Modelagem hidrodinâmica tridimensional para avaliação espaço-temporal do comportamento térmico de um reservatório urbano: estudo de caso na Lagoa da Pampulha, Belo Horizonte - MG
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Ricardo Tezini Minoti
Iran Eduardo Lima Neto
Iran Eduardo Lima Neto
Resumo
Devido aos usos múltiplos e serviços ecossistêmicos, reservatórios localizados dentro ou próximos a grandes centros urbanos sofrem com pressões antrópicas, que resultam no aumento do aporte de nutrientes, sedimentos e poluentes no sistema. Monitorar de forma temporal e espacial adequada variáveis relacionadas à qualidade da água em reservatórios, como a temperatura, muitas vezes pode ser oneroso. Logo, modelos hidrodinâmicos vêm sendo utilizados como ferramenta auxiliar na compreensão da dinâmica da temperatura em reservatórios. Utilizando-se de um modelo hidrodinâmico tridimensional, esse estudo buscou avaliar o comportamento térmico da Lagoa da Pampulha, reservatório urbano localizado em Belo Horizonte (MG). Foram utilizados dados morfométricos, séries temporais hidrológicas e meteorológicas no período de 2013 a 2015 para calibração e validação do modelo. Medições in situ de temperatura da água foram obtidas através de monitoramento realizado no mesmo período. O desempenho do modelo foi avaliado na calibração e na validação por meio da raiz do erro médio quadrático (RMSE), do erro médio absoluto (MAE) e coeficiente de determinação (R2). Para avaliar a sensibilidade do modelo a mudanças nas variáveis de entrada, variou-se a vazão de entrada e a temperatura da água dos tributários. Para caracterização dos eventos de mistura e estratificação, foram calculados índices físicos relacionados a esses processos. Avaliou-se, também, de forma espacial e temporal a temperatura da água e a velocidade do fluxo em diferentes regiões do reservatório. Na calibração, os resultados apontaram que o modelo não representou de forma clara os eventos de estratificação, porém representou de forma precisa os eventos de mistura. Obteve-se RMSE de 0,84°C e MAE de 0,65°C para todo o período de calibração. Na validação, obteve-se RMSE de 0,68°C e MAE de 0,64°C para o ano de 2014 e RMSE de 0,90°C e MAE de 0,65°C para o ano de 2015. Na análise de sensibilidade, pode-se observar que a variação de 20% na vazão e o aumento de 2°C na temperatura da água dos afluentes afetaram a temperatura da água na superfície do reservatório. Na análise dos eventos de estratificação e mistura através dos resultados de temperatura na água em diferentes pontos da Lagoa, pode-se observar que a Lagoa da Pampulha mantém a condição de estratificação a maior parte do ano. Para a velocidade do fluxo, foram observadas maiores velocidades na superfície em todas as regiões do reservatório. Por fim, os resultados obtidos mostraram que utilização de um modelo hidrodinâmico tridimensional calibrado e validado é uma ferramenta essencial na compreensão do comportamento térmico da Lagoa da Pampulha, podendo ser utilizado na análise de variáveis importantes e no gerenciamento dos recursos hídricos.
Abstract
Due to multiple uses and ecosystem services, reservoirs located within or near large burban centers are subjected to anthropogenic pressures, resulting in increased input of nutrients, sediments, and pollutants into the system. Temporal and spatial monitoring of water quality variables in reservoirs, such as temperature, can often be costly. Therefore, hydrodynamic models have been used as an auxiliary tool to understand the temperature dynamics in reservoirs. Using a three-dimensional hydrodynamic model, this study aimed to evaluate the thermal behavior of Lagoa da Pampulha, an urban reservoir located in Belo Horizonte (MG), Brazil. Morphometric data, hydrological and meteorological time series from 2013 to 2015 were used for model calibration and validation. In-situ water temperature measurements were obtained through monitoring conducted during the same period. The model's performance was assessed in calibration and validation using root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), and coefficient of determination (R2). To evaluate the model's sensitivity to changes in input variables, variations in inflow discharge and tributary water temperature were considered. Physical indices related to mixing and stratification events were calculated to characterize these processes. Water temperature and flow velocity were also spatially and temporally analyzed in different regions of the reservoir. In calibration, the results indicated that the model did not clearly represent stratification events but accurately simulated mixing events. The RMSE was 0.84°C and MAE was 0.65°C for the entire calibration period. In validation, RMSE was 0.68°C and MAE was 0.64°C for the year 2014, and RMSE was 0.90°C and MAE was 0.65°C for the year 2015. In the sensitivity analysis, it was observed that a 20% variation in inflow discharge and a 2°C increase in tributary water temperature affected the surface water temperature of the reservoir. Analyzing stratification and mixing events through water temperature results at different points in Lagoa da Pampulha, it was found that stratification prevailed for most of the year. Higher flow velocities were observed at the surface in all regions of the reservoir. Ultimately, the results obtained demonstrate that the use of a calibrated and validated three-dimensional hydrodynamic model is an essential tool in understanding the thermal behavior of Lagoa da Pampulha, enabling the analysis of important variables and water resource management.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Modelagem, Temperatura - Medição, Água - Qualidade, Reservatórios, Pampulha, Lagoa da (MG)
Palavras-chave
Processos hidrodinâmicos, Delft3D, Temperatura da água
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