Modelagem do ciclo de carbono de reservatórios

Orientador : Prof. Dr. Maurício Felga GobbiDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa: Curitiba, 13/06/2016Inclui referências : f. 108-113Resumo: Propõe-se neste trabalho um modelo para estimativa de emissões de gases de efeito estufa (CO2 e CH4) por reservatórios de usinas hidrelétricas. O modelo foi construído baseando-se nas relações do ciclo do carbono na coluna d'água e no sedimento, focando-se nas concentrações de carbono orgânico particulado (lábil e refratário), dissolvido, oxigênio dissolvido, carbono inorgânico e metano. A modelagem foi construída considerando-se as variações verticais de temperatura e concentrações dos compostos deste ciclo na coluna d''agua e de forma média (concentrada) nas duas camadas de sedimento (aeróbia e anaeróbia). Nas simulações realizadas para os reservatórios de Funil (RJ) e do Rio Verde (PR) foi possível se obter bons resultados para os perfis de temperatura e concentração dos compostos na coluna d'água, além de resultados coerentes nas emissões de CO2 e CH4 para a atmosfera, apesar de não terem sido idênticos aos valores medidos em campo. Para o reservatório de Funil, foram obtidos alguns valores de fluxos de CO2 e CH4 muito próximos aos medidos em campo, mas não em todo o período de simulação e eventualmente na mesma ordem de grandeza para emiss˜oes de CH4 no sedimento. Para ambos os reservatórios foram obtidos resultados de fluxos em faixas de valores muito próximas, mesmo possuindo características muito diferentes de vazão e área/volume total, além de resultados de consumo de metano na oxiclina próximos ao comportamento observado em campo em outros lagos. Palavras Chave: Emissão de Gases de Efeito Estufa, Reservatórios, Modelo Unidimensional, Ciclo Biogeoquímico, Modelagem AmbientalAbstract: In this work we propose a model for greenhose gas emissions from reservoirs. The model is based on equations for carbon balance within the water column and the sediment bed. Specificaly the model considers concentrations of refractory and labile particulate organic carbon, dissolved organic carbon, dissolved axigen, carbon dioxide, and methane. The model considers vertical concentration variation, and vertical temperature variation for stratification and mixing in the water column, and considers two sediment layers for the reservoir bed. The model was applied to two very different reservoirs (Verde and Funil) in Brazil, and was able to reproduce quite well the temperature changes within the water bodies, and predicted emissions of CO2 and CH4 which are at least with what is expected from water quality type models in trems of errors compared to measured data, despite the fact that no calibration was perfermed and literature values were used for coeficients. Methane consumption near the thermocline was also prtedicted by the model which agrees with observed data. Keys: Greenhouse Effect Gases Emission, Reservoirs, Unidimensional Model, Biogeochemistry Cycle, Environmental Modellin

Quantificação dos termos dos balanços de massa e energia na escala da bacia hidrográfica : estudo de caso Wahoo Creek

Orientador: Prof. Dr. Nelson Luís da Costa DiasTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 16/11/2021Inclui referências: p. 125-137Resumo: Estudos de balanço hídrico são importantes em análises de disponibilidade de água e seu gerenciamento e também para a correta aplicação de modelos hidrológicos e o entendimento das relações entre a água armazenada e seus fluxos passa por medições representativas destes fluxos na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho foi avaliado o balanço hídrico e de energia em duas bacias agrícolas no estado do Nebrasca, Estados Unidos e também desenvolvido um método de preenchimento de falhas em dados de fluxo de calor latente. Esta análise foi feita através de medições locais de vazão, precipitação, evapotranspiração e umidade do solo, que permitiram determinar a variação temporal da água armazenada e dos resíduos associados. Dados de sensoriamento remoto das missões SMAP e GRACE e do sensor MODIS permitiram avaliar a variação espaço-temporal da evapotranspiração e umidade do solo sobre as bacias. Além disso, foram analisadas estimativas de evapotranspiração pelo método do balanço hídrico através das diferentes estimativas de armazenamento. Foi observado que o balanço de energia apresentou um desequilíbrio de aproximadamente 17%, em média, para as três estações de fluxo e que o balanço hídrico de longo prazo foi fechado em 97,5%, em média, para as duas bacias quando o fechamento de energia foi imposto aos dados de fluxo de calor latente e sensível. Os resultados obtidos mostraram que as estimativas de armazenamento de água no solo utilizando-se dados de umidade do solo e vazão concordaram bem com aquelas medidas pelo GRACE (r = 0,65) e também através da equação de balanço hídrico (r = 0,70). Já as estimativas de evapotranspiração pelo método do balanço hídrico mostraram que o armazenamento do GRACE produziu os melhores resultados (r = 0,83), seguido por aquelas utilizando-se os dados de umidade do solo e vazão (r = 0,77). Pôde-se notar que a variabilidade da umidade do solo no período de crescimento foi maior, gerando maiores resíduos e consequentemente influenciando os resultados de evapotranspiração. Este trabalho mostrou a importância do método do balanço hídrico para avaliação do balanço de energia e como boas medições das variáveis hidrológicas auxiliam nas estimativas de armazenamento e evapotranspiração.Abstract: Analysis of water balance is important in many areas such as water management and modeling, and representative measurements of the water-budget fluxes over basins are a fundamental part of this process. In this work, the water and energy balance were assessed over two agricultural watersheds in Nebraska, the United States, and also a gap-filling model for latent heat flux measurements was developed. The analysis of water storage and residues temporal variation was conducted through measurements of precipitation, discharge, evapotranspiration, and soil moisture. The spatial-temporal variation of evapotranspiration and soil moisture over the basins was made using data from SMAP and GRACE missions, and MODIS sensor. Evapotranspiration was also estimated from the water-budget method for different storage estimates. It was observed a mean 17% energy imbalance for the 3 AmeriFlux stations and forcing latent and sensible heat flux to close the energy balance led to a 97.5% of water-balance closure for the two basins. Results showed a good agreement between soil water storage (using soil moisture and discharge data) against GRACE data (r = 0,65) and the water-budget equation (r = 0,70). The water-budget method evapotranspiration estimates from GRACE data presented the best result for two basins (r = 0,83) followed by the that one from soil water storage (r = 0,77). It could be noted that the variability of soil moisture in the growth period was greater, generating greater residues and consequently influencing the results of evapotranspiration. This work showed the importance of the water balance method for energy balance assessment and how good measurements of hydrological variables help in estimating storage and evapotranspiration

Quantificação dos termos dos balanços de massa e energia na escala da bacia hidrográfica : estudo de caso Wahoo Creek

Orientador: Prof. Dr. Nelson Luís da Costa DiasTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 16/11/2021Inclui referências: p. 125-137Resumo: Estudos de balanço hídrico são importantes em análises de disponibilidade de água e seu gerenciamento e também para a correta aplicação de modelos hidrológicos e o entendimento das relações entre a água armazenada e seus fluxos passa por medições representativas destes fluxos na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho foi avaliado o balanço hídrico e de energia em duas bacias agrícolas no estado do Nebrasca, Estados Unidos e também desenvolvido um método de preenchimento de falhas em dados de fluxo de calor latente. Esta análise foi feita através de medições locais de vazão, precipitação, evapotranspiração e umidade do solo, que permitiram determinar a variação temporal da água armazenada e dos resíduos associados. Dados de sensoriamento remoto das missões SMAP e GRACE e do sensor MODIS permitiram avaliar a variação espaço-temporal da evapotranspiração e umidade do solo sobre as bacias. Além disso, foram analisadas estimativas de evapotranspiração pelo método do balanço hídrico através das diferentes estimativas de armazenamento. Foi observado que o balanço de energia apresentou um desequilíbrio de aproximadamente 17%, em média, para as três estações de fluxo e que o balanço hídrico de longo prazo foi fechado em 97,5%, em média, para as duas bacias quando o fechamento de energia foi imposto aos dados de fluxo de calor latente e sensível. Os resultados obtidos mostraram que as estimativas de armazenamento de água no solo utilizando-se dados de umidade do solo e vazão concordaram bem com aquelas medidas pelo GRACE (r = 0,65) e também através da equação de balanço hídrico (r = 0,70). Já as estimativas de evapotranspiração pelo método do balanço hídrico mostraram que o armazenamento do GRACE produziu os melhores resultados (r = 0,83), seguido por aquelas utilizando-se os dados de umidade do solo e vazão (r = 0,77). Pôde-se notar que a variabilidade da umidade do solo no período de crescimento foi maior, gerando maiores resíduos e consequentemente influenciando os resultados de evapotranspiração. Este trabalho mostrou a importância do método do balanço hídrico para avaliação do balanço de energia e como boas medições das variáveis hidrológicas auxiliam nas estimativas de armazenamento e evapotranspiração.Abstract: Analysis of water balance is important in many areas such as water management and modeling, and representative measurements of the water-budget fluxes over basins are a fundamental part of this process. In this work, the water and energy balance were assessed over two agricultural watersheds in Nebraska, the United States, and also a gap-filling model for latent heat flux measurements was developed. The analysis of water storage and residues temporal variation was conducted through measurements of precipitation, discharge, evapotranspiration, and soil moisture. The spatial-temporal variation of evapotranspiration and soil moisture over the basins was made using data from SMAP and GRACE missions, and MODIS sensor. Evapotranspiration was also estimated from the water-budget method for different storage estimates. It was observed a mean 17% energy imbalance for the 3 AmeriFlux stations and forcing latent and sensible heat flux to close the energy balance led to a 97.5% of water-balance closure for the two basins. Results showed a good agreement between soil water storage (using soil moisture and discharge data) against GRACE data (r = 0,65) and the water-budget equation (r = 0,70). The water-budget method evapotranspiration estimates from GRACE data presented the best result for two basins (r = 0,83) followed by the that one from soil water storage (r = 0,77). It could be noted that the variability of soil moisture in the growth period was greater, generating greater residues and consequently influencing the results of evapotranspiration. This work showed the importance of the water balance method for energy balance assessment and how good measurements of hydrological variables help in estimating storage and evapotranspiration