Application of satellite imagery to update depth-area-volume relationships in reservoirs in the semiarid region of Northeast Brazil

Abstract

Reservoirs are the primary source of water supply in the semiarid region of Pernambuco state, Brazil, because of the constant water scarcity affecting this region. Knowledge of the amount of water available is essential for the effective management of water resources. The volume of water stored in the reservoirs is calculated using the depth-area-volume relationship. However, in most reservoirs in the semiarid region, this relationship is currently out of date. Therefore, the objective of this study was to explore the potential and limitations of the application of the ISODATA unsupervised classification method to calculate the depth-area-volume relationships of reservoirs in the semiarid region of Pernambuco, Brazil. The application of the ISODATA method was evaluated in three reservoirs in the state of Pernambuco, i.e., Poço da Cruz, Barra do Juá, and Jucazinho. The results were compared with the updated curves of reservoirs obtained from bathymetry and recent LiDAR surveys. The ISODATA method presented satisfactory results for the three reservoirs analyzed. The mean absolute error of the volume in Poço da Cruz and Barra do Juá was lower than 1% of the maximum capacity. The use of the ISODATA method meant that the surface area underestimation tendency in the Poço da Cruz reservoir was less than when spectral indices were used. Os reservatórios são a principal fonte de abastecimento de água na região semiárida do Estado de Pernambuco, Brasil, devido à constante escassez de água que impacta essa região. O conhecimento da quantidade de água disponível é extremamente importante para uma gestão eficaz dos recursos hídricos. O cálculo do volume de água armazenado nos reservatórios é feito com as curvas cota-área-volume. Porém, na maioria dos reservatórios localizados no semiárido, essa relação está desatualizada. Nesse sentido, o objetivo deste estudo foi explorar o potencial e as limitações da aplicação do método ISODATA de classificação não supervisionada para calcular as relações cota-área-volume de reservatórios localizados na região semiárida do Estado de Pernambuco, Brasil. A aplicação do método ISODATA foi avaliada em três reservatórios no Estado de Pernambuco, Poço da Cruz, Barra do Juá e Jucazinho. Os resultados foram comparados com curvas atualizadas dos reservatórios obtidas recentemente a partir de levantamento batimétrico e técnica LiDAR. O método ISODATA apresentou resultados satisfatórios para os três reservatórios analisados. O erro médio absoluto do volume em Poço da Cruz e Barra do Juá foi inferior a 1% da capacidade máxima. A tendência de subestimação da área superficial diminuiu no reservatório de Poço da Cruz usando o método ISODATA em comparação com o uso de índices espectrais.