Autores

Merino, E.R. (UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA) ; Pupim, F.N. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO) ; Macedo, H.A. (UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA) ; Silva, A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO DO SUL) ; Assine, M.L. (UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA)

Resumo

Wetlands são áreas sujeitas a alagamentos sazonais ou permanentes e estão entre os ambientes mais diversificados do planeta. Neste estudo apresentamos uma abordagem baseada em técnicas de sensoriamento remoto e mapeamento geomorfológico para demonstrar como a hidrologia superficial condiciona a paisagem das wetlands, tendo como área piloto a porção sul do Pantanal. Três índices de umidade foram testados para a identificação de áreas inundadas (NDWI, MNDWI e NMDI), e a Análise de Principais Componentes Seletivas para a classificação da vegetação. Um mapa de freqüência de inundação revelou as características de inundação da área. Sete compartimentos foram reconhecidos: 1) área de alagamento permanente; 2) planície interleques confinada; 3) lobo progradacional do rio Negro; 4) lobo deposicional moderno do rio Aquidauana; 5) zona de transição; 6) planície com paleolagoas; 7) planície degradacional. Conclui-se que os processamentos utilizados são adequados para caracterização de wetlands.

Palavras chaves

wetlands; Sensoriamento Remoto; Mapeamento Geomorfológico

Introdução

Wetlands (áreas úmidas) são regiões transitórias entre sistemas aquáticos e terrestres, sujeitos a alagamentos sazonais ou permanentes que estão entre os ambientes mais diversificados do planeta (Harris et al., 2005; Holland et al., 1990). O entendimento de sua dinâmica e evolução é fundamental face aos diversos serviços ecossistêmicos que realizam (armazenamento de carbono, controle de inundações, manutenção da biodiversidade, produção de peixe e recarga de aquíferos), que têm consequências globais cada vez maiores (Barbier, 1994; Keddy et al., 2009). De acordo com a Convenção de RAMSAR (tratado intergovernamental de ação nacional e cooperação internacional para a conservação e uso racional das wetlands), existem cerca de 1.670 regiões designadas como "Wetlands de Importância Internacional" (MacKay et al., 2009), com dez delas possuindo mais de 50.000 km2. O Pantanal, possui extensão territorial de ~150.000 Km2 (Junk et al., 2006; Padovani, 2010; Figura 1), é uma das maiores áreas úmidas contínuas de água doce do planeta, mundialmente conhecido por suas paisagens únicas e por se tratar de um hotspot da vida selvagem com populações sustentáveis de espécies ameaçadas em outras partes do Brasil e da América do Sul (Harris et al., 2005). O Pantanal é uma ampla bacia sedimentar cenozoica, ainda ativa, localizada no interior da Bacia Hidrográfica do Alto Rio Paraguai, preenchida por um complexo trato de sistemas deposicionais. Com base na dinâmica fluvial e nas características geológicas e geomorfológicas da área fonte de cada sistema, o trato moderno da bacia foi classificado por Assine et al., 2015a em quatro categorias (Figura 1A): a) leques fluviais com área fonte em planaltos sedimentares; b) leques fluviais com área fonte em terrenos pré-cambrianos (terras baixas); c) planícies tronco do rio Paraguai; d) planícies interleques. Geomorfologicamente, a bacia é circundada pelos planaltos de Maracajú-Campo Grande e Taquari-Itiquira a leste, Guimarães e Parecis ao norte, Urucum-Amolar a oeste e Bodoquena ao sul (Assine, 2003). A planície apresenta regime sazonal de cheias que causam alagamentos periódicos na região (Figura 1). Toda água é drenada por um sistema hidrológico composto por um rio tronco, o Paraguai, que coleta água das planícies aluviais e megaleques de seus principais afluentes de margem esquerda (Cuiabá, Taquari, Negro e Miranda) (Assine et al., 2015b, (Figura 1B e C). Nos últimos anos, dados orbitais têm sido amplamente utilizados para reconhecimento do padrão de inundação de áreas alagadas, ajudando a ampliar nosso conhecimento dos processos geomorfológicos, hidrológicos e ecológicos dessas regiões (Mertes, 2002; Assine et al., 2015a,b,c; Marchetti et al., 2016). Trabalhos pioneiros destacaram a grande dimensão do megaleque do Taquari (Braun, 1977; Tricart, 1982). Nos últimos anos dados orbitais de múltiplas plataformas aliados a técnicas de Sensoriamento Remoto, Geoprocessamento, Geomorfologia, Sedimentologia e análise cronológica ajudaram a compreender melhor a dinâmica e evolução dos diversos subsistemas contidos na planície pantaneira (ex. Assine & Silva, 2009; Merino et al., 2014; Macedo et al., 2014, Pupim et al. 2017). Em termos globais, as wetlands ainda não são bem caracterizadas e uma das razões principais é a falta de informação sobre sua dinâmica hidrológica e características morfológicas (Melack & Hess, 2004). Dado a importância ecológica do Pantanal e outras wetlands, objetivo do presente estudo foi mapear e avaliar a dinâmica temporal e espacial das inundações na planície interleque do Rio Negro e adjacências, por meio da aplicação de técnicas de processamento digital e análise multitemporal de imagens de média resolução do Landsat TM5 e 7ETM+. Além disso, os resultados foram analisados em relação aos aspectos geomorfológicos para melhor compreender os fatores responsáveis pela configuração e evolução dessa paisagem.

Material e métodos

A presente pesquisa baseou-se no mapeamento geomorfológico por meio de técnicas de sensoriamento remoto, dados hidrológicos e validação de campo com sobrevôo da área. Foram analisadas imagens dos satélites Landsat TM5 e 7ETM+ de diferentes períodos de hidrológicos (cheia, seca e vazante), uma vez que o Pantanal é uma planície sazonalmente alagável. O mapeamento e processamento das imagens foi realizado no software Arcgis 9.3.1 (ESRI). Para o mapeamento da distribuição espacial e frequência das inundações, foram testados os índices de água "normalized difference water index" (NDWI) e modification of the "normalized difference water index" (MNDWI), e o índice de umidade do solo "normalized multi-band drought index" (NMDI). Para todas as análises foram utilizadas séries temporais no intervalo de 2000 a 2011. O NDWI (Gao, 1996) e o mNDWI (Xu, 2006) são representados respectivamente pelas equações: a)NDWI=(TM4-TM5)/(TM4+TM5) b)mNDWI=(TM2-TM5)/(TM2+TM5) Os índices buscam realçar a máxima refletância de corpos d´água ou de áreas úmidas. O NDWI foi elaborado para quantificar moléculas de água que interagem com a radiação solar e é menos sensível ao espalhamento atmosférico (Gao, 1996). O MNDWI foi desenvolvido para realçar corpos d'água em áreas abertas com base na substituição da banda do infravermelho-próximo (utilizado no NDWI) pelo verde para reduzir/remover ruídos no produto final. O NMDI (Wang & Qu, 2007) pode ser resumido pela equação onde R representa a refletância aparente observada pelo satélite. O processamento foi desenvolvido para ser aplicado em imagens MODIS, todavia na presente pesquisa foi adaptado para aplicação em imagens Landsat de acordo com o comprimento de ondas proposto pela pesquisa original, sendo a equação final para os satélites Landsat 5 e 7 descrita como: a) NMDI=(TM4-(TM5-TM7))/(TM4+(TM5-TM7)) O mapa de frequência de inundação foi calculado com objetivo de representar a dinâmica espacial e temporal das inundações durante o período de 2000 a 2011. O índice selecionado para elaboração do mapa de frequencia de inundação foi o NDMI por apresentar maior contraste entre as áreas úmidas e secas. O mapa é elaborado pela reclassificação visual de cada NDMI em duas categorias temáticas: “área inundada” e “não inundada”. Foram atribuídos valor 1 aos pixels com água ou áreas úmidas e 0 para áreas secas. A frequência de inundação foi calculada pela soma das 35 imagens reclassificadas em uma operação de álgebra de mapas cujo produto final foi a imagem com valores de pixel variando de 0 a 35, onde 0 representa ausência total de água durante o período avaliado e 35 indica que a área sempre esteve alagada. Análise de Principais Componentes Seletivas (APCS) (Chavez & Kwarteng, 1989) foi aplicada nas imagens Landsat para diminuir a generalização das formas de relevo e melhorar a interpretação geomorfológica. O conjunto das bandas utilizado foi: Banda 4, imagem NDWI e composição falsa-cor R(7)G(4)B(NDWI). Na imagem resultante foi aplicado a classificada supervisionada pelo método da máxima verossimilhança resultando no mapa de tipos vegetacionais. A compartimentação geomorfológica foi realizado de acordo com os seguintes critérios: 1) definição dos contatos entre os diferentes sistemas deposicionais que compõem a borda sul da bacia do Pantanal com base em relações morfológicas reconhecidas em dados orbitais; 2) identificação das características de drenagem e dos diferentes estilos fluviais; 3) mapeamento de geoformas deposicionais e erosivas, atuais e reliquiares; 4) reconhecimento de paleocinturões e paleocanais que evidenciam mudanças no curso dos rios ou no padrão de drenagem. Dados de vazão da estação Porto Ciríaco (Hidroweb Web Ana - código 66950000), foram utilizados para seleção das imagens. Uma cena de cada período hidrológico foi utilizada para cada ano, totalizando 35 imagens para o período, exceto para o período da cheia de 2003 que apresentou imagens com grande cobertura de nuvens na área.

Resultado e discussão

Nossa região piloto foi a PIRN (Figura 1A) que possui área de ~2800 km2 e pode ser dividida em dois domínios distintos: 1) proximal, planície estreita e confinada, limitada megaleques do Taquari e Negro (ao norte), e Aquidauana e Taboco (ao sul); 2) distal, planície ampla em área topograficamente rebaixada, com regiões alagadas e registros de canais e lagoas abandonadas, limitada ao norte pelo megaleque do Taquari, ao sul pelo canal do rio Miranda e a oeste pela planície do rio Paraguai. A região é caracterizada por apresentar vasta diversidade de ambientes (terrestres e aquáticos) devido ao seu regime hidrológico único. As paisagens variam desde florestas latifoliadas, savanas e campos, a áreas alagadas recobertas por vegetação aquática, fato que torna a área um grande ecótono regional. Wetlands apresentam grandes variações superficiais de curto prazo e requerem abordagens específicas para avaliar sua composição e entender mudanças de longo prazo (Dronova et. al, 2015). Dessa forma, imagens de satélite apresentam diversas vantagens para monitorar recursos e características físicas e biológicas das wetlands, especialmente para grandes áreas geográficas (Ozesmi & Bauer, 2002). O estudo da distribuição espacial das inundações da PIRN realizado por meio dos índices NDMI, NDWI e MNDWI apresentaram ótimos resultados para reconhecimento de áreas alagadas, com grande distinção entre regiões úmidas e secas (Figura 2A, D e G). Os processamento destacaram os limites lineares do padrão de alagamento da área, com feições altamente orientadas, sugerindo que a área esteja sob controle estrutural. O NMDI apresentou os maiores contrastes entre áreas úmidas e secas e realçou feições geomorfológicas como paleocinturões (Figura 2B) e canais com diques marginais elevados que não ficam alagados durante as cheias anuais (Figura 2 C). Os resultados decorrem do fato que o NDMI é um índice de seca, utilizado principalmente para medir a umidade do solo. Dessa forma a umidade do dossel de formações vegetacionais não é quantificada, favorecendo a distinção entre as diferentes feições geomorfológicas. Por outro lado, tanto o NDWI, de forma suave (Figura 2E e F), como o MNDWI, com mais intensidade, quantificam tanto a umidade das zonas alagas (Figura 2G e H), quanto do dossel arbóreo (Figura 2I). Ambos são índices de umidade e realçam o dossel, todavia, não favorecem a identificação feições geomorfológicas distintas. No Pantanal as florestas mesófilas coincidem com áreas mais elevadas, não alagadas e com solos bem drenados, já áreas rebaixadas sujeitas a alagamentos, periódicos ou permanentes, normalmente são caracterizadas por vegetação rasteira (Prance & Schaller 1982; Pott & Pott, 2004). Ou seja, as feições geomorfológicas estão diretamente relacionadas às formações vegetacionais. A região central da PIRN é topograficamente rebaixada e de acordo com o mapa de frequência de inundação (2000 a 2011; Figura 3) permaneceu alagada na maior parte do período analisado. Grande quantidade de macrófitas aquáticas e espécies resistentes a certos níveis de alagamentos colonizam a área. A região alagada possui área ~1.100 km2 com baixo gradiente topográfico (0,22 m / km E-W e 0,03 m / km N-S). Porém sua extensão máxima pode variar de acordo com os níveis interanuais das enchentes. Zonas de fluxo de água unidirecional resultam em canais instáveis e temporários, cujas margens são formadas pelas próprias macrófitas. Mudanças na morfologia dos canais são comuns devido ao transporte de ilhas flutuantes de macrófitas que se aglomeram na área. A aglomeração das ilhas flutuantes confere um aspecto estriado nas imagens de satélites (Figura 2C), visto que os canais da área não são suficientemente largos e profundos para escoamento completo. O pulso anual de inundação transporta grande volume de água e sedimento para a PIRN por meio de canais temporários (corixos), paleocinturões e vazantes (canais sazonais largos, ~100m, e rasos). Porém, o alagamento perene da área é em decorrência do desconfinamento do canal do rio Negro ao adentrar a porção distal da PIRN e pela existência de canais distributários ao longo do baixo curso do rio Aquidauana. A APCS (Figura 4A), ressaltou diferenças espectrais entre áreas com vegetação arbórea de grande porte e áreas com formação de florestas primárias. O processamento também ressaltou a diferença entre vegetação rasteira seca e áreas com predominância de vegetação hidrófila. A elaboração do mapa de tipos vegetacionais, derivado da APCS, ajudou a reconhecer feições geomorfológicas tais como planícies incisas, paleocanais, canais com diques marginais, entre outras (Figura 4B). O regime hidrológico complexo e variado resultou em uma Geomorfologia única que com base nos diferentes processamentos utilizados na pesquisa pode ser subdividida em sete compartimentos distintos (Figura 4C): 1) planície interleques confinada; 2) lobo progradacional do rio Negro; 3) área de alagamento permanente; 4) lobo deposicional moderno do rio Aquidauana; 5) zona de transição; 6) planície com paleolagoas; 7) planície degradacional. A feição geomorfológica mais marcante da PIRN é a zona de alagamento permanente, que condiciona todo o regime hidrológico da área. Tais áreas são formada pela movimentação diferencial de blocos ao longo dos planos de falhas que geram espaço de acomodação (áreas rebaixadas) resultando em área alagadas ao longo da bacia (Assine et al., 2015a). Além de afetar a dinâmica hidrológica, tais áreas formam grandes reservatórios de água para períodos de estiagem. Os sedimentos transportados/depositados na PIRN, em grande parte, provêm principalmente de megaleques coalescentes, carreados em suspensão durante as cheias anuais por canais ou em lençol. Todavia, grande parte do aporte sedimentar do rio Negro fica retido em seu alto curso, o que resulta na coloração escura, mas cristalina, das águas do rio ao alcançar a PIRN. O sedimento que alcança a planície acaba sendo depositado na forma de barras laterais ou formando depósitos episódicos que preenchem o lobo progradacional do rio Negro. Devido ao elevado aporte sedimentar e à maior vazão do canal rio Aquidauana construiu um canal com diques marginais elevados, permitindo que o rio atravessasse toda área permanentemente alagada até alcançar sua foz com o rio Miranda (Figura 3). A alta concentração de sedimento em suspensão resulta na maior turbidez das águas. Os diques são recobertos por formações arbóreas de médio a grande porte nas áreas mais elevadas e não permanecem alagados devido à maior elevação e aos solos bem drenados. Os índices de umidade utilizados no presente estudo são normalmente aplicados a estudos ambientais voltados à vegetação, como atestam Wang et al. (2008) e Akther & Hassan (2011), que aplicaram o NDMI para identificação de áreas atingidas por queimadas e áreas com menor umidade sujeitas à ocorrência de fogo. Sakamoto et al., (2007) utilizou o NDWI como parte de uma metodologia para detecção de mudanças ocasionadas pelo cultivo de arroz na extensão das cheias do delta do rio Mekong no Camboja. O NDWI também foi utilizado em estudos hidrológicos tal como no monitoramento da extensão e cobertura das águas do delta do Saskatchewan no Canadá (Sagin et al., 2015). Já Ward et al. (2014) utilizaram o MNDWI para identificar áreas alagadas e entender a dinâmica de inundação e das vegetações aquáticas na planície do rio Alligator, no parque nacional de Kakadu (Austrália). No presente estudo verificou-se a eficácia do processamento digital de imagens de satélite e dos índices utilizados tanto no mapeamento geomorfológico, como para entender o comportamento hidrológico da área. Também foi constatada eficácia dessas análises na identificação de áreas sujeitas a condicionamento estrutural em wetlands, uma vez que padrões lineares de alagamento foram ressaltados nos limites entre a área permanentemente alagada e áreas de alagamento sazonal.

A) Trato deposicional Moderno; B) Estação cheia 2008; C) Estação Seca 2011. Imagens MODIS/Terra MOD13Q1 composição colorida R(MIR)G(EVI)B(Blue).


A)Normalized multi-band drought index; D)Normalized difference water index; G) Modification of the normalized difference water index.


As classes foram divididas de acordo com o período de tempo que a área permaneceu alagada.


A) Análise das principais componentes seletivas; B) Mapa dos tipos de vegetação; C) Mapa dos compartimentos geomorfológicos

Considerações Finais

Wetlands são áreas de grande importância ecológica mas ainda carecem de estudos mais detalhados. Os resultados apresentados no presente estudo podem ser replicados em diferentes áreas alagadas do planeta, aumentando assim nosso conhecimento sobre os diferentes ambientes existentes nessas áreas. Os dados orbitais e processamentos utilizados em nossa pesquisa foram convertidos em ótimos resultados para identificação de áreas alagadas bem como para caracterização geomorfológica da PIRN. O NDMI apresentou os melhores resultados para identificação de áreas alagadas, bem como ressaltou distintas formas de relevo. O mapa de frequência de inundação (2000-2011) destacou que a porção central da planície permaneceu alagada durante todo período estudado. A APCS realçou diferentes tipos de vegetação sendo fundamental para compartimentação da área visto que diferentes fitofisionomias ocupam feições morfológicas distintas. A planície interleques do rio Negro apresenta um dos mais complexos regimes hidrológicos do Pantanal, tendo sido dividida em sete compartimentos. A feição mais marcante da planície é a área de alagamento permanente formada pelo desconfinamento do canal principal do rio Negro, por canais temporários do rio Aquidauana. Esse compartimento condiciona todo regime hidrológico da porção sul do Pantanal drenando grande volume de água e sedimento de megaleques e planícies circundantes.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação de Pesquisa de São Paulo (FAPESP) pelo apoio financeiro deste projeto (outorga nº 2014 / 06889-2). Agradecemos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) os subsídios de pesquisa ao MLA (outorga nº 308563 / 2013-1), CAPES e CNPQ pela bolsa de doutorado para ERM. Os autores agradecem os comentários dos revisores.

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