Integrated analysis for modeling of flow and transport of contaminants in rivers

Abstract

Resumo: Estrat'egias recentes para planejamento e gest˜ao de recursos h'?dricos estabelecem que os conceitos de risco e entradas vari'aveis devem ser avaliados, a fim de atender a m'ultiplas condi?c˜oes. Isso fica evidente principalmente em um ambiente com mudan?cas clim'aticas e usos diversos da 'agua e uso do solo. Nesse contexto, modelagem de vaz˜oes e concentra ?c˜oes em rios s˜ao estrat'egias v'alidas para prever diferentes cen'arios. Esta pesquisa prop˜oe uma an'alise integrada para modelagem do fluxo e transporte de contaminantes em rios, baseada em simula?c˜oes hidrodinˆamica, de s'eries temporais e de qualidade da 'agua. O primeiro m'odulo estima o volume e a velocidade da 'agua, que tˆem impacto direto no transporte de poluentes. S'eries temporais de concentra?c˜oes s˜ao geradas como polutogramas sint'eticos, usando t'ecnicas baseadas em condi?c˜oes de fluxo, tempo e fatores estat'?sticos de um conjunto hist'orico de dados de monitoramento; o objetivo 'e combinar as escalas temporais das condi?c˜oes de contorno, uma vez que dados de qualidade da 'agua geralmente est˜ao dispon'?veis como amostras irregulares; o terceiro m'odulo resolve a equa?c˜ao de advec?c˜ao-dispers˜ao-rea?c˜ao, explorando as diferentes s'eries sint'eticas como condi?c˜ao de contorno de montante, com um processo de calibra?c˜ao baseado na varia?c˜ao temporal dos coeficientes de transforma?c˜ao. Devido ao componente estoc'astico, um conjunto de mil concentra?c˜oes di'arias s˜ao geradas como s'eries sint'eticas, e diferentes crit'erios s˜ao aplicados para selecionar cen'arios pr'oximos aos dados observados; experimentos para converter conjuntos de dados de monitoramento de amostras discretas em s'eries cont'?nuas mostram que a preserva?c˜ao de m'etricas estat'?sticas de dados hist'oricos, vinculadas a an'alises de m'ultiplos cen'arios e representa?c˜ao de persistˆencia natural, s˜ao crit'erios razo'aveis para estimar s'eries temporais cont'?nuas. Os resultados obtidos ainda evidenciam que o polutograma de entrada, usualmente n˜ao explorado em estudos semelhantes, pode ter um papel significativo em modelos de transporte de substˆancias em rios em estado transiente, especialmente para predi?c˜ao de m'etricas de interesse em gest˜ao de recursos h'?dricos - quartis e concentra?c˜oes de 10 e 90% de ocorrˆencia. Ao mesmo tempo, as an'alises conduzidas exploram um procedimento de calibra?c˜ao considerando o aspecto temporal; resultados indicam que essa nova perspectiva melhora simula?c˜oes para transporte de diferentes parˆametros indicativos de qualidade de 'agua. As contribui?c˜oes fornecem base para posterior avalia?c˜ao de sistemas fluviais ligados 'a dinˆamica das bacias hidrogr'aficas, com m'ultiplos cen'arios de disponibilidade de dados e condi?c˜oes de entrada. Palavras-chave: Modelagem hidrodinˆamica e de qualidade de 'agua. Condi?c˜oes de contorno. Gerenciamento de recursos h'?dricos.

Abstract: Recent water resources planning and management strategies state that the concepts of risk and variable inputs should be appraised in order to comply with multiple conditions. This becomes evident especially in an environment with climate change and diverse uses of water and land use. In such a context, modeling of discharges and concentrations in rivers are valuable strategies to predict different scenarios. This research proposes an integrated analysis for modeling of flow and contaminant transport in rivers, based on hydrodynamics, time series, and water quality simulations. The first module estimates water volume and velocity, that have direct impact in pollutants transport. Time series of concentrations are generated as synthetic pollutographs, using techniques based on flow conditions, time and statistical factors of a historical monitoring dataset; the objective is to match temporal scales of boundary conditions, since water quality data is usually available as irregular samples; the third module solves the advection-dispersion-reaction equation, exploring the different synthetic series as upstream boundary condition, and a calibration process based on temporal variation of transformation coefficients. Because of a stochastic component, thousand sets of daily concentrations are generated as synthetic series, and different criterion are applied to select scenarios close to observed data; experiments to convert monitoring datasets from discrete samples into continuous series show that preservation of statistical metrics from historical data, linked to multiple scenarios analysis and representation of natural persistence, are reasonable criterion to estimate continuous time series. The results obtained also evidence that the input pollutograph, usually not explored in similar studies, may have a significant role in models for transport of substance in rivers under unsteady state, specially for prediction of measures of interest in water resources management - quartiles and concentrations of 10 and 90% occurrence. At the same time, the conducted analysis introduces a calibration procedure considering a temporal aspect; results indicate that this new perspective may improve simulations for transport of different parameters indicative of water quality. The contributions lay basis for further assessment of riverine systems linked to watershed dynamics, with multiple scenarios of data availability and input conditions. Key-words: Hydrodynamic and water quality modeling. Boundary conditions. Water resources management.