Análise do impacto de mudanças ambientais na variação espaço-temporal da qualidade da água de lagos rasos costeiros brasileiros por sensoriamento remoto

Abstract

Lagos e lagunas são ambientes aquáticos com alta produtividade, abrigando biodiversidade e provendo outros importantes serviços ecossistêmicos. Suas características os tornaram importantes sítios de ocupação humana, podendo ser bastante afetados por atividades antropogênicos, além de variação climática. O sensoriamento remoto é uma excelente ferramenta para fornecer dados espacializados que melhorem o entendimento dos impactos destas variações climáticas e não-climáticas nestes ecossistemas. Este trabalho buscou compreender como mudanças ambientais afetam a variação espaço-temporal de parâmetros de qualidade da água de lagos rasos costeiros brasileiros, para isto validando dados de sensoriamento remoto. A primeira parte avaliou os padrões de variação do fitoplâncton num complexo de lagunas tropicais rasas utilizando imagens Sentinel-2 MSI. Primeiramente, foi validado um conjunto de correção atmosférica e algoritmo de clorofila-a (chla) para todo o complexo, com a combinação do ACOLITE com um modelo semi-analítico de razão de bandas do vermelho e infravermelho próximo se mostrando a mais robusta para as duas lagunas. A partir disso, foi avaliada a série espaço-temporal de chla junto com o coeficiente de absorção por matéria orgânica dissolvida colorida (CDOM). Se observou que a Manguaba é mais eutrófica do que a Mundaú e afetada principalmente pela afluência de nutrientes da bacia hidrográfica, enquanto que a Mundaú mostrou um padrão de variação mais definido, também afetada pela precipitação e vazão dos rios. Durante a estação chuvosa, a afluência dos rios geralmente reduz a chla devido à limitação da luz por CDOM, e aumenta em outros pontos devido a lançamentos de esgoto e águas pluviais. A análise mostrou a importância da hidrodinâmica no sistema, destacando zonas de recicurlação na laguna Manguaba, a influência do ciclo da cana, e das marés na renovação ou retenção da água no sistema. A segunda parte avaliou o impacto da variação climática na temperatura superficial de um conjunto de lagoas subtropicais costeiras rasas utilizando o sensor MODIS. Primeiramente, foram validados algoritmos de correção de efeito de superfície, verificando-se redução do viés e melhoria de todas as métricas pelos modelos testados. Comparando os resultados sem a correção do efeito, se observou diferença principalmente nos cálculos das tendências de aquecimento das lagoas e de evaporação da água. A análise da série temporal mostrou que os impactos nestas lagoas são uma alta taxa de aquecimento regional na primavera e em menor escala de aquecimento no verão, com concordância com as tendências de temperatura do ar na região. O aquecimento na primavera se deve principalmente à uma antecipação do fim do inverno e início da primavera, e rápida resposta das lagoas rasas. Também se observou uma geral homogeneidade espacial nas tendências de aquecimento, porém com diferenças nas áreas de afluência dos rios tributários.

Lakes and lagoons are highly productive aquatic environments, harbouring biodiversity and providing other important ecosystem services. Their characteristics make them important sites of human occupation, and they can be highly affected by anthropogenic activities, in addition to climatic variability. Remote sensing is an excellent tool to provide spatialized data to improve the understanding of the impacts of these climatic and non-climatic variations in these ecosystems. This thesis sought to understand how environmental changes affect the spatiotemporal variability of water quality parameters of Brazilian coastal shallow lakes, validating remote sensing data for this purpose. The first part evaluated the spatiotemporal variation patterns of phytoplankton in a shallow tropical lagoon complex using Sentinel-2 MSI imagery. First, a set of atmospheric correction and chlorophyll-a (chla) algorithm was validated for the entire complex, with the combination of ACOLITE with a semi-analytical model using red and near infrared band ratio showing more consistency for the two lagoons. With this set validated, we assessed spatiotemporal series of chla along with the coloured dissolved organic matter (CDOM) absorption coefficient. Manguaba is more eutrophic than Mundaú and is mainly affected by the inflow of nutrients from the watershed, while Mundaú showed a more defined pattern of variation, which is also affected by precipitation and river flows. During the rainy season the rivers’ inflow generally causes a reduction in chla due to light limitation by CDOM, while increasing in other parts due to the effect of sewage and stormwater discharges. The analysis showed the importance of hydrodynamics and residence times in the system, highlighting areas of recirculation in Manguaba lagoon, the influence of the sugarcane cycle, and of the tides in the renewal or retention of water in the system. The second part assessed the impact of climate variability on the surface temperature of a set of subtropical shallow coastal lakes using MODIS imagery. First, we validated algorithms to correct for a surface effect, and we verified reduced bias and improvement of all metrics by the models. Comparing the results without correction for the effect, we observed differences mainly in the calculation of the lakes’ warming trends and of water evaporation. The analysis of the time series showed that the impacts on these lakes are a high regional warming rate observed in spring and to a lesser extent warming in summer, with agreement with air temperature trends in the region. The warming in spring is mainly due to the anticipatation of the end of winter and beginning of spring, and quick response of the shallow lakes. We also observed a general homogeneity in the warming trends, but with differences in the tributary rivers’ inflow areas.