Influence of hydrodynamics on phytoplankton behaviour in lakes in urban areas through high-frequency measurements and three-dimensional numerical modeling : application to Lake Champs-surMarne (France) and Lake Pampulha (Brazil)

• Autor(a) principal: Denis Fürstenau Plec
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/56135
• topic: Shallow urban lakes; Phytoplankton; Cyanobacteria; Lake hydrodynamics; High-frequency measurements; Three-dimensional model; Engenharia sanitária; Recursos hídricos - Desenvolvimento; Cianobactéria; Pampulha, Lagoa da (MG)

O objetivo principal dessa tese é o de caracterizar a hidrodinâmica de lagos urbanos rasos para melhor entender a sua influência na variabilidade espacial e temporal da biomassa de fitoplâncton utilizando monitoramento em alta frequência e modelagem numérica tridimensional. Para alcançar esse objetivo, foram investigados dois estudos de casos experimentais: Lago de Champs-sur-Marne, um pequeno e raso lago urbano na França, e a Lagoa da Pampulha, um reservatório urbano raso de médio porte, no Brasil. A pesquisa mostrou que um modelo hidrodinâmico tridimensional calibrado e um modelo ecológico, associados a monitoramento em alta frequência, são essenciais para entender a hidrodinâmica de lagos rasos e para compreender a variabilidade temporal e espacial do comportamento de fitoplâncton e cianobactérias. Na pesquisa, foram destacadas estratégias para avaliar a variabilidade espacial e temporal da biomassa de cianobactérias e a relevância em compreender a hidrodinâmica lacustre com o propósito do manejo das águas. Também foram destacadas a importância de descrever corretamente eventos de misturas e estratificações térmica e de monitorar forçantes meteorológicas externas, para poder representar corretamente as variabilidades temporais e espaciais em modelos ecológicos. Na pesquisa, dois diferentes lagos foram estudados. O primeiro foi o lago de Champs-sur-Marne, um lago urbano pequeno e raso que foi formado devido a extração de areia. O lago não possui contribuição de cursos de água que renovam o seu armazenamento. Ele é alimentado pelo lençol freático, oriundo do escoamento subterrâneo do rio Marne que está localizado em sua proximidade. O segundo estudo de caso foi a Lagoa da Pampulha, um reservatório urbano raso de médio porte. A Lagoa da Pampulha é um reservatório artificial que é alimentado por 8 tributários, possui tempo de residência de 89 dias (considerando a vazão média de longo termo). Ambos os lagos estudados possuem problemas com explosões de cianobactérias. O lago de Champs-sur-Marne é frequentado por crianças de sua área urbana vizinha, entretanto, atividades recreativas no lago são repentinamente proibidas durante o verão devido a riscos à saúde humana causados por explosões de cianobactérias tóxicas. A Lagoa da Pampulha foi originalmente concebida com a finalidade de usos múltiplos, incluindo fonte de captação para abastecimento de água. Entretanto, devido a intenso processo de urbanização em sua bacia hidrográfica a partir da década de 70, a qualidade da água e seu estado trófico foram severamente comprometidas, resultando em um reservatório com condição hipertrófica, o que, associado com a ocorrência de frequentes explosões de cianobactérias, levou a interrupção da captação para finalidade de abastecimento a partir da década de 80. No lago francês, um modelo hidrológico e ecológico tridimensional foi calibrado usando monitoramento de alta frequência da clorofila-a, da temperatura e velocidade da água. A clorofila-a foi medida na profundidade de 1,5 m. A temperatura foi medida na superfície (0,5 m), profundidade média (1,5 m) e no fundo do lago (2,5 m). A velocidade foi medida da superfície até 2,7 m de profundidade em uma variação intervalar de 0,45 m. Após a calibração do modelo, o comportamento do fitoplâncton foi verificado para cenários com diferentes concentrações de nutriente usando modelo ecológico e usando um traçador para avaliar a influência do vento. O Período 1 (com 7 dias de duração, do dia 23 a 30 de junho de 2015, correspondendo a 159 valores horários em cada profundidade) foi utilizado para avaliar a hidrodinâmica e o comportamento do fitoplâncton, considerado como um traçador conservativo, por meio de uma simulação de transporte. O Período 2 (com 14 dias de duração, do dia 13 a 27 de julho de 2015, correspondendo a 342 valores horários para cada profundidade) e o Período 3 (com duração de 19 dias, do dia 14 de julho a 01 de agosto de 2016, correspondendo a 456 valores horários para cada profundidade) foram selecionados para simular o modelo hidrodinâmico acoplado com o modelo ecológico. O Período 4 (com duração de 19 dias, do dia 19 de setembro a 12 de outubro, correspondendo a 567 valores horários para cada profundidade) foi utilizado para monitorar e calcular a velocidade da água. A temperatura da água para as 3 profundidades monitoradas foi validada para os 4 períodos simulados. A pesquisa desenvolvida no lago de Champs-sur-Marne mostrou que: - O monitoramento em alta frequência possibilita a análise de variações temporais abruptas da biomassa de fitoplâncton no lago e a influência de forçantes meteorológicas externas no comportamento hidrodinâmico; - O modelo tridimensional Delft-3D possibilitou a análise da influência da hidrodinâmica na concentração de fitoplâncton e na sua distribuição espacial heterogênea; - A variação da condição de mistura e de estratificação térmica e a complexa funcionalidade hidrodinâmica lacustre pode ser representada por meio de modelagem tridimensional; - A modelagem tridimensional pode auxiliar na melhoria da rede de monitoramento, destacando regiões com diferentes comportamentos; - A modelagem matemática é uma excelente ferramenta para simular diferentes cenários em situações que existem lacunas de dados de campo; - O monitoramento e as simulações mostraram que o comportamento hidrodinâmico do lago Champs-sur-Marne é muito instável e dinâmico. O lago responde rapidamente e intensamente em relação a forçantes meteorológicas. Entretanto, a modelagem hidrodinâmica tridimensional foi capaz de representar esse complexo comportamento; - O monitoramento e as simulações numéricas mostraram que o lago não possui estratificação de velocidade em termos da potência da frequência. Foi mostrado que, o comportamento da velocidade, é muito similar e apresenta correlação com a intensidade do vento, onde um valor de 3,0 m/s pode impactar inteiramente a coluna vertical, portanto, uma estação meteorológica in loco é importante; No lago brasileiro, o modelo hidrodinâmico tridimensional Delft3D-flow foi calibrado e validado usando medições de temperatura da água em alta frequência. O período de calibração teve duração de 18 dias, do dia 16 de maio a 03 de junho de 2016, correspondendo a 440 valores horários para cada uma das profundidades monitoradas, a saber: superfície (0,5 m), 2,5 m, 5,5 m, e fundo (9,5 m). O período de validação, teve duração de 16 dias, do dia 29 de maio a 14 de junho de 2016, correspondendo a 388 valores horários para cada uma das já mencionadas profundidades. Um segundo período de validação teve duração de 88 dias, do dia 15 de maio a 10 de agosto de 2015, correspondendo a 2107 valores horários para a superfície (0,5 m de profundidade), única profundidade disponível no referido período. A pesquisa desenvolvida na lagoa da Pampulha mostrou que: - Os principais parâmetros que apresentam maior sensibilidade para calibrar o comportamento térmico da lagoa é o fator que multiplica a intensidade do vento (Wind fator) e o coeficiente de Dalton; - Monitoramento em alta frequência, com espaçamento horário, pode detectar repentinas mudanças na temperatura da água, que apresentaram diferentes amplitudes de variações ao longo da coluna vertical de profundidade e, utilizando modelagem tridimensional, foi possível avaliar e investigar as causas das repentinas mudanças na temperatura da água; - O modelo tridimensional, associado com monitoramento em alta frequência, mostrou que detectar a vazão afluente com temperatura inferior a do lago e, conhecendo a trajetória temporal do escoamento ao longo das camadas mais profundas do lago, pode contribuir para implementar e auxiliar técnicas de restauração e ajudar no manejo de águas de lagos urbanos que possuem condições de hipóxia no fundo do lago; - O modelo tridimensional foi apto a reproduzir acuradamente as alternâncias das condições de mistura e estratificação térmica para todos os períodos simulados, permitindo uma análise aprofundada da hidrodinâmica de um lago urbano tropical e raso Como lagos urbanos rasos não tem sido um grande foco de estudo, essa pesquisa pode acrescentar importantes contribuições para o conhecimento sobre a influência da hidrodinâmica no comportamento de fitoplâncton em lagos urbanos e rasos. Na pesquisa, foi mostrado que lagos rasos são muito instáveis e reagem fortemente e rapidamente às condições meteorológicas. A biomassa de fitoplanctons apresenta alta heterogeneidade no tempo e espaço, o que resulta em grande complexidade para monitoramento do seu comportamento. Usando um modelo tridimensional, foi mostrado que a hidrodinâmica desempenha um importante papel para melhor compreender explosões de algas e sua concentração na superfície do espelho de água (scum formation). Essa pesquisa mostrou que um modelo hidrodinâmico e ecológico tridimensional calibrado e validado, utilizando monitoramento em alta frequência, é essencial para compreender a qualidade da água em lagos urbanos rasos. Além do mais, utilizando os resultados da modelagem, podem ser feitas sugestões para aprimoramento de uma rede de monitoramento, buscando melhor elucidar o comportamento de cianobactérias. Portanto, essas contribuições científicas também são promissoras para ajudar a avaliar e monitorar a distribuição, resuspensão e sedimentação de nutrientes e poluentes em lagos, além de compreender o fenômeno de explosões de fitoplanctons de maneira mais ampla.