Simulação do metabolismo em um reservatório subtropical integrado à bacia hidrográfica

Reservoirs are considered transition systems between rivers and lakes with particular features due to its morphology and watershed inflows. Studies about aquatic metabolism in subtropical aquatic ecosystems, particularly in reservoirs, have been based on direct measurements and statistical relationships in specific gauge stations of the system rather than on analytical models, which are capable of representing the metabolic processes at different temporal and spatial scales. This paper aimed to evaluate the temporal variability of metabolism in a subtropical reservoir, named Faxinal reservoir, located in Caxias do Sul, Rio Grande do Sul state, Brazil, by using an ecological model (IPH-ECO) which was coupled with a hydrological model (IPH-II) to estimate inflows and nutrient loadings from the watershed. After model calibration, metabolic daily rates of gross primary production (GPP) and respiration (R) were estimated over a 1-year period (from November 2011 to December 2012), considering a process-based algorithm based on dissolved-oxygen budget implemented in the IPH-ECO model. Faxinal reservoir were net heterotrophic 97% of the simulation period. The temporal variability of GPP and R followed the general pattern of phytoplankton biomass in reservoir, which was more related to autochthonous factors such as water residence time, light availability, nutrient concentration and zooplankton grazing. Only during heavy rainfall period, increasing the terrestrial exports, the concentration of phosphorus was higher leading to an increase of chlorophyll-a concentration and hence metabolic rates of GPP and R. Therefore, considering the long dry period during the simulation, the aquatic metabolism of Faxinal reservoir is more influenced by the internal dynamic of the aquatic ecosystem than the watershed inputs.A morfologia e o aporte da bacia hidrográfica fazem dos reservatórios um sistema de transição entre rios e lagos com características particulares em termos hidrodinâmicos e de metabolismo. Estudos sobre o metabolismo em ecossistemas aquáticos subtropicais, particularmente em reservatórios, têm se baseado mais em medições diretas e pontuais e em relações estatísticas que em modelos analíticos capazes de representar os processos envolvidos em diferentes escalas espaço-temporais. O objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade temporal do metabolismo de um reservatório subtropical na cidade de Caxias do Sul/RS através do modelo ecológico IPH-ECO, o qual foi acoplado ao modelo hidrológico IPH-II para estimar as contribuições da bacia hidrográfica. Após a calibração dos modelos, foram calculadas as taxas metabólicas de produção primária (GPP) e respiração (R) para o período de nov/2011 a dez/2012 através dos processos que compõem o balanço de oxigênio no modelo IPH-ECO. O reservatório apresentou um metabolismo autotrófico em 97% do período de simulação. As variações temporais de GPP e R acompanharam o padrão de variação da comunidade fitoplanctônica, sendo esta variação mais associada a fatores autóctones, tais como tempo de residência, disponibilidade de luz na água, concentração de nutrientes e predação por herbívoros. No período de chuva, foi observado um maior aporte de fósforo da bacia hidrográfica que provocou um aumento da concentração de clorofila-a e, consequentemente, das taxas de GPP e R. Considerando o período simulado, o metabolismo do reservatório respondeu mais em função da dinâmica interna do sistema do que ao aporte da bacia hidrográfica

Thermal regime modeling of the public supply tropical reservoir at Juiz de Fora, MG, Brazil

Water temperature changes and the dynamics of thermal stratification of an aquatic ecosystem directly influence physical, chemical and biological processes. Due to disturbances in these environments, such as climate change and multiple water uses, studies which employ modeling are important to support emergency decision-making and future planning. In this context, this study evaluated the thermal behavior of the water supply reservoir of São Pedro, located in the city of Juiz de Fora, MG, using mathematical modeling with the IPH-ECO model to evaluate the surface temperature of water, based on meteorological and hydrological data representing the forcing and boundary conditions, respectively. The modeling of the thermal system showed a significant correlation between predicted and observed values, characterizing the reservoir as a homogeneous environment. The simulations indicated that the tributary contribution determines the pattern of spatio-temporal distribution of water temperature in the reservoir, limiting or regulating the variability of its temperature.As alterações de temperatura da água e a dinâmica de estratificação térmica de um ecossistema aquático influenciam diretamente os processos físicos, químicos e biológicos. Devido às perturbações em que esses ambientes estão expostos, tais como mudanças climáticas e usos múltiplos da água, os estudos por meio de modelagem são importantes para suportar tomadas de decisão emergenciais e planejamentos futuros. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo principal avaliar o comportamento térmico do reservatório de São Pedro utilizado para abastecimento de água, localizado no município de Juiz de Fora, MG, por meio da modelagem matemática com o modelo IPH-ECO para avaliar a temperatura superficial da água, com base em dados meteorológicos e hidrológicos, representando as forçantes e as condições de contorno, respectivamente. A modelagem do regime térmico mostrou correspondência significativa entre os valores simulados e observados, caracterizando o reservatório como um ambiente homogêneo. As simulações indicaram que a contribuição dos afluentes determina o padrão de distribuição espaço-temporal da temperatura da água no reservatório, limitando ou regularizando a sua variabilidade da temperatura

Modelagem do regime térmico de um reservatório tropical de abastecimento público, Juiz de Fora, MG, Brasil

Water temperature changes and the dynamics of thermal stratification of an aquatic ecosystem directly influence physical, chemical and biological processes. Due to disturbances in these environments, such as climate change and multiple water uses, studies which employ modeling are important to support emergency decision-making and future planning. In this context, this study evaluated the thermal behavior of the water supply reservoir of São Pedro, located in the city of Juiz de Fora, MG, using mathematical modeling with the IPH-ECO model to evaluate the surface temperature of water, based on meteorological and hydrological data representing the forcing and boundary conditions, respectively. The modeling of the thermal system showed a significant correlation between predicted and observed values, characterizing the reservoir as a homogeneous environment. The simulations indicated that the tributary contribution determines the pattern of spatio-temporal distribution of water temperature in the reservoir, limiting or regulating the variability of its temperature

Land cover/use influence on the hydrodynamics of the Barra Grande Hydroelectric Power Plant reservoir, Santa Catarina

A influência da cobertura/do uso do solo da bacia hidrográfica sobre o reservatório da Usina Hidrelétrica de Barra Grande (lago artificial alongado, profundo em ambiente de cânion) foi analisada por meio de modelagem matemática utilizando o modelo de grandes bacias (MGB-IPH) para estimativa de vazões, o HEC-RAS para qualidade da água e o IPH-ECO na simulação do reservatório. A modelagem da simulação da alteração da cobertura do solo mostrou que a substituição de florestas por outros usos causou aumento nas vazões e nas cargas de nitrogênio total e fósforo total, e a substituição de outros usos por florestas resultou em redução nas vazões e nas cargas de nitrogênio total e fósforo total. A magnitude da anomalia da carga de nutrientes está associada ao grau de alteração causado no processo de transformação da precipitação em escoamento superficial, à declividade do terreno, aos tipos de solo e às práticas de uso do solo. A bacia hidrográfica apresenta solos rasos em 86% de sua área, com declividades do terreno acentuadas nas cabeceiras, o que facilita o escoamento para o reservatório. Anomalias positivas foram estimadas quando agricultura substitui outros usos e anomalias negativas quando áreas de agricultura são substituídas. A carga de nutrientes que chega ao reservatório está relacionada ao grau de alteração no processo de transformação da precipitação em escoamento superficial, à declividade do terreno, aos tipos de solo e às práticas de uso do solo adotadas. Há estratificação térmica na porção mais profunda, com mistura no inverno, quando a operação da usina pode influenciar a mistura na coluna d’água, com efeito oposto entre a região próxima à barragem e as demais regiões mais distantes da barragem, dependendo das condições de temperatura, vazão e tempo de residência. Esse conhecimento é importante para a gestão do reservatório.The influence of the soil cover of the watershed that contributes to a watershed on the Barra Grande Hydroelectric Power Plant reservoir (subtropical, elongated, and “canyon”) was carried out through mathematical modeling (MGB-IPH for flows, HEC-RAS for water quality, and IPH -ECO for reservoir simulation). Simulation modeling of land cover change showed that replacing forests with other uses caused an increase in flows and loads of total nitrogen and total phosphorus and replacing other uses with forests resulted in a reduction in flows and loads of total nitrogen and total phosphorus. The magnitude of the nutrient load anomaly is associated with the degree of alteration caused in the process of transforming precipitation into surface runoff, terrain slope, soil types, and land use practices. The watershed has shallow soils in 86% of its area, with steep slopes at the headwaters, which facilitates the flow into the reservoir. Positive anomalies were estimated when agriculture replaces other uses and negative anomalies when agricultural areas are replaced. The nutrient load that reaches the reservoir is related to the degree of change in the process of transforming precipitation into surface runoff, the slope of the terrain, the types of soil, and land use practices adopted. There is thermal stratification in the deepest portion, with mixing in winter, where the operation of the plant can influence the mixing in the water column, with opposite effect between the region close to the dam and the other regions further away from the dam, depending on the conditions of temperature, flow, and residence time. Knowledge of structure and function is important to improve reservoir management

Comparison of methods to estimate lake-surface-water temperature using Landsat 7 ETM+ and MODIS imagery : case study of a large shallow subtropical lake in southern Brazil

Water temperature regulates many processes in lakes; therefore, evaluating it is essential to understand its ecological status and functioning, and to comprehend the impact of climate change. Although few studies assessed the accuracy of individual sensors in estimating lake-surface-water temperature (LSWT), comparative analysis considering different sensors is still needed. This study evaluated the performance of two thermal sensors, MODIS and Landsat 7 ETM+, and used Landsat methods to estimate the SWT of a large subtropical lake. MODIS products MOD11 LST and MOD28 SST were used for comparison. For the Landsat images, the radiative transfer equation (RTE), using NASA’s Atmospheric Correction Parameter Calculator (AtmCorr) parameters, was compared with the single-channel algorithm in different approaches. Our results showed that MOD11 obtained the highest accuracy (RMSE of 1.05 C), and is the recommended product for LSWT studies. For Landsat-derived SWT, AtmCorr obtained the highest accuracy (RMSE of 1.07 C) and is the recommended method for small lakes. Sensitivity analysis showed that Landsat-derived LSWT using the RTE is very sensitive to atmospheric parameters and emissivity. A discussion of the main error sources was conducted. We recommend that similar tests be applied for Landsat imagery on different lakes, further studies on algorithms to correct the cool-skin effect in inland waters, and tests of different emissivity values to verify if it can compensate for this effect, in an effort to improve the accuracy of these estimates