Desenvolvimento, aplicação e análise do modelo de qualidade da água e eutrofização do SisBAHIA

Abstract

Resumo: O processo de eutrofização em reservatórios, com o consequente crescimento excessivo de algas, pode causar restrições aos usos planejados da água. Algumas das algas que se desenvolvem durante os eventos de floração produzem substâncias tóxicas, sendo um sério risco à saúde pública em reservatórios de abastecimento. Os diversos processos que ocorrem em reservatórios podem ser representados por meio de modelos matemáticos, permitindo entender melhor o comportamento do sistema e quantificar os impactos de um determinado distúrbio. Neste trabalho, foram definidas representações para os processos de transformação considerados no modelo de qualidade da água e eutrofização do Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental (SisBAHIA®). Além disso, uma nova variável (zooplâncton herbívoro) foi definida para representar de forma mais adequada a dinâmica do fitoplâncton. O modelo matemático foi implementado computacionalmente usando o método das diferenças finitas na discretização temporal e elementos finitos a discretização espacial. Para a compreensão do comportamento geral do modelo foi realizada uma análise de sensibilidade baseada no método de Monte Carlo, sendo determinado o grau de influência dos seus parâmetros nas respostas de cada uma das suas variáveis. Considerando os resultados da análise de sensibilidade, o modelo foi calibrado com dados do reservatório do Iraí, localizado na região metropolitana de Curitiba-PR. Este reservatório apresenta florações de algas bastante significativas desde 2001, ano do seu primeiro extravasamento, ocasionando sérios problemas de qualidade da água. Os resultados da alibração demonstraram a potencialidade do modelo em representar adequadamente um conjunto de dados obtidos em um reservatório eutrofizado. Apesar de não haver dados suficientes para a validação do modelo, novos cenários foram simulados considerando diferentes condições de contorno para o nutriente limitante, verificando a sua confiabilidade.

Abstract: The eutrophication process in reservoirs, and the resulting excessive algal growth, can cause restrictions on the planned uses of water. Some algae that develop during the algal bloom events produce toxic substances, being a serious public health risk in water supply reservoirs. The various processes occurring in reservoirs can be represented by mathematical models, allowing a better understand of the system behavior and the quantification of the impacts of particular disturbances. In this study, models were developed for the transformation processes considered in the water quality and eutrophication module of the Environmental Hydrodynamics Base System (SisBAHIA ®). In addition, a new variable (herbivorous zooplankton) was defined to represent more adequately the dynamics of phytoplankton. The mathematical model was implemented computationally using finite difference method in time discretization and finite element in space discretization. To understand the general behavior of the model, a sensitivity analysis was performed based on Monte Carlo method, to determine the degree of influence of its parameters on the responses of each of its variables. Considering the results of sensitivity analysis, the model was calibrated using data from the Iraí reservoir, located in the metropolitan region of Curitiba-PR. This reservoir has had very significant algal blooms since 2001, the year of its first overflow, causing serious problems of water quality. Calibration results demonstrated the potential of the model to adequately represent a set of data obtained in a eutrophic reservoir. Although there is no sufficient data to validate the model, new scenarios were simulated considering different boundary conditions for the limiting nutrient, verifying its reliability.