Pareamento de processos Bacia-Lagoa : desenvolvimento de modelo hidrodinâmico de fluxos subsuperficiais e superficiais acoplados

Abstract

Lake ecosystems are highly susceptible to the processes that occur in their catchment area, and coupling watershed-lake modeling is critical to understand better lakes’ structure and functioning. The interaction between surface and subsurface flows can significantly influence the water and nutrient balance of these ecosystems. However, the spatial and temporal heterogeneity of the flow distribution makes the quantification process difficult, and the application of the conventional techniques might not be adequate. Many of these methods have limited spatial and temporal coverage. Thus, conventional methods combined with coupled modeling of these flows may be a suitable approach to deal with this heterogeneity, allowing assess the interaction between both flows. In this study, we expanded the IPH-ECO’s model hydrodynamic module to consolidate it as a scientific tool to simulate subsurface-surface flow dynamics for subtropical lake environments. We implemented a hybrid finite volume and finite difference numerical scheme to allow coupled modeling of both flows. The flows were coupled considering the valid Dupuit hypothesis, integrating the flows through a kinematic boundary condition at the interface between them. The proposed algorithm was validated using three benchmarks commonly used for validation of this type of approach. Successful results were found for two benchmarks, demonstrating the model’s ability to simulate well-developed coupled flows through a porous dam and tidal influence in a coastal lagoon environment separated from the sea by a sediment bank. In the third benchmark, we simulated a catchment with a river channel considering two scenarios, the first one considering only surface flow and the second one coupled flows. The first simulated scenario showed good results when compared to the previous model results. The simulation of the second scenario allowed the identification of some limitations of the new approach during the saturation process and transition between subsurface and surface runoff. Further analysis of previous studies demonstrates a need for complementary methodologies adoption to ensure rigorous mass conservation at this point. Of those methodologies, an adaptive time-step algorithm and the adoption of sub-grid resolution seem to be adequate solutions to deal with these limitations. Thus, we will address these limitations in further studies to consolidate the new hydrodynamic module of the IPH-ECO model.

Ambientes lacustres são bastante suscetíveis aos processos que ocorrem em sua bacia hidrográfica tornando a análise acoplada bacia-lagoa essencial no entendimento de sua estrutura e funcionamento. Dentre esses processos, a interação entre o escoamento superficial e subsuperficial pode exercer forte influência no balanço hídrico e de nutrientes desses ecossistemas. Contudo, a heterogeneidade espacial e temporal da distribuição desses fluxos pode tornar o processo de quantificação dificultoso e a aplicação de técnicas convencionais pode não ser compensatória. Muitas dessas técnicas tem uma abrangência espacial e temporal limitadas. Contudo, a combinação entre métodos convencionais com a modelagem dos fluxos acoplados pode ser uma abordagem adequada para lidar com essa heterogeneidade, possibilitando avaliar a interação entre ambos os escoamentos. Nesse estudo, iniciamos a expansão do modulo hidrodinâmico do modelo hidrodinâmico e ecológico IPH-ECO, visando consolidá-lo como ferramenta cientifica com objetivo de permitir a avaliação dessa dinâmica para ambientes lacustres subtropicais. Implementamos um esquema numérico híbrido de volumes finitos e diferenças finitas de forma a permitir a modelagem acoplada de ambos os fluxos. Os fluxos foram acoplados considerando as hipóteses de Dupuit válidas, integrando-os através de uma condição de contorno cinemática na interface entre ambos. O algoritmo proposto foi testado através de três benchmarks comumente usados para validação desse tipo de metodologia. Bons resultados foram encontrados para dois benchmarks, demonstrando a capacidade do modelo em simular fluxos bem-desenvolvidos acoplados através de uma barragem porosa e a influência da maré em um ambiente lagunar costeiro separado do mar por uma faixa litorânea sedimentar. No terceiro benchmarks uma bacia com um curso d’água de drenagem foi simulado considerando dois cenários, o primeiro considerando apenas fluxo superficial e o segundo fluxos acoplados. A simulação do cenário onde somente escoamento superficial foi simulado demonstrou bons resultados quando comparados a modelos anteriores. A simulação do segundo cenário permitiu a identificação de algumas limitações da nova abordagem durante o processo de saturação e transição entre os escoamentos subsuperficiais e superficiais. A análise mais aprofundada de estudos anteriores demonstra a necessidade de adoção de metodologias complementares para assegurar uma rigorosa conservação da massa nessa etap. Entre essas metodologias o uso de um algoritmo de passo de tempo adaptativo para o modulo hidrodinâmico e a adoção da resolução de sub-grid se mostram como soluções adequadas para lidar com essas limitações. Com isso, pretendemos abordar estas limitações em estudos complementares de forma a alcançar a consolidação do novo módulo hidrodinâmico do modelo IPH-ECO.