análise espaço-temporal da clorofila-a no reservatório...

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Análise espaço-temporal da clorofila-a no reservatório de Itaparica por meio de imagens Landsat-TM Helio Lopes 1 Maria do Carmo Sobral 1 Günter Gunkel 2 Ana Lúcia Candeias 1 Gustavo Melo 1 1 Universidade Federal de Pernambuco - UFPE/CTG Caixa Postal 96 - 13416-000 - Recife - PE, Brasil {helio.lopes, msobral, analucia}@ufpe.br 2 Universidade Técnica de Berlim - TUB Caixa Postal 515 - 10065 - Berlin - Germany [email protected] Abstract. In the analysis of chlorophyll dynamic in water bodies, remote sensing become fundamental mainly due to its spatial and temporal cover. Thus, this work aims to determine and to evaluate the spatio-temporal behavior of chlorophyll-a in the Itaparica reservoir located at sub-middle São Francisco, in Semi-arid region of Brazil. For this purpose, Landsat-TM images from 2009 were used, considering band from 1 to 5 and 7. The model was written in LEGAL language available in SPRING 5.2 software. The slicing of the reservoir into nine classes was done by using the chlorophyll layers from each date. The minimum value was 0,003 μg/L and the maximum was 249,93 μg/L considering the three periods. The date that had highest chlorophyll concentration was October 19, and November 20 had lower concentration. By means of graphic analysis of points located throughout the reservoir, we can see that the chlorophyll concentration decrease from fluvial region to lacustrine region and there are always high chl-a concentration from the contact of Pajeu and Barreiras rivers within reservoir. In the next studies It would be necessary to validate the values with field data in order to verify the mapping accuracy in this reservoir, taking into account the day and also the time overpass of the sensor. Palavras-chave: remote sensing, water quality. 1. Introdução O manejo sustentável de ecossistemas aquáticos requer o monitoramento constante da qualidade da água. No entanto, a heterogeneidade espacial e temporal de corpos d'água recai frequentemente em sistemas inadequados de monitoramento e caracterização da qualidade da água usando métodos de amostragem convencional (Liu et al., 2003). O sensoriamento remoto oferece diversas técnicas e maneiras de se monitorar recursos hídricos em diferentes áreas e escala de tempo (Goddijn-Murphy et al., 2009). Além dessas diversas técnicas, há também uma variabilidade de parâmetros a serem monitorados por sensoriamento remoto, os quais: transparência secchi (Kloiber et al., 2002), clorofila-a (Novo et al., 2006; Chen et al., 2011b; Gitelson et al., 2008; Kloiber et al., 2002; Zhang et al., 2011), carbono orgânico particulado (Hadimitsis; Clayton, 2011), sólidos suspensos total (Novo et al., 1991; Artigas et al., 2008; Wang et al., 2006), turbidez (Wang et al., 2006), entre outros. Assim, verifica-se que para a avaliação de diversos indicadores de qualidade da água, o sensoriamento remoto vem sendo usado com frequência devido às características de grande abrangência espacial e temporal na geração de informações da superfície terrestre (Novo, 2007). Dessa forma, facilita os estudos de distribuição temporal e espacial que são difíceis de amostragem in situ devido a dimensão espacial dos grandes reservatórios bem como ao grande número de amostras (Reis et al., 2003), como também pela facilidade de estudos de correlacionamento do uso e cobertura do solo com parâmetros de qualidade da água (Wachhloz e Pereira Filho, 2005). Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE 6628

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Análise espaço-temporal da clorofila-a no reservatório de Itaparica por meio de imagens Landsat-TM

Helio Lopes 1

Maria do Carmo Sobral 1

Günter Gunkel 2

Ana Lúcia Candeias 1

Gustavo Melo 1

1 Universidade Federal de Pernambuco - UFPE/CTG

Caixa Postal 96 - 13416-000 - Recife - PE, Brasil

{helio.lopes, msobral, analucia}@ufpe.br

2 Universidade Técnica de Berlim - TUB

Caixa Postal 515 - 10065 - Berlin - Germany

[email protected]

Abstract. In the analysis of chlorophyll dynamic in water bodies, remote sensing become fundamental mainly

due to its spatial and temporal cover. Thus, this work aims to determine and to evaluate the spatio-temporal

behavior of chlorophyll-a in the Itaparica reservoir located at sub-middle São Francisco, in Semi-arid region of

Brazil. For this purpose, Landsat-TM images from 2009 were used, considering band from 1 to 5 and 7. The

model was written in LEGAL language available in SPRING 5.2 software. The slicing of the reservoir into nine

classes was done by using the chlorophyll layers from each date. The minimum value was 0,003 µg/L and the

maximum was 249,93 µg/L considering the three periods. The date that had highest chlorophyll concentration

was October 19, and November 20 had lower concentration. By means of graphic analysis of points located

throughout the reservoir, we can see that the chlorophyll concentration decrease from fluvial region to lacustrine

region and there are always high chl-a concentration from the contact of Pajeu and Barreiras rivers within

reservoir. In the next studies It would be necessary to validate the values with field data in order to verify the

mapping accuracy in this reservoir, taking into account the day and also the time overpass of the sensor.

Palavras-chave: remote sensing, water quality.

1. Introdução

O manejo sustentável de ecossistemas aquáticos requer o monitoramento constante da

qualidade da água. No entanto, a heterogeneidade espacial e temporal de corpos d'água recai

frequentemente em sistemas inadequados de monitoramento e caracterização da qualidade da

água usando métodos de amostragem convencional (Liu et al., 2003).

O sensoriamento remoto oferece diversas técnicas e maneiras de se monitorar recursos

hídricos em diferentes áreas e escala de tempo (Goddijn-Murphy et al., 2009). Além dessas

diversas técnicas, há também uma variabilidade de parâmetros a serem monitorados por

sensoriamento remoto, os quais: transparência secchi (Kloiber et al., 2002), clorofila-a (Novo

et al., 2006; Chen et al., 2011b; Gitelson et al., 2008; Kloiber et al., 2002; Zhang et al., 2011),

carbono orgânico particulado (Hadimitsis; Clayton, 2011), sólidos suspensos total (Novo et

al., 1991; Artigas et al., 2008; Wang et al., 2006), turbidez (Wang et al., 2006), entre outros.

Assim, verifica-se que para a avaliação de diversos indicadores de qualidade da água, o

sensoriamento remoto vem sendo usado com frequência devido às características de grande

abrangência espacial e temporal na geração de informações da superfície terrestre (Novo,

2007). Dessa forma, facilita os estudos de distribuição temporal e espacial que são difíceis de

amostragem in situ devido a dimensão espacial dos grandes reservatórios bem como ao

grande número de amostras (Reis et al., 2003), como também pela facilidade de estudos de

correlacionamento do uso e cobertura do solo com parâmetros de qualidade da água

(Wachhloz e Pereira Filho, 2005).

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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Em relação a clorofila-a, muitos modelos tem sido desenvolvidos baseados na reposta

espectral da água por meio de levantamento in situ como também em imagens de satélite. Por

exemplo, Ennes et al. (2010) procederam a caracterização de parâmetro de qualidade da água

de reservatório destinado ao abastecimento publico baseado em dados espectrais de imagens e

mensurações in situ, observando que foi possível determinar a presença de fitoplâncton e

atividade algal por meio da modelagem de equações lineares. Uma outra forma de se obter

concentrações de clorofila-a em reservatórios, seria por aplicação de índices espectrais

conforme realizado por Coelho et al. (2011) que determinaram a clorofila-a utilizando o

NDVI e o RATIO com R2 de 0,76 e 0,70, respectivamente.

O uso do sensoriamento remoto na gestão de reservatórios é baseado no fato de que

consequências de eutrofização e o aumento da produtividade estão associadas com a mudança

nas propriedades ópticas da massa hídrica. Aumento da clorofila-a está associado com

diminuição na quantidade relativa de energia da banda azul (0,45-0,52 µm) e aumento na

verde (0,52-0,60 µm) (Friese et al., 2010), e geralmente se utiliza para sua determinação a

razão entre os canais 704 e 675 nm (Li, et al., 2010). Aumento de sólidos suspensos está

associado com aumento na energia refletida, e o pico de reflectância moverá na direção de

comprimentos de onda maiores (Lillesand; Kiefer, 1994). Essas mudanças podem ser medidas

por técnicas de sensoriamento remoto (Nellis et al., 1998; Onderka; Perárová, 2008; Novo,

2008; Song et al., 2010). A determinação da clorofila-a é fundamental, pois é um parâmetro

que está relacionado com o estado trófico do corpo hídrico bem como com algas nocivas

(cianobactérias). Carvalho et al. (2010) desenvolveram um algoritmo para detecção de

cianobactéria utilizando imagens orbitais que pode servir de ferramenta de alerta relacionado

ao desenvolvimento acelerado de algas. Em muitos corpos hídricos a dominância de algas

verdes-azuis está relacionada ao nível trófico elevado (Dembowska, 2011). Dessa forma o

monitoramento de clorofila-a é de fundamental importância para alerta e tomada de decisão

na gestão dos recursos hídricos. Nesse sentido, esse trabalho tem como objetivo a aplicação

de modelo linear para a espacialização da clorofila no reservatório Itaparica, baseado em

imagens Landsat e dados de campo.

2. Metodologia de Trabalho 1.1 Área de estudo

O reservatório de Itaparica foi construído em 1988 e seu funcionamento ocorreu em 1989

com o fechamento das comportas. As águas banham os municípios de Tacaratu, Petrolândia,

Floresta, Itacuruba e Belém do São Francisco do lado de Pernambuco (Figura 1). Possui uma

área normal de 828 km2. Sua usina localiza-se no estado de Pernambuco, 25 km a jusante da

cidade de Petrolândia - PE, tendo como coordenadas 38° 19' de Longitude Oeste e 9° 6' de

Latitude Sul, com capacidade de gerar 1.479.600 kW de energia (CHESF, 2010).

Figura 1. Localização geográfica do reservatório de Itaparica.

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2.2 Processamento de dados orbitais Para a determinação da clorofila-a foram realizado o download das imagens no sistema de

catálogo localizado na página do INPE. As imagens selecionadas foram correspondente a

órbita 216 e ponto 66 referentes ao Landsat TM5. As datas selecionadas foram 19 de outubro,

04 e 20 de novembro de 2009. As bandas foram empilhadas e georreferenciadas sendo o erro

de georreferenciamento menor que um pixel. Após o georreferenciamento foi aplicada a

correção atmosférica utilizando a Atcor 2 (Erdas 2011) modelo rural e tropical rural

respectivamente para os modelos atmosférico e aerossóis. Nenhuma correção topográfica foi

implementada.

2.3 Modelo para monitoramento da chl-a Nesse trabalho foi utilizado o modelo de Chen et al. (2008) que requer como entrada as

bandas 1 a 5 e 7 do Landsat e obteve um coeficiente de correlação de 0,82, sendo ajustada

para os dados de clorofila-a de 2004 em que cada coeficiente foi multiplicado pela média da

clorofila resultando na equação 1.

Chla=4,483+0,44�B1�+0,62�B2�-0,82�B3�-2,6�B4�+2,16�B5�-4,7(B7) (1)

Na validação foram utilizados seis pontos associados a imagem de 2004 apresentando R2

de 0,31, sendo que esse baixo coeficiente pode está relacionado a falta de sincronia do

levantamento de dados em campo (clorofila-a) com a época de passagem do satélite. A

concentração de clorofila foi determinada em laboratório através de método

espectrofotométrico utilizando equação monocromática (CHESF, 2004). Esta metodologia

tem sido amplamente utilizada em estudos científicos e programas de monitoramento que

visem à determinação da biomassa fitoplanctônica. Sua grande vantagem está na praticidade e

custos reduzidos quando comparada com outras metodologias. Contudo, métodos mais

sensíveis, como a determinação por fluorimetria, possibilitam a detecção de baixas

concentrações e utilização de amostras de volume menor (CHESF, 2004).

No reservatório de Itaparica foram fixados 24 pontos de monitoramento (CHESF, 2004)

distribuídos ao longo do corpo hídrico (Figura 2A).

Figura 2. A) Localização dos pontos de monitoramento de parâmetros de qualidade da água

(CHESF, 2004) . B) Localização dos pontos de monitoramento por sensoriamento remoto.

Para se verificar o comportamento gráfico da concentração de clorofila para as imagens

de 2009 a partir da equação 1, foram escolhidos pontos (Figura 2B) distribuídos por todo o

reservatório considerando a margem direita, central e margem esquerda, bem como a entrada

dos principais riachos, nos quais foram colocados mais pontos para se ter uma noção do

comportamento da concentração de clorofila transversalmente ao reservatório.

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3. Resultados e Discussão Foram implementados ao longo da margem direita, central e margem esquerda do

reservatório pontos para monitoramento via satélite. Nesses pontos foram verificados os

valores da concentração de clorofila determinados por meio da equação 1 para as datas

referentes à passagem do satélite e plotados em gráfico (Figura 3 A, B e C).

Figura 3. Análise gráfica longitudinal e transversal dos pontos nas margens esquerda (ME),

central (CT) e direita (MD) no reservatório de Itaparica. RP - Rio Pajeu, RM - Riacho dos

Mandantes, LB - Riacho do Limão Bravo, RB - Riacho Barreiras e RC - Riacho Canoas. A)

19 de outubro, B) 04 de novembro, e C) 20 de novembro de 2009.

Observa-se na figura 3A de 19 de outubro de 2009 que há uma tendência de diminuição

do valor da concentração de clorofila da região fluvial para lacustre. Na entrada do rio Pajeu-

RP os valores de clorofila foram maiores que os valores dos ponto localizados no centro e na

margem direita, estando acima de 30 µg/L. Esse comportamento indica a entrada de nutriente

via rio Pajeu visto que este rio possui uma pequena vazão nesta época do ano e há impacto de

agricultura em solos aluviais bem como despejos de esgotos domésticos. Já os pontos

localizados na entrada dos riachos Mandantes-RM e Limão Bravo-LB apresentaram baixos

valores da concentração de clorofila. Esses riachos são intermitentes, com isso a entrada de

nutriente da agricultura irrigada e agropecuária ocorrem na época chuvosa. Mesmo

comportamento ocorreu com o riacho Canoas-RC na margem direita do reservatório. Altos

valores na concentração de clorofila-a ocorreram na entrada do riacho Barreiras-RB. Nessa

região ha entrada de nutrientes via erosão e esgotos domésticos durante todo o ano. Nessa

região os valores de clorofila alcançaram concentrações de 65,88 µg/L (Figura 3A). Para esta

data, a maioria dos pontos apresentaram valores menores que o limite Conama para classes de

água tipo II e 9 pontos centrais apresentaram valores maiores que os pontos das margens. Em

relação a data de 04 de novembro de 2009 (Figura 3B) 92% dos pontos apresentaram valores

de chl-a abaixo do limite estabelecido pela resolução Conama 357/2005. Para esta data, a

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Distância ao longo do reservatório (Km)

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Central

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RB

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Região de transição

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para Classe II

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região correspondente à entrada do rio Pajeu apresentou altos valores na concentração de chl-

a (Figura 3B), porem ligeiramente menores que 19 de outubro. Os pontos localizados nas

entradas do riacho mandantes e limão bravo apresentaram valores bem menores que os

valores encontrado na entrada do ria Pajeu, porem em relação a data de 19 de outubro os

valores foram menores. Por exemplo, para os dois pontos localizados no riacho mandantes,

em 19 de outubro, os valores foram 25,2 e 15,4 µg/L e para 04 de novembro apresentaram

valores de 19,2 e 15,6 µg/L. Já para o riacho limão bravo, ocorreu um aumento na

concentração de clorofila para os pontos localizado nesta região. Em 19 de outubro os valores

da concentração de chl-a foram 1,9 e 3,3, e para 4 de novembro os valores foram 9,8 e 10,1

respectivamente. Em geral se observa diminuição no valor da concentração de clorofila de 19

de outubro para 04 de novembro. Considerando a data de 20 de novembro de 2009 6,6% dos

pontos apresentaram valores acima de 30 µg/L, sendo apenas os pontos localizados na entrada

do rio Pajeu e riacho barreiras que apresentaram esses valores. No geral no reservatório de

Itaparica os valores de concentração de clorofila-a tende a diminuir apresentando média para

os pontos de 19 de outubro no valor de 20,48 µg/L, média para os pontos referentes a 04

novembro de 15,60 µg/L, e média relacionada aos pontos de 20 novembro com valor de 12,23

µg/L.

Considerando todos os pixels da imagem da clorofila a, para a data de 19 de outubro de

2009 a média da concentração de clorofila para o reservatório foi de 21,70 µg/L, sendo o

valor mínimo e máximo de 0,003 e 236,73 µg/L, respectivamente, e o desvio padrão foi de

9,40 µg/L. Em 04 de novembro de 2009, a média apresentou valor 16,42 µg/L enquanto que o

valor mínimo e máximo foram respectivamente de 0,003 e 249,93 µg/L com desvio padrão

de 10,23 µg/L. Considerando a data de 20 de novembro do mesmo ano, o valor médio da

concentração de clorofila foi de 15,93 µg/L com valores mínimo e máximo de 0,003 e 245,57

µg/L respectivamente, enquanto que o valor do desvio padrão foi de 9,97 µg/L. Observando-

se assim uma tendência na diminuição da clorofila-a que pode está associada à diminuição da

disponibilidade de nutrientes (Figura 4A). Conforme Figura 3 observa-se também que os

valores na região fluvial são maiores que os valores da região lacustre que pode estar

associado á entrada de nutrientes (Figura 4B) (CHESF, 2010).

Figura 4. Amplitude de variação e mediana dos valores da concentração de nitrogênio

amoniacal, (A) nos meses, (B) nas estações do reservatório de Itaparica, de dezembro/2008 a

setembro/2009. Fonte: CHESF (2009).

Assim, o reservatório de Itaparica apresenta tanto uma dinâmica espacial como temporal

que depende do uso e cobertura do solo como também de regimes pluviométricos.

Para verificar o comportamento espacial e temporal da clorofila, é apresentado na Figura

5 sua distribuição para as três épocas. A modelagem da clorofila-a foi realizada por meio do

programa Spring 5.2, utilizando a ferramenta LEGAL, pela qual gerou-se os mapas da

distribuição da concentração de clorofila no reservatório de Itaparica. Os pontos em que

foram verificados os valores de clorofila (Figura 3) estão sobrepostos nesses mapas. Foram

colocados pontos ao longo da margem direita (Bahia), no centro do reservatório e ao logo da

margem esquerda (Pernambuco), como também pontos adicionais nas entradas dos principais

rios e riachos.

B A

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Figura 5. Mapa da concentração de clorofila-a para o reservatório de Itaparica no ano de 2009.

A) 19 de outubro, B) 04 de novembro, e C) 20 de novembro.

Observa-se na Figura 5A que a região fluvial e na entrada do rio Pajeu apresentam altas

concentrações de clorofila-a, representando o dia 19 de outubro. Na Figura 5B é visto uma

diminuição da concentração tanto na região fluvial quanto na região de transição e em parte

da região lacustre. Porém, há deslocamento dos valores elevados em direção a região de

transição. De 19 de outubro para 04 de novembro se percebe um aumento na clorofila-a na

entrada do riacho mandantes. Para o mapa de 20 de novembro (Figura 5C) se observa um

ligeiro aumento da concentração de clorofila-a na região fluvial (norte) com diminuição na

região próxima da de transição, enquanto que há uma diminuição na região de transição à

oeste e ligeiro aumento na leste. Na região lacustre houve um pequeno aumento dos valores.

Esses comportamentos espaços-temporais mostram que o reservatório apresenta uma

dinâmica na concentração de clorofila, necessitando de maiores investigações relacionados à

parâmetros físicos, biológicos e químicos com aplicação de análises estatísticas por principais

componentes e o emprego de dados orbitais com maior resolução temporal objetivando

entender e descrever melhor a dinâmica da massa hídrica, inclusive com associação do uso e

cobertura da terra conforme apontado por (Wachhloz e Pereira Filho, (2005).

Conforme visto na Figura 5, as classes acima de 40 µg/L apresentam baixa

representatividade. O total da área do reservatório para cada data com concentração de

clorofila-a menor que 30 µg/L são 76,32 %, 90,61%, 93,37%, respectivamente para as datas

de 19/10, 04/11 e 20/11 de 2009, confirmando diminuição nos valores de clorofila-a.

Observa-se que a classe que contem a maior quantidade de pixels foi a classe de 20-30

µg/L, sendo assim parte do reservatório está abaixo do limite estabelecido na Resolução

CONAMA nº 357/ 2005, que é de 30 µg/L para águas tipo II. Na análise realizada por Melo

(2007) utilizando pontos amostrais, foram encontrados valores entre 0,40 e 62,0 µg/L para os

anos de 2004 e 2005 (CHESF, 2004). A análise ANOVA mostrou o valor de p nulo provando

que as diferenças entre as médias dos valores de clorofila-a nas três épocas são altamente

significante. Isso é indicativo que o reservatório possui uma dinâmica devido que as imagens

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Riacho dos Mandantes

5,0 - 10,0

10,0 - 15,0

15,0- 20,0

20,0 - 30,0

30,0 - 40,0

40,0 - 60,0

60,0 - 90,0

0,0 - 5,0

Riachos

� Pontos na Margem Direita

Y Pontos Centrais

# Pontos na Margem Esquerda

100,0 - 236,7

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Y Y

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Rio

Paj

Riacho Barreiras

500000

500000

525000

525000

550000

550000

575000

575000

600000

600000

90

00

00

0

90

00

00

0

90

25

000

90

25

000

0 5 102,5

Km

±

Chl-a (µg/L)

Riacho dos Mandantes

5,0 - 10,0

10,0 - 15,0

15,0- 20,0

20,0 - 30,0

30,0 - 40,0

40,0 - 60,0

60,0 - 90,0

0,0 - 5,0

Riachos

� Pontos na Margem Direita

Y Pontos Centrais

# Pontos na Margem Esquerda

100,0 - 249,9

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Y Y

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Y

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Rio

Paj

Riacho Barreiras

500000

500000

525000

525000

550000

550000

575000

575000

600000

600000

90

00

00

0

90

00

00

0

90

25

000

90

25

000

0 5 102,5

Km

±

Chl-a (µg/L)

Riacho dos Mandantes

5,0 - 10,0

10,0 - 15,0

15,0- 20,0

20,0 - 30,0

30,0 - 40,0

40,0 - 60,0

60,0 - 90,0

0,0 - 5,0

Riachos

� Pontos na Margem Direita

Y Pontos Centrais

# Pontos na Margem Esquerda

100,0 - 245.5

A B

C

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utilizadas estão em uma única estação do ano. Em estudos futuros, dados de precipitação,

impacto de áreas urbanas e uso e cobertura do solo podem ser analisados para o melhor

entendimento do comportamento espacial e temporal da clorofila-a no reservatório de

Itaparica.

4. Considerações Finais Conforme os resultado obtido pela modelagem, a maior parte do reservatório encontra-se

abaixo do limiar estabelecido pela resolução CONAMA 357/2005 para concentração de

clorofila-a, considerando a data de passagem do satélite.

A distribuição espacial da clorofila-a diminuiu da região fluvial para a região lacustre.

Após o contato do rio Pajeu e Barreiras com o reservatório se observa aumento na

concentração de clorofila, que pode está associado a entrada de nutrientes.

Etapas de validação do modelo para o reservatório de Itaparica são necessárias, levando

em consideração a resolução temporal do satélite e hora de passagem.

Os pontos localizados nas margens, nos contatos dos riachos dos mandantes e limão

Bravo, e Canoas apresentam concentrações de clorofila menores que os rios Pajeu e Barreiras

principalmente por serem riachos intermitentes e sem influência urbana.

Agradecimentos Os autores agradecem a Chesf pela contribuição fundamental ao desenvolvimento desta

pesquisa. A bolsa de doutorado do primeiro autor é financiada pelo CNPq/DAAD.

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