Monitoreo de la calidad del agua mediante clorofila-a aplicando imágenes satelitales en el Humedal Ramsar, lago Guamués

Área de estudio

El lago Guamués o laguna La Cocha, ubicado en las coordenadas 1°06’42.53’’ N y 77°08’29.15’’ O, es un lago tropical de alta montaña ubicado en el corregimiento El Encano del municipio de Pasto, departamento de Nariño, al suroccidente de Colombia, en límites con la República del Ecuador. Este reservorio hace parte del sistema alto-andino, posee una superficie de 41,5 m 2 y una profundidad máxima de 75 m [9]. Hace parte fundamental de las cuencas de los ríos Guamués y Putumayo, este último es afluente del río Amazonas. Es un área de gran diversidad biológica endémica restringida y especializada. Algunos de sus usos son almacenamiento y control del flujo de agua, retención de sedimentos y tóxicos, hábitat para vida silvestre, soporte de cadenas alimenticias, además de recreación pasiva y activa, entre otras [9].

Recopilación de los niveles de fósforo, transparencia, Cl-a y determinación del IET

Se recopiló y procesó información relacionada con las variables IETPt, IETDs IETCla, debido a que influyen en la eutroficación y son indicadores reales para la evaluación de este proceso. Para determinar el estado trófico del lago se utilizó la ecuación del índice IET:

Ecuación 1

Ecuación 1

Se escogió este índice, propuesto por Carlson en 1977 [10], porque se define como el peso total de la biomasa presente en un cuerpo de agua, localizada durante un tiempo específico.

Procesamiento de imágenes satelitales ópticas

En cuanto al procesamiento de imágenes satelitales, se seleccionaron con la fecha más cercana a la de las campañas de Cl-a medida in situ para calibrar el modelo con imágenes de los últimos cinco años y así poder determinar la evolución de los niveles de CL-a en este periodo. Luego se realizaron correcciones radiométricas utilizando la conversión de números digitales a reflectancia de las seis primeras bandas de los sensores Landsat 7 y 8, mediante el software QGIS 3.14.16.

Tabla 1

Lista de imágenes satelitales seleccionadas

Las imágenes Landsat 8 OLI de nivel 1 se presentan en unidades digitales que se pueden convertir a reflectancia. En este caso, la imagen correspondiente a septiembre de 2014 se convirtió siguiendo la ecuación de la guía del USGS [11].

Las imágenes Landsat 7 ETM de nivel 1 correspondientes a enero de 2013, septiembre de 2015, octubre de 2018, octubre de 2019 y marzo de 2020 se convirtieron de niveles digitales (ND) a valores de radiancia espectral, luego a valores de reflectancia, en las que se utilizaron las ecuaciones del manual USGS [12].

Para calibrar el modelo en el caso del lago Guamués, las imágenes que se usaron correspondían a enero de 2013, septiembre de 2014 y octubre de 2018.

Generación del modelo Reflectancia vs. Cl-a

El modelo se calibró con la imagen de enero de 2013, con la que se obtuvo un mejor comportamiento, mientras que las imágenes de septiembre de 2014 y octubre de 2018 se utilizaron para llevar a cabo una validación. De las imágenes se extrajeron los valores de reflectancia para cada banda y cada píxel, correspondientes a las coordenadas del punto de muestreo in situ.

Se aplicó un análisis estadístico de los coeficientes de Spearman (r), de determinación (r 2 ) y de determinación ajustado (r 2 a) con las bandas espectrales del sensor que presentaron la mayor relación con la variable Cl-a, medida in situ.

El resultado de la correlación del modelo de regresión múltiple se representa por la siguiente expresión matemática:

Ecuación 2

Ecuación 2

Esta ecuación se seleccionó para calcular la concentración de clorofila-a estimada por el sensor remoto (γ, que permite conocer las variables X1, X2, Xn, en las que se representan las bandas de reflectancia seleccionadas, siendo los coeficientes de regresión 𝛽o, 𝛽1, 𝛽2, 𝛽n los resultados estadísticos [5].

Monitoreo espacio temporal de la Cl-a

Después de calibrar y validar el modelo de aplicación se generaron diferentes escenarios de niveles de clorofila, utilizando las imágenes correspondientes a septiembre de 2015, octubre de 2019 y marzo de 2020, lo que ha permitido monitorear y analizar la evolución de la concentración de clorofila-a hasta la fecha. Así mismo, al aplicar el modelo en las imágenes Landsat 7 y 8 se generaron datos atípicos (valores negativos), que sugieren la presencia de otras superficies diferentes al espejo de agua, como sedimentos y sombra generada por las nubes [12]. A estos valores se les denominó en los mapas de distribución espacial de clorofila-a como “otros valores”.

Para monitorear la concentración de clorofila-a se construyeron mapas de distribución de la variable, generando una máscara del cuerpo de agua sobre la cual se aplicó el modelo desarrollado en las imágenes satelitales. De esta manera se logró predecir el valor de dicho parámetro en toda la superficie del cuerpo de agua, permitiendo estimar sus variaciones espaciales.

Niveles de fósforo, transparencia y Cl-a

Los resultados obtenidos para las variables o indicadores de calidad del agua medidos en el lago Guamués muestran diferentes rangos de valores entre sus mediciones. Los datos de fósforo total durante los años 2014, 2017 y 2018 oscilaron entre 5,0 y 16,0 µg/L, en temporada de lluvias bajas, y 10,2 y 40,0 µg/L en temporada de lluvias altas, evidenciando una mayor acumulación de fósforo total en las zonas de mayor actividad piscícola por la existencia de jaulas flotantes activas, correspondientes a Mojondinoy, El Naranjal y Santa Teresita. El fenómeno de escorrentía también estaría incidiendo en el arrastre de sedimentos. De esta forma se evidencia una fuerte influencia del régimen de lluvias en las condiciones del lago [13].

Los datos de transparencia medidos en 2008, 2013, 2014 y 2018 oscilaron entre 2,0 y 4,9 m, en temporada de lluvias bajas, y 1,32 y 5,5 m, en temporada de lluvias altas. Con respecto a esta variable, el lago no presenta un decaimiento en su estado de calidad de agua, a excepción de algunos valores en periodo de lluvias altas en zonas donde se ubican criaderos de trucha de la Universidad de Nariño, en el sector norte [14].

Los datos de Cl-a medidos en campo durante 2008, 2013, 2014 y 2018 oscilaron entre 0,98 y 9,3 µg/L, en temporada de lluvias bajas, y 0,36 y 3,48 µg/L, en la temporada de lluvias altas. Se presentan valores altos en zonas donde existen aportes difusos y puntuales de nutrientes, materia orgánica y contaminantes provenientes de las descargas no tratadas. Los valores más bajos de Cl-a involucran la variación de los niveles de profundidad, que puede ser consecuencia de la alteración de procesos fotosintéticos de la comunidad fitoplanctónica, debido a la reducción de la capa fótica [15].

La determinación de la calidad del agua se considera la parte central de cualquier estudio de valoración o monitoreo de un lago o embalse. Con base en los límites tróficos establecidos por los criterios del índice IET [11], el lago Guamués se categorizó como un sistema oligotrófico en la mayoría de las zonas de muestreo en cada periodo anual, lo que evidenció una buena calidad del agua y buena oxigenación; sin embargo, se presentan promedios IET más elevados en algunas zonas, que corresponden a Mojondinoy en temporada de lluvias altas, en las que se obtuvo un valor de 49,90%, y para la temporada de lluvias bajas se obtuvo un promedio de 47,76% en los años 2014 y 2018, lo que se categoriza en un sistema mesotrófico. Las zonas con mayor incidencia a desarrollar eutroficación están asociadas al incremento de nutrientes que ingresan al sistema, especialmente por actividades agrícolas, vertimientos de aguas residuales o el establecimiento de jaulas flotantes para la cría de trucha [16].

Calibración del modelo

La Tabla 2 muestra los coeficientes de correlación más altos de Spearman ( r ), de determinación ( r 2 ) y de determinación ajustado ( r 2 a ), obtenidos a partir de los modelos de regresión múltiple realizados por diferentes combinaciones de banda.

Las bandas que explican el comportamiento de la variable clorofila-a son: azul (b2), verde (b3), rojo (b4), infrarrojo cercano (b5) e infrarrojo medio (b7) [17].

Tabla 2

Combinación de bandas para Landsat-7 y 8 con la correlación establecida para la estimación de clorofila-a, a partir de regresiones múltiples

De esta forma, el modelo de regresión múltiple con mejor bondad en el ajuste correspondió a la combinación de bandas b2, b3, b4, b5, y b7 del año 2013, ya que explicó el 79,3% de la variabilidad de la concentración de clorofila-a. La Tabla 3 presenta el modelo de respuesta estimado que mejor explicó la distribución espacial de la variable Cl-a en el lago Guamués.

Tabla 3

Estadísticas de la regresión múltiple seleccionada

Cl – a = 3,090 + 4,8647 * b2 – 103,912 * b3 + 30,6150 * b4 – 54,099 * b5 + 147,098 * b7

Por lo tanto, para el caso del lago Guamués se obtuvieron los coeficientes de regresión de cada variable (b2, b3, b4, b5 y b7), generando la ecuación final para la estimación de clorofila-a.

Validación del modelo

Las Gráficas 1 y 2 muestran la comparación entre los valores de Cl-a in situ y los calculados por los sensores remotos. El buen ajuste obtenido a partir del análisis de regresión (R2 = 0,64 y 0,62) indica la capacidad predictiva del modelo propuesto, que fue menor al encontrado en estudios similares [5]. Los resultados obtenidos confirman que la metodología utilizada en el presente estudio es adecuada para determinar el Cl-a en el lago Guamués.

Figura 1

Relación entre los valores de clorofila-a calculada y los valores clorofila-a in situ (2014

Figura 2

Relación entre los valores de clorofila-a calculada y los valores clorofila-a in situ (2018

El modelo estimado para el lago Guamués permitió calcular la concentración de clorofila-a a nivel espacio-temporal, ya que los parámetros estadísticos muestran buena correlación. En consecuencia, los errores derivados del modelo pueden explicarse, probablemente, por la complejidad y dinámica del sistema. Otro factor que limita la confiabilidad del modelo es el intervalo de tiempo entre la toma de datos in situ y la disposición de la fecha de la imagen satelital, puesto que debe ser lo más reducida posible, e incluso debe ser simultánea para tener mayor confiabilidad de los datos [7].

Por otro lado, se desconoce el error de las campañas de clorofila-a obtenidas in situ, recolectadas mediante información secundaria, ya que pueden existir errores en el muestreo o en los laboratorios utilizados para determinar la clorofila-a, porque no existe certeza de si la calidad de los datos es adecuada. Además, la cantidad de estaciones de muestreo en campo pueden no ser suficientes, debido a la extensión del lago, a la variabilidad de sus procesos hidrológicos y a la calidad de agua.

Monitoreo espacio temporal de clorofila-a

A continuación, se presentan los resultados del monitoreo de la Cl-a mediante la utilización de imágenes satelitales en un periodo extendido, incluso determinando las condiciones actuales del lago (Figuras 3 y 4).

Figura 3

Distribución espacial de clorofila-a, estimada con satélite Landsat 7 ETM, para lluvias

En la anterior figura (Figura 3) se observa que las concentraciones más elevadas de clorofila se encuentran en El Naranjal, El Puerto, Santa Teresita, Santa Lucía y Mojondinoy, tendencia que se está acentuando a través del tiempo, estimando una concentración de 3,62 µm/L para el año 2020, que puede atribuirse a vertimientos procedentes del asentamiento de jaulas flotantes para la cría de trucha arcoiris [16].

Figura 4

Distribución espacial de clorofila-a, estimada con satélite Landsat 7 y 8, para lluvias

De igual manera, en la Figura 4 se observa el comportamiento espacial de Cl-a, estimada en la temporada de lluvias altas. En esta época el lago presenta variaciones en la concentración de clorofila-a, destacando así mismo una mayor concentración en las zonas de Santa Teresita, Santa Lucía, El Puerto y Mojondinoy, encontrándose valores hasta de 3,76 µm/L de Cl-a, indicando que sin importar la condición climática del lago la zona se encuentra deteriorada por factores puntuales de contaminación como los ya mencionados.