Autor(es):
Fontes, Cláudia Lindim 
Data: 2011
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/1822/12496
Origem: RepositóriUM - Universidade do Minho
Assunto(s): Alqueva reservoir; Modeling; Eutrophication; Alqueva reservoir thermal stratification; 556.551
Descrição
Eutrophication is a serious environmental problem in lakes and reservoirs worldwide. The
eutrophic Alqueva reservoir (Portugal) is the largest western European reservoir and
constitutes a vital regional water resource. The river Guadiana, which is the main tributary to
the Alqueva reservoir, imports large nutrient loads leading to eutrophication being an issue
in this waterbody. But despite its importance and problems, few scientific studies concerning
the Alqueva exist.
This work aims at contributing to foster the understanding of water ecology in the Alqueva
reservoir through the use of data analysis techniques and numerical modelling. The results
contained herein can be used to assist management decisions in this waterbody and the
modelling effort can be used to obtain forecasts in this and other reservoirs and improve
understanding of ecological behavior there.
Data analysis methods, namely time series analysis, were applied to monitoring data collected
between 2003-2009 at several locations and depths in the Alqueva reservoir in order to infer
possible spatial and temporal patterns. The monitoring data comprised climatology,
hydrology and water quality data from different sources.
Data analysis showed that the Alqueva behavior presents high interannual variability. This is
mainly a consequence of the high variability of precipitation, nutrient loads and Guadiana
hydrological regimen.
It was found that the system is P-limited and that nutrients input is mostly dependent on the
main tributary input loads. Therefore management schemes aimed at improving the trophic
level in the Alqueva should focus on reducing phosphorus in the Guadiana inflow.
Numerical modelling main goals were to develop and apply tools to simulate the main
ecological traits in the Alqueva reservoir. A new numerical model to simulate eutrophication
processes in lakes and reservoirs based on a hybrid deterministic-stochastic approach was
developed. A plain methodology to estimate nutrient loads in a basin was also developed.
These tools were used together with the finite element based hydrodynamic model RMA-10
to perform simulations of currents, thermal structure and eutrophication in the Alqueva
reservoir. The models were successfully calibrated and validated in both two-dimensional
and three-dimensional versions. Model performance was assessed by comparing simulation
results with in situ measured data. It was found that the models reproduced Alqueva thermal
structure quite accurately and eutrophication related trends reasonably well. The
performance of the eutrophication tool was constrained by the availability and quality of
input and forcing data.
It was shown that the particular geomorphological and hydrological characteristics of the
reservoir together with local climate features are responsible for the existence of two distinct
ecological regions within the reservoir whose boundary can be placed at a transect south of
monitoring station 3:
- The upper part of the reservoir is a shallow channel like region with riverine
characteristics that is interrupted by a few scattered deeper pools. This area receives the major nutrients input and is eutrophic. Hydrodynamic in this area is governed by
hydraulically induced currents from the Guadiana.
- The lower part of the reservoir is a deep lacustrine area that presents stable thermal
and oxygen stratification in summer (April – October). In this region, wind induced
currents and thermal stratification are the dominant hydrodynamic traits. Wind is
dominant over hydraulic flow during all year and affects mostly the surface
circulation.
Model results indicate that the velocities in the reservoir are always smaller than 0.25 m/s,
with the higher values occurring in the upper reservoir area. The Alqueva was found to
present a monomictic behavior with a seasonal summer stratification that is responsible for
generating anoxic bottom waters during dry season. An autumnal overturn leads to a fully
mixed water column in winter season. Model findings, corroborated by data, indicate that
phytoplankton in the Alqueva peaks in spring and in autumn with productivity in the upper
reservoir area presenting values much higher than in the lower part. Dry season ecology
seems to be ruled by stratification while wet season ecology main driving force appears to be
the nutrients load through the main tributary.
The Alqueva was build to boost economic development in the region and provide irrigation
water for agriculture activities. It can be inferred from the results of the present work that
the major problem it may face is the impacts of the poor water quality coming from the
Guadiana. The Guadiana river carries wastewater with a high level of nutrients from a large
Spanish population, from industries and from agriculture activities. The development of
effective water quality management in this reservoir should therefore focus on nutrient
containment strategies for the Guadiana river inflow. A eutrofização constitui um sério problema ambiental em lagos e albufeiras. A albufeira de
Alqueva (Portugal) é a maior albufeira da Europa ocidental e constitui um importante
recurso aquático regional. O principal afluente de Alqueva, o rio Guadiana, introduz elevadas
cargas de nutrientes na albufeira fazendo com que a eutrofização seja motivo de
preocupação nesta albufeira. Apesar da sua importância e problemas, existem poucos
estudos científicos sobre a albufeira de Alqueva.
Este trabalho tem como objectivo contribuir para o conhecimento e compreensão da
ecologia aquática na albufeira de Alqueva através do uso de análise de dados e modelação
matemática. Os resultados obtidos podem ser utilizados na tomada de decisões de gestão
nesta albufeira e o trabalho de modelação pode ser utilizado para efectuar previsões nesta ou
noutras albufeiras ou lagos.
Foram aplicados métodos de análise de dados, nomeadamente métodos de análise de séries
temporais, a dados de campanhas de monitorização recolhidos no período 2003-2009 em
diferentes pontos da albufeira de Alqueva para inferir da existência de padrões espaciais e
temporais. Os dados de monitorização são oriundos de diferentes fontes e abrangem
climatologia, hidrologia e qualidade da água
A análise de dados permitiu concluir que a ecologia do Alqueva tem uma elevada
variabilidade interanual que é consequência da elevada variabilidade da precipitação, cargas
de nutrientes e regime hidrológico. Concluiu-se que o nutriente limitante é o fósforo e que a
entrada de nutrientes no sistema depende sobretudo das cargas que entram pelo afluente
principal. Donde resulta que uma gestão eficiente da melhoria do estado trófico da albufeira
deve centrar-se na redução do fósforo nas afluências do Guadiana.
Os principais objectivos da modelação foram desenvolver e aplicar ferramentas para simular
as principais características ecológicas da albufeira de Alqueva. Desenvolveu-se um novo
modelo matemático para simular a eutrofização em lagos e albufeiras baseado numa
abordagem híbrida determinística-estocástica. Desenvolveu-se também uma metodologia
simples para estimar cargas de nutrientes em bacias hidrográficas. Estes instrumentos foram
utilizados em conjunto com o modelo hidrodinâmico RMA10, baseado no método dos
elementos finitos, para simular correntes, estrutura térmica e eutrofização na albufeira de
Alqueva. Os modelos foram calibrados e validados com sucesso nas versões tridimensional
e bidimensional integrada lateralmente. O desempenho dos modelos foi avaliado por
comparação entre os resultados de simulações e medidas experimentais realizadas in situ.
Verificou-se que os modelos reproduzem com grande exactidão a estrutura térmica da
albugeira de Alqueva e razoavelmente bem as variações relacionadas com a eutrofização. O
desempenho do modelo de eutrofização foi condicionado pela disponibilidade e qualidade
dos dados de entrada e de forçamento.
Mostrou-se que as características geomorfológicas e hidrológicas particulares da albufeira,
em conjunto com características climáticas locais, são responsáveis pela existência de duas
zonas ecológicas distintas na albufeira, cuja fronteira se localiza a sul da estação de
amostragem 3: - A parte superior da albufeira é uma região de leito linear com águas pouco
profundas, interrompida a espaços por lagoas mais profundas, que tem características
fluviais. Esta zona é muito eutrófica e por ela entram a maior parte dos nutrientes do
sistema. A hidrodinâmica nesta área é governada por correntes induzidas pelo fluxo
do Guadiana.
- A parte inferior da albufeira é uma região lacustre profunda que apresenta
estratificações térmica e de oxigénio estáveis durante o verão (Abril - Outubro).
Nesta zona as características hidrodinâmicas dominantes são as correntes induzidas
pelo vento e a estratificação térmica. O vento é dominante sobre o fluxo hidráulico
durante todo o ano e afecta sobretudo a circulação à superfície.
Os resultados da modelação indicam que as velocidades na albufeira são sempre inferiores a
0.25 m/s, com os maiores valores a ocorrer na parte superior da albufeira. Concluiu-se que a
albufeira de Alqueva apresenta um comportamento monomíctico com uma estratificação
sazonal de verão que é responsável pela geração de camadas de água anóxica no fundo da
albufeira durante a estação seca. A circulação convectiva outonal dá origem a uma coluna de
água completamente misturada na estação do inverno. Os resultados de modelação,
corroborados por dados de campo, indicam que o fitoplâncton no Alqueva apresenta picos
primaveris e outonais, com a produtividade na parte superior da albufeira a apresentar
sempre valores muito superiores à da parte inferior. A ecologia da estação seca parece ser
governada pela estratificação ao passo que a força motriz da ecologia da estação húmida
aparenta ser a carga de nutrientes que entra através do afluente principal.
A barragem de Alqueva foi construída para fomentar o desenvolvimento económico regional
e fornecer água de irrigação para actividades agrícolas. Dos resultados obtidos neste trabalho
pode-se concluir que o maior problema com que a albufeira se depara é os impactos da água
de baixa qualidade que é trazida pelo rio Guadiana. O Guadiana transporta efluentes com
um elevado nível de nutrientes provenientes de uma vasta população espanhola, de
indústrias e de actividades agrícolas. Consequentemente, o desenvolvimento de uma gestão
de qualidade da água eficaz nesta albufeira deve centrar-se em estratégias de
remediação/contenção do fósforo trazido pelo Guadiana. Tese de doutoramento em Engenharia Civil
Tipo de Documento
Tese de Doutoramento
Idioma
Inglês
Orientador(es)
Vieira, J. M. Pereira; Pinho, José L. S.
