Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva Mestrado em Gestão e Conservação da Natureza Universidade do Algarve | Faculdade

Modelação Hidrodinâmicae da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva

Mestrado em Gestão e Conservação da Natureza

Universidade do Algarve | Faculdade de Ciências do Mar e Ambiente

PROPONENTE: ANA ROSÁRIA OLIVEIRA GONÇALVESORIENTADOR: DOUTOR PEDRO MANUEL DA SILVA DUARTECO-ORIENTADOR: DOUTOR LUÍS CANCELA DA FONSECA

Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva

5. Conclusões

1.1. Enquadramento geral

1.2. Âmbito e objectivo

1.3. Organização do texto

2.1. Área de estudo

2.1.1. Bacia hidrográfica do rio Guadiana

2.1.2. O empreendimento de Alqueva

2.1.3. Barragem de Alqueva

2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia

2.1.7. Solos e Ocupação do Solo

2.1.8. Fontes de Poluição

2.1.9. Conservação da Natureza

2.2. Qualidade da água

2.2.1. Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira

2.2.2. Análise preliminar da qualidade da água

2.2.3. Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva

2.3. Avaliação do estado trófico

2.3.1. Classificação do estado trófico

2.3.2. Albufeiras do Alentejo

2.3.3. Albufeira de Alqueva

2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva

2.4.1. Resumo histórico

3.1. Modelo da albufeira de Alqueva

3.2. Dados forçadores

3.2.1. Origem dos dados

3.2.2. Dados Meteorológicos

3.2.3. Dados de qualidade da água

3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo

3.4. Organização e metodologia das simulações

3.4.1. Organização das simulações

3.4.2. Determinação do passo de cálculo

3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo

4.1. Série I – Implementação do modelo

4.1.1. Simulações I.1.

4.1.2. Simulação I.2.


4.1.4. Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV

4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos

4.2.1. Simulação II.1.



4.2.4. Simulações II.4.

4.3. Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva

6. Referências Bibliográficas6. Referências Bibliográficas5. Conclusões

Ìndice

1. Introdução2. Estado da arte

1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia

4. Resultados e Discussões

3. Metodologia


5. Conclusões


Introdução

Directiva Quadro da Água A gestão da água exige abordagem mais holística:

"bom estado ecológico" até 2015 Definição das condições de referência/máximo

potencial ecológico Obriga à caracterização e monitorização das regiões

hidrográficas, no quadro de uma política sustentável de uso da água

A utilização de modelos matemáticos permite: avaliar diferentes cenários de gestão integrando o

conhecimento existente


Objectivos

Qual é a importância relativa dos processos termodinâmicos, hidrodinâmicos, químicos e biológicos na estratificação térmica e na qualidade da água da albufeira de Alqueva?

implementar um modelo tridimensional para a albufeira de Alqueva

avaliar a contribuição relativa dos caudais fluviais avaliar a importância relativa dos processos termodinâmicos,

hidrodinâmicos, com especial enfoque para a consideração do vento, na estratificação vertical da albufeira de Alqueva

avaliar a importância relativa dos processos biogeoquímicos na qualidade da água da albufeira de Alqueva.


2. Estado da arte








2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia


































4.3. Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva5. Conclusões

6. Referências Bibliográficas

Ìndice1. Introdução

3. Metodologia


5. Conclusões


1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia


Área de estudo Qualidade da água Avaliação do estado trófico Modelação da qualidade da água da

albufeira de Alqueva


Área de estudo

EFMA e EDIA Área de rega de 110 mil ha 13 % da área é Portuguesa NPA à cota 152 m 84 km de comprimento 1 100 km de margens 55 000 km2 de área de

drenagem


Qualidade da água

A albufeira integra a variabilidade da bacia Verifica-se um efeito de diluição sobre os elementos

presentes nas afluências A albufeira funciona como um agente tampão à

enorme variabilidade A introdução de um regime de estratificação térmica

e química Recirculação interna de fósforo - um dos principais

impactes do ambiente redutor Qualidade a jusante - descarrega água por vezes

anóxica e redutora (meio-fundo)


Estado trófico

Concentração de clorofila a responsável pela classificação da albufeira como eutrófica

Concentrações de fósforo total baixas 2.8 % abaixo dos 10 mg.l-1 (estado oligotrófico)

Locais com características lóticas: valores de clorofila a muito elevadas

Locais com características lênticas: teores próximos do limite mínimo a partir do qual o sistema é classificado como eutrófico (10 mg.l-1)


Modelação da qualidade da água

CE-QUAL-W2 Modelo bidimensional hidrodinâmico e de qualidade da água:

longitudinal e vertical Limitações de cálculo do fitoplâncton Não são calculadas dinamicamente as reacções nos sedimentos e

fluxos de interface água-sedimentos influencia a capacidade de previsão a longo prazo

Homogeneidade lateral: segmentos transversais não permite a contabilização de uma das componentes horizontais da

velocidade – implica que não permite integrar o efeito da direcção do vento, na velocidade horizontal da água

melhor ajuste para massas de água longas e estreitas Mais adequado para massas de água sob influencia de caudais

elevados


2. Estado da arte








2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia





































3. Metodologia


5. Conclusões


1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia

4. Resultados e Discussões Escolha do modelo: EcoDynamo Recolha de dados forçadores Recolha de dados para comparação Organização das simulações Análise de desempenho


EcoDynamo

Modelo tridimensional Permite a implementação

de modelos hidrodinâmicos-biogeoquímicos acoplados

Interface amigável em Windows

Orientado por objectos: termodinâmica hidrodinâmica dos sistemas

aquáticos biogeoquímica


Dados forçadores e dados para comparação com as simulações Características

climatéricas biofísicas morfológicas da bacia de

drenagem e albufeira hidrológicas hidrodinâmicas qualidade da água

########################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################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############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### ############################################################################################################################################################################### 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#############################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################################

Rede hidrográfica

Batimetria# -204 - -176# -175 - -158# -157 - -140# -139 - -126# -125 - -113# -112 - -100# -99 - -87# -86 - -74# -73 - -62# -61 - -51# -50 - -40# -39 - -30# -29 - -20# -19 - -10# -9 - 0# 1 - 11# 12 - 23# 24 - 37# 38 - 53# 54 - 78

0 10 20 30 Kilometers

N

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro

Meses de 2004

º C


Organização das simulações

Avaliar o desempenho do modelo numa situação de Verão, em que a estratificação vertical da água tende a potenciar fenómenos relacionados com a estratificação

Série I tempo de simulação: de dia 1 de Julho de 2004 ao dia 31 de Julho 5 e 7 camadas Implementação e verificação do modelo

Série II tempo de simulação: de dia 1 de Julho de 2004 ao dia 5 de Agosto 6 camadas avaliar importância relativa dos processos termodinâmicos,

hidrodinâmicos – com especial enfoque para o efeito do vento, na estratificação vertical da albufeira – e biogeoquímicos na qualidade da água da albufeira de Alqueva


Série I

I.1 - objecto termodinâmico I.2 - objectos termodinâmico e hidrodinâmico I.3 - objectos termodinâmico e hidrodinâmico

+ valores dos caudais fluviais

Análise de sensibilidade: I.3.V - coeficiente de pressão do vento I.3.DH - difusidade horizontal I.3.DMV - difusidade máxima vertical


Série II

II.1 - repetição das condições da simulação I.1 (reforçar os padrões)

II.2 - objecto da hidrodinâmica e das substâncias e o oxigénio dissolvido com variáveis como conservativas

II.3 - II.2 + nutrientes são sujeitos dos ciclos biogeoquímicos

II.4 - II.3 + objecto fitoplâncton

Análise de sensibilidade: II.4.Pmax - taxa máxima de produção II.4.Iopt - intensidade luminosa óptima para a fotossíntese


2. Estado da arte








2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia





































3. Metodologia


5. Conclusões


1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia

4. Resultados e Discussões Série I – Implementação do modelo Série II – Processos físicos, químicos e

biológicos Comparação dos principais resultados dos

trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva


Série I – Implementação do modelo

Estratificação térmica, devido essencialmente aos processos termodinâmicos termoclina localizada na primeira camada

Melhor resolução vertical à superfície - maior aproximação à realidade Maior componente do balanço energético: radiação infra-vermelha da

água Termodinâmica como determinante para a variação temperatura da

água: importância relativa superior à hidrodinâmica hidrodinamismo actua como atenuador da temperatura superficial e da estratificação térmica

Vectores dos campos de velocidades resultantes devidos à acção do vento duas camadas influenciadas pelos ventos predominantes e pelos gradientes de densidade -

circulação superficial para SE com afloramento vertical padrão do vento evidenciado pela hidrodinâmica

Efeito reduzido dos caudais afluentes


Variação temporal

16

18

20

22

24

26

28

30

32

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Dias do mês de Julho

Tem

pera

tura

da

água

(ºC

)

.

Valores simulados - AMontante (I.1.) 5 camadas Valores observados

Valores simulados - AMontante (I.2.) 5 camadas Valores simulados - AMontante (I.1) 7 camadas

Valores simulados - AMontante (I.3.) 5 camadas Valores simulados - AMontante (I.3) 7 camadas


Variação espacial


Variação espacial


Perfil vertical de temperatura

0

5

10

15

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Temperatura (ºC)

Prof

undi

dade

(m)

.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 26 27 28 29 30 31

0

3

7

10

13

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Temperatura (ºC)

Prof

undi

dade

(m)

.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 29 30 31

05

10152025303540

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23

Temperatura (ºC)

Prof

undi

dade

(m)

.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2223 24 25 26 27 28 29 30 31

0

5

10

15

20

25

30

35

40

16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5

Temperatura (ºC)

Prof

undi

dade

(m)

.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21


Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Reforça resultados da Série I A oxigenação é influenciada pela hidrodinâmica, embora dependa fortemente

das reacções de fotossíntese/respiração e de nitrificação/desnitrificação sub-estimação dos valores de OD pela ausência de fitoplâncton não existência de difusão de oxigénio entre superfície e fundo – ausência de trocas

difusivas com a atmosfera formação de oxiclina

Azoto amoniacal varia inversamente à concentração de nitrato por carência de oxigénio

Valores observados de concentração de Nitritos abaixo do L.Q. impede validação dos valores simulados pelo modelo

Valores de fósforo estão relacionados com processos de adsorção/desorção pelos sedimentos e mineralização da matéria orgânica em suspensão elevado consumo de fósforo pelos produtores primários, plantas aquáticas e vários

microrganismos e acumulação em profundidade Simulação com fitoplâncton não foi calibrada: valores sub-estimados Dinâmica da qualidade da água decorre dos processos internos: ciclos

biogeoquímicos e acção do fitoplâncton


Termodinânica e hidrodinâmica

16

18

20

22

24

26

28

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 2 4

dias de Julho e Agosto de 2004

Tem

per

atura

(ºC

)

.

valores observados - AMourão Valores simulados - AMourão (II.2) 6 camadas

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

12 14 16 18 20 22 24 26

Temperatura (ºC)

Pro

fund

idad

e (m

)

.

Valores observados a 14-07-2004 - AMourão Valores observados a 03-08-2004 - AMourão

Valores simulados a 14-07-2004 - AMourão (II.2) Valores simulados a 03-08-2004 - AMourão (II.2)


Oxigénio dissolvido

0

2

4

6

8

10

12

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 2 4


Oxig

énio

dis

solv

ido (m

g/l

)

.

valores observados - AMourão

> 30 m 30 - 20 m 20 - 10 m

10 - 6,6(6) m 6,6(6) - 3,3(3) m < 3,3(3) m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Oxigénio dissolvido (mg/l)

Prof

undi

dade

(m)

.



0

2

4

6

8

10

12

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 2 4


Oxi

géni

o di

ssol

vido

(mg/

l)

.

valores observados - AMourão

> 30 m 30 - 20 m 20 - 10 m

10 - 6,6(6) m 6,6(6) - 3,3(3) m < 3,3(3) m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Oxigénio dissolvido (mg/l)

Pro

fund

idad

e (m

)

.




Azoto amoniacal, nitratos

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25

Concentração de azoto amoniacal (mmol NH4+-N/l)

Pro

fund

idad

e (m

)

.



< L.D.

< L.D.0

5

10

15

20

2530

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100 120 140

Concentração de nitratos (mmol NO3--N/l)

Pro

fund

idad

e (m

)

.



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Concentração de azoto amoniacal (mmol NH4+-N/l)

Pro

fund

idad

e (m

)

.


Valores simulados a 14-07-2004 - AMourão (II.3.) Valores simulados a 03-08-2004 - AMourão (II.3.)

< L.D.

< L.D.0

5

10

15

20

2530

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100 120 140

Concentração de nitratos (mmol NO3--N/l)

Pro

fund

idad

e (m

)

.


Valores simulados a 14-07-2004 - AMourão (II.3.) Valores simulados a 03-08-2004 - AMourão (II.3.)


Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva

Albufeira como monoclínica quente

OD e nutrientes condicionados pelo desenvolvimento da biomassa

Processos de eutrofização devem-se à dinâmica interna

Processos hidrodinâmicos e biogeoquímicos em função de uma distância horizontal

Não contempla a circulação induzida pelo vento a partir de qualquer direcção


2. Estado da arte








2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia





































3. Metodologia


5. Conclusões


1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia



Conclusões

Foi possível a implementação de um modelo tridimensional - EcoDynamo - para a albufeira de Alqueva

Em função dos resultados, pode concluir-se que: resolução vertical é um factor decisivo na correcta representação da

estratificação as descargas de água a partir dos afluentes têm uma influência muito

reduzida na hidrodinâmica a hidrodinâmica é principalmente influenciada pelo vento a qualidade da água é sobretudo influenciada pela biogeoquímica da

albufeira os teores de oxigénio dissolvido e as concentrações dos nutrientes são

fundamentalmente condicionados pelos processos associados aos ciclos biogeoquímicos e à influência do fitoplâncton.

a simulação em que se incluiu o fitoplâncton apresentou resultados que não se ajustam aos valores reais esta sub-estimação deveu-se ao facto de o modelo não estar ainda devidamente

calibrado para simular os processos biológicos


Considerações Finais

O modelo tridimensional, EcoDynamo, permite simular a circulação induzida pelo vento a partir de qualquer direcção, o que não acontece nos modelos bidimensionais resolvidos na vertical

A implementação, análise e verificação dos modelos devem ser encarados como um conjunto de processos encadeados.

A modelação matemática pode ser uma ferramenta útil de apoio à decisão na gestão dos potenciais problemas de qualidade da água de uma albufeira permitindo avaliar diferentes cenários de gestão, integrando o conhecimento existente sobre o ecossistema


Propostas de aperfeiçoamento

A inclusão da biogeoquímica dos sedimentos e respectivas interacções com a massa de água

A compilação de uma versão do modelo para funcionar em multi-processamento: reduzir o elevado tempo de cálculo do modelo - correr

simulações para períodos de um ano, ou mesmo de vários anos A utilização de uma malha espacial de passo variável, de modo

a aumentar a resolução do modelo nos canais mais estreitos A implementação de um modelo de bacia, como o SWAT que

permita simular: as descargas na albufeira utilizadas para forçar o modelo os impactes de diferentes usos do solo na qualidade química da

água da mesma


2. Estado da arte








2.1.4. Hidrografia

2.1.5. Climatologia

2.1.6. Fisiografia





































3. Metodologia


5. Conclusões


1. Introdução

2. Estado da arte

3. Metodologia


OBRIGADA

Modelação Hidrodinâmicae da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva

Mestrado em Gestão e Conservação da Natureza

Universidade do Algarve | Faculdade de Ciências do Mar e Ambiente

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Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva Mestrado em Gestão e Conservação da Natureza Universidade do Algarve | Faculdade