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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.

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1 Modelação Hidrodinâmica e 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 GONÇALVES ORIENTADOR: DOUTOR PEDRO MANUEL DA SILVA DUARTE CO-ORIENTADOR: DOUTOR LUÍS CANCELA DA FONSECA

2 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 Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 6. Referências Bibliográficas 6. Referências Bibliográficas 5. Conclusões Ìndice 1. Introdução 2. Estado da arte 1. Introdução 2. Estado da arte 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões

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

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

5 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva 2. Estado da arte 1.1. Enquadramento geral 1.2. Âmbito e objectivo 1.3. Organização do texto 2.1. Área de estudo Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas Ìndice 1. Introdução 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas 1. Introdução 2. Estado da arte 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões Área de estudo Qualidade da água Avaliação do estado trófico Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva

6 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e 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 km de margens km 2 de área de drenagem

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

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

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

10 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva 2. Estado da arte 1.1. Enquadramento geral 1.2. Âmbito e objectivo 1.3. Organização do texto 2.1. Área de estudo Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas Ìndice 1. Introdução 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas 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

11 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva EcoDynamo Modelo tridimensional Permite a implementação de modelos hidrodinâmicos- biogeoquímicos acoplados Interface amigável em Windows Orientado por objectos: termodinâmica hidrodinâmica dos sistemas aquáticos biogeoquímica

12 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva Dados forçadores e dados para comparação com as simulações Características climatéricas biofísicas morfológicas da bacia de drenagem e albufeira hidrológicas hidrodinâmicas qualidade da água

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

14 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da 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

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

16 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva 2. Estado da arte 1.1. Enquadramento geral 1.2. Âmbito e objectivo 1.3. Organização do texto 2.1. Área de estudo Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas Ìndice 1. Introdução 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas 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

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

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

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

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

21 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva Perfil vertical de temperatura

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

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

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

25 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva Azoto amoniacal, nitratos

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

27 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva 2. Estado da arte 1.1. Enquadramento geral 1.2. Âmbito e objectivo 1.3. Organização do texto 2.1. Área de estudo Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas Ìndice 1. Introdução 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas 1. Introdução 2. Estado da arte 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões

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

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

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

31 Faro, 3 de Dezembro de 2008 Modelação Hidrodinâmica e da Qualidade da Água da Albufeira de Alqueva 2. Estado da arte 1.1. Enquadramento geral 1.2. Âmbito e objectivo 1.3. Organização do texto 2.1. Área de estudo Bacia hidrográfica do rio Guadiana O empreendimento de Alqueva Barragem de Alqueva Hidrografia Climatologia Fisiografia Solos e Ocupação do Solo Fontes de Poluição Conservação da Natureza 2.2. Qualidade da água Principais impactes resultantes da criação de uma albufeira Análise preliminar da qualidade da água Qualidade da água antes e depois da albufeira de Alqueva 2.3. Avaliação do estado trófico Classificação do estado trófico Albufeiras do Alentejo Albufeira de Alqueva 2.4. Modelação da qualidade da água da albufeira de Alqueva Resumo histórico 3.1. Modelo da albufeira de Alqueva 3.2. Dados forçadores Origem dos dados Dados Meteorológicos Dados de qualidade da água 3.3. Dados para comparação entre valores observados e valores do modelo 3.4. Organização e metodologia das simulações Organização das simulações Determinação do passo de cálculo 3.5. Análise do desempenho e verificação do modelo 4.1. Série I – Implementação do modelo Simulações I Simulação I Simulações I Simulações I.3.V, I.3.DH e I.3.DMV 4.2. Série II – Processos físicos, químicos e biológicos Simulação II Simulação II Simulação II Simulações II Comparação dos principais resultados dos trabalhos de modelação na albufeira de Alqueva 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas Ìndice 1. Introdução 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões 5. Conclusões 6. Referências Bibliográficas 1. Introdução 2. Estado da arte 3. Metodologia 4. Resultados e Discussões

32 OBRIGADA

33 Modelação Hidrodinâmica e 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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