de Casamento al Noreste, pequeñas intrusiones entre rangos de 40 y 50
mg/L. Por otro lado, en la zona de desembocadura del río Camaquã, se observó la influencia de
dicho ingreso sobre la costa oeste de la Laguna y una intrusión hacia el centro de la misma. La
simulación no es válida en la zona del Océano Atlántico.
En la Figura 8 se presenta el resultado del modelo para distribución de Cl-a aplicado sobre
una imagen del embalse Los Molinos correspondiente al día 18 de agosto de 1999. En la misma
es posible distinguir mayores concentraciones de Cl-a en la zona norte del embalse incrementándose hacia la Toma (ver Figura 4).
Figura 7: Modelo provisorio de MES aplicado sobre la imagen satelital del 17 de septiembre de 1999,
con datos de campaña que variaron entre 10 y 80 mg/L.
Figura 8: Distribución de Cl-a sobre imagen satelital del 18/08/00. Rango (0-10 µg/L)
CONCLUSIONES
Para evaluar el comportamiento espacial y temporal de la distribución de material en suspensión en la Laguna y de clorofila-a en el embalse, se aplicaron herramientas de teledetección que
proporcionaron información temática espacial del cuerpo de agua y permitieron determinar y
relacionar niveles de reflectividad con parámetros de calidad a través de la definición y calibración de algoritmos matemáticos.
Adoptando como correctas las leyes matemáticas deducidas (Ecuaciones 2 y 3) es necesario
adquirir mayor cantidad de datos que validen el rango de valores calibrados. Es por esto, que es
factible considerar a los modelos planteados como estimadores iniciales para cuantificar la distribución espacial de MES y Cl-a con apoyo satelital.
En resumen, los resultados obtenidos permitieron combinar metodologías de teledetección y
simulación numérica para evaluar el comportamiento del sistema junto a los trabajos de campo.
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