MODELAÇÃO MATEMÁTICA DA QUALIDADE DA ÁGUA EM ALBUFEIRAS

Nas últimas décadas os problemas ambientais tornaram-se numa das principais preocupações nacionais, à medida que os efeitos da poluição da água começaram gradualmente a afectar a qualidade dos recursos hídricos. Os modelos matemáticos têm-se naturalmente tornado ferramentas úteis e necessárias para a problemática da qualidade da água, tanto no planeamento como na sua gestão. A seguir aos estuários, que têm sido mais sujeitos às pressões resultantes de um rápido desenvolvimento demográfico e industrial, os rios e as albufeiras têm constituído ultimamente o centro das preocupações dos estudos ambientais. Os trabalhos realizados em Portugal até à data sobre qualidade da água em albufeiras têm-se focado essencialmente na caracterização da qualidade da água destes sistemas. Uma abordagem dinâmica, baseada em modelos matemáticos, encontra-se actualmente em franco desenvolvimento, visando a gestão integrada de sistemas existentes, e o planeamento apoiado de sistemas futuros. O Projecto Nato-Po-Rivers veio permitir a aplicação de modelos matemáticos em algumas das albufeiras do Norte de Portugal, visando a integração de tais modelos, bem como de outras ferramentas, num sistema de recursos hídricos que possa disponibilizar toda a informação necessária para a gestão da qualidade da água, e sirva também como um meio de tomada de decisão. No presente trabalho, começou-se por fazer uma descrição dos fenómenos e problemas que estão normalmente associados à qualidade da água em albufeiras, e em especial nas albufeiras localizadas em climas temperados, como em Portugal. Foi particularmente focada a formação da estratificação térmica, e analisada a sua importância no regime sazonal da qualidade da água das albufeiras. Seguidamente, fez-se uma revisão de literatura aprofundada sobre modelos matemáticos de qualidade da água em albufeiras. Tentou fazer-se uma retrospectiva dos vários modelos que foram desenvolvidos ou aplicados ao longo dos anos, desde os modelos simples de simulação do comportamento térmico, até aos modelos mais recentes de simulação multidimensional que contemplam diversos parâmetros de qualidade da água. A par da revisão bibliográfica efectuada, tentou definir-se os contornos do "estado actual de conhecimentos" e do "estado actual de aplicações" relativos à modelação matemática da qualidade da água em albufeiras. No seguimento desta análise, foi possível constatar e realçar o interesse da aplicação de tais modelos, e em particular no caso concreto das albufeiras portuguesas. Para ilustrar a utilidade da aplicação de modelos matemáticos ao estudo da qualidade da água em albufeiras, foram seleccionados quatro casos respeitantes a aproveitamentos situados na região Norte, cada um dos quais com problemas específicos: Bemposta, Vilar, Torrão, e Crestuma/Lever. Para as três primeiras foi aplicado um modelo unidimensional de camadas, e para a albufeira de Crestuma/Lever foi usado um modelo bidimensional verticalmente homogéneo. Antes da apresentação dos estudos efectuados para cada albufeira, foi feita a descrição dos modelos utilizados. O modelo unidimensional é o WQRRS (Water Quality for River-Reservoir Systems), que é um modelo dinâmico que tem grande aplicação em albufeiras com uma estratificação térmica bem definida. O modelo bidimensional baseia-se num conhecido modelo de diferenças finitas para a simulação da circulação e da dispersão de poluentes, a que se adaptou uma sub-rotina de trocas de calor na interface ar-água. A barragem de Bemposta situa-se no Douro internacional, e a albufeira é profunda e bem estratificada no Verão, sendo o tempo de residência médio de apenas um dia. O principal problema desta albufeira é a ocorrência de teores muito baixos de oxigénio dissolvido no hipolímnio durante o período de estratificação. As tomadas de água do circuito hidráulico estão sempre abaixo da termoclina, pelo que a água lançada para jusante não contém praticamente oxigénio dissolvido durante aquele período. Problema idêntico ocorre com as albufeiras situadas a montante e a jusante, causando uma quantidade importante de peixes mortos. Face às características da albufeira de Bemposta, utilizou-se o modelo WQRRS. Apesar da quantidade de dados disponíveis ser relativamente modesta, a calibração feita para o ano de 1985 permitiu obter bons resultados. Como forma de estudar uma solução que pudesse melhorar a situação existente, utilizou-se a opção de tomada de água selectiva, que permitiu constatar a melhoria de qualidade da água lançada para jusante, em termos de oxigénio dissolvido, que poderia ser obtida em tal caso sem prejuízo do regime de exploração. A albufeira de Vilar, no rio Távora, possui um tempo de residência médio de cerca de um ano, e apresenta um estado de eutrofização crescente face à intensificação da afluência de nutrientes verificada nos últimos anos. Face às características da albufeira, utilizou-se também o modelo WQRRS. Apesar da quantidade de dados existentes não ser grande, a calibração realizada permitiu obter resultados bastante aceitáveis. A albufeira do Torrão, no rio Tâmega, é relativamente recente, e tem um tempo de residência médio de quinze dias. O problema surgiu logo após a primeira estação quente, quando foram detectados elevados teores de ferro no sistema de abastecimento de água a Marco de Canaveses. Face às características do sistema, utilizou-se também neste caso o modelo WQRRS. Apesar de o conjunto de dados não ser muito bom, em particular em termos de dados meteorológicos, a calibração realizada permitiu obter resultados bastante aceitáveis. A albufeira de Crestuma/Lever constitui o aproveitamento mais a jusante do rio Douro, e aí se localizam importantes captações de água para abastecimento público. Com um comportamento típico de fio-de-água, a albufeira apresenta profundidades bastante pequenas, com uma estratificação quase imperceptível na época mais quente. Para o estudo das descargas térmicas da central térmica situada na margem direita da albufeira, utilizou-se um modelo bidimensional, verticalmente homogéneo, de diferenças finitas. Neste caso dispunha-se de um conjunto de dados excepcionalmente bom, o que permitiu uma fina calibração do modelo. Em resultado da aplicação dos modelos referidos aos casos estudados, ressaltam desde logo duas grandes conclusões. A primeira prende-se com a importância de tais modelos para o planeamento, exploração e gestão de aproveitamentos hidráulicos deste tipo. A segunda, diz respeito à importância da obtenção de um adequado conjunto de dados hidrológicos, meteorológicos e de qualidade da água, por forma a satisfazer as necessidades de modelação da qualidade da água. Por fim, é feita uma abordagem introdutória e uma breve descrição de diversos métodos de melhoria da qualidade da água em albufeiras. Em alguns dos casos tentou-se fazer uma avaliação orçamental simples que tais processos implicam.

In the last two decades environmental problems have become a major concern in Portugal as the effects of water pollution have gradually impaired the quality of water resources. Mathematical models have naturally become useful and necessary tools for water quality assessment, both for planning and management. In addition to estuaries, which have been most impacted by population growth, streams and reservoirs are now the focus of environmental studies in Portugal. The water quality studies carried out in the past have essentially focused on reservoir water quality characterization. A dynamic approach, supported by mathematical models, is now under a fast development in Portugal, aiming the integrated management of existing reservoirs, and the supported planning of new ones. The Nato-Po-Rivers project allowed the application of mathematical models in some reservoirs in Northern Portugal, aiming the integration of such models with other system tools into a water resources systems shell that may provide all the essential data and information for water quality management, and may as well serve as a medium for decision making. This work starts with a description of the phenomena and the problems that are usually associated with the reservoir water quality, and especially in the reservoirs located in temperate climates, as in Portugal. The formation of the thermal stratification was focused in particular, and its importance in the seasonal reservoir water quality regime was analysed. After that, a comprehensive bibliographic review about reservoir water quality models was carried out. It was tried to make a retrospective of the various models that have been developed or applied along the years, since the simple ones of the thermal simulation of a reservoir, to the most recent ones of multidimensional simulation that incorporate several water quality constituents. Along with the bibliographic review, there was the attempt of defining the actual "state-of-knowledges" and the "state-of-applications" regarding reservoir water quality modelling. This analysis suggest that the use of mathematical models for reservoir water quality planning and management are adequate and useful tools, and particularly for the portuguese reservoirs. To illustrate the usefulness of the application of mathematical models in reservoir water quality studies, four cases in northern Portugal were selected, each one with specific problems: Bemposta, Vilar, Torrão, and Crestuma/Lever. A one-dimensional layer model was applied to the first three ones, while a depth-averaged bi-dimensional model was applied to the Crestuma/Lever reservoir. Before the presentation of the case studies, a general description of the models was performed. The one-dimensional model is the WQRRS (Water Quality for River-Reservoir Systems), which is a dynamic model that has a large application in reservoirs with a well-defined thermal stratification. The bi-dimensional model is based on a well-known finite difference model for the simulation of the circulation and the dispersion of pollutants, into which a surface heat exchange subroutine was adapted. Bemposta reservoir is located at the international part of the Douro river, between two other reservoirs dedicated primarily to hydropower. Constructed in 1964, it is a deep, well-stratified reservoir. The flow regime is of the run-of-the-river type, being the mean annual residence time just 1 day. The main problem of this reservoir is the occurrence of very low oxygen contents in the hypolimnion during the stratification period that may last between May and September. The water intake for the power circuit is always below the thermocline, and so the outflow has practicaly no oxygen during that period. The same problem occurs with both reservoirs upstream and downstream, causing important fish kills. The characteristics of the reservoir suggested the use of the WQRRS model. Although the amount of data was relatively little, the calibration phase for the year 1985 allowed some good results. After calibration, the model was used with the selective withdrawal option, for a possible configuration of water intake at different levels. Without changing the flow regime, better results were obtained, in terms of the outflow dissolved oxygen. Vilar reservoir is located on Távora river, a tributary of Douro river. Constructed in 1965, its main purpose is hydropower, and the average residence time is in this case about one year (376 days). After 1985, a high concentration of hydrogen sulphide started to be noticed during the dry season, causing some problems even at the power house. The origin of this problem is related to a growing nutrient inflow to the reservoir, due to an intense agriculture practice, and the use of large quantities of fertilizers, causing eutrophication. The characteristics of the reservoir suggested that the WQRRS model would be well adequate. Although the amount of data is also relatively little, the calibration prooved to be acceptable. Torrão reservoir is located on Tâmega river, tributary of the Douro river. Constructed in 1987, its main purpose is hydropower, and the average residence time is two weeks. The problem came just after the first dry season, when high iron contents were detected in the water supply system of a local municipality, whose water intake is formed by drains placed under the river bottom. The geologic characteristics of the soils now covered by the reservoir, and the anoxic conditions that occur in the hypolimnion during the stratification period, allow the reduction of Fe3+ to Fe2+. The characteristics of the reservoir suggested that the WQRRS model would be well adequate. Although the amount of data is also relatively little, especially the meteorological ones, the calibration led to acceptable results. Crestuma is the most downstream reservoir of Douro river, and in this reservoir are located the main water intakes for the city of Porto and the surrounding urban areas. Constructed in 1985, it is a run-of-the-river type hydropower reservoir, with relatively low water depths, and a very little thermal stratification during the summer period. In this reservoir there is a thermal power plant which is going to be replaced by a new one, with more power capacity. In this case the densimetric Froude number of 0.85 indicates a well-mixed reservoir, for which a one-dimensional approach is no longer adequate. A two-dimensional, depth average, finite difference model was used to simulate the thermal discharges from the power plant. The existing plant allowed to obtain a very good set of field data that lead to a fair calibration. Two main conclusions may be drawn from the application of the referred models to the studied cases. First, the use of such models has proved to be an important tool for the planning, operation and management of reservoirs. Second, it was pointed out the importance of the existence of an adequate set of hydrologic, meteorological and water quality data, in order to guarantee a satisfactory water quality modelling. Finally, an introductory approach and a brief description of several methods for the improvement of the water quality in reservoirs is presented. In some of these cases, a tentative simple budget evaluation is carried out.