Mapeamento e caracterização do sistema rio-planície da Amazônia central via sensoriamento remoto e modelagem hidráulica

Abstract

O rio Amazonas é o maior rio do mundo, e sua cheia anual promove uma inundação extensa, influenciando processos hidrológicos, o balanço de carbono e a distribuição e riquezas de espécies. No entanto, os processos relacionados à variação de sedimentos em suspensão nos lagos e rios, à topografia da planície de inundação e à troca de água entre o rio e a planície na região central da bacia ainda não são completamente compreendidos. O sensoriamento remoto e a simulação hidráulica são ferramentas que podem auxiliar esses estudos. O objetivo desta pesquisa é desenvolver técnicas de sensoriamento remoto e modelagem para mapear, compreender e caracterizar a dinâmica de sedimentos, a topografia e a hidrodinâmica do sistema rio-planície da Amazônia central. Foi desenvolvido um mapeamento da dinâmica de sedimentos nos rios e lagos dessa região considerando, pela primeira vez, águas com baixas concentrações de sedimentos e abrangendo uma área de 1900 x 600 km2. A análise temporal de 15 anos de imagens permitiu avaliar a variação sazonal da concentração de sedimentos e a caracterização desse sistema. Por exemplo, lagos rasos aumentam a concentração de sedimentos no período de seca devido a ressuspensão promovida pelo vento, e recebem sedimentos do rio durante a cheia. Também foram desenvolvidos uma metodologia e um aplicativo para estimativa da elevação do terreno em áreas sazonalmente inundadas utilizando como dados de entrada séries temporais do nível da água e um mapa que representa a frequência de inundação. A nova técnica torna possível o mapeamento direto da topografia de lagos e a estimativa da curva cota-área-volume ativo de reservatórios utilizando dados de sensoriamento remoto. A partir desta metodologia, foi realizado de forma pioneira um mapeamento de alta resolução da topografia da planície de inundação da Amazônia abrangendo uma área de 837 x 266 km2. Cerca de 50% dessa área permanece com profundidade menor que 2 m e 6 m nos períodos de água-baixa e água-alta, respectivamente. Esse mapeamento foi utilizado para a simulação hidráulica bidimensional do escoamento de água no rio Amazonas e na planície em uma área de 40 mil km2. A simulação de três anos hidrológicos (2008 a 2010) permitiu a melhor compreensão de processos hidrológicos nesse sistema, como a troca de água entre o rio e a planície. A planície possui uma variação média anual de volume e de área inundada de 167,27 km3 e 7,56 mil km2, respectivamente. Os fluxos de água do rio para a planície são predominantes no início da enchente do rio e se tornam expressivos na cheia. Nesse período, também ocorre um fluxo expressivo de saída de água da planície para o rio. Na vazante predomina os fluxos para o rio e pode ocorrer entrada de água na planície por efeito de remanso. As técnicas desenvolvidas nessa pesquisa podem ser aplicadas a outros sistemas hidrológicos e com novos dados de satélites previstos para lançamento. Os mapeamentos desenvolvidos estão disponíveis para estudos hidrológicos, ecológicos e de gestão na região central da Amazônia.

The Amazon River is the largest river in the world, and the annual flood produces an extensive inundated area, influencing hydrological processes, carbon balance, and species diversity. However, the processes related to the variation of suspended sediments in lakes and rivers, the floodplain topography and the water exchange between river and floodplain in the central Amazon basin are not yet fully understood. Remote sensing and hydraulic simulation are tools that support these studies. The goal of this research is to develop remote sensing and modeling techniques to map, understand and characterize the sediment dynamics, topography and hydrodynamics of the central Amazon River-floodplain system. A mapping of sediment dynamics in rivers and lakes of this region was developed considering, for the first time, waters with low concentrations of sediments and covering an area of 1900 x 600 km2. Temporal filtering of 15 years of images allowed to evaluate the seasonal variation of sediments concentration and to characterize this system. For example, in shallow lakes, the sediment concentration increases during dry seasons due to resuspension caused by wind, and during the flood due to the transport of sediments from the river. A methodology and an application for estimating terrain elevation in seasonally flooded areas were also developed using time series of water level and flood frequency map as input data. The new method allows to directly map topography of lakes and to estimate level-area-volume active relationship of reservoirs using remote sensing data. Based on this methodology, high-resolution mapping of the Amazon floodplain topography was performed covering an area of 837 x 266 km2. About 50% of this area remains with depth less than 2 m and 6 m in low-water and high-water periods, respectively. This mapping was used for two-dimensional hydraulic simulation of water flow in the Amazon River and floodplain in an area of 40 thousand km2. The simulation of three hydrological years (2008 to 2010) allowed a better understanding of hydrological processes in this system, such as the water exchange between the River and floodplain. The floodplain has an average annual variation in volume and flooded areas of 167.27 km3 and 7.56 thousand km2, respectively. Water flows from the River to floodplain are prevalent at the beginning of the river's flood and become expressive in the flood peak. During this period, there is also an expressive outflow from the floodplain to the River. In the falling period, flows to the River are predominant and water may enter the floodplain due to the backwater effect. The methods developed in this research can be applied to other hydrological systems and using new satellite data planned for launch. The mappings developed are available to hydrological, ecological and management studies in the central Amazon basin.