Modeling of heat transport in lakes : spatial and temporal characterization

Abstract

Resumo: Lagos e reservatórios apresentam um comportamento sazonal relacionado à sua estrutura térmica, de mistura e estratificação ao longo do ano, devido às condições meteorológicas, entradas e saídas, profundidade e localização do reservatório. Desta maneira, medições em reservatórios aliadas à modelagem numérica são ferramentas importantes para o entendimento dos processos físicos que ocorrem no corpo d'água e identificação de períodos característicos. Neste contexto, esta tese visa aliar medições com a modelagem dos processos físicos em reservatórios, de maneira que os gradientes verticais e horizontais de temperatura sejam resolvidos. As medições em campo tem como objetivo a análise da variação espacial da temperatura, tanto na vertical quanto horizontal, com medições de temperatura com alta resolução espacial e temporal, o controle das entradas e saídas e medições de dados meteorológicos, forçantes do sistema. A modelagem proposta neste projeto consiste de um modelo em setores no reservatório, tendo como base um modelo unidimensional de transporte de calor, que possibilita a análise de gradientes verticais e horizontais de temperatura, com custo computacional reduzido. Além da modelagem em setores, é realizada a modelagem tridimensional do transporte de calor com o modelo Delft3D. O objetivo da modelagem é comparar o modelo setorial proposto e análise das possíveis vantagens/desvantagens de se aplicar um modelo em setores em contraposição a um modelo mais complexo, apoiando as entradas e resultados dos modelos nas medições de campo. Os resultados mostram que um modelo unidimensional ou setorial pode ser utilizado para classificação do reservatório (períodos de mistura e estratificação), tendo como vantagem o baixo tempo de processamento. No caso do transporte de massa, por outro lado, as análises realizadas mostram que um modelo tridimensional deve ser aplicado, devido a tridimensionalidade dos processos no corpo d'água, e que a temperatura tem um efeito significativo no transporte advectivo e dispersivo no corpo d'água. Palavras-chave: Lagos; Reservatórios; Transporte de Calor; Medições; Modelagem em Setores; Modelagem Tridimensional.

Abstract: Lakes and reservoirs show a seasonal behavior related to its thermal structure - they may stratify/mix in some periods of the year, due to meteorological conditions, inflows/outflows effects, depth and reservoir location. Thus, measurements coupled with numerical modeling are important tools for understanding physical processes in the water body and identification of specific periods of stratification. In this context, this thesis focusses on measurements and modeling of physical processes in reservoirs, solving both vertical and horizontal temperature gradients. Field measurements have the objective of analysing spatial variations of temperature, in horizontal and vertical directions, with high spatial and temporal resolution, inflows and outflows control and meteorological data, forcing of the system. The modeling proposed in this thesis consist in a sector reservoir model, based in a one-dimensional heat transport model, which allows the analysis of vertical and horizontal temperature gradients, with reduced computational cost. In addition, three-dimensional modeling (with the model Delft3D) is performed for comparisons of the sector model proposed and analysis of advantages/disadvantages of applying a sector model in contrast to a more complex model, being supported by field measurements. The results show that the one-dimensional and the sector model can be used for reservoir classification (identification of mixing and stratification periods), with the advantages of low processing time. For mass transport, on the other hand, the analysis performed show that a three-dimensional model should be applied, due the three-dimensionality of the processes, and that temperature has a significant impact on advective and dispersive transport in the water body. Key-words: Lakes; Reservoirs; Heat Transport; Measurements; Sector Modeling; Threedimensional Modeling.