Modelling of water quality in the Alqueva Reservoir, Portugal

Tese de doutoramento em Engenharia CivilEutrophication is a serious environmental problem in lakes and reservoirs worldwide. The eutrophic Alqueva reservoir (Portugal) is the largest western European reservoir and constitutes a vital regional water resource. The river Guadiana, which is the main tributary to the Alqueva reservoir, imports large nutrient loads leading to eutrophication being an issue in this waterbody. But despite its importance and problems, few scientific studies concerning the Alqueva exist. This work aims at contributing to foster the understanding of water ecology in the Alqueva reservoir through the use of data analysis techniques and numerical modelling. The results contained herein can be used to assist management decisions in this waterbody and the modelling effort can be used to obtain forecasts in this and other reservoirs and improve understanding of ecological behavior there. Data analysis methods, namely time series analysis, were applied to monitoring data collected between 2003-2009 at several locations and depths in the Alqueva reservoir in order to infer possible spatial and temporal patterns. The monitoring data comprised climatology, hydrology and water quality data from different sources. Data analysis showed that the Alqueva behavior presents high interannual variability. This is mainly a consequence of the high variability of precipitation, nutrient loads and Guadiana hydrological regimen. It was found that the system is P-limited and that nutrients input is mostly dependent on the main tributary input loads. Therefore management schemes aimed at improving the trophic level in the Alqueva should focus on reducing phosphorus in the Guadiana inflow. Numerical modelling main goals were to develop and apply tools to simulate the main ecological traits in the Alqueva reservoir. A new numerical model to simulate eutrophication processes in lakes and reservoirs based on a hybrid deterministic-stochastic approach was developed. A plain methodology to estimate nutrient loads in a basin was also developed. These tools were used together with the finite element based hydrodynamic model RMA-10 to perform simulations of currents, thermal structure and eutrophication in the Alqueva reservoir. The models were successfully calibrated and validated in both two-dimensional and three-dimensional versions. Model performance was assessed by comparing simulation results with in situ measured data. It was found that the models reproduced Alqueva thermal structure quite accurately and eutrophication related trends reasonably well. The performance of the eutrophication tool was constrained by the availability and quality of input and forcing data. It was shown that the particular geomorphological and hydrological characteristics of the reservoir together with local climate features are responsible for the existence of two distinct ecological regions within the reservoir whose boundary can be placed at a transect south of monitoring station 3: - The upper part of the reservoir is a shallow channel like region with riverine characteristics that is interrupted by a few scattered deeper pools. This area receives the major nutrients input and is eutrophic. Hydrodynamic in this area is governed by hydraulically induced currents from the Guadiana. - The lower part of the reservoir is a deep lacustrine area that presents stable thermal and oxygen stratification in summer (April – October). In this region, wind induced currents and thermal stratification are the dominant hydrodynamic traits. Wind is dominant over hydraulic flow during all year and affects mostly the surface circulation. Model results indicate that the velocities in the reservoir are always smaller than 0.25 m/s, with the higher values occurring in the upper reservoir area. The Alqueva was found to present a monomictic behavior with a seasonal summer stratification that is responsible for generating anoxic bottom waters during dry season. An autumnal overturn leads to a fully mixed water column in winter season. Model findings, corroborated by data, indicate that phytoplankton in the Alqueva peaks in spring and in autumn with productivity in the upper reservoir area presenting values much higher than in the lower part. Dry season ecology seems to be ruled by stratification while wet season ecology main driving force appears to be the nutrients load through the main tributary. The Alqueva was build to boost economic development in the region and provide irrigation water for agriculture activities. It can be inferred from the results of the present work that the major problem it may face is the impacts of the poor water quality coming from the Guadiana. The Guadiana river carries wastewater with a high level of nutrients from a large Spanish population, from industries and from agriculture activities. The development of effective water quality management in this reservoir should therefore focus on nutrient containment strategies for the Guadiana river inflow.A eutrofização constitui um sério problema ambiental em lagos e albufeiras. A albufeira de Alqueva (Portugal) é a maior albufeira da Europa ocidental e constitui um importante recurso aquático regional. O principal afluente de Alqueva, o rio Guadiana, introduz elevadas cargas de nutrientes na albufeira fazendo com que a eutrofização seja motivo de preocupação nesta albufeira. Apesar da sua importância e problemas, existem poucos estudos científicos sobre a albufeira de Alqueva. Este trabalho tem como objectivo contribuir para o conhecimento e compreensão da ecologia aquática na albufeira de Alqueva através do uso de análise de dados e modelação matemática. Os resultados obtidos podem ser utilizados na tomada de decisões de gestão nesta albufeira e o trabalho de modelação pode ser utilizado para efectuar previsões nesta ou noutras albufeiras ou lagos. Foram aplicados métodos de análise de dados, nomeadamente métodos de análise de séries temporais, a dados de campanhas de monitorização recolhidos no período 2003-2009 em diferentes pontos da albufeira de Alqueva para inferir da existência de padrões espaciais e temporais. Os dados de monitorização são oriundos de diferentes fontes e abrangem climatologia, hidrologia e qualidade da água A análise de dados permitiu concluir que a ecologia do Alqueva tem uma elevada variabilidade interanual que é consequência da elevada variabilidade da precipitação, cargas de nutrientes e regime hidrológico. Concluiu-se que o nutriente limitante é o fósforo e que a entrada de nutrientes no sistema depende sobretudo das cargas que entram pelo afluente principal. Donde resulta que uma gestão eficiente da melhoria do estado trófico da albufeira deve centrar-se na redução do fósforo nas afluências do Guadiana. Os principais objectivos da modelação foram desenvolver e aplicar ferramentas para simular as principais características ecológicas da albufeira de Alqueva. Desenvolveu-se um novo modelo matemático para simular a eutrofização em lagos e albufeiras baseado numa abordagem híbrida determinística-estocástica. Desenvolveu-se também uma metodologia simples para estimar cargas de nutrientes em bacias hidrográficas. Estes instrumentos foram utilizados em conjunto com o modelo hidrodinâmico RMA10, baseado no método dos elementos finitos, para simular correntes, estrutura térmica e eutrofização na albufeira de Alqueva. Os modelos foram calibrados e validados com sucesso nas versões tridimensional e bidimensional integrada lateralmente. O desempenho dos modelos foi avaliado por comparação entre os resultados de simulações e medidas experimentais realizadas in situ. Verificou-se que os modelos reproduzem com grande exactidão a estrutura térmica da albugeira de Alqueva e razoavelmente bem as variações relacionadas com a eutrofização. O desempenho do modelo de eutrofização foi condicionado pela disponibilidade e qualidade dos dados de entrada e de forçamento. Mostrou-se que as características geomorfológicas e hidrológicas particulares da albufeira, em conjunto com características climáticas locais, são responsáveis pela existência de duas zonas ecológicas distintas na albufeira, cuja fronteira se localiza a sul da estação de amostragem 3: - A parte superior da albufeira é uma região de leito linear com águas pouco profundas, interrompida a espaços por lagoas mais profundas, que tem características fluviais. Esta zona é muito eutrófica e por ela entram a maior parte dos nutrientes do sistema. A hidrodinâmica nesta área é governada por correntes induzidas pelo fluxo do Guadiana. - A parte inferior da albufeira é uma região lacustre profunda que apresenta estratificações térmica e de oxigénio estáveis durante o verão (Abril - Outubro). Nesta zona as características hidrodinâmicas dominantes são as correntes induzidas pelo vento e a estratificação térmica. O vento é dominante sobre o fluxo hidráulico durante todo o ano e afecta sobretudo a circulação à superfície. Os resultados da modelação indicam que as velocidades na albufeira são sempre inferiores a 0.25 m/s, com os maiores valores a ocorrer na parte superior da albufeira. Concluiu-se que a albufeira de Alqueva apresenta um comportamento monomíctico com uma estratificação sazonal de verão que é responsável pela geração de camadas de água anóxica no fundo da albufeira durante a estação seca. A circulação convectiva outonal dá origem a uma coluna de água completamente misturada na estação do inverno. Os resultados de modelação, corroborados por dados de campo, indicam que o fitoplâncton no Alqueva apresenta picos primaveris e outonais, com a produtividade na parte superior da albufeira a apresentar sempre valores muito superiores à da parte inferior. A ecologia da estação seca parece ser governada pela estratificação ao passo que a força motriz da ecologia da estação húmida aparenta ser a carga de nutrientes que entra através do afluente principal. A barragem de Alqueva foi construída para fomentar o desenvolvimento económico regional e fornecer água de irrigação para actividades agrícolas. Dos resultados obtidos neste trabalho pode-se concluir que o maior problema com que a albufeira se depara é os impactos da água de baixa qualidade que é trazida pelo rio Guadiana. O Guadiana transporta efluentes com um elevado nível de nutrientes provenientes de uma vasta população espanhola, de indústrias e de actividades agrícolas. Consequentemente, o desenvolvimento de uma gestão de qualidade da água eficaz nesta albufeira deve centrar-se em estratégias de remediação/contenção do fósforo trazido pelo Guadiana