Water quality modeling in a subtropical water supply reservoir

Orientador: Prof. Dr.-Ing. Tobias BleningerCoorientador: Prof. Dr. Michael MännichDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 24/07/2020Inclui referências: p.76-85Resumo: A gestao adequada de reservatorios perpassa pela compreensao dos complexos e dinamicos processos que neles ocorrem. O transporte e mistura de grandezas escalares sao fortemente influenciados pelo regime termico do corpo d'agua. Modelos hidrodinamico-ecologico acoplados apresentam-se como uma ferramenta util, em particular modelos unidimensionais na vertical (1DV), devido a predominancia de gradientes verticais na dinamica de lagos. Alem disso, tem como vantagem a possibilidade de estudos de diferentes cenarios e longos periodos de simulacao, com baixo custo computacional e requisitos minimos de calibracao. O objetivo desse trabalho foi analisar o desempenho do modelo acoplado 1D GLM-AED (General Lake Model - Aquatic EcoDynamics) na reproducao de processos fisicos, quimicos e biologicos de um reservatorio subtropical de abastecimento de agua (reservatorio do Passauna, Parana - Brasil). Primeiramente, a modelagem hidrodinamica foi realizada com o GLM, a fim de simular o balanco hidrico e o comportamento termico do reservatorio. Em seguida, a biblioteca de modelagem AED foi adicionada, ativando os modulos: oxigenio, carbono, nitrogenio, fosforo, materia organica, fitoplancton e totais. A simulacao foi de agosto de 2017 a fevereiro de 2019, sendo adotadas duas configuracoes, uma com a profundidade total do reservatorio (17m) e outra com a profundidade aproximada da regiao da captacao (12m), local onde se tinham medicoes. O periodo com dados de campo, marco de 2018 a fevereiro de 2019, foi utilizado para calibrar o modelo. De modo geral, a simulacao para a profundidade total do reservatorio apresentou uma melhor performance. Por essa metodologia o modelo conseguiu reproduzir mais adequadamente o balanco hidrico, o que influenciou nos resultados do perfil termico do corpo d'agua. As metricas de erro entre os resultados de temperatura do modelo e os registros dos termistores estao de acordo com valores encontrados na literatura, ja que o erro medio absoluto (MAE) ficou abaixo de 1.7 ?C e a raiz do erro quadratico medio (RMSE) foi inferior a 2.3 ?C. O modelo foi capaz de representar o fenomeno da estratificacao, constatado tambem pelo calculo de indices fisicos, os quais demonstraram uma maior instabilidade no periodo mais frio, com a ocorrencia de mistura entre as camadas. Em relacao ao oxigenio dissolvido, o modelo apresentou um padrao de distribuicao na coluna d'agua bastante homogeneo. A dinamica foi melhor reproduzida na camada do fundo, a qual exibiu um maior coeficiente de correlacao. Contudo, o MAE e RMSE foram menores para a regiao proxima a superficie, indicando maior concordancia dos valores em termos de ordem de grandeza. Quanto as substancias quimicas (nitrogenio e fosforo) e clorofila-a, devido a restricao dos dados medidos, foi priorizado o ajuste da ordem de magnitude. Uma importante analise da qualidade da agua do reservatorio pode ser realizada com a classificacao do seu estado trofico. Os resultados demonstraram uma predominancia de condicoes mesotroficas do corpo d'agua, o que corresponde com outros estudos realizados no reservatorio. Constata-se que o modelo e qualificado para estudar cenarios de gestao, ja que apresentou resultados satisfatorios, com resposta a forcantes. Palavras-chave: Modelagem de reservatorios. Modelo 1D ecologico-hidrodinamico acoplado. GLM-AED.Abstract: Appropriate reservoirs management involves understanding the complex and dynamic processes that occur in them. The transport and mixing of scalars are strongly influenced by the waterbody thermal regime. Coupled ecological-hydrodynamic numerical models present as a useful tool, in particular one-dimensional vertical models (1DV), due to vertical gradients predominance in the lake dynamics. In addition, they have the advantage of being able to study different scenarios and perform long-term simulations, with low computational cost and minimum calibration requirements. This work aimed to analyze the performance of GLM-AED (General Lake Model - Aquatic EcoDynamics) 1D coupled model in the reproduction of physical, chemical, and biological processes of a subtropical water supply reservoir (Passauna reservoir, Parana - Brazil). Firstly, hydrodynamic modeling was accomplished with GLM, in order to simulate the reservoir water balance and thermal behavior. Then, the AED modeling library was added activating the modules: oxygen, carbon, nitrogen, phosphorus, organic matter, phytoplankton, and totals. The simulation was from August 2017 to February 2019, adopting two configurations, one with the reservoir total depth (17m) and other with the approximate depth of the intake region (12m), where measurements were made. Period with field data, March 2018 to February 2019, was used to calibrate the model. In general, the simulation for the reservoir total depth showed a better performance. By this methodology, the model was able to reproduce the water balance more adequately, which influenced the results of the waterbody thermal profile. The error metrics between the temperature model results and the thermistors records are in accordance with values found in literature, since the mean absolute error (MAE) was below 1.7 ?C and the root mean square error (RMSE) less than 2.3 ?C. The model was able to represent the stratification phenology, also verified by the physical indices calculation, which showed greater instability in the coldest period, with the occurrence of mixing between the layers. Regarding dissolved oxygen, the model showed a very homogeneous distribution pattern in the water column. The dynamics were better reproduced in the bottom layer, which exhibited a higher correlation coefficient. However, MAE and RMSE were lower for the region close to the surface, indicating greater agreement of the values in terms of the order of magnitude. As for chemical substances (nitrogen and phosphorus) and chlorophyll-a, due to the restriction of measured data, adjustment of the order of magnitude was prioritized. An important analysis of the reservoir water quality could be performed with the classification of its trophic state. The results showed a predominance of mesotrophic conditions in the waterbody, which corresponds to other studies carried out in the Passauna reservoir. It appears that the model is qualified to study management scenarios, since it presented satisfactory results, with responses to driving factors. Keywords: Reservoir modeling. 1D coupled ecological-hydrodynamic model. GLM-AED