Integrated Modelling of Lake Pampulha: Assessing the Catchment Impact on Cyanobacteria Dynamics in the Lake

International audienceAmong the many pollutants loaded by the urban runoff, nitrogen and phosphorus are of particular concern for lakes which are especially vulnerable to nutrient enrichment because of the high water retention time. Eutrophic lakes are frequently affected by cyanobacteria blooms, including toxic species, which can be harmful to human health. To provide a tool for studying the impacts of catchment changes on the cyanobacteria dynamics in urban lakes, a modelling approach in which a hydrological model is connected to an ecological lake model is proposed and applied for Lake Pampulha, Brazil. The lake and its catchment were intensively monitored from October 2011 to June 2013. The hydrological model SWMM was used to simulate runoff volume and TSS, NO3, NH4 and P total . SWMM results were input into the lake ecological model DYRESM-CAEDYM, which was used to simulate cyanobacteria dynamics. The hydrological model showed a good performance for runoff simulation (Nash criterion between 0.70 and 0.88) and poor results for nutrient simulation. The lake model showed good predictive ability of the cyanobacteria dynamics (NMAE between 0.26 and 0.55). Results of the model and a sensibility analysis highlighted the link between cyanobacteria dynamics and the urban catchment

Modelagem da Lagoa da Pampulha: uma ferramenta para avaliar o impacto da bacia hidrográfica na dinâmica do fitoplâncton

RESUMO No processo de urbanização, o aumento na proporção de superfícies impermeabilizadas e as mudanças no uso do solo são responsáveis por maiores volumes e velocidades do escoamento superficial, refletindo em uma maior capacidade de arraste e em um maior aporte de nutrientes nos corpos d'água receptores. O objetivo deste trabalho foi implementar uma ferramenta matemática capaz de reproduzir o impacto de mudanças na bacia hidrográfica sobre a dinâmica do fitoplâncton em um lago urbano. Neste artigo são apresentados o desenvolvimento e os resultados de um modelo integrado constituído de um modelo hidrológico, para simular vazões escoadas em uma bacia hidrográfica, e de um modelo hidrodinâmico e ecológico, para simular a biomassa fitoplanctônica em um corpo d'água urbano. A Lagoa da Pampulha (Belo Horizonte, Minas Gerais), escolhida como estudo de caso, foi intensamente monitorada, assim como sua bacia de drenagem, entre outubro de 2011 e junho de 2013. Os dados obtidos foram utilizados para calibrar e validar ambos os modelos. Os resultados obtidos com o modelo hidrológico mostraram-se coerentes com as medidas realizadas em campo (o coeficiente de Nash variou entre 0,70 e 0,88). O modelo da lagoa representou corretamente a evolução da comunidade fitoplanctônica (erro médio absoluto normalizado: 0,25-0,42 e o coeficiente de Pearson: 0,82-0,89; p<0,0001). O monitoramento e a modelagem da lagoa mostraram que a proliferação de cianobactérias é bastante perturbada pelas desestratificações térmicas que ocorrem na lagoa em virtude de eventos meteorológicos. A ferramenta de simulação desenvolvida possui potencial para avaliar diferentes cenários de mudança das condições climáticas e das características da bacia, podendo auxiliar na gestão dos corpos d'água situados em meio urbano