Monitoreo satelital del Lago Atitlán en Guatemala - cazalac

Monitoreo satelital del Lago Atitlán en Guatemala
BETZY HERNANDEZ 1 , AFRICA FLORES 2 , BESSY GARCIA 1 , ANTONIO CLEMENTE 1 ,
MIROSLAVA MORÁN 1 , EMIL CHERRINGTON 1 , MARCELO OYUELA 1 , OCTAVIO
SMITH 1 , Y JOSÉ MARIA GUARDIA 1
1 Centro del Agua del Trópico Húmedo para América Latina y el Caribe (CATHALAC), Ciudad del Saber, Panamá
betzy.hernandez@cathalac.org
2 Departamento de Ciencias Atmosféricas, University of Alabama in Huntsville, EEUU
Resumen El uso intensivo de la cuenca del Lago Atitlán de Guatemala ha provocado niveles alarmantes de contaminación.
En octubre del 2009, un afloramiento masivo de fitoplancton en el lago motivó al Ministerio de Medio Ambiente de
Guatemala (MARN) acercarse al Centro del Agua del Trópico Húmedo para América Latina y el Caribe (CATHALAC)
buscando asesoría técnica. En respuesta a la solicitud del MARN, y en el contexto del Sistema Regional de Visualización y
Monitoreo SERVIR, conjuntamente implementado por CATHALAC, NASA, USAID y otros socios, imágenes satelitales de
los sensores ALI, ASTER, e Hyperion fueron capturadas para el monitoreo del lago. Los análisis utilizando dichas imágenes
fueron desarrollados periódicamente desde octubre hasta diciembre del 2009, y fueron facilitados al MARN (y publicados
en www.servir.net). De acuerdo con los datos satelitales, los resultados iniciales mostraban un área cubierta de 617
hectáreas, equivalente a 5% de la superficie del lago, el punto máximo de contaminación fue observado el 22 de noviembre,
cuando estaba cubierta aproximadamente el 38% de la superficie del lago. Posteriormente, el afloramiento disminuyó
gradualmente hasta haber prácticamente desaparecido para el mes de diciembre del mismo año. Adicionalmente al
monitoreo satelital del Lago Atitlán, otro análisis realizado en la cuenca del lago permitió localizar áreas con alta exposición
de suelo, susceptibles a ser erosionadas por la lluvia. Las descargas de sedimento fueron evidentes principalmente en los
ríos Panajachel y Quiscab. Las técnicas de teledetección también evidenciaron la disminución de la superficie del lago
durante la época seca en 2,92 km 2 , en un periodo de 21 años. Esta disminución pudo deberse probablemente a los
deslizamientos durante eventos como el Huracan Stan de 2005. El apoyo de CATHALAC a Guatemala también incluyó
capacitaciones a representantes del ministerio de ambiente y a las autoridades de lagos del país, para integrar técnicas de
teledetección y monitoreo ambiental. La información generada en este proceso es utilizada para los procesos de
recuperación del lago, y para mantener informado al público sobre lo que ocurre en este valioso recurso natural.
Palabras clave cianobacteria; clorofila; monitoreo; teledetección; Atitlán; Guatemala
1 Introducción
El Lago Atitlán está ubicado en el Departamento de Sololá; al Oeste de la Ciudad de Guatemala. Está
situado en una antigua caldera volcánica; limitado por profundos escarpes al norte y este y por tres
volcanes en la parte suroccidental. El lago se asienta en una cuenca endorreica de 541 km 2 ; es decir, no
cuenta con una salida superficial de agua. El carácter endorreico de la cuenca acentúa la concentración
de contaminantes, sedimentos y materiales arrastrados, los cuales se van acumulando dentro del lago.
La gestión de las tierras dentro de la cuenca es por lo tanto crítica y determinante para la salud del lago.
El lago constituye un recurso natural muy importante para el turismo en Guatemala; a su alrededor
se alojan poblaciones que suman más de 200 mil habitantes. Desde hace años, la actividad humana
dentro de la cuenca del lago ha venido impactando en forma negativa la función del mismo. Uno de los
impactos más importantes se debe a que los municipios cercanos vierten sus aguas servidas
directamente al lago.
La agricultura intensiva propicia la erosión, el arrastre de sedimentos, e inclusive disminuye la
capacidad de infiltración del agua en los acuíferos (Kogio, 1995). El estudio de Kogio (1995) señaló
que el porcentaje de infiltración en el Altiplano Central se ha reducido debido al cambio de uso de
suelo, puesto que la mayor parte del área de captación ha sido utilizada para fines agrícolas.
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Las presiones ejercidas sobre el lago y su cuenca han provocado niveles de deterioro de la calidad
del agua que llegaron a alarmar a las autoridades del Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales
(MARN) del país. En el año 2009, un afloramiento masivo de fitoplancton motivó al MARN acercarse
al Centro del Agua del Trópico Húmedo para América Latina y el Caribe (CATHALAC) buscando
asesoría técnica para analizar el problema de contaminación del lago y contar con un monitoreo
satelital constante para este recurso estratégico de Guatemala.
2 Objetivo del estudio
Brindar asesoría al Ministerio de Medio Ambiente de Guatemala respecto al grado de contaminación
del Lago Atitlán y ofrecer monitoreo satelital de la calidad del cuerpo de agua.
3 Metodología
Análisis del nivel de clorofila en el lago
En el contexto del Sistema Regional de Visualización y Monitoreo (SERVIR), y en seguimiento a la
solicitud del MARN, CATHALAC inició el análisis y monitoreo satelital constante del lago en octubre
de 2009. Para este monitoreo fueron facilitadas imágenes de los sensores Advanced Land Imager
(ALI), ASTER, Enhanced Thematic Mapper+ (ETM+) e Hyperion, para estudiar el afloramiento del
fitoplancton. Las imágenes permitieron el análisis de la evolución de la contaminación en la superficie
del lago, a través de técnicas de percepción remota basada principalmente en la detección de la
clorofila generada por las cianobacterias por su actividad fotosintética. Las imágenes ASTER utilizadas
también permitieron el estudio de la actividad fotosintética a través del calor emitido por las
cianobacterias.
Aunque lo que se identifica como altas concentraciones de clorofila puede indicar la presencia de
algas, bacterias, zooplancton y hongos, un trabajo inicial en campo indicó la presencia de
cianobacterias particularmente. La identificación de la cianobacteria específica es un tema de continuo
análisis y trabajo de campo. El monitoreo satelital de la contaminación realizado por CATHALAC para
la floración del 2009 fue complementado con investigación de campo realizada por la Universidad del
Valle de Guatemala y la Universidad de Califonia en Davis (Rejmánková, et al., 2011, en imprenta). El
trabajo conjunto entre CATHALAC y estas entidades académicas logró proveer información sobre la
magnitud del área afectada. Para Guatemala, este fue el primer análisis utilizando imágenes satelitales
para detectar contaminación en cuerpos de agua.
Las técnicas utilizadas para estimar la clorofila en el Lago Atitlán se basaron en las características
ópticas de este pigmento. Usualmente, la medición de la concentración de clorofila es utilizada para
estimar la cantidad de algas en la superficie del agua. Las altas concentraciones de algas pueden
ocasionar bajos niveles de oxígeno disuelto en el cuerpo de agua, lo que puede contribuir a la
eutrofización del lago.
La presencia de clorofila en los cuerpos de agua cambia la reflectancia normal del agua, como se
visualiza en la Fig. 1. La reflectancia de cuerpos de agua cargados con algas aumenta
significativamente en otra longitud de onda, a diferencia del agua sin algas.
El aumento en la cantidad de clorofila está asociado con la disminución en la cantidad relativa de
energía en la banda azul del espectro electromagnético (0,45 – 0,52 µm) y el aumento en la banda
verde del mismo (0,52 – 0,60 µm) (Han, 1997; Gitelson, 1992).
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Diferentes índices son utilizados para identificar clorofila en el agua. Por ejemplo, de acuerdo a
Jensen (2007), bajas concentraciones de clorofila pueden ser identificadas a través del cociente
generado por la banda del infrarrojo cercano y la banda roja: Infrarrojo cercano (705 nm) / Rojo (670
nm). De acuerdo con el mismo autor (Jensen, 2007), altas concentraciones de clorofila reflejan más
alrededor de los 690 -700 nm (banda roja del espectro).
Fig. 1 Porcentaje de reflectancia
de agua limpia y agua cargada
con algas basado en mediciones
con espectro radiómetro in situ.
Fuente: Jensen, 2007.
Otro Índice utilizado a menudo para la identificación de clorofila es el Índice de Vegetación de
Diferencia Normalizada (NDVI, en inglés). El NDVI se basa en el hecho que la clorofila absorbe
energía en la banda roja o porción roja del espectro, mientras que la estructura mesófila de la planta
muestra dispersión en el espectro infrarrojo (Myneni, et al., 1995; Pettorelli, 2005).
La fórmula del NDVI es: NDVI= [NIR-RED] / [NIR + RED] Donde: NDVI = Índice de
Vegetación de Diferencia Normalizada (Normalized Difference Vegetation Index), NIR = luz infrarroja
cercano (Near-Infrared), RED = luz roja (Red). Los análisis facilitados al MARN se basaron en el
índice de vegetación NDVI que detecta la presencia de clorofila, aunque por ser una evaluación rápida,
los análisis no permitieron la verificación en campo.
Estimación de la concentración de sedimentos
Así como en el caso de la clorofila, los sedimentos pueden ser identificados a través de la teledetección.
El monitoreo de los procesos de erosión que generan sedimentos es crucial debido a que la
acumulación de sedimentos en los cuerpos de agua contribuye a su eutrofización. Los sedimentos
también arrastran con ellos pesticidas, fósforo, nitrógeno y compuestos orgánicos. Como en el caso de
la clorofila, es difícil identificar las concentraciones cuantitativas de los sedimentos utilizando
solamente teledetección; sin embargo, si es posible identificar su punto de descarga y determinar la
dispersión general de sus plumas de sedimentos.
De acuerdo a Jensen (2007), las características de reflectancia de los sedimentos en el agua tienen
valores más elevados en las longitudes de las bandas visibles. Varios estudios apoyan la teoría de la
determinación de sedimentos utilizando las bandas visibles. Como ejemplo podemos mencionar el
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estudio realizado por Miller & McKee (2004) (Fig. 5), donde la utilización de la banda 1 del Espectroradiómetro
de Imágenes de Resolución Moderada (Moderate Resolution Imaging Spectroradimeter-
MODIS) permitió una correlación linear bastante robusta (R 2 = 0,89) con respecto a las mediciones in
situ de sólidos totales suspendidos (los sedimentos).
Análisis de cambios en la cuenca del Lago Atitlán
Además del análisis de la contaminación del lago, se analizaron los cambios en el uso de suelo de la
cuenca. Este análisis se realizó usando imágenes de alta resolución WorldView-2 (WV-2) del año 2010
(estas imágenes fueron facilitadas por GeoSolutions Consulting, Inc., distribuidor regional de productos
de DigitalGlobe, Inc., bajo el contexto de SERVIR) y se compararon con orto-fotografías del año 2006,
que proporcionó el Ministerio de Agricultura, Ganadería y Alimentación (MAGA) de Guatemala. A
través de técnicas de teledetección se buscaron las áreas con alta exposición de suelo, susceptibles a ser
arrastrados al lago por la lluvia.
Determinación de la extensión del cuerpo de agua
El cambio en la extensión de la superficie del lago se evaluó a través de la comparación de las
imágenes WV-2 de 2010 con las imágenes Landsat de 1989. La identificación de la extensión del
cuerpo de agua per se, mediante sensores remotos, al igual que con las otras variables, se basa en
identificar el espectro que mejor represente este tipo de cobertura. La extensión del agua se determinó
con las imágenes usando bandas en el espectro infrarrojo cercano (~850 – 900 nm), donde se puede
identificar el mayor contraste entre la reflectancia del agua y la cobertura terrestre (Rudorff, 2007).
Identificar la extensión del cuerpo de agua era importante para evaluar los cambios temporales del
espejo de agua, y así estimar tendencias.
4 Resultados
Análisis del nivel de clorofila en el lago
La proliferación de clorofila en la superficie del Lago Atitlán comenzó a analizarse a fines de octubre
del 2009. En ese momento, el análisis de las imágenes satelitales detectaba que el afloramiento cubría
aproximadamente 617 hectáreas, equivalente al 5% de la superficie total del lago. El monitoreo de
clorofila continuó, y a principios de noviembre, la actividad fotosintética de la superficie del lago era
equivalente a 4.410 hectáreas, cubriendo un 36%. El punto máximo de contaminación fue identificado
el 22 de noviembre, donde la clorofila en el lago cubría 4.753 hectáreas, aproximadamente el 38% de
la superficie del lago. Posteriormente, la proliferación fue disminuyendo paulatinamente, hasta llegar a
niveles de 0% de cobertura en diciembre del mismo año.
Los análisis de campo lograron comprobar que la floración se causaba principalmente por la
Cianobacteria Lyngbya hieronymusii (Dix, 2009).
Cambios de uso de suelo y estimación de sedimentos
La comparación de imágenes satelitales de la cuenca del lago logró mostrar cambios en un período de
21 años. Se identificaron reubicación de infraestructuras, expansión de áreas urbanas y expansión de la
red vial. Las técnicas de teledetección permitieron localizar áreas con alta exposición de suelo, que en
épocas de lluvia son susceptibles a la erosión, provocando descargas de sedimento y materia orgánica
en el lago. Esta descarga de sedimentos fue evidente principalmente en los ríos Panajachel y Quiscab.
El análisis realizado con imágenes satelitales mostró la disminución de 2,92 kilómetros cuadrados de la
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superficie del lago, en un periodo de 21 años. Esta disminución de la superficie del lago podría deberse
a la intrusión de suelo dentro del lago por arrastre de sedimento de los ríos, por deslizamientos, o
posiblemente también por procesos de eutrofización y variaciones en el nivel del lago. Por ejemplo, en
el norte del Lago Atitlán, se sabe que deslizamientos causados durante el Huracán Stan en el 2005
disminuyeron parte de la superficie del lago.
Fortalecimiento de capacidades y uso de la información
Como parte del trabajo realizado, se capacitó a personal del MARN y de la autoridad de gestión del
Lago Atitlán, para que pudieran hacer un monitoreo satelital, no sólo del Lago Atitlán, sino de otros
cuerpos de agua del país, utilizando imágenes disponibles gratuitas y adquiridas periódicamente, como
Landsat, así como las imágenes ASTER, que pueden ser facilitadas sin costo dentro del contexto del
proyecto SERVIR.
Las instituciones gubernamentales de Guatemala, las agencias de cooperación internacional y los
medios de comunicación nacional han utilizado la información generada por CATHALAC para
mantener informado al pueblo guatemalteco e iniciar procesos de recuperación del Lago Atitlán.
5 Futuras investigaciones
Como extensión de estas iniciativas, el MARN y CATHALAC recientemente firmaron un convenio
con el fin de desarrollar actividades de investigación aplicada, educación y transferencia de tecnología
en áreas de interés.
Adicionalmente, el equipo especialista de CATHALAC actualmente está trabajando para afinar la
firma espectral de la cianobacteria, experimentando con sensores hiperespectrales, para ayudar a la
futura detección del afloramiento de la misma.
REFERENCIAS
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