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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/59726| Tipo: | Tese |
| Título : | Relações entre hidroclimatologia, hidrodinâmica, qualidade da água e taxas de evaporação em um lago tropical urbano |
| Autor : | Mesquita, Janine Brandão de Farias |
| Tutor: | Lima Neto, Iran Eduardo |
| Palabras clave : | Modelagem hidrodinâmica;CE-QUAL-W2;Evaporação;Tanque classe A;Coeficiente de correção;SWMM;Qualidade da água;Acoplamento de modelos |
| Fecha de publicación : | 2021 |
| Citación : | MESQUITA, Janine Brandão de Farias. Relações entre hidroclimatologia, hidrodinâmica, qualidade da água e taxas de evaporação em um lago tropical urbano. 2021. 153 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Fortaleza, 2021. |
| Resumen en portugués brasileño: | A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem A evaporação representa uma das principais perdas nos mananciais superficiais que podem afetar afetar afetar afetar diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido,diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido,diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido,diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido,diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, diretamente a disponibilidade hídrica. Nesse sentido, o presente trabalho objetivou analisar, de forma integrada, as relações entre as condições hidroclimáticas, hidrodinâmicas e da qualidade da água, e seus impactos nas taxas de evaporação de um lago tropical urbano, utilizando um modelo hidrodinâmico bidimensional e através do acoplamento de modelos. A área de estudo é o lago Santo Anastácio, com capacidade de cerca de 0,4 hm³ e profundidade máxima de 5 m, localizado na cidade de Fortaleza, Ceará, Brasil. Estruturou-se esta tese em dois capítulos de revisão e dois artigos científicos. Inicialmente, identificaram-se as potencialidades científicas através da revisão na literatura sobre hidrodinâmica, qualidade da água e evaporação. Posteriormente, o modelo bidimensional CE-QUAL-W2 foi utilizado para simular a hidrodinâmica e a evaporação direta do lago, e uma equação de estimativa de evaporação baseada no método de transferência de massa foi calibrada. Modelou-se a evaporação direta, integrada à análise das características térmicas da coluna de água, tanto para a condição de lago estratificado como para o regime hidráulico de mistura completa, com vistas a avaliar o impacto da estratificação térmica nas taxas de evaporação. A evaporação modelada foi comparada às medições obtidas ao longo de um período de 11 anos (2009 a 2019) com um tanque de Classe A. Os resultados indicaram uma estratificação térmica diária de até 2 °C e um aumento médio de 2% da evaporação do lago estratificado em relação ao regime de mistura completa. Comparando-se a evaporação modelada com a medida pelo tanque Classe A, os coeficientes médios do tanque Classe A (K) ficaram entre 0,66 e 0,69, abaixo dos valores reportados na literatura, possivelmente devido à elevada concentração de poluentes no lago. Finalmente, os coeficientes K foram negativamente correlacionados com a velocidade do vento (R2 de 0,51; p-valor <0,05), temperatura do ar (R2 de 0,67; p-valor <0,05) e concentração de fósforo total no período seco (R2 de 0,41; p - valor <0,05); sugerindo que a ressuspensão de fósforo induzida pelo vento atenuou as taxas de evaporação no lago. O impacto de diferentes valores dos coeficientes K na disponibilidade hídrica também foi investigado. Finalmente, na última contribuição científica, acoplou-se o modelo Storm Water Management Model (SWMM) ao CE-QUAL-W2 para avaliar o impacto das características hidrológicas na hidrodinâmica, considerando a qualidade da água e o seu impacto nas taxas de evaporação. Selecionaram-se três anos, de acordo com as características pluviométricas, de uma série temporal de 20 anos: 2013 (seco), 2018 (típico) e 2019 (chuvoso). Realizou-se a simulação hidrológica no SWMM e acoplaram-se as séries temporais de vazões ao modelo CE-QUAL-W2. Em seguida, aplicaram-se dois modelos de qualidade de água: um modelo transiente de mistura completa e um empírico, baseado na velocidade do vento. Geraram-se séries temporais de concentrações de fósforo total e foram propostas correlações empíricas entre o referido parâmetro, cargas de fósforo, variáveis sanitárias e hidrológicas. As concentrações de fósforo total modeladas e a Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) foram correlacionadas aos coeficientes de correção mensais do tanque Classe A. Constatou-se uma leve variação das caraterísticas hidrodinâmicas com o aumento da precipitação anual, tais como o aumento da temperatura média da água (comparando-se 2013 e 2019) e uma diminuição do tempo de residência hidráulico. Essas tendências de aumento da temperatura média da água e diminuição do tempo de residência hidráulico também são observadas quando se analisa o aumento sazonal da precipitação (período chuvoso e seco), exceto para a temperatura da água nos anos de 2018 e 2019. Uma correlação estatisticamente significativa entre a precipitação e o tempo de residência hidráulico também foi obtida (R² de 0,79), apontando para a predominância da influência da vazão de entrada nos padrões hidrodinâmicos do lago raso. Ademais, obtiveram-se correlações entre a vazão afluente e o fósforo total (R² de 0,70); e os resíduos sólidos de varrição e limpeza do canal afluente e as cargas de fósforo total aportadas (R² de 0,96 e 0,64, respectivamente). Por fim, os coeficientes K foram negativamente correlacionados com as concentrações de fósforo total modeladas pelo modelo de mistura completa (R² de 0,76) e pelo modelo empírico (R² de 0,52), bem como pela DBO (R² de 0,85), no período seco. Também foram analisados cenários de redução de nível do lago devido à evaporação. Os estudos apontaram para a influência direta das condições hidroclimáticas, hidrodinâmicas e da qualidade da água nas taxas de evaporação do lago tropical. Os resultados desta tese são importantes para auxiliar na gestão operacional de lagos e reservatórios. |
| Abstract: | Evaporation represents one of the main losses in surface water sources that can directly affect water availability. In this sense, the present work aimed to analyze, in an integrated way, the relationships between hydroclimatic, hydrodynamic and water quality conditions, and their impacts on the evaporation rates of an urban tropical lake, using a two-dimensional hydrodynamic model and through coupling of models. The study area is Lake Santo Anastácio, with a capacity of about 0.4 hm³ and a maximum depth of 5 m, located in the city of Fortaleza, Ceará, Brazil. This thesis was structured in two review chapters and two scientific articles. Initially, the scientific potential was identified through a literature review on hydrodynamics, water quality and evaporation. Subsequently, the two-dimensional model CE-QUAL-W2 was used to simulate the hydrodynamics and direct evaporation of the lake, and an equation for estimating evaporation based on the mass transfer method was calibrated. Direct evaporation was modeled, integrated with the analysis of the thermal characteristics of the water column, both for the condition of a stratified lake and for the hydraulic regime of complete mixing, in order to evaluate the impact of thermal stratification on evaporation rates. The modeled evaporation was compared to measurements obtained over an 11-year period (2009 to 2019) with a Class A pan. The results indicated a daily thermal stratification of up to 2 °C and an average increase of 2% in evaporation lake stratified in relation to the complete mixing regime. Comparing the modeled evaporation with that measured by the Class A pan, the average coefficients of the Class A pan (K) were between 0.66 and 0.69, below the values reported in the literature, possibly due to the high concentration of pollutants in the lake. Finally, the K coefficients were negatively correlated with wind speed (R2 of 0.51; p-value <0.05), air temperature (R2 of 0.67; p-value <0.05) and concentration of total phosphorus in the dry period (R2 of 0.41; p - value <0.05); suggesting that wind-induced phosphorus resuspension attenuated evaporation rates in the lake. The impact of different values of the K coefficients on water availability was also investigated. Finally, in the last scientific contribution, the Storm Water Management Model (SWMM) was coupled with CE-QUAL-W2 to assess the impact of hydrological characteristics on hydrodynamics, considering water quality and its impact on evaporation rates. Three years were selected, according to rainfall characteristics, from a 20-year time series: 2013 (dry), 2018 (typical) and 2019 (rainy). The hydrological simulation was carried out in SWMM and the flow time series were coupled to the CE-QUAL-W2 model. Then, two water quality models were applied: a transient complete-mix model and an empirical one, based on wind speed. Time series of total phosphorus concentrations were generated andempirical correlations between the aforementioned parameter, phosphorus loads, sanitary and hydrological variables were proposed. The modeled total phosphorus concentrations and the Biochemical Oxygen Demand (BOD) were correlated to the monthly Class A pan coefficients. There was a slight variation in hydrodynamic characteristics with an increase in annual precipitation, such as an increase in the average water temperature (comparing 2013 and 2019) and a decrease in the hydraulic residence time. These trends of increasing average water temperature and decreasing hydraulic residence time are also observed when analyzing the seasonal increase in precipitation (rainy and dry season), except for water temperature in the years 2018 and 2019. A statistically significant correlation between rainfall and hydraulic residence time was also obtained (R² of 0.79), pointing to the predominance of the influence of the inflow in the hydrodynamic patterns of the shallow lake. Furthermore, correlations were obtained between the inflow and total phosphorus (R² of 0.70); and the solid waste from sweeping and cleaning of the tributary channel and the input loads of total phosphorus (R² of 0.96 and 0.64, respectively). Finally, K coefficients were negatively correlated with total phosphorus concentrations modeled by the complete-mix model (R² of 0.76) and by the empirical model (R² of 0.52), as well as by BOD (R² of 0.85) in the dry season. Scenarios of lake level reduction due to evaporation were also analyzed. The studies pointed to the direct influence of hydroclimatic, hydrodynamic and water quality conditions on the tropical lake's evaporation rates. The results of this thesis are important to assist in the operational management of lakes and reservoirs. |
| URI : | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/59726 |
| Aparece en las colecciones: | DEHA - Teses defendidas na UFC |
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