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Multi-dimensional flow and transport modeling of a surface water body in a semi-arid area
The case of the Icó-Mandantes Bay, Northeast Brazil
Matta, Elena
Since approximately 2012, Northeast Brazil dramatically suffers from the harshest drought in the recent history, with serious consequences on water resources, anthropogenic uses and ecosystem services. Among else, the hydropower production, irrigation agriculture, water supply and net cage aquaculture are the principal uses adopted in the Itaparica Reservoir, located in the Sub-Middle São Francisco River. Due to the often uncontrolled water withdrawals, the climate and land use change effects, the water quantity and quality in the reservoir has deteriorated, leading to socio-economic and environmental problems. E.g., phenomena such as harmful algae blooms (HAB) in the lentic areas are attributed to the high fluctuations of the water levels in the reservoir (up to maximum 5 m per year), due to hydropower production. Moreover, the newly built and highly argued water diversion project will withdraw water from Itaparica via two channels, the eastern one located in one of the major branches of the reservoir: the Icó-Mandantes Bay, focus of this study.
Two (depth-averaged) and three-dimensional hydrodynamic and transport models have been implemented using the open TELEMAC-MASCARET modeling system (2D, 3D). The aim was to provide a pioneer tool for the region, capable to simulate different (combined) climate-, issues- and stakeholders-oriented scenarios and, thus, to support water management and decision-making. In this work: (1) high-resolution unstructured grids for low and high water levels (respectively LWL and HWL) have been set up, to assess their impact on hydraulics, tracer transport and exchange processes between the bay and the reservoir main stream; (2) an alternative approach was implemented to estimate the water residence times of the bay’s complex system; (3) nutrient emissions (e.g. phosphorus) from a net cage aquaculture system were investigated on half-year cycles; moreover, (4) the impacts on the flow field of the eastern channel of the water diversion; (5) the effects of a flash flood combined with tracer transport from an intermittent tributary and finally (6) the 3D effects induced by moderate or extreme winds as well as by heating of the water surface have been assessed.
The findings showed that (1) the dynamics of the bay and the reservoir main stream followed different velocity regimes (at least one order of magnitude higher for the latter, i.e. range of 10-2 to 10-1 m/s for reference conditions); (2) the bay’s water residence times were estimated to be higher than six months (about two months for the reservoir), higher for HWL and high discharges, compared to LWL and low discharges; (3) a relevant increase of phosphorus due to a small fish production of 130 t/y was observed, higher for LWL on the short term and for HWL on the long term; (4) the eastern diversion channel did not influence significantly the hydrodynamics of the bay; although, it is important to monitor constantly water quality parameters, especially during rainy periods after prolonged droughts; (5) during such events, the nutrient inputs from the tributary and the nearby drainage systems overflows will affect the water withdrawals (irrigation, water supply); (6) a windstorm increased the flow velocities (at least one order of magnitude, i.e. up to 10-1 m/s) without altering significantly the flow circulation patterns; this occurred substantially for the heating scenario, which had in contrast a lower effect on velocities.
The main implications for water management derived from the findings summarized above are outlined hereafter. (1) It is not advisable to increase the discharges and the water levels in the reservoir to stimulate water exchange processes, because it could and increase the risk of development of HAB; (2) given to the low exchange rates between the reservoir main stream and the bay, it is suggested not to install an aquaculture system inside the bay or at least to ensure sufficient water depth beneath the cages, in order to allow translocation and dilution of organic material and avoid an extreme increase of sediments; (3) the withdrawals for drinking water and irrigation agriculture should stop working during flash floods from the intermittent tributaries, as well as during windstorms, and at least three days afterwards; (4) monitoring the water quality in the eastern diversion channel is of vital importance, due to the low water depth and the high evaporation rates; (5) a heating of the water surface would likely increase the risk of development of HAB in the shallow areas, so that further assessments with a water quality module are needed to support advanced remediation measures; (6) the 3D model proves to be a necessary tool to identify high risk contamination areas, e.g. for installation of new aquaculture systems, capable of additionally taking into account wind and heating effects. In conclusion, the complex water system investigated urges of adaptive and differentiated measures to the continuously changing natural conditions and anthropogenic impacts. An efficient communication and collaboration is needed between the water users, managers and researchers, e.g. to discuss the feasibility of the proposed operation measures, such as the inversion of the water flow withdrawn by the eastern diversion channel, in the case of alarming nutrient overloads and high amount of algae in the shallow stagnant areas.
In future work, the existent models should be coupled with a water quality module to address some of the still open research questions, such as focusing on (1) the risk of HAB development, mainly on their inoculation in the lentic bay areas and their interaction with the reservoir main stream, (2) the impact of HAB on the withdrawals for drinking water or irrigation agriculture and (3) the adaptation of hydroelectric production to reduce water level fluctuations, in order to minimize the introduction of nutrients from the desiccated soils in the shallow areas and, thus, the greenhouse gases (GHG) emissions as well. Moreover, external forces such as wind, heating and cooling processes should be always included in the modelling, since they influence indeed the hydraulics of water bodies such as the Icó-Mandantes Bay.
Seit dem Jahr 2012 leidet Nordostbrasilien an der härtesten Dürre seiner jüngsten Geschichte, mit schwerwiegenden Folgen für Wasserressourcen, anthropogene Nutzungen und Ökosystemdienst-leistungen. Wasserkraftproduktion, Bewässerungslandwirtschaft, Wasserversorgung und Aqua-kulturen sind die wichtigsten Nutzungen des Wassers im Itaparica-Stausee (Mittellauf des São Francisco Flusses). Aufgrund von oft unkontrollierten Wasserentnahmen und Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen haben sich die Wassermenge und die Wasserqualität im Stausee verschlechtert, was zu einer Belastung der sozioökonomischen Entwicklung und Um-weltproblemen geführt hat. So kann beispielsweise das Auftreten schädlicher Algenblüten in ste-henden flachen Wasserbereichen auf die hohen Schwankungen der Wasserstände im Stausee (bis zu maximal 5 m pro Jahr) aufgrund der Wasserkraftproduktion zurückgeführt werden. Darüber hinaus finden im Rahmen des häufig kritisierten Wasserumleitungsprojektes Wasserentnahmen an zwei Stellen im Itaparica-Stausee statt, wobei sich eine dieser Entnahmestellen in einem der wich-tigsten Zweige des Stausees, der Icó-Mandantes-Bucht befindet, welche Schwerpunkt dieser Ar-beit ist.
Mit dem Open-Source-TELEMAC-MASCARET Modellierungssystem wurden zwei- (tiefengemittelte) und dreidimensionale Berechnungen zu Hydrodynamik und Transport durchge-führt. Ziel war es, erstmalig ein Werkzeug für die Region bereitzustellen, das in der Lage ist, ver-schiedene Szenarien zu simulieren, um Fragestellungen zu Klimaänderungen und Stakeholder-Interessen zu untersuchen, um damit das Wassermanagement und die Entscheidungsfindung zu unterstützen. In dieser Arbeit wurden (1) hochauflösende unstrukturierte Gitternetze für niedrige und hohe Wasserstände (LWL und HWL) erstellt, um ihre Auswirkungen auf die Hydraulik, den Stofftransport und Austauschprozesse zwischen der Bucht und dem Hauptstrom des Stausees zu beurteilen; (2) ein alternativer Ansatz zur Abschätzung der Aufenthaltszeit des Wassers in der komplexen Icó-Mandantes-Bucht entwickelt; (3) Nährstoffemissionen (z.B. Phosphor) aus einem Aquakultur-System untersucht; (4) die Auswirkungen des östlichen Kanals der Wasserumleitung auf das Strömungsfeld in der Bucht abgeschätzt; (5) die Auswirkungen einer Sturzflut zusammen mit Stofftransport aus einem Nebenfluss untersucht und schließlich (6) 3D Strömungseffekte ab-geschätzt, die durch mäßige und extreme Winde sowie durch die Erwärmung der Wasseroberflä-che hervorgerufen werden.
Die Ergebnisse zeigen, (1) dass die Dynamik der Bucht und des Stausee-Hauptstroms un-terschiedlichen Fließgeschwindigkeitsbereiche aufweisen (mindestens eine Größenordnung höher im Hauptstrom im Bereich von 10-2 bis 10-1 m/s für Referenzbedingungen); (2) dass die Aufent-haltszeiten des Wassers in der Bucht mehr als sechs Monate betragen (etwa zwei Monate für den Stausee), höher für HWL im Vergleich zu LWL; (3) dass die Phosphorkonzentrationen aufgrund einer kleinen Aquakultur beträchtlich zunehmen, mehr für LWL auf kurze Sicht und für HWL auf lange Sicht; (4) dass der östliche Umleitungskanal die Hydrodynamik der Bucht nicht wesentlich beeinflusst; trotzdem ist es insbesondere während der Regenzeit nach längeren Dürren sehr wich-tig, Wasserqualitätsparameter in diesem Kanal ständig zu überwachen; (5) dass während Sturzflu-tereignissen die Wasserentnahmen (Bewässerung, Wasserversorgung) durch Nährstoffeinträge aus dem Nebenfluss und nahe gelegenen Entwässerungssystemen beeinträchtigt werden; (6) und dass ein Sturm die Strömungsgeschwindigkeiten erhöht (mindestens um eine Größenordnung, d.h. bis zu 10-1 m/s), ohne die Muster der Strömungszirkulation maßgeblich zu verändern; dies trat in gro-ßem Maße für das Erwärmungsszenario auf, welches aber eine geringere Auswirkung auf die Ge-schwindigkeitsgrößen hatte.
Die wichtigsten daraus resultierenden Schlussfolgerungen für das Wassermanagement werden nachfolgend zusammengefasst: (1) Es wird nicht empfohlen, die Zuflüsse und die Was-serstände im Stausee zu erhöhen, um Wasseraustauschprozesse zu stimulieren, weil es kontrapro-duktiv sein und das Risiko der Entwicklung von schädlichen Algenblüten erhöhen kann. (2) Es wird vorgeschlagen, keine Aquakulturen innerhalb der Bucht zu betreiben oder zumindest eine ausreichende Wassertiefe unterhalb der Systeme vorzusehen, um eine Verlagerung und Verdün-nung des organischen Materials zu ermöglichen und eine extreme Zunahme von Sedimenten zu vermeiden. (3) Die Entnahmen für Trink- und Bewässerungswasser sollten während Sturzfluter-eignissen der Nebenflüsse sowie bei Windstürmen mindestens drei Tage ausgesetzt werden. (4) Die Überwachung der Wasserqualität im östlichen Umleitungskanal ist aufgrund der geringen Wassertiefe und der hohen Verdunstungsrate von entscheidender Bedeutung. (5) Eine Erwär-mung der Wasseroberfläche wird voraussichtlich das Risiko der Entwicklung von schädlichen Algenblüten in den flachen Gebieten erhöhen, so dass weitere Untersuchungen mit einem Was-serqualitätsmodell anzustreben sind, um weitergehende Sanierungsmaßnahmen abzuleiten. (6) Das 3D-Modell sollte zur genaueren Abschätzung von Kontaminationsbereichen eingesetzt wer-den, z.B. für die Installation von neuen Aquakultur-Systemen, da Wind- und Wärmewirkungen berücksichtigt werden. Abschließend wird festgestellt, dass das komplexe Wassersystem Icó-Mandantes-Bucht differenzierte und anpassungsfähige Maßnahmen erfordert, die sich an die ständig verändernden natürlichen Bedingungen und anthropogenen Einflüsse anpassen. Es ist ei-ne effiziente Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen Wassernutzern, Managern und Wis-senschaftlern erforderlich, um die Machbarkeit der vorgeschlagenen Maßnahmen zu überprüfen, wie beispielsweise die Rückleitung der Wasserentnahme im östlichen Umleitungskanal im Fall von zu starken Nährstoffbelastungen und Algenblüten in Bereichen der Icó-Mandantes-Bucht.
In Zukunft sollten die vorhandenen Modelle mit einem Wasserqualitätsmodul gekoppelt werden, um einige der noch offenen Fragestellungen zu untersuchen, wie (1) die Entwicklung von schädlichen Algenblüten, vor allem in den flachen Bereichen mit fast stehendem Wasser und deren Interaktionen mit dem Hauptstrom des Stausees, (2) die Auswirkungen von schädlichen Algenblüten auf Entnahmen für Trink- oder Bewässerungswasser und (3) die Anpassung der Wasserkraft zur Reduzierung von Wasserstandsschwankungen, um das Auswaschen von Nähr-stoffen aus ausgetrockneten Böden in Uferzonen und damit auch Treibhausgasemissionen zu mi-nimieren. Darüber hinaus sollten antreibende Größen wie Wind und Temperatur bei der Modellie-rung berücksichtigt werden, da sie die Hydraulik der Icó-Mandantes-Bucht nachgewiesenerma-ßen beeinflussen.
