Nome do Projeto
Mapeamento de florações de cianobactérias usando imagens de satélite em um importante manancial de abastecimento de água no município de Pelotas, RS
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
31/07/2020 - 31/07/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Engenharias
Resumo
A proliferação de algas representa uma ameaça significativa e crescente para os sistemas aquáticos, uma vez que deteriora a qualidade de água para usos humanos e ecológicos. O florescimento algal em um manancial usado para abastecimento pode alterar a qualidade da água tratada e causar problemas operacionais em várias etapas de tratamento. Todos esses problemas elevam o custo de produção da água e aumentam a necessidade de monitoramento da sua qualidade com maior frequência e em mais pontos do manancial. O processo natural de urbanização associado ao incremento de matéria orgânica traz como consequência a alteração do estado natural da água do “lago”, ocasionando transtornos ao SANEP durante o tratamento da água para consumo, e à população pelo consequente sabor e odor resultante da decomposição de cianobactérias. Atualmente, o monitoramento, identificação e controle das florações de cianobactérias na barragem é feita pela ETA Santa Bárbara, localizado a jusante do empreendimento, a qual trata um volume diário de 40.000 m3 de água. Os pontos de monitoramento são localizados nos principais afluentes e no ponto de captação, mas são insuficientes para se ter uma visão global do sistema. Há uma falta de informação sobre a distribuição espacial dessas florações, em função da grande área do manancial, altos custos envolvidos no monitoramento e limitações de tempo em análises. Desta forma, o objetivo principal do estudo é desenvolver um sistema de monitoramento de floração de algas para a barragem Santa Bárbara, Pelotas -RS, usando imagens MSI/Sentinel-2A.

Objetivo Geral

Desenvolver um sistema de monitoramento de floração de algas para a barragem Santa Bárbara, Pelotas -RS, usando imagens do MSI/Sentinel-2A.

Justificativa

A proliferação de algas representa uma ameaça significativa e crescente para os sistemas aquáticos, uma vez que deteriora a qualidade de água para usos humanos e ecológicos (Heisler et al., 2008; Schwarzenbach et al., 2010; O’neil et al., 2012). O florescimento algal em um manancial usado para abastecimento pode alterar a qualidade da água tratada e causar problemas operacionais em várias etapas de tratamento, diminuindo a produção efetiva da estação de tratamento de água (ETA). Todos esses problemas elevam o custo de produção da água e aumentam a necessidade de monitoramento da sua qualidade com maior frequência e em mais pontos do manancial (McDowall et al., 2009; De Júlio et al., 2010).
Espécies de algas, como as cianobactérias (Cyanophyceae), produzem toxinas que podem ser prejudiciais para a saúde dos seres humanos e para os peixes. Ademais, alguns gêneros de cianobactérias possuem espécies ou cepas potencialmente poluidoras de toxinas, sendo Anabaena, Microcystis, Cylindrospermopsis, Synechocystis, Aphanizomenum, Lingbya, Oscillatoria, Phormidium e Schizothrix, as principais (Funari e Testai, 2008). Existem vários problemas de saúde associados a mais de 60 toxinas identificadas de cianobactérias, que são consideradas como neurotoxinas, hepatoxinas, citotoxinas, irritantes da pele e toxinas gastrointestinais (Kutser et al. 2006).
Desde a década de 70, florações de cianobactérias acontecem com certa frequência no reservatório Santa Bárbara (Huszar, 1978; Oliveira, 1985; Asmus, 2001; Piedras et al., 2006). Por exemplo, o caso mais recente de aparecimento de cianobactérias na barragem foi em dezembro de 2018. A barragem foi construída na década de 1960 pelo Departamento Nacional de Obras e Saneamento (DNOS), com o objetivo de evitar cheias na área urbana de Pelotas, bem como proporcionar reserva para o abastecimento público de água potável (Piedras et al., 2006). Com uma bacia de captação de 9.200 ha, a barragem Santa Bárbara tem como afluentes diversos pequenos arroios, que por sua vez, recebem despejos agrícolas, industriais, domésticos e servem como sistema de drenagem de águas pluviais por onde passam, conduzindo todos esses efluentes à bacia de acumulação da barragem (Piedras et al., 2006). Ademais, a barragem sofre um processo de assoreamento, eutrofização, desenvolvimento de cianobactérias, o que efetivamente é constatado sazonalmente na primavera quando ocorre o aumento da temperatura na região e o consequente incremento dos processos metabólicos ambientais (Asmus, 2001).
Neste sentido, técnicas de sensoriamento remoto podem ser usadas para detectar a presença de cianobactérias (Kutser et al., 2006; Lobo et al., 2009; Kudela et al., 2015; Chi et al., 2016; Gorham et al., 2017; Naghdi et al., 2018; Esposito et al., 2019), contribuindo para melhorar as informações espaciais e temporais sobre a distribuição de florações. O uso de imagens de sensoriamento remoto para estudar a distribuição de florações de cianobactérias é baseado no fato de que os pigmentos de algas afetam a cor da água no corpo hídrico (Folkestad et al., 2007). Os pigmentos fotossintetizantes de algas são componentes opticamente ativos (COA) e absorvem a radiação eletromagnética em faixas espectrais específicas, como a região do azul e vermelo (Kirk, 1994). No entanto, existem outros COAs que também podem interagir com a radiação incidente e, às vezes, afetar a identificação de algas. Para auxiliar na identificação de determinados constituintes na água, existem alguns índices espectrais, como o NDCI – Normalized Difference Chlorophyll-a Index. Esse índice foi proposto por Mishra e Mishra (2012) e explora o pico de reflectância de clorofila-a em 708 nm, e a alta absorção no vermelho (665 nm). O NDCI vem sendo aplicado em diversos estudos recentes (Watanabe et al., 2018; Watanabe et al., 2019; Andrade et al., 2019), e vem demonstrando um bom potencial para aplicações em imagens de satélites atuais, como o sensor MSI a bordo do satélite Sentinel-2A (Page et al., 2018).
A nova geração de sensores orbitais ópticos, como por exemplo o Sentinel-2A, apresenta uma oportunidade científica para a pesquisa de águas interiores (Palmer et al., 2015). O sensor Multiespectral Imager (MSI), a bordo do Sentinel-2A, oferece 13 bandas espectrais com resolução radiométrica de 12 bits, resolução espacial de 10, 20 e 60 m e resolução espectral de 15 a 180 nm dependendo da banda (Drusch et al., 2012). Essas configurações oferecem capacidades para o mapeamento de pequenos e irregulares sistemas hídricos, maior sensibilidade radiométrica para distinção de variáveis bio-ópticas. Além disso, a combinação de imagens do MSI Sentinel-2A e -2B aumenta a frequência temporal (de 10 para 5 dias), permitindo o monitoramento de mudanças na composição da água ao longo do tempo (Toming et al., 2016; Martins et al., 2017; Pahlevan et al., 2017).
O processo natural de urbanização associado ao incremento de matéria orgânica traz como consequência a alteração do estado natural da água do “lago”, ocasionando transtornos ao SANEP (Serviço Autônomo de Saneamento de Pelotas) durante o tratamento da água para consumo, e à população pelo consequente sabor e odor resultante da decomposição de cianobactérias (De Júlio et al., 2010). Atualmente, o monitoramento, identificação e controle das florações de cianobactérias na barragem é feita pelo Laboratório de Hidrobiologia da ETA Santa Bárbara, localizado a jusante do empreendimento, a qual trata um volume diário de 40.000 m3 de água. Os pontos de monitoramento são localizados nos principais afluentes e no ponto de captação, mas são insuficientes para se ter uma visão global do sistema. Há uma falta de informação sobre a distribuição espacial dessas florações, em função da grande área do manancial, altos custos envolvidos no monitoramento e limitações de tempo em análises.

Metodologia

A metodologia proposta para a execução desse projeto será realizada em três etapas: 1) Construção de um banco de dados sobre a qualidade da água, 2) Construção de uma biblioteca espectral e aplicação de algoritmos que estimam parâmetros da qualidade da água (ex. clorofila-a) através do uso de imagens de satélite; e 3) Geração de séries históricas e monitoramento sistemático da concentração de clorofila-a (chl-a), visando detectar florações de algas.

1) Parâmetros de qualidade da água (pontos amostrais): A qualidade da água do reservatório de Santa Bárbara será monitorada durante 24 meses, com campanhas bimensais totalizando 12 saídas de campo. Serão monitorados 15 pontos, escolhidos aleatoriamente ao longo da área superficial do reservatório. No final de dois anos serão monitorados 180 pontos. Serão monitoradas as seguintes variáveis: a) Limnológicos e biológicos: oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio, demanda química de oxigênio, nitrogênio total, fósforo total, turbidez, pH, condutividade elétrica, concentrações de chl-a, taxonomia das cianobactérias e fitoplâncton. b) Físicos: transparência da água. O monitoramento será feito em barco disponibilizado pelo SANEP (parceiro no projeto – ver carta de cooperação técnico-científica anexado ao projeto). Em cada ponto amostrado, será coletado aproximadamente um litro de água a uma profundidade de 0,30m. As amostras serão colocadas em frascos de vidro âmbar para evitar o contato com a luz solar, e serão mantidas sob refrigeração. As amostras serão encaminhadas para o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-Rio-Grandense (IFSUL), campus Pelotas (parceiro no projeto). As análises serão realizadas no Laboratório de Águas e Efluentes dos cursos técnico em Química e de Graduação em Engenharia Química, de acordo com as metodologias descritas por APHA (2005). As análises de nitrogênio total serão realizadas no Laboratório de Qualidade de Água da ETA Santa Bárbara, localizado nas intermediações do reservatório de captação de água. A análise de transparência da água será realizada pelo disco de Secchi, disponibilizado pelo Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos da UFPel. As concentrações de chl-a serão obtidas em laboratório e em campo, por meio de fluorímetro portátil Aquafluor® a ser adquirido no projeto. Isso se justifica em função da deterioração comum que as amostras para análise de clorofila-a sofrem entre o campo e o laboratório. Sendo assim, o fluorímetro será usado para dar mais confiabilidade e precisão nos resultados de clorofila-a. A taxonomia (identificação) das cianobactérias e a quantificação de fitoplânctons serão realizadas pelo Laboratório de Hidrobiologia da ETA Santa Bárbara, seguindo protocolos específicos. Complementarmente, os dados coletados serão organizados com os dados historicamente medidos pela a equipe do SANEP. Os pontos de coleta consistem na rede de amostragem já existente e em operação pela SANEP. A informação desses parâmetros de qualidade da água (PQA) darão suporte ao desenvolvimento de algoritmos de estimativa de PQA, em especial a chl-a, o qual está compreendido na segunda etapa metodológica.

2) Uso de imagens do satélite Sentinel-2 para o mapeamento de chl-a: Os dados dos PQAs, organizados em um banco de dados serão utilizados para desenvolver e validar algoritmos de estimativa de chl-a no reservatório de Santa Bárbara através de imagens de satélite. Serão realizadas as seguintes etapas: a) as imagens adquiridas gratuitamente durante as campanhas de campo do sensor MSI a bordo do satélite Sentinel-2 serão processadas para as correções atmosféricas (efeito dos aerossóis e outros gases). Essas imagens serão organizadas em uma biblioteca espectral, com diferentes faixas de concentrações dos PQAs, permitindo inferir sobre a qualidade da água do reservatório de Santa Bárbara; b) em cada imagem será aplicada uma máscara que recorta todos os corpos d’água detectados pela imagem de satélite. Essa etapa garante que os algoritmos desenvolvidos e validados sejam aplicados somente às áreas com presença de água no terreno (rios e lagos); c) em seguida, os algoritmos de estimativa de chl-a encontrados na literatura, como de 2 bandas (2B) (Gitelson et al., 2003), 3 bandas (3B) (Moses et al., 2009), normalized difference chlorophyll index – NDCI (Mishra e Mishra, 2012), floating algal index (FAI) (Hu, 2009) entre outros, serão aplicados nas imagens através do software gratuito ACOLITE (Vanhellemont e Ruddick, 2016). Nesse software, esses e outros algoritmos de estimativa de PQAs, como turbidez, já estão implementados e disponível para o usuário. Caso o desempenho desses algoritmos já implementados não satisfaça as condições encontradas no reservatório Santa Bárbara, serão testados outros algoritmos da literatura, bem como, desenvolvidos algoritmos empíricos, ou seja, com calibração e validação sendo feita com os dados organizados na etapa 1 da metodologia.

3) Geração de séries históricas e monitoramento regular da concentração de chl-a: A terceira etapa visa aplicar os algoritmos desenvolvidos e validados na etapa 2 em imagens históricas do sensor Sentinel-2 (desde 2015) e geração de monitoramento em ‘tempo real’, ou seja, aplicação nas imagens mais recentes (imagem da semana ou imagem do mês).

Indicadores, Metas e Resultados

A realização deste projeto de pesquisa promoverá os seguintes avanços: a) Científicos: 1. Geração de conhecimento e recursos humanos estratégicos (doutor e mestre) necessários para a aplicação e integração futuras de dados da nova geração de sistemas espectroscópicos imageadores orbitais.
2. Ampliar o conhecimento sobre os processos físicos, químicos e biológicos no reservatório Santa Bárbara e interação entre esses processos. 3. Consolidar em médio prazo o monitoramento qualitativo das águas no reservatório Santa Bárbara, disponibilizando informações relevantes para todos interessados, principalmente para a sociedade que recebe essa água para consumo. b) Dados: 1. Produzir uma base de dados de qualidade que registrará o estado das águas no reservatório Santa Bárbara, que poderá ser usada em estudos futuros com referência para se avaliar mudanças introduzidas, seja pelos impactos diretos das atividades de urbanização, ou indiretamente via mudanças climáticas. c) Tecnológicos: 1. Avaliação prévia dos limites dos sensores óticos orbitais que melhor se adaptam no reservatório Santa Bárbara. 2. Disponibilização de ferramentas e metodologias que permitirão ampliar o conhecimento sobre o funcionamento do ecossistema presente no reservatório Santa Bárbara.

Ao final do projeto, está previsto que uma tese de Doutorado e uma dissertação de Mestrado serão desenvolvidas no programa de pós-graduação em Recursos Hídricos da UFPel, o qual o proponente deste projeto de pesquisa é professor permanente. Espera-se que ao final do projeto os alunos estarão capacitados a desenvolverem pesquisas utilizando técnicas do estado da arte para o monitoramento de sistemas aquáticos continentais. Os resultados do projeto serão divulgados por meio de artigos publicados em revistas indexadas nacionais e internacionais, em congressos e simpósios e através da tese de doutorado e da dissertação de mestrado.


Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
CAROLINE DE OLIVEIRA NUNES
ELISANDRA HERNANDES DA FONSECA
FELIPE DE LUCIA LOBO4
HUGO ALEXANDRE SOARES GUEDES4
Karen Gularte Peres Mendes

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
FAPERGS / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado Rio Grande do SulR$ 30.000,00Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
Outros serviçosR$ 2.515,50
Material de laboratórioR$ 6.472,00
Combustíveis e lubrificantesR$ 1.164,00
Equipamentos e material permanente (móveis, máquinas, livros, aparelhos etc.)R$ 19.848,50

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