Eutrophication simulation in shallow lakes : I- model and numerical precision

O estado trófico de um ecossistema aquático, geralmente, é avaliado através das concentrações de fósforo e de nitrogênio observadas in situ ou simuladas. A concentração de clorofila a é uma forte indicadora da disponibilidade de biomassa fitoplanctônica e do efeito do enriquecimento de nutrientes no meio, permitindo estender a avaliação da eutrofização nestes sistemas. Em lagos rasos, a eutrofização é diretamente relacionada com a heterogeneidade espacial do fitoplâncton e, devido à dificuldade em medir a biomassa fitoplanctônica distribuída, a modelagem matemática do fitoplâncton é uma excelente alternativa metodológica para melhorar nosso entendimento nesses ecossistemas considerando os processos físicos, químicos e biológicos integrados. Este artigo apresenta um modelo para estimativa da dinâmica de biomassa de fitoplâncton, considerando os mecanismos de transporte no meio aquático, de crescimento e de perdas de sua biomassa. O modelo possui três módulos: (i) hidrodinâmico, que trata dos fluxos quantitativos do meio, associado a um algoritmo de secagem/inundação; (ii) de transporte, que trata dos mecanismos de transporte das substâncias no meio; e (iii) biológico, que retrata os mecanismos biológicos relacionados ao fitoplâncton. Este artigo apresenta a metodologia aplicada no desenvolvimento dos módulos hidrodinâmico, de transporte de nutrientes e biológico, bem como alguns testes de desempenho numérico. Em um segundo artigo, será apresentado os resultados da aplicação no modelo no Sistema do Hidrológico do Taim no Sul do Brasil. O modelo matemático tem um potencial de aplicação promissor e pode servir como um sistema de suporte a decisões no gerenciamento dos recursos hídricos em lagos, estuários e reservatórios. Usually, the trophic state is evaluated through nitrogen and phosphorus concentration; however the chlorophyll-a concentration indicates the availability of phytoplankton biomass, allowing the evaluation to be extended. This article presents a model to estimate phytoplankton biomass dynamics, considering transport mechanisms, growth and loss of biomass. The model has three modules: (a) hydrodynamic, which deals with quantitative flows associated with a wet/dry algorithm; (b) transport, that deals with the transport mechanisms of substances; and (c) biological, which reproduces biological mechanisms related to phytoplankton. This article is the first of a series of two papers, where the methodology applied to the development of the hydrodynamic, nutrient transport and biological modules was presented, as well as some numerical performance tests. In the next paper, the results of applying a model to the Taim Hydrologic System in South Brazil will be presented. The model has a promising potential for application and it can serve as a decision support system to manage water resources in lakes, estuaries and reservoirs.