Aplcacón de una metodología a partr del Modelo de Elevacón Dgtal ASTER para la estmacón de volúmenes de agua asocados a nundacones en la regón de Paraná, Entre Ríos, Argentna Díaz, Gonzalo 1 2 ; Doyle, Mora 1 2 1 Centro de Investgacones del Mar y la Atmósfera (CONICET-UBA, UMI-IFAECI), 2 Departamento de Cencas de la Atmósfera y los Océanos, FCEN - UBA Intendente Guraldes 2160, Cudad Autónoma de Buenos Ares, Argentna. gmdaz@cma.fcen.uba.ar. doyle@cma.fcen.uba.ar. Resumen A la hora de analzar eventos severos como pueden ser nundacones, las herramentas más confables son la tecnología sateltal o sensoramento remoto y el uso de modelos hdrológcos. Estos eventos tenen un fuerte mpacto sobre la regón de la Cuenca del Plata debdo al ncremento en la ntensdad y frecuencas de las precptacones en los últmos años y debdo a la pequeña pendente del terreno. El objetvo de este trabajo consste en comparar la estmacón de volúmenes de agua asocados a nundacones a partr de una metodología que asume como base el uso del Modelo de Elevacón Dgtal ASTER, con los resultados obtendos de excesos de agua para los prmeros nveles del terreno del modelo hdrológco CLASS U3M 1D. Se analzaron tres mágenes Landsat 5 TM de banda 7 para obtener, en una prmera nstanca, el valor del área nundada en cada fecha partcular. Luego, se propuso una metodología a partr del Modelo de Elevacón Dgtal ASTER para obtener el volumen de agua de estas áreas nundadas y así, tambén obtener la lámna de agua. Los resultados mostraron que la metodología propuesta tende a sobreestmar los valores de lámna de agua con respecto al CLASS U3M 1D. Sn embargo, al contrastar temporalmente entre un día y otro, los resultados fueron muy postvos, dando valores de 0.53 m para el DEM y de 0.54 m para el modelo hdrológco. Por lo tanto, se puede conclur que la metodología es confable para un análss temporal de la stuacón analzada. Palabras claves: máscaras de agua, Landsat, excesos, lámna de agua, modelo hdrológco 1. Introduccón Entre los eventos severos que tenen lugar en la Argentna, uno de los más mportantes es la nundacón, causando sgnfcatvas pérddas económcas en el ámbto de la agrcultura y de la ganadería, además de provocar una gran cantdad de pérddas humanas. El sur de Sudamérca y la Cuenca del Plata en partcular, consttuyen áreas en las que se ha observado un ncremento en las precptacones (Barros et al (2000); Doyle y Barros (2011)). En base a esto y dada la pequeña pendente del terreno en la Cuenca, se han producdo eventos de nundacón de consderable duracón (Camllon y Barros (2003); Latrubesse y Brea (2009)). Por lo tanto, es aconsejable mantener un montoreo constante de estos sucesos a lo largo del tempo. Para llevar a cabo esta tarea, exsten dversas formas y herramentas, entre ellas se encuentra el uso de sensoramento remoto y la utlzacón de modelos hdrológcos (MH). Consderando estas mplcancas, el objetvo de este trabajo se centró en llevar a cabo una comparacón entre la estmacón de excesos de agua en el suelo, medante tecnología sateltal y a través de un MH, de un evento en el que se produjo poca precptacón en octubre del 2009 y un evento de nundacón ocurrdo en enero del 2010 que afectaron prncpalmente la provnca de Entre Ríos, Argentna. Debdo a la dsponbldad de nformacón y a que el MH utlzado tuvo una buena respuesta sobre la estacón de Paraná, el análss se focalzó sobre los alrededores de la cudad de Paraná, ubcada en la provnca de Entre Ríos, Argentna. 5628
2. Datos y Metodología El modelo hdrológco utlzado en este trabajo fue el CLASS U3M 1D (Unsaturated Mosture Movement Model). El msmo fue desarrollado en Australa por el Departamento de Infraestructura, Planeamento y Recursos Naturales (Tuteja et al. 2004) para resolver la ecuacón de Rchards en una dmensón, smulando la zona no saturada del suelo y con un modelo hdráulco acoplado. El período de calbracón se comprendó entre el 01 de juno del 2009 y el 31 de marzo del 2010; y se utlzó la sere de datos daros de la estacón de Paraná en provnca de Entre Ríos, ubcada geográfcamente en 31 o 43 19.20 S y 60 o 31 51.60 O, la cual pertenece a la Dreccón de Hdráulca de la provnca de Entre Ríos. La msma cuenta con sensores de temperatura y precptacón en superfce, y humedad del suelo a dstntas profunddades (5 cm, 10 cm, 20 cm. y 60 cm.) y la estmacón de la evapotranspracón se realza medante la ecuacón de Penman Monteth. La calbracón del modelo consstó en modfcar los dferentes parámetros del msmo con el objetvo de obtener un buen ajuste con los datos respecto a la varable de salda de humedad del suelo. Las mágenes de satélte utlzadas para determnar los excesos de agua en la regón afectada se obtuveron del Departamento del Interor de Estados Undos a través de la págna web de U.S. Geologcal Survey (http://glovs.usgs.gov/). Las msmas corresponden al sensor Landsat 5 TM, con una resolucón de 30 metros, 09 de octubre del 2009 y 13 y 29 de enero del 2010, y para la pasada 226_082. En esta ubcacón se encuentra la cudad de Paraná. La banda espectral utlzada fue la banda 7 (2.08 2.35 mcrómetros). Tambén se utlzó un Modelo de Elevacón Dgtal (DEM, por sus sglas en nglés) obtendo a partr del Radómetro de Reflexón y Emsón Térmca de Avanzada (ASTER, por sus sglas en nglés), el cual cuenta con una resolucón espacal de 30 metros y fue obtendo del Centro de Análss de Datos de Sensores Remotos Terrestres (ERSDAC, por sus sglas en nglés) de forma gratuta (http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/). El software utlzado para el procesamento de estas mágenes fue el ILWIS 3.3 Academc, el msmo es un programa de servco gratuto (http://www.tc.nl/lws/downloads/lws33.asp). En prncpo se enmascaró una regón propensa a nundacones, ubcada en las cercanías de la cudad de Paraná (Díaz y Doyle (2012)). Para llevar a cabo esta tarea se utlzó la banda 7 del sensor Landsat, la cual fue prevamente calbrada a valores de radanca por la sguente curva de calbracón: L7 = 0.15+ 0. 057980 DN 7 (1) donde L 7 es el valor de radanca espectral medda por el sensor en la banda 7 y DN 7 es el número dgtal en la banda 7. Luego de calbrada la magen se hzo una correccón atmosférca, con el objetvo de obtener valores de reflectanca, esto se logró medante la sguente expresón: * ρ λ 2 π L7 d = (2) E cos 0, λ ( θ ) donde ρ * λ es la reflectanca de la superfce, E 0,λ es la rradanca solar en el tope de la atmósfera, θ es el ángulo cental solar, la cual depende del punto central de la magen y d es la dstanca Terra-Sol, que se encuentra relaconada con el día julano. Algunos trabajos han utlzado y comentan sobre la confanza de utlzar la banda 7 como delmtador de superfces de agua (Westra y De Wolf (2009); Jung et al (2011)) y su 5629
preferenca, en algunos casos, ante el índce normalzado de agua (NDWI, por sus sglas en nglés). El procedmento utlzado para enmascarar las regones afectadas fue medante funcones condconales, se llevó a cabo la metodología propuesta por el software ILWIS 3.3, esta metodología permte dscrmnar entre los reservoros de agua asocados a nundacones y los cauces de algún río que pueda aparecer en la magen (Díaz y Doyle (2012)). Prmero se dentfcaron algunos píxeles nundados a través de la magen de la banda 7 y luego, se compararon estos píxeles con píxeles vecnos, los que estuveran por debajo de un determnado umbral eran consderados cubertos de agua. A partr de este procedmento, se obtuvo la máscara de agua asocada a la nundacón. Basándose en Jung et al (2011), el umbral utlzado fue de 0.08 en undades de reflectanca, píxeles por debajo de este valor eran consderados píxeles nundados. Luego, para el cálculo del volumen de agua, se utlzaron el DEM ASTER y la máscara de agua obtenda prevamente. Debdo a que la regón afectada se encuentra en una zona deprmda del terreno, la cual se puede dentfcar a partr de los puntos con tnte azul claro y fuerte (Fgura 1a), la metodología propuesta consste en dentfcar el punto más elevado del área nundada (zp max ) a partr del DEM y luego hacendo la dferenca entre zp max y la altura del DEM de cada píxel (z ) se obtene el valor de la altura del pelo de agua (p ) para cada píxel nundado (Fgura 1b). Vale destacar que se está consderando que el nvel de agua del área no varía dentro del reservoro analzado. (a) (b) p zp max z z=0 Fgura 1: (a) Imagen DEM de la regón de estudo, colores azules corresponden a alturas de DEM bajas, colores verdes corresponden a valores ntermedos y colores rojzos a valores altos. Píxeles blancos representan dato faltante o z =0. (b) Esquema representatvo de la metodología realzada para la estmacón del volumen de agua a partr de una magen DEM. Fnalmente, una vez obtendo el campo de p para la regón de estudo propuesta, se lleva a cabo el cálculo del volumen de agua. Consderando que cada píxel de la banda 7 de Landsat, de la cual se determnó la máscara de agua, tene un tamaño de 30m x 30m, lo que es decr que cada píxel tene un área de 900 m 2, al hacer la sumatora del producto del campo de p con el área de cada píxel obtenemos el valor de volumen total del área nundada. La lámna del volumen de agua se obtene hacendo el cocente entre el volumen y el área de la zona afectada. A contnuacón, se muestra el conjunto de ecuacones realzadas para obtener el resultado fnal de la lámna de agua: p = zpmax (3) z nu = ( p A) Vol (4) 5630
Vol nu L agua = (5) Anu donde A es el área de cada píxel, Vol nu y A nu es el volumen y el área total de agua de la zona nundada de la magen respectvamente, y por últmo, L agua es la lámna de agua correspondente al volumen de agua Vol nu. Este procedmento se llevó a cabo para cada regón nundada en los tres casos de análss, 09 de octubre del 2009, 13 de enero del 2010 y 29 de enero del 2010. 3. Resultados y Dscusón La estacón analzada fue Paraná, ubcada al sur de la provnca de Entre Ríos. Esto se debó a que el MH, CLASS U3M 1D, tuvo una buena respuesta en esta estacón para el período de calbracón utlzado. Como el objetvo del trabajo consstía en comparar los excesos de agua del modelo con los obtendos a partr del DEM, se dentfcó un mes dentro del período de calbracón en el cual hubese ocurrdo un evento de nundacón y se propuso analzar los valores smulados y estmados por el DEM. El mes elegdo fue enero del 2010, ya que este mes tene un valor acumulado de precptacón de 202.12 mm, el cual es un 50% mayor comparado con el valor acumulado medo de enero de precptacón entre 1953 y 2009 de 128.96 mm. Otro evento elegdo para el análss fue el ocurrdo a prncpos de octubre del 2009, el cual consstó en un período de escasa precptacón en la regón pero con un acumulado de días anterores de 88 mm, la eleccón de este evento fue para estudar el comportamento de la metodología propuesta en el caso de poca acumulacón de agua en la regón de estudo. Se hubese deseado poder hacer un análss con mayor cantdad de mágenes en dferentes momentos del período de calbracón, pero la dsponbldad de nformacón Landsat lmtó esta tarea. La Fgura 2 muestra la banda 7 para la regón de estudo propuesta del 13 de enero del 2010. Observando la magen, se puede aprecar las zonas que se encuentran nundadas con respecto a las condcones normales de la regón, estas se determnan con círculos rojos en la fgura. Fgura 2: Reflectvdades de la banda 7(Landsat 5) correspondente al 13 de enero del 2010. Con círculos rojos se ndcan las zonas en donde se notan excesos de agua con respecto a las condcones normales de la zona. Una vez dentfcada estas zonas nundadas en los tres casos menconados anterormente, se llevó a cabo la metodología propuesta para el enmascaramento de la regón afectada. En la Fgura 3 se muestran las tres fechas analzadas superpuestas con las máscaras de agua de cada caso, de esta manera se determnó el área afectada en cada evento. La máscara de agua se encuentra representada sobre la magen de Landsat en color azul. 5631
(a) (b) (c) Fgura 3: Reflectvdades de la banda 7(Landsat 5) del (a) 09 de octubre del 2009, (b) 13 de enero del 2010 y (c) 29 de enero del 2010 superpuesto con la máscara de agua correspondente en cada caso. La máscara se encuentra en color azul. Por últmo, aplcando la metodología descrpta anterormente, partendo de las ecuacones (3) y (4), se obtuveron los resultados del volumen de agua de la regón nundada para los tres casos. Los resultados fueron 466200 m 3 para el caso del 09 de octubre del 2009, 12041100 m 3 para el caso del 13 de enero del 2010 y 17653500 m 3 para el 29 de enero del 2010. En la Tabla 1 se muestran las lámna de agua obtendas del volumen estmado a partr del DEM (ecuacón (5)) para cada caso y tambén excesos acumulados a partr del modelo CLASS U3M 1D. Tabla 1: Valores de lámna de agua de los volúmenes obtendos a partr del DEM para cada una de las mágenes analzadas (Lámna DEM, ndcado en amarllo claro). Las demás flas muestran el acumulado de agua del modelo a partr de la fecha ndcada hasta la fecha de la magen analzada. La columna de (Enero) muestra la dferenca de las lámnas de agua entre el 29 y el 13 de enero del 2010 para la estmacón medante el DEM. Todos los resultados se encuentran expresados en m. Excesos de agua (m) 09-Oct-09 13-Ene-10 29-Ene-10 (Enero) Lámna DEM 5.08 9.65 10.18 0.53 MH desde 14 Enero 2010 *** *** 0.54 *** MH desde 1 Enero 2010 *** 2.21 1.65 *** MH desde 1 Dcembre 2009 *** 3.67 4.21 *** MH desde 1 Septembre 2009 1.07 *** *** *** Se puede aprecar que los valores obtendos del DEM sobreestman absolutamente todos los valores de exceso del MH cualquera sea el período tomado de acumulacón. Sn embargo, al analzar los casos del 13 y 29 de enero, podemos observar que la dferenca (Enero) vale 0.53 m, la cual es muy smlar al valor acumulado del MH desde el 14 de enero hasta el 29 de enero del 2010, sendo de 0.54 m. Por lo tanto, esto ndcaría que a pesar de que la estmacón de la lámna de agua a partr del DEM sobreestma el valor de exceso del modelo en un día dado, la dferenca entre un día y otro se encuentra ben representada por la metodología. Vale destacar que la sobreestmacón producda por el método propuesto, se deba probablemente a la resolucón vertcal del DEM, la cual es de un 1 m. Para obtener una mejor estmacón, se debería contar con un DEM de resolucón del orden del cm, ya que la pendente de la regón es muy pequeña. 5632
Por otro lado, debdo a que cas la totaldad del período de calbracón del 2009 fue una época medanamente seca (con poco exceso en los prmeros nveles de suelo), se podría consderar tomar el valor obtendo de la magen del 09 de octubre como un valor de correccón para los valores estmados de las demás mágenes. En este caso, el valor de correccón sería 5.08 m y se lo asocaría con un total de exceso de agua de 1.07 m. Suponendo una relacón lneal en el error de la estmacón, obtendríamos los sguentes valores de lámna de agua para la metodología del DEM, 2.04 m para el 13 de enero y 2.15 m para el 29 de enero. Los cuales rondan más cercanos a los valores acumulados del MH (Tabla 1). 4. Conclusones Actualmente, el uso de sensores remotos para el análss de eventos severos tales como nundacones, se puede consderar como una de las herramentas más confables y accesbles a utlzar. Medante las mágenes de satélte se puede llevar a cabo un regstro de estas stuacones y por lo tanto, planfcar técncas para la estmacón de áreas nundadas. Asmsmo, se pueden dear procedmentos para la estmacón de volúmenes de agua producto de estas áreas nundadas, como se propuso en este trabajo, y corroborar los resultados con MHs. Medante el volumen y el área, se puede obtener la lámna de agua en cuestón. La regón de estudo analzada se encuentra ubcada en los alrededores de la cudad de Paraná, Entre Ríos, Argentna. Se elgó esta zona debdo a que el MH, CLASS U3M 1D, tuvo una buena respuesta con respecto a la humedad del suelo para esta regón. El período de calbracón se comprendó entre el 01 de juno del 2009 y el 31 de marzo del 2010. Se analzaron tres mágenes Landsat 5 TM para los días 09 de octubre del 2009 y 13 y 29 de enero del 2010. Para la estmacón de volúmenes de agua de eventos de nundacón, se utlzó el DEM obtendo del radómetro ASTER. Prevamente, se hzo un enmascaramento de las áreas afectadas a partr de la banda 7 de Landsat 5. Con estos dos productos, se obtuvo fnalmente la lámna de agua asocada a nundacones. Los resultados obtendos mostraron que el método para calcular lámnas de agua a partr de mágenes DEM y de la banda 7 de Landsat, sobreestma con respecto a los valores de exceso de agua del CLASS U3M 1D. Lo cual es probable que sea producto de la resolucón vertcal del DEM. Sn embargo, vale destacar que al consderar la varacón con el tempo del volumen entre un día y otro (en este caso, entre el 13 y el 29 de enero del 2010), los resultados son satsfactoros. La dferenca de excesos del MH entre estas dos fechas en partcular y las de la estmacón a partr del DEM son muy smlares, por lo tanto esto ndcaría que se obtenen buenos resultados al analzar temporalmente el evento en cuestón. Por últmo, s se utlzan los resultados alcanzados en la magen del 09 de octubre del 2009 como un valor de correccón del método y se recalculan los excesos de agua para las fechas posterores, los resultados del DEM se vuelven comparables con los resultados obtendos del MH. A futuro se propone hacer un análss más exhaustvo de la stuacón (o de un evento smlar en el cual se pueda contar con mayor nformacón sateltal), consderando otras componentes del sstema hdrológco, como podrían ser la evapotranspracón y el escurrmento superfcal. De esta manera, se podría comprender qué cantdad de acumulado de exceso de agua del MH es representada por la magen de satélte que se está estudando, ya que como se menconó recentemente entre un día y otro estarán actuando todas las componentes hdrológcas del sstema. S el estudo se centra sobre la época de verano (dcembre, enero, febrero) el aporte de evapotranspracón será mayor, además debdo a la pequeña pendente del terreno en la regón, la componente de escurrmento tendrá un aporte menor. 5633
Agradecmentos: El presente trabajo fue realzado como parte del proyecto CLARIS LPB del European Communty's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) fnancado por el Grant Agreement N 212492 Referencas Barros V., Castañeda M.E. y Doyle M. Recent precptaton trends n Southern South Amerca to the East of the Andes: an ndcaton of a mode of clmatc varablty. En: Southern Hemsphere Paleo and Neoclmates. Concepts, Methods, Problems. Sprnger Scence Publshers. 2000, P. 187 207. ISBN: 3-540-66589-7, 2000. Camllon I. y Barros V. Extreme dscharge events n the Paraná Rver and ther clmate forcng. Journal of Hydrology, 278, 94 106, 2003. Díaz G. y Doyle M. Cálculo de máscaras de agua para áreas nundadas medante la aplcacón de modelos de elevacón dgtal e mágenes de satélte para la regón de las cudades de Basavlbaso y Nogoyá, Entre Ríos. En: Congreso Argentno de Teledeteccón (CAT), 2012. Dsponble en <http://cms.afe.uba.ar/tele/tele_congreso>. Septembre 2012. Doyle M. y Barros V. Attrbuton of the rver flow growth n the Plata basn. Internatonal Journal of Clmatology. 31: n/a. do: 10.1002/joc.2228. ISSN: 0899-8418, 2011. Jung, H. C., Alsdorf, D., Mortz, M., Lee, H. y Vassolo, S. Analyss of the relatonshp between floodng area and water heght n the Logone floodplan. Physcs and Chemstry of the Earth 36, 232-240, 2011. Latrubesse E. y Brea D. Floods n Argentna. Developments n Earth Surface Processes, 13, 333 349, 2009. Tuteja N., Vaze J. y Teng J., The CLASS Modellng Framework: A platform for dstrbuted ecohydrologcal modellng. NSW Department of Natural Resources, Queanbeyan, Australa, 2004. Westra T. y De Wulf, R.R. Modellng yearly floodng extent of the Waza-Logone floodplan n northern Cameroon based on MODIS and ranfall data. Internatonal Journal of Remote Sensng 30, 5527 5548, 2009. 5634