Application of a two-dimensional hydrodynamic reservoir model to Lake Erie

The relative impacts of changes in nutrient loading and zebra mussel establishment on plankton in large lakes are strongly influenced by hydrodynamics, yet adequately modelling the temporal-spatial complexity of physical and biological processes has been difficult. We adapted a two-dimensional public domain model, CE-QUAL-W2, to test whether it could provide a hydrodynamically accurate simulation of the seasonal variation in the vertical-longitudinal thermal structure of Lake Erie. The physical forcing for the model is derived from surface meteorological buoys and measurements of precipitation, inflows, and outflows. To calibrate and validate the model, predictions were compared with an extensive set of field data collected during May through September 1994. The model accurately predicted water-level fluctuations without adjustment. However, significant modifications to the eddy coefficient turbulence algo - rithm were required to simulate acceptable longitudinal currents. The thermal structure was accurately predicted in all three basins, even though this laterally averaged model cannot simulate Coriolis effects. We are currently extending the model's water-quality module to include the effects of nutrient loading and zebra mussels on the plankton. Resume : Les impacts relatifs des changements dans la charge de nutriments et de l'etablissement de Moules zebrees sur le plancton dans des lacs de grande taille sont grandement influences par les facteurs hydrodynamiques; cependant la modelisation de la complexite spatiotemporelle des processus physiques et biologiques s'est averee difficile. Nous avons adapte le modele bidimensionnel CE-QUAL-W2 du domaine public pour evaluer s'il pouvait fournir une simula- tion hydrodynamique fidele de la variation saisonniere de la structure thermique verticale et horizontale du lac Erie. Le forcage physique du modele s'est fait a partir de donnees provenant des bouees meteorologiques de surface et des mesures de precipitations, d'entrees et de sorties d'eau. Des comparaisons des predictions du modele avec une vaste serie d'observations de terrain de mai a septembre 1994 ont permis de calibrer et de valider le modele. Le modele pre- dit precisement, et sans necessite d'ajustement, les fluctuations des niveaux d'eau. Des modifications importantes de l'algorithme du coefficient de turbulence tourbillonnaire ont cependant ete necessaires pour generer des courants longi- tudinaux acceptables. Le modele a predit correctement la structure thermique dans les trois bassins, bien que ce modele (base sur des moyennes laterales) soit incapable de simuler les effets des forces de Coriolis. Nous sommes presente- ment a elargir le module de qualite des eaux du modele pour y inclure les effets de la charge de nutriments et de la presence de Moules zebrees sur le plancton.