Todos os conceitos e pesquisas apresentados até o momento estavam relacionados com a simulação de bacias hidrográficas e a propagação de vazão nos rios e planícies, referenciando principalmente trabalhos relacionados com a presente pesquisa, além da revisão do modelo utilizado no presente trabalho. A seguir, são discutidos conceitos e estudos relacionados à simulação de lagos, lagunas e estuários.
Ao analisar o comportamento hidrodinâmico de grandes corpos d’água se faz necessário fazer algumas distinções. De acordo com Ji (2008) lagos se distinguem de rios e estuários em função das seguintes características: (1) velocidade da água relativamente baixa; (2) vazões de entrada e saída relativamente baixas (alto tempo de residência); (3) desenvolvimento de estratificação vertical; (4) atuam como depósitos de sedimentos, toxinas e nutrientes. Lagos estão sempre intimamente conectados com a bacia hidrográfica na qual estão inseridos, dessa forma, as características da mesma como uso do solo, clima, morfologia diretamente e/ou indiretamente influenciam a hidrodinâmica e qualidade da água.
21 Vários fatores controlam o comportamento hidrodinâmico de lagos. Além da morfologia (largura, profundidade, volume, área do espelho d’água) e do perfil de estratificação, fatores externos são essenciais nos processos hidrodinâmicos. Esses fatores incluem:
1. As vazões de entrada e saída, sendo que as vazões de entrada incluem o escoamento superficial na bacia que atinge o lago diretamente, descargas fluviométricas, descargas subterrâneas, precipitação sobre a área do lago e fontes pontuais como descargas de estações de tratamento de esgoto. As vazões de saída incluem a descarga exutório do lago, evapotranspiração e infiltração reabastecendo aquíferos.
2. As trocas de calor e forçantes térmicas, que influenciam na estratificação de lagos;
3. A influência do vento. Essa influência é considerada por Ji (2008) como um fator chave na circulação e uma fonte expressiva de energia para a mistura vertical e ressuspensão de sedimentos.
Os estuários se diferem de rios e lagos principalmente em função da sua conexão com o mar. Isso propicia um efeito expressivo das marés nos níveis d’água observados no estuário, assim como efeitos da salinidade nos processos hidrodinâmicos e de qualidade da água (Ji, 2008). Além disso, na conexão do estuário com o mar podem se formar duas correntes com sentidos contrários, uma corrente de superfície que flui em direção ao mar e uma corrente de fundo que flui em direção a terra (Ji, 2008). A formação ou não dessas correntes e de estratificação no estuário, assim como a propagação de seus efeitos para montante, depende da magnitude da vazão de entrada no estuário, das condições de vento, da morfologia do estuário e das marés. Esses fatores também são sinalizados por Hartmann e Schettini (1991) que verificaram as condições para a estratificação e a entrada da cunha salina no exutório da Laguna dos Patos.
Ji (2008) também comenta que assim como em lagos, o vento pode influenciar a circulação dos estuários especialmente se os mesmos abrangerem grandes áreas. As lagunas são tipos de estuários especialmente influenciados por esse fator, sendo que esse fator geralmente é mais importante na hidrodinâmica desses corpos d’água do que a influência das marés.
Existem vários modelos hidrodinâmicos que podem ser aplicados na simulação de grandes corpos d’água. Um exemplo é o modelo IPH-ECO (Fragoso Jr. et al., 2009), modelo hidrodinâmico e ecológico tridimensional (também apresenta uma versão
22 bidimensional) detalhado que utiliza a equação de Navier-Stokes, de transporte de calor e módulos ecológicos e de qualidade da água. Esse modelo permite a consideração da estratificação térmica e química, do efeito do vento entre outros diversos processos atuantes no sistema a ser modelado. Ele foi utilizado por Fragoso Jr. et al. (2011) para simular aspectos ecológicos e de qualidade da água na lagoa Mangueira (RS), como a concentração de algas e nutrientes, para diferentes cenários de mudança de uso do solo e climáticas.
Outro exemplo de modelo hidrodinâmico tridimensional é o POM, Princeton Ocean Model, (Blumberg e Mellor, 1987). Esse modelo foi desenvolvido principalmente para simular sistemas costeiros e, dentre os vários processos simulados pelo mesmo, permite trocas térmicas, efeito do vento e de maré, assim como variações de densidade e de salinidade. O mesmo foi utilizado por Castelão & Möller (2003) para estudar a dinâmica da Laguna dos Patos (RS) tridimensionalmente ao utilizar condições de vento e vazões afluentes idealizadas.
O modelo MIKE (DHI, 2011, MIKE21 para versão 2D e MIKE3 para a versão 3D) também foi desenvolvido para aplicação em sistemas costeiros, mas pode ser aplicado em outros sistemas. Assim como o POM, esse modelo é baseado na aproximação de Reynolds da equação de Navier-Stokes e é capaz de reproduzir diversos processos considerando variáveis como vento, maré, temperatura e salinidade. Ainda, muitos módulos estão disponíveis para serem acoplados, como módulos ecológicos, de derramamento de petróleo e de transporte de sedimentos.
Mais um exemplo de modelo hidrodinâmico capaz de simular sistemas de grande complexidade é o modelo tridimensional (ou bidimensional) Delft3D (Deltares, 2014). O mesmo resolve as equações de águas rasas e também permite o acoplamento com muitos módulos. Por exemplo, Boudet et al. (In Press) utilizaram esse modelo para simular o transporte de sedimentos da desembocadura do delta Rhone na França, para isso foi necessário utilizar o módulo de ondas oceânicas, o Delft3D-Wave Module. O modelo IPH-A (Borche, 1996) é um modelo hidrodinâmico bidimensional que resolve as equações da continuidade e dinâmica integradas no eixo vertical, considerando a perda de carga junto ao fundo, a ação do vento na superfície a força de
23 Coriolis e a difusão turbulenta. Esse modelo foi utilizado em muitos estudos de modelagem de corpos d’água rasos no Rio Grande do Sul como na Lagoa Itapeva (Lopardo, 2002), no Lago Guaíba (Paz et al., 2005), no banhado do Taim (Paz et al., 2003) e na Laguna dos Patos (Cavalcante e Mendes, 2014).
Definir o melhor modelo para simular lagunas ou lagos depende fundamentalmente da aplicação desejada e das características do corpo d’água em questão. Em muitos estudos do comportamento de grandes corpos d’água busca-se, por exemplo, averiguar a influência da circulação na qualidade da água e nas características ecológicas do lago (Wang et al., 2017; Bocaniov et al., 2016; Zhang et al., 2013). Nesses casos é necessário ter uma representação hidrodinâmica realista e utilizar um modelo que permita o acoplamento com módulos ecológicos e de qualidade da água. Ainda, em lagos muito profundos, a estratificação pode exercer um papel importante nos processos hidrodinâmicos e um modelo hidrodinâmico tridimensional pode ser preferível a um bidimensional quando se busca representar a circulação detalhadamente. Já em lagos rasos modelos bidimensionais podem ser suficientes para essa aplicação. Por exemplo, Schoen et al., (2014) usou o modelo MIKE (DHI, 2011) com método hidrodinâmico 2D e 3D para simular a influência do vento na circulação de um lago raso e não verificou mudanças significativas entre as duas formas de propagação.
Em qualquer caso, para a simulação de lagos, lagunas e estuários, são necessários os dados de condição de contorno de entrada (ou saída) de volumes de água no corpo hídrico ao longo do tempo. Esses dados podem ser provenientes de estações de medição de nível e vazão ou ainda gerados por meio da utilização de modelos hidrológicos ou hidrológicos-hidráulicos. Em muitos casos, dados observados não estão disponíveis, ou estão disponíveis em um local distante do corpo d’água. Então são usados modelos hidrológicos para a geração desta informação. Ainda, a utilização dos modelos hidrológicos é importante quando se busca avaliar o efeito de mudanças de uso do solo e de mudanças climáticas sobre o corpo d’água. Este tema de simulação conjunta de bacias, rios, lagos, lagunas e estuários é tema da próxima sessão.
24
3.3 Simulação hidrológica e hidrodinâmica conjunta de bacias, rios e grandes