Análise hidrodinâmica e biogeoquímica de uma laguna costeira subtropical em bacia hidrográfica urbanizada: Lagoa da Conceição, Florianópolis, Santa Catarina

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2021.O modelo numérico Delft-3D foi utilizado nos estudos da distribuição e variabilidade de propriedades de qualidade da água e da circulação tridimensional do sistema estuarino da Lagoa da Conceição ? SC. Os resultados do modelo foram validados quantitativamente, usando dados experimentais de nível e corrente da laguna amostrados por um marégrafo e um perfilador de corrente (ADCP) e dados de qualidade da água levantados em campo e extraídos da literatura para os anos de 2001 e 2015. Foi construído um modelo de regionalização de vazões e descargas de nutrientes de fonte natural e antrópica para todas as sub-bacias que drenam para a LdC. Foram identificadas quatro unidades de resposta hidrológicas distintas na bacia da LdC, com características distintas de produção de vazão e em sua dinâmica de resposta a eventos de chuva. O modelo de regionalização de vazões foi validado com dados experimentais em três bacias de controle com valores do índice de Nashutcliffe médio de 0,80. A contribuição fluvial total que drena para a LdC foi estimada em 1,63 m3/s. Destas, 63% é produzida pelas bacias rochosas (UrH Maciços), 22% da vazão entra pelas bacias do Norte (UrH Norte) e 15% entra pelas bacias da vertente oceânica (UrH Dunas e Planície Costeira). O modelo hidrodinâmico foi calibrado e validado e obteve RMSE de 0,0085, R2 de 0,81 para os níveis. As correntes também apresentaram boa aproximação em amplitude de intensidades, direção e sentido das correntes. O campo de velocidades mostrou que a LdC é um corpo de água heterogêneo, com campo rotacional e divergente que variam de acordo com a região do fluxo de escoamento. As características morfológicas e as entradas fluviais criam regiões de fluxo preferencial, vórtices e recirculações. O índice de Richardson mostrou resultados que validam a região de estratificação no setor Central juntamente com uma célula de recirculação de alta pressão na mesma região. Esse mesmo conjunto de condições acontece em uma área do setor Centro-Norte. O fluxo residual na laguna é sentido laguna-oceano, assim sendo, a maior contribuição para energia das oscilações de nível e corrente é oceânico ? 92,4% da variância do sinal do nível, sendo que todas os outros estressores juntos (vento, precipitação e entradas fluviais) correspondem a menor parte, 7,6% da variância. As velocidades médias no corpo lagunar são da ordem de 1,4 a 4,2 cm/s, chegando a máximas de 43 cm/s na região Central. No canal, a velocidade média foi de 21cm/s com máxima de 191cm/s. Os tempos de residência foram estimados pelo método do traçador lagrangiano, sendo que para o setor Norte foi de 210 dias, Centro-Norte foi de 180 dias, Central foi de 150 e Sul foi de 270 dias. Contudo, o tempo total de renovação de 95% de toda LdC chegou a 360 dias. Os setores de maior conectividade hidrodinâmica com os demais foram o Central e Centro-Norte. O modelo LOICZ apresentou valores de tempo de residência inferiores aos do modelo proposto (160 dias), indicando, assim, uma possível estimativa maior do fluxo difusivo na formulação do modelo LOICZ. Foi identificado que o crescimento populacional na BH é heterogêneo e segue a dinâmica de curva logística que foi melhor calibrada para cada distrito separadamente. Por meio dos índices construtivos do Plano Diretor Municipal, foi estimada uma população máxima de 71.792 habitantes, sendo que os distritos Lagoa da Conceição e Barra da Lagoa tiveram o pico de crescimento em 2005 e 1986, respectivamente, e já estão próximos do estado de ocupação máxima. Entretanto, o Distrito do Rio Vermelho ainda tende a mais do que duplicar a população até 2040, concentrando 39 dos 69 mil habitantes estimados para essa data. Os dados experimentais de nutrientes na nascente e foz dos quatro rios monitorados mostraram que de 69 a 96% da descarga de NID das bacias urbanizadas são de fonte antrópica, sendo que, para o PID, esse número é de 87 a 97%. Através da análise de componentes principais, as varáveis mais importantes para descrever as variações espaciais e temporais para os dados de qualidade da água da laguna de 2001 a 2017 foram Oxigênio Dissolvido, nitrogênio e clorofila. Os efeitos de alta concentração de nutrientes nas proximidades dos rios e nas extremidades Norte e Sul da laguna se intensificam de 2001 a 2017, como observado nos dados experimentais. O modelo de qualidade de água se ajustou bem aos dados experimentais de 2001 e 2015, estima-se que para 2040 ocorrerá um crescimento muito acentuado nas concentrações de amônio, nitrato e fosfato em toda laguna, mas com maior impacto nos setores Sul e Norte. Em suma, a LdC se apresentou como um ambiente aquático muito sensível às mudanças de uso e de ocupação da BH e se mostra em processo de eutrofização acelerada, sobretudo nas regiões de maior influência antrópica e de menor influência da diluição oceânica (extremo Norte e Sul da laguna). É importante frisar que, caso sejam feitas mudanças no plano diretor para aumento da população-limite, os efeitos deletérios da eutrofização podem se agravar ainda mais. Entretanto, o contrário também é valido, caso as condições de saneamento da BH sejam melhoradas, as descargas antrópicas de nutrientes podem reduzir, melhorando, assim, a qualidade de água da laguna. Portanto, se faz necessário estabelecer estratégias de saneamento mais eficazes que podem ser orientadas por uma legislação local mais restritiva para o lançamento de efluentes tratados na LdC, em especial para os parâmetros de matéria orgânica, nitrogênio e fósforo.Abstract: The Delft-3D numerical model was used to study the distribution and variability of water quality properties, and the three-dimensional circulation of the Lagoa da Conceição ? SC estuarine system. The model results were validated quantitatively using experimental data of level and current of the lagoon sampled by a tide gauge and a current profiler (ADCP) and water quality data collected in the field and extracted from the literature for the years 2001 and 2015. A regionalization flows model was build and the nutrients inputs from natural and anthropic sources was estimated for all sub-basins that drain into the LdC. Four distinct hydrological response units were identified in the LdC basin, with distinct characteristics of flow production and in their dynamic response to rainfall events. The flow regionalization model was validated with experimental data in three control basins with mean Nashutcliffe index values of 0.80. The total fluvial contribution that drains to the LdC was estimated at 1.63 m3/s. Of these, 63% is produced by the rocky basins (UrH Massifs), 22% of the flow enters the northern basins (UrH Norte) and 15% enters the basins of the oceanic slope (UrH Dunas and Coastal Plain). The hydrodynamic model was calibrated and validated and obtained RMSE of 0.0085, R2 of 0.81 for the levels. The currents also presented good approximation in amplitude of intensities, direction and direction of the currents. The velocity field showed that the LdC is a heterogeneous body of water, with a rotational and divergent field that varies according to the region of the flow. The morphological features and river entrances create regions of preferential flow, vortices and recirculations. The Richardson index showed results that validate the stratification region in the Central sector together with a high pressure recirculation cell in the table region. This same set of conditions occurs in an area of the center north sector. The residual flow in the lagoon is in the lagoon-ocean direction, so the largest contribution to the energy of the level and current oscillations is oceanic - 92.4% of the level signal variance, with all the other stressors together (wind, precipitation and inflows). rivers) correspond to the smallest part, 7.6% of the variance. The average velocities in the lagoon body are of the order of 1.4 to 4.2 cm/s, reaching maximums of 43 cm/s in the Central region. In the channel, the average speed was 21cm/s with a maximum of 191cm/s. The residence times were estimated using the Lagrangian tracer method, with 210 days for the North sector, 180 days for the North Center, 150 for the Central and 270 days for the South. However, the total renewal time of 95% of the entire LdC reached 360 days. The sectors with greater hydrodynamic connectivity with the others were the Central and Central North. The LOICZ model presented lower residence time values than the proposed model (160 days), thus indicating a possible higher estimate of the diffusive flow in the formulation of the LOICZ model. It was identified that the population growth in BH is heterogeneous and follows the dynamics of the logistic curve that was better calibrated for each district separately. Through the constructive indexes of the Municipal Master Plan, a maximum population of 71,792 inhabitants was estimated, and the districts Lagoa da Conceição, Barra da Lagoa had the peak of growth in 2005 and 1986 respectively and are already close to the state of maximum occupation, however the District of Rio Vermelho still tends to more than double its population by 2040, concentrating 39 of the 69 thousand inhabitants estimated for that date. Experimental data on nutrients at the source and mouth of the four monitored rivers showed that 69 to 96% of NID discharge from urbanized basins is from anthropic sources, and for the PID this number is from 87 to 97%. Through principal component analysis, the most important variables to describe the spatial and temporal variations for the lagoon water quality data from 2001 to 2017 were Dissolved Oxygen, Nitrogen and Chlorophyll. The effects of high concentration of nutrients in the vicinity of the rivers and in the north and south ends of the lagoon intensified from 2001 to 2017 as observed in the experimental data. The water quality model fitted well to the experimental data from 2001 and 2015 and estimated that by 2040 there will be a very sharp increase in ammonium, nitrate and phosphate concentrations throughout the lagoon, but with greater impact in the South and North sectors. In short, the LdC presented itself as an aquatic environment that is very sensitive to changes in use and occupation of the BH and shows itself in a process of accelerated eutrophication, especially in regions of greater anthropic influence and less influence of oceanic dilution (north and south end of the lagoon) . It is important to emphasize that if changes are made to the master plan to increase the limit population, the deleterious effects of eutrophication may worsen even more. However, the opposite is also valid, if the sanitation conditions of the BH are improved, the anthropic discharges of nutrients can reduce, thus improving the water quality of the lagoon. Therefore, more effective sanitation strategies are needed that can be guided by more restrictive local legislation for the release of treated effluents into the LdC, especially for the parameters of organic matter, nitrogen and phosphorus