Influência das alterações climáticas em bacias de retenção

Texto

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ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

Departamento de Engenharias

Influência das Alterações Climáticas

Orientador: Professor Doutor Luís Filipe S. Fernandes

Coorientador: Professor Doutor Mário

DISSERTAÇÃO APRESENTADA À UNIVERSIDADE DE TRÁS ALTO DOURO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL

E ALTO DOURO

ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

Departamento de Engenharias

Influência das Alterações Climáticas em Bacias de Retenção

Sónia Morgado Gaspar

Orientador: Professor Doutor Luís Filipe S. Fernandes

: Professor Doutor Mário Jorge M. Gonzalez Pereira

DISSERTAÇÃO APRESENTADA À UNIVERSIDADE DE TRÁS-ALTO DOURO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL

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ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

Bacias de Retenção

Orientador: Professor Doutor Luís Filipe S. Fernandes

Gonzalez Pereira

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“There are many hypotheses in science which are wrong. That's perfectly all right; they're the aperture to finding out what's right.”

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AGRADECIMENTOS

Por de trás da realização deste trabalho esteve o apoio, incentivo e contributo de muitas pessoas às quais gostaria de agradecer:

Ao meu orientador, Professor Luís Filipe S. Fernandes, pela disponibilidade, simpatia e amizade prestada em todas as fases deste trabalho. As “apreciações” sugeridas foram fundamentais para o resultado final aqui apresentado.

Ao meu coorientador, Professor Mário Jorge M. Gonzalez Pereira, não tenho palavras para agradecer a constante disponibilidade e o tempo despendido em proveitosas discussões e ensinamentos, além das palavras de ânimo que imprimia sempre que achava necessário. Muito, muito obrigada!!

Ao consórcio CAET XXI, nomeadamente, aos engenheiros Patrique Alves, Luís Barrias e Jorge Príncipe pelo interesse e disposição em colaborar sempre que solicitada a sua ajuda.

Ao Doutor Joaquim G. Pinto do Institute of Geophysics and Meteorology da University of Cologne, por facultar os dados meteorológicos para diferentes cenários futuros e do passado recente, simulados pelo modelo COSMO-CLM.

Ao Centro de Geofísica da Universidade de Lisboa, nomeadamente ao Tomás Calheiros e Menezes, pela seleção de dados de precipitação provenientes do modelo COSMO-CLM para o domínio de Portugal Continental.

Ao SNIRH, pela informação prestada sempre que requerida.

Ao professor Diogo Filipe, ao Rui, à Eduarda e à Mónica no apoio prestado durante todo o trabalho, e pela desenvoltura com que me ajudaram sempre que necessitei.

A toda a família, em especial aos meus país e avós, pelo apoio, contributo e sobretudo por todos os valores transmitidos diariamente.

À Margarida, pelas vezes em que eu precisava de trabalhar e ela fazia questão de utilizar o meu computador para ver as “Club Winx”.

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RESUMO

As bacias de retenção permitem controlar os caudais crescentes pelo aumento do coeficiente de escoamento resultante da impermeabilização do solo devido à construção do elevado número de vias de comunicação. Em Portugal, o dimensionamento de bacias de retenção é realizado com base nas curvas de Intensidade-Duração-Frequência (IDF) regulamentados pelo Decreto Regulamentar (DR) nº23/95 de 23 de Agosto. No entanto, alterações observadas no clima passado recente e projeções para o clima futuro apontam para diferenças no regime da precipitação em Portugal, em particular, na frequência e intensidade de eventos extremos o que sugere a necessidade de avaliar o impacto dos efeitos de eventuais alterações climáticas nas curvas IDF.

Dados de precipitação horária observada fornecidos pelo Sistema Nacional Informação Recursos Hídricos (SNIRH) e de precipitação diária simulados pelo modelo

Consortium for Small-Scale Modelling–Climate version of the Local Model (COSMO-CLM) para cenários futuros e do passado recente foram desagregados para escalas horárias (método dos Fragmentos) e sub-horárias (coeficientes de desagregação indicados em Brandão et. al., 2001) Após a análise estatística exploratória preliminar, a Lei de Gumbel foi ajustada às séries temporais de intensidade de precipitação máxima para dez valores de duração e utilizada para estimar intensidades de precipitação máxima para oito valores de períodos de retorno. Os parâmetros (a e b) das curvas IDF ( = × ) foram depois estimados pelo método dos mínimos quadrados e pelo ajuste robusto. A metodologia descrita foi aplicada a ambos os conjuntos de dados observados e simulados e os resultados foram comparados, após corrigir o viés introduzido pelo modelo COSMO-CLM, em relação aos resultados obtidos com os dados observados por Brandão et al. (2001) e por Matos e Silva (1986) com os dados observados. A metodologia adotada e desenvolvida garante a robustez, a significância estatística e a adequada análise comparativa dos resultados obtidos. O dimensionamento efetuado com as curvas IDF para os cenários de clima futuro sugere a necessidade do aumento da dimensão destes órgãos de drenagem e que esta variação não será idêntica nas três regiões pluviométricas nem no interior de cada uma destas regiões.

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ABSTRACT

Influence of climate change in retention basins

Retention basins allow controlling the flow rates amplified by the increase of coefficient of runoff resulting from soil impermeabilization due to the construction of the high number of communication channels (roads, freeways). In Portugal, the design of retention basins is based on the intensity-duration-frequency (IDF) curves regulated by Regulatory Decree n.º23/95 of 23rd August 1995. However, observed changes in recent past climate and projections for future climate suggest differences in precipitation regime in Portugal, in particular respecting to the frequency and intensity of extreme events, thus leading to the need to evaluate the impact of potential climate change on IDF curves.

Observed hourly precipitation data provided by the National Information System for Water Resources (Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos, SNIRH) and daily precipitation simulated by the Consortium for Small-Scale Modeling Climate-version of the Local Model (COSMO-CLM) for recent past and future scenarios were disaggregated to hourly (using the method of fragments) and sub-hourly scales (using disaggregation coefficients as suggested by Brandão et. al., 2001). After an exploratory statistical analysis, the Gumbel distribution function was fitted to the time series of maximum precipitation intensity for a set of ten durations (5, 10, 15, 30 and 60 minutes, and 2, 6, 12, 24 and 48 hours) and used to estimated maximum precipitation intensities for eight return periods (2, 5 , 10, 50, 100, 500 and 1000 years). Parameters a and b of the IDF curves ( = × ) were then estimated by the least squares method and the robust regression. The described methodology was applied to both sets of observed and simulated data and the results were compared after correcting the bias introduced by the COSMO-CLM model, in relation to the results obtained by Brandão et al. (2001) and by Matos and Silva (1986) with the observed data. The adopted methodology ensures the robustness, statistical significance and adequate comparative analysis of the results. The retention basin design performed with IDF curves developed for future climate scenarios suggests the need to increase the size of these drainage systems and this change is not the same in the three rainfall regions or even within each of these regions.

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ÍNDICE GERAL

ÍNDICE GERAL ... I ÍNDICE DE FIGURAS ... III ÍNDICE DE QUADROS ... V SIGLAS ... VII SIMBOLOGIA ... IX

1. ENQUADRAMENTO ... 1

1.1. Considerações Iniciais ... 1

1.2. Âmbito e Objetivos do Trabalho ... 2

1.3. Conteúdo ... 3

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 7

2.1. O Ciclo Hidrológico ... 7

2.2. O Escoamento Superficial ... 8

2.2.1. Fatores que influenciam o escoamento superficial ... 9

2.3. Bacias de Retenção ... 9

2.3.1. Função das bacias de retenção ... 10

2.3.2. Tipos de bacias de retenção ... 13

2.3.2.1. Bacias a céu aberto ... 14

2.3.2.1.1. Bacias secas ... 14

2.3.2.1.2. Bacias com nível de água permanente ... 15

2.3.2.2. Bacias enterradas ... 16

2.3.2.3. Bacias em paralelo ... 16

2.3.2.4. Bacias em série ... 17

2.4. Determinação de Parâmetros Hidrológicos ... 18

2.4.1. Caudal de ponta cheia ... 19

2.4.1.1. Método Racional ... 20

2.4.2. Coeficiente de escoamento superficial... 21

2.4.3. Período de retorno ... 21

2.4.4. Tempo de concentração ... 24

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2.4.6. Geometria e relevo da bacia hidrográfica ... 33

2.5. Dimensionamento Hidráulico ... 33

2.6. Problemas Relacionados Com Este Tipo de Medida – Impactos Ambientais ... 35

3. METODOLOGIA ... 39

3.1. Enquadramento Geográfico ... 39

3.2. Caracterização da Área de Estudo (Bacia Hidrográfica do rio Corgo) ... 40

3.3. Construção de Curvas IDF ... 42

3.3.1. Dados de entrada e caracterização da Rede Udográfica ... 42

3.3.2. Desagregação da precipitação/Aplicação do método dos fragmentos ... 47

3.3.3. Determinação dos valores dos parâmetros a e b ... 49

3.4. Aplicação ao Caso de Estudo ... 52

4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS ... 57

4.1. Ajuste do Modelo Distributivo à Variável Hidrológica ... 58

4.1.1. Qualidade do ajuste da função de distribuição de Gumbel ... 58

4.1.2. Ajuste da função densidade de probabilidade (fdp) de Gumbel ... 61

4.2. Curvas de IDF ... 66

4.2.1. Parâmetros a e b ... 66

4.2.2. Representação gráfica das intensidades de precipitação versus duração... 78

4.3. Dimensionamento da Bacia de Retenção em Estudo ... 85

5. CONCLUSÕES ... 93 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 99 ANEXOS ... 109 Anexo A ... 109 Anexo B ... 110 Anexo C ... 113

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 – Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico ... 8

Figura 2.2 – Bacia de retenção impermeabilizada com geomembrana, França ... 12

Figura 2.3 – Bacia de retenção utilizada para diferir os caudais, ... 13

Figura 2.4 – Perfil tipo de uma bacia seca de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto 15 Figura 2.5 – Perfil tipo de uma bacia com nível de água permanente de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto ... 15

Figura 2.6 – Bacia com água permanente nº VIII Sul, Marne-la-Vallé, França... 16

Figura 2.7 – Bacia de retenção enterrada ... 16

Figura 2.8 – Bacia em paralelo: Off-Line... 17

Figura 2.9 – Bacia em série: On-Line... 17

Figura 2.10 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em paralelo: off-line ... 18

Figura 2.11 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em série: on-line ... 18

Figura 2.12 – Precipitação média anual: (a) observações 1961-1999; (b) controlo HadMR2; (c) controlo HadMR3 ... 26

Figura 2.13 – Anomalia (relativamente a 1961-1990) da precipitação no modelo HadRM3: (a) anual A2 2070-2099; (b) anual B2 2070-2099 ... 27

Figura 2.14 – Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência ... 29

Figura 2.15 – Esquema explicativo para o modelo Pulsos Retangulares de Bartlett-Lewis 31 Figura 2.16 – Tipos de geometria das bacias e respetiva influência nos caudais. ... 33

Figura 2.17 – Bacia de retenção ... 34

Figura 3.1 – Localização e caraterização da região de Vila Real. ... 39

Figura 3.2 – Enquadramento geográfico da AE Transmontana. ... 40

Figura 3.3 – Mapa de localização da área de estudo (Viaduto de Constantim). ... 41

Figura 3.4 – Caraterização da variabilidade mensal da precipitação horária (não nula) nas oito estações pluviométrica, ao longo do período considerado. ... 43 Figura 3.5 – Variação da precipitação em percentagem para o período de 2071 – 2100

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Figura 3.6 – Localização das oito estações meteorológicas selecionadas correspondente a cada célula da rede do modelo COSMO-CLM. ... 46 Figura 3.7 – Esquema ilustrativo sobre o processo de desagregação de precipitação. ... 47 Figura 4.1 – Gráfico Quantil-Quantil para intensidades de precipitação máxima observada na estação de Pinhel para uma duração de 5 min. ... 59 Figura 4.2 – Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 10 min. ... 60 Figura 4.3 – Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 60 min. ... 60 Figura 4.4 – Representação das fdp obtidas do ajuste da Lei de Gumbel às séries dos valores observados de intensidade de precipitação para durações de 5, 15, 30 e 60

min. ... 62

Figura 4.5 – Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário C20. ... 63 Figura 4.6 – Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário A1B, para o período de 2011 – 2040. ... 65 Figura 4.7 – Intensidade de precipitação observada na estação de Castelo Melhor no período 2002 – 2008 em função dos valores do 1º trecho de duração (entre 5 e 30

min) para o período de retorno de dez anos e respetivas retas de regressão linear

obtidas com os métodos dos mínimos quadrados e do ajuste robusto. ... 67 Figura 4.8 – Tal como a Figura 4.7, mas relativo ao 2º trecho de valores de duração (30

min e 6 h). ... 67

Figura 4.9 – Tal como a Figura 4.7, mas relativo ao 3º trecho de valores de duração (entre 6 e 48 h). ... 68 Figura 4.10 – Tal como a Figura 4.7, mas relativo a todas as durações da estação de Castelo Melhor. ... 68 Figura 4.11 – Curvas IDF para os dados observados e para cada período dos cenários climáticos futuros A1B e B1. ... 79 Figura 4.12 – Tal como a Figura 4.13 mas, para as restantes estações pluviométricas. ... 80 Figura 4.13– Curvas IDF para os dados de Matos e Silva (1986) e para cada período dos cenários climáticos futuros A1B e B1. ... 81 Figura 4.14 – Tal como a Figura 4.16 mas, para as restantes estações pluviométricas. ... 82 Figura 4.15 – Curvas IDF estabelecidas no DR nº 23/95 de 23 de Agosto e curvas IDF obtidas a partir dos dados observados para as oito estações pluviométricas. ... 84

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ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 2.1 - Coeficiente de ajustamento ( ) em função do período de retorno ... 21

Quadro 2.2 - Peso dos parâmetros P1, P2 e P3 definidos no capítulo 2.4.3 ... 23

Quadro 3.1 – Caraterização das oito estações pluviométricas da rede udográfica. ... 44

Quadro 3.2 – Comparação das relações médias sub-horárias portuguesas e mundiais. ... 48

Quadro 3.3 – Coeficientes médios sub-horários e horários para as oito estações pluviométricas. ... 49

Quadro 4.1 – Resultados do teste de adaptabilidade e dos parâmetros estatísticos de localização (µ) e de escala (σ) determinados pelo método da máxima verossemelhança, para os dados observados da estação de Pinelo. ... 58

Quadro 4.2 – Resultados dos parâmetros a e b e dos indicadores de qualidade do ajuste realizado com o MRR para a estação de Castelo Melhor, para um período de retorno de dez anos. ... 69

Quadro 4.3 – Parâmetros das curvas IDF para as estações da região A referentes ao primeiro trecho (válidos para durações entre 5 a 30 min)... 71

Quadro 4.4 - Parâmetros das curvas IDF para as estações da região B referentes ao primeiro trecho (válidos para durações entre 5 a 30 min)... 72

Quadro 4.5 - Parâmetros das curvas IDF para as estações da região C referentes ao primeiro trecho (válidos para durações entre 5 a 30 min)... 73

Quadro 4.6 - Parâmetros das curvas IDF para as estações da região A, válidos para durações entre 5 a 30 min. ... 75

Quadro 4.7 - Parâmetros das curvas IDF para as estações da região B, válidos para durações entre 5 a 30 min. ... 76

Quadro 4.8 - Parâmetros das curvas IDF para as estações da região C, válidos para durações entre 5 a 30 min. ... 77

Quadro 4.9 – Parâmetros adotados a partir do dimensionamento cedido pelo CAET XXI. 85 Quadro 4.10 – Dimensionamento da bacia de retenção a partir dos parâmetros a e b das curvas IDF propostas por Matos e Silva (1986) (CAET XXI). ... 85 Quadro 4.11 – Dimensionamento da bacia de retenção para as três estações pluviométricas da região B, relativos ao período observado (2002 – 2012) e aos dois períodos de

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Quadro 4.12 – Tal como o Quadro 4.11 mas, relativo aos dados propostos por Matos e Silva (1986) e aos dois períodos de trinta anos simulados para os cenários A1B e B1. ... 88

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SIGLAS

AE – Auto-Estrada

ASCE – American Society of Civil Engineers CAET – Construtor da Auto-Estrada Transmontana

COSMO-CLM – Consortium for Small-Scale Modelling–Climate version of the Local Model

DR – Decreto Regulamentar E – Este

HadRM – Hadley Centre for Climate Prediction and Research IC – Intervalo de confiança

IDF – Intensidade-Duração-Frequência INAG – Instituto Nacional da Água

INMG – Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica IPCC – International Panel on Climate Change

JAE – Junta Autónoma de Estradas

LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil N – Norte

OMM – Organização Mundial de Meteorologia S – Sul

SIAM – Scenarios Impacts and Adaptation Measures

SNIRH – Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos SRES – Synthesis Report on Emission Scenarios

STU – Service Techniques de l’Urbanisme

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SIMBOLOGIA

a – parâmetro das curvas IDF, indicador da intensidade de precipitação adm – adimensional

b – parâmetro das curvas IDF, indicador da persistência da intensidade de precipitação C – Coeficiente de escoamento

fdp – função de densidade de probabilidade h – hora ha – hectare I – intensidade de precipitação m – metro min – minuto mm – milímetro km – Quilómetro

Obs – Período de dados observados

– tempo de concentração

µ – parâmetro de localização da distribuição de Gumbel σ – parâmetro de escala da distribuição de Gumbel

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Capítulo I

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1. ENQUADRAMENTO

1.1. Considerações Iniciais

Os projetos de Engenharia Civil, nomeadamente, a construção de vias de comunicação, têm vindo a afetar as características hidrológicas das bacias hidrográficas pelo aumento da percentagem de área impermeável na bacia e, por consequência, a diminuição do tempo de concentração da mesma. Os dois impactos referidos conduzem a um aumento do volume e caudal de ponta do escoamento que, por sua vez, conduz à consideração de soluções menos tradicionais em sistemas de drenagem de águas pluviais.

Muitas das vezes, aquando da construção de uma estrada, são atravessadas linhas de água interferindo com o curso natural da linha, ocorrendo também, um aumento da impermeabilização dos solos e consequente redução da infiltração e recarga de aquíferos, e muito provavelmente, uma eventual diminuição da secção de escoamento das linhas de água devido à acumulação de terras.

Para atenuar esses impactes são criadas, na maioria das vezes, redes de drenagem com a capacidade de conduzir os caudais atuais e/ou o acréscimo de caudais introduzidos direcionadas para a rede de drenagem (aquedutos, passagens hidráulicas e linhas de água) já existente a jusante. Contudo, embora o local a montante não seja inundado, poderão ocorrer inundações a jusante uma vez, que as redes de drenagem aí existentes passaram a estar subdimensionadas.

Neste sentido, a criação de bacias de retenção que permitam restituir a jusante caudais compatíveis com os limites de capacidade de vazão da rede existente, pode ser uma solução técnico-económica mais vantajosa do que por exemplo, reforçar a rede a jusante. Além disso, com esta solução pode ser dado um contributo à resolução de duas situações extremas e antagónicas: as cheias e as secas. Pois, as águas pluviais geralmente

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Por outro lado, as alterações observadas no clima passado recente e as projeções para o clima futuro apontam para diferenças no regime da precipitação em Portugal, em particular, na frequência e intensidade de eventos extremos. Estas alterações têm-se traduzido por períodos de maior exposição a chuvas extremas em intervalos de tempo menores. Cada vez mais frequentemente, intensidades de precipitação experimentadas em média a cada 25 anos, ocorrem agora com 6 anos de intervalo (Fowler e Kilsby, 2003).

Face a eventuais alterações climáticas, é necessário averiguar a incerteza do desempenho futuro das infraestruturas de drenagem de águas residuais pluviais, pois o dimensionamento pode estar desajustado, uma vez que estas apontam para regimes de precipitação diferenciados do padrão atual (Rosenberg et al., 2010).

Em Portugal, as curvas IDF, recomendadas pelo DR nº23/95 de 23 de Agosto, constituem informação fundamental para o dimensionamento de obras hidráulicas. Neste sentido, importa igualmente averiguar eventuais alterações nas quantidades de precipitação extremas em Portugal e o seu impacte nas curvas IDF. Pois, só assim, será possível contribuir para melhorar e tornar mais rigorosa a estimação dos caudais de projeto no dimensionamento de qualquer órgão de drenagem de águas pluviais (neste estudo, bacias de retenção).

Como é sabido, a implementação de uma metodologia apropriada para a determinação das curvas IDF, considerando os dados disponíveis no ex-Instituto Nacional da Água (INAG), foi objeto de uma tese de Mestrado, concluída em 1995 (Brandão, 1995). Na sequência desta dissertação, a metodologia aí preconizada foi melhorada e aplicada a um universo maior de estações udográficas, tendo sido publicados, sobre este assunto, dois relatórios técnicos, um em 1998 (Brandão e Rodrigues, 1998) e outro em 2001 (Brandão et al., 2001). Entre os vários aspetos apresentados estão as relações existentes entre as precipitações diárias ou horárias e de menores durações. A estas abordagens de desagregação estão associados erros de estimativa, cujo valor está dependente do tipo de fenómeno meteorológico associado à ocorrência da intensidade máxima de precipitação.

1.2. Âmbito e Objetivos do Trabalho

O presente trabalho tem como objetivo principal avaliar o impacte das alterações climáticas nas curvas IDF preconizadas neste trabalho (consequência de alterações na distribuição dos valores extremos de precipitação

)

, consequentemente, no processo de

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dimensionamento de uma bacia de retenção em estudo e avaliar a validade, no futuro, da classificação do território (presença de três regiões pluviométricas), tal como é descrita no DR nº23/95 de 23 de Agosto.

Para cumprir o objetivo atrás enunciado, foram definidos os seguintes objetivos parcelares:

Recolha de informação existente sobre dimensionamento de bacias de retenção; Recolha e análise de dados históricos de precipitação horária disponibilizados através do Sistema SNIRH;

Seleção de estações pluviométricas localizadas em cada uma das regiões pluviométricas de Portugal Continental;

Recolha e análise de simulações de padrões espaciais de precipitação a partir do modelo COSMO-CLM para cada célula da rede correspondente a cada uma das oito estações previamente selecionadas neste estudo;

Recolha e sistematização de diversos métodos de desagregação de precipitação; Ajuste, análise e utilização da função de distribuição de Gumbel aos valores de intensidade de precipitação para diferentes durações;

Determinação dos parâmetros a e b das curvas IDF, em consequência de alterações na distribuição dos valores extremos de precipitação, simulados para diferentes cenários.

Aplicação de métodos e procedimentos expostos ao caso de estudo.

1.3. Conteúdo

O trabalho encontra-se estruturado em cinco capítulos, constituindo o presente, a introdução, o Capítulo I. Neste capítulo são apresentadas as questões introdutórias, tais como as considerações sobre a natureza do trabalho e a descrição dos objetivos do mesmo. No Capítulo II, apresenta-se a revisão da literatura sobre os diversos temas abordados nesta dissertação, essencialmente sobre a importância da utilização de bacias de retenção, os vários métodos para o seu dimensionamento e, ainda que brevemente, é feita

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Em seguida, no Capítulo III, é apresentada a metodologia utilizada para a concretização dos objetivos deste trabalho, onde é feito o enquadramento do caso prático e o dimensionamento hidrológico e hidráulico da bacia de retenção em estudo com base nos parâmetros a e b das curvas IDF. Este capítulo descreve todo o processo necessário para estimar eventuais alterações nas curvas IDF em consequência de alterações na distribuição dos valores extremos de precipitação, nomeadamente, o processo de desagregação da precipitação em escala horária.

No Capítulo IV, apresenta-se uma análise e interpretação de resultados obtidos sobre a distribuição espacial dos valores extremos na região continental de Portugal para os vários cenários simulados e, ainda, sobre a comparação do dimensionamento da bacia de retenção sob o Viaduto de Constantim inserida no traçado da Auto-Estrada Transmontana (AE Transmontana), realizado segundo as curvas IDF regulamentadas pelo DR nº23/95 de 23 de Agosto, e com base nas curvas IDF preconizadas neste estudo.

Por fim, o Capítulo V, é dedicado às conclusões e considerações finais do estudo desenvolvido.

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Capítulo 2

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. O Ciclo Hidrológico

O ciclo hidrológico pode ser descrito pelo movimento e transferência de água nas diferentes fases, que ocorre na Hidrosfera, Criosfera, Litosfera e Atmosfera. Este mecanismo permanente ocorre devido à energia proveniente do Sol, que eleva a água da superfície terrestre para a atmosfera (evaporação), e à gravidade que faz com que a água condensada caia (precipitação) atingindo novamente a superfície terrestre, seguindo diversos caminhos, sejam eles a infiltração no solo, a acumulação ou o escoamento superficial. No entanto, nem toda a água precipitada alcança o solo, já que uma parte, durante a sua queda, é intercetada pela vegetação e volta a evaporar-se (Nicolao, 2011).

Quando a superfície do solo fica saturada, a infiltração de água deixa de ocorrer transformando toda a precipitação em escoamento superficial no espaço interfluvial, direcionando-o para a rede de drenagem. Existe ainda uma pequena parcela da precipitação que sofre evaporação para a atmosfera, fechando assim o ciclo hidrológico (Figura 2.1).

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Figura 2.1 – Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico (Lencastre e Franco, 1992)

2.2. O Escoamento Superficial

No estudo de caudais afluentes a uma determinada estrutura de drenagem é necessário conhecer a porção de precipitação que resulta em escoamento superficial (Lima et al., 2006).

O escoamento superficial é, das quatro fases básicas do ciclo hidrológico, talvez a mais importante para o engenheiro, pois trata-se de um movimento de água feito de um modo bastante aleatório, variando tanto no tempo como no espaço (Carvalho e Silva, 2006).

A partir do momento em que a intensidade de precipitação se torna maior que a velocidade de infiltração da água no solo ou a capacidade de saturação do solo for atingida, inicia-se o escoamento à superfície terrestre, sendo este o principal responsável pelo rápido aumento da vazão após a ocorrência de pluviosidade (Griebeler et al., 2001).

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2.2.1. Fatores que influenciam o escoamento superficial

Há diversos fatores que influenciam o regime de escoamento superficial, facilitando a sua ocorrência ou aumentando a sua velocidade. Estes fatores podem ser essencialmente de natureza climática e de natureza fisiográfica. Os fatores de natureza climática são sobretudo a precipitação, nomeadamente a duração e intensidade da mesma, a evaporação e a transpiração (Chow et al., 1988).

A precipitação tem influência direta no escoamento, pois quanto maior a duração da chuva, maior a probabilidade de ocorrer o escoamento superficial. E quanto maior a intensidade mais rapidamente o solo atinge a saturação, provocando o escoamento superficial.

Um outro fator climático importante para o escoamento superficial é a precipitação antecedente pois, quando ocorrem precipitações consecutivas num curto período, o solo encontra-se húmido de uma chuvada para a outra e aumenta a ocorrência de escoamento à superfície (Nicolao, 2011).

Dentro dos fatores de natureza fisiográfica estão a área da bacia de contribuição, a topografia da bacia e as condições da superfície do solo. A influência das características geométricas da bacia é percebida facilmente, pois quanto maior for a forma e o tamanho da bacia, maior vai ser a quantidade de água captada por esta.

De acordo com Chow et al. (1988), a formação e quantidade de escoamento superficial é também influenciado pelas características dos cursos de água. Com a retificação de cursos de água ou construções de barragens dá-se o aumento da vazão de montante para jusante, aumentando a velocidade de escoamento da água.

2.3. Bacias de Retenção

A nível Europeu, a Diretiva nº 2007/60/CE relativa à avaliação e gestão de riscos de inundação, proposta pela Comissão Europeia em janeiro de 2006, veio exigir que todos os Estados-Membros fizessem uma avaliação preliminar em 2011 onde fossem identificadas todas as bacias hidrográficas e zonas costeiras associadas ao risco de inundações e estabelecessem até 2013 planos de gestão dos riscos de alagamento (ECE,

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Para o controlo dos prejuízos e dos transtornos provocados por inundações, têm vindo a ser criadas várias soluções técnicas nas quais estão incluídas os reservatórios/ou bacias de retenção. Sobre este aspeto, em Portugal o DR nº23/95 de 23 de Agosto, estipula, nos artigos 176.o a 180.o, a finalidade, os tipos, os elementos constituintes, o dimensionamento hidráulico e os aspetos construtivos, respetivamente.

2.3.1. Função das bacias de retenção

As bacias de retenção são estruturas de armazenamento de águas pluviais, destinadas à regularização de caudais, através do armazenamento temporário, diminuindo os caudais de ponta para jusante, que terão de ser compactáveis com o limite fixado pela capacidade de vazão de uma rede ou curso de água existente.

A sua conceção geral baseia-se na construção de um reservatório para o armazenamento temporário da recolha de águas pluviais que escoam por telhados, ruas, vias rodoviárias e redes pluviais, libertando essa água de forma gradual, garantindo assim que o sistema de drenagem local regularize os caudais.

As funções das bacias de retenção podem ainda passar pelo controlo da poluição difusa através da decantação dos materiais sólidos suspensos e/ou pela infiltração do escoamento superficial, com o objetivo de promover a recarga de aquíferos (Robinson, 2010).

A integração das bacias de retenção no sistema de drenagem, quando bem concedidas e exploradas, podem constituir uma mais-valia para o meio urbano, contribuindo para a obtenção de diversos objetivos.

Melhoramento do sistema de drenagem, reduzindo os riscos de inundação:

A urbanização tem conduzido a uma impermeabilização do solo e consequentemente, a um aumento de escoamento superficial. Este aumento descontrolado faz com que as redes de drenagem a jusante (coletores, passagens hidráulicas ou, até mesmo, os próprios rios) passem a estar sobrecarregadas, afetando o seu normal/correto funcionamento. Para evitar o risco de inundações são criadas redes de drenagem adicionais que muitas das vezes, não passam de soluções para transferir apenas a inundação de um ponto para outro da bacia.

(33)

Com a utilização de bacias de retenção podem ser regularizados os caudais de ponta de cheia, evitando a sobrecarga dos sistemas de drenagem urbana já existentes e um aumento excessivo dos caudais a jusante, além de se tratar de uma solução técnica de baixo custo.

Proteção do meio ambiente:

A retenção das águas pluviais nas bacias favorece a infiltração das mesmas no solo, melhorando as condições de abastecimento dos lençóis freáticos e a qualidade de água armazenada.

Com a diminuição de velocidade da entrada da água provocada pela resistência hidráulica da vegetação e pelo solo existente na bacia de retenção, ou ainda através de dispositivos dissipadores de energia, o teor de sólidos em suspensão e de matéria orgânica diminui, reduzindo a turbidez da água e aumentando a qualidade da água pluvial.

Os escorrimentos provenientes das áreas urbanas, das estradas e das atividades industriais e agrícolas contribuem cada vez mais para a poluição das águas superficiais. A água pluvial muitas vezes é uma composição da própria precipitação juntamente com partículas arenosas, matéria orgânica, óleos, gorduras, micro-organismos patológicos, entre outros.

Atualmente, as bacias de retenção também têm como função a despoluição das águas através de transformações de natureza física, química, e microbiológica que ocorrem no seu interior. O primeiro sistema de tratamento das águas de escorrência de estradas em Portugal surgiu em 1990, localizado no sublanço Torres Nova – Fátima (Bichança, 2006). Desde então, o uso de bacias de retenção para o controle de inundações e outros fins tem vindo a crescer em Portugal.

Durante o ano de 2008, em Souselas, recorreu-se à construção de uma bacia de retenção para solucionar o problema de escoamento, como também a qualidade das águas provenientes da pedreira da Serra do Alhastro. Na bacia de armazenamento e decantação de água foi instalado um sistema de filtragem, um grupo de bombagem e um descarregador de grande caudal para otimizar a ocorrência de cheias. O sistema de filtragem instalado permite a descarga do excesso de água para o circuito de decantação original, mas já com

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reutilização dos saldos hídricos para funções de rega de jardins e de estradas (Cimpor, Portugal).

Criação de reservas de água para combate a incêndios e de água para rega:

Os pequenos reservatórios de retenção de água podem constituir importantes meios de combate a incêndios e de fornecimento de água para a rega de pequenas parcelas de terrenos agrícolas ou outras atividades.

No armazenamento permanente de água é necessário ter em conta as características do solo, visto que se pretende evitar as infiltrações. Os solos devem ser constituídos à base de argila e silte, com índices de plasticidade superiores a 10 % e espessura não inferior a 920mm, caso contrário terá de se recorrer a bacias com fundo impermeável (Figura 2.2) (Fernandes, 1994).

Figura 2.2 – Bacia de retenção impermeabilizada com geomembrana, França (STU, 1994).

Regularização dos caudais de ponta:

As alterações climáticas têm provocado uma série de impactos sobre os recursos hídricos. Os caudais de ponta de cheia têm atingido valores muito elevados devido à ocorrência de fenómenos extremos de precipitações.

A necessidade de criar estruturas que impeçam perturbações a jusante, através do amortecimento de caudais, não só devido a impactos das alterações climáticas, mas também ao aumento de áreas impermeabilizadas, é cada vez maior (Figura 2.3). Com a construção do Itinerário Complementar nº29 (IC29) houve um aumento da área impermeabilizada na zona adjacente e, por consequência, um acréscimo de caudais, conduzindo à necessidade de uma bacia de retenção no sentido de os diferir.

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Figura 2.3 – Bacia de retenção utilizada para diferir os caudais, IC29, Espinho

(Bichança, 2006).

Criação de espelhos de água com interesse estético e recreativo:

Muitos dos pequenos e grandes lagos existentes em parques, além de funcionarem como contributo para a drenagem pluvial, apresentam-se como uma alternativa muito interessante do ponto de vista paisagístico e de lazer.

Podem ser criadas zonas de lazer apropriadas, por exemplo, para a prática de pesca e canoagem.

2.3.2. Tipos de bacias de retenção

As bacias de retenção podem ser classificadas, quanto à sua implementação relativamente ao solo, em:

bacias a céu aberto, a seco ou com nível de água permanente; bacias enterradas.

Quanto à sua localização, relativamente ao coletor ou canal de drenagem principal, classificam-se em:

bacias em série; bacias em paralelo.

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2.3.2.1. Bacias a céu aberto

As bacias a céu aberto são geralmente em terra com taludes reforçados ou diques de proteção lateral. Podem surgir como pequenas barragens ou açudes, resultando da simples interceção de uma linha de água em local de fisiografia favorável.

São geralmente feitas de material permeável para permitir a infiltração de água no solo, devolvendo-a para o lençol freático lentamente.

Podem ter um nível de água permanente, formando um lago sem ocupar todo o volume útil da bacia, ou permanecerem com água apenas num período relativamente curto que sucede ao acontecimento pluviométrico. A escolha do tipo de bacia depende fundamentalmente das características de permeabilidade do solo onde se pretende a sua instalação e da variação do nível freático local.

Este tipo de bacias são geralmente aplicáveis na drenagem pluvial de infraestruturas rodoviárias, ferroviárias e aeroportuárias em zona rural.

2.3.2.1.1. Bacias secas

São caraterizadas por estarem geralmente sem água, acumulando-a apenas em períodos específicos (duração máxima da ordem de alguns dias) correspondentes apenas à ocorrência de precipitações.

Na implantação deste tipo de bacias é necessário ter em conta que o nível máximo atingido pela toalha freática em períodos de chuva se encontra abaixo da cota de fundo da bacia. Caso contrário, corre-se o risco de criação de zonas pantanosas com os inconvenientes resultantes da proliferação de insetos.

A escolha deste tipo de bacias obriga a alguns aspetos na sua forma e conceção, para garantir maior eficiência e segurança do seu funcionamento. A Figura 2.4 ilustra essas mesmas disposições técnicas.

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Figura 2.4 – Perfil tipo de uma bacia seca de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto (Matias, 2006).

2.3.2.1.2. Bacias com nível de água permanente

Ao contrário das anteriores, as bacias com nível de água permanente são concebidas para terem sempre água, mesmo durante os períodos de ausência de precipitação. Neste caso, o nível freático em tempo seco deve situar-se a uma cota superior ao fundo da bacia, assegurando-se assim uma alimentação permanente (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Perfil tipo de uma bacia com nível de água permanente de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto

(Matias, 2006).

As bacias deste tipo são geralmente de natureza atrativa e por isso, geralmente bem recebidas pelo público, como é visível na Figura 2.6.

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Figura 2.6 – Bacia com água permanente nº VIII Sul, Marne-la-Vallé, França (STU, 1994).

2.3.2.2. Bacias enterradas

São estruturas normalmente construídas em betão armado, situadas abaixo do nível do solo que, por isso, tornam praticamente indispensável o recurso a sistemas de bombagem para o seu esvaziamento.

Normalmente, recorre-se a este tipo de bacias por indisponibilidade de terreno em áreas urbanas densas, ou onde o custo do mesmo seja elevado (Figura 2.7).

Figura 2.7 – Bacia de retenção enterrada (Mata-Lima, 2003).

2.3.2.3. Bacias em paralelo

As bacias em paralelo (Off-Line) situam-se paralelamente ao coletor ou canal afluente. Deste modo, nem todo o escoamento de montante aflui à bacia, sendo a passagem feita, geralmente, através de um descarregador lateral.

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São de um modo geral, de menor dimensão e acarretam menores custos de manutenção por serem menos afetadas pela acumulação de sedimentos.

Figura 2.8 – Bacia em paralelo: Off-Line (Dohy e Lionnet, 1997).

2.3.2.4. Bacias em série

As bacias em série (On-Line) localizam-se no alinhamento do coletor ou canal de drenagem afluente, intersectando-o. Permitindo que todo o escoamento afluente passe pela bacia.

Figura 2.9 – Bacia em série: On-Line (Dohy e Lionnet, 1997).

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Os hidrogramas de escoamento de entrada e saída são distintos nestes dois tipos de bacias.

Figura 2.10 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em paralelo: off-line (JAE, 1998).

Figura 2.11 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em série: on-line (JAE, 1998).

2.4. Determinação de Parâmetros Hidrológicos

“A quantidade de água a escoar depende da superfície e das condições da bacia hidrográfica, das condições climáticas, etc.” (JAE, 1978)

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2.4.1. Caudal de ponta cheia

O dimensionamento de bacias de retenção para a gestão de escoamento superficial requer o cálculo do hidrograma de vazão da bacia de drenagem, para períodos de pré e pós-desenvolvimento. Neste sentido, o caudal de escoamento deve ser obtido através de um método capaz de determinar, além do caudal de ponta, a distribuição temporal do caudal.

Contudo, em pequenas bacias, como por exemplo no dimensionamento de bacias de retenção, o dimensionamento pode ser feito através da determinação do caudal de ponta (PDDU, 2005).

A determinação dos caudais de projeto pode ser efetuada recorrendo a métodos simplificados (fazendo uso do cálculo manual) ou a métodos mais elaborados, baseados em modelos matemáticos mais ou menos complexos, recorrendo ao cálculo automático e à utilização de meios computacionais.

Entre os vários métodos, o Método Racional é, de entre os métodos simplificados, o mais divulgado a nível mundial; apesar das suas limitações de aplicação permite obter resultados satisfatórios, desde que seja aplicado de forma criteriosa (Franco, 2004).

Justamente por se tratar de uma metodologia com simplificações e limitações, o Método Racional pode ser utilizado somente para bacias com dimensão inferior a 25 Km2 (Lencastre, 1992 e JAE, 1978). Embora não exista um valor universalmente aceite relativamente à dimensão da bacia que deve constituir o limite da aplicação do método, os manuais europeus apontam para valores que variam entre 40 e 100 km2, admitindo a sua aplicação a bacias hidrográficas de maior dimensão (IEP, 2001).

Para bacias com área superior, podem adotar-se métodos de cálculo do hidrograma de cheia baseados na teoria do hidrograma unitário. Destaca-se, de entre os existentes, o Método Racional Modificado (Chow et al., 1988) e o Método do Soil Conservation Service (SCS), sendo este último o mais recomendado por ser uma metodologia completa e consistente para o cálculo de hidrogramas de cheias em bacias das quais se possuem poucos dados fluviométricos (IEP, 2001).

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2.4.1.1. Método Racional

As referências mais antigas sobre esta técnica datam dos fins do século XIX, tendo sido divulgada em Inglaterra por Loyd–Davis e generalizada a muitos outros países, nas décadas que se seguiram (Raudkivi, 1979). O método racional é, certamente, o mais utilizado para a determinação de vazões de pico em pequenas bacias.

As limitações deste método prendem-se com simplificações de natureza hidrológica e hidráulica da sua formulação. As simplificações de ordem hidrológica residem em admitir a intensidade de precipitação como invariável, no tempo e no espaço, e em considerar a transformação precipitação–escoamento como uma relação linear por um coeficiente de escoamento constante, independentemente da intensidade da chuvada e do estado de saturação do solo em que este se encontra (Bichança, 2006).

Do ponto de vista hidráulico, as limitações do método racional consistem no facto de se considerar que o caudal de ponta ocorre no instante em que toda a bacia contribui para o escoamento.

Todas estas hipóteses acima referidas são aceitáveis em bacias com baixo tempo de concentração e, consequentemente, de pequena dimensão (área) que permitam considerar constante a intensidade de precipitação na bacia quando toda a bacia contribui para o escoamento útil. No entanto, Franco (2004) refere que já foi mostrado que o erro decorrente de todas as simplificações do método é da ordem de 5%. Este valor é aceitável do ponto de vista da Engenharia, sobretudo quando comparado com as incertezas que afetam os parâmetros básicos do processo de transformação chuva-vazão.

A fórmula racional é definida pela expressão matemática (2.1):

∗ ∗ (2.1)

Onde: – caudal de ponta de cheia (m3/s);

– coeficiente de escoamento superficial (adm); – intensidade de precipitação (mm/h);

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2.4.2. Coeficiente de escoamento superficial

O coeficiente de escoamento superficial representa a fração de precipitação que dá origem ao escoamento superficial, sendo traduzido por uma variável adimensional compreendida entre 0 e 1, podendo ser considerados ou não os efeitos de amortecimento da bacia (Franco, 2004).O coeficiente de escoamento superficial depende então da tipologia da ocupação e superfície, do declive e do tipo de solo.

No caso da utilização do método racional, são aplicados os coeficientes de escoamento (C) apresentados no quadro A.1 do anexo A. Estes valores do coeficiente de escoamento são apenas destinados a períodos de retorno de 5 a 10 anos, havendo necessidade de corrigir esses valores para períodos de retorno maiores por intermédio de um coeficiente de ajustamento (Quadro 2.1).

Quadro 2.1 - Coeficiente de ajustamento ( ) em função do período de retorno (JAE, 1998).

No caso de se recorrer ao coeficiente de ajustamento, , o produto entre o coeficiente de escoamento e o coeficiente de ajustamento não pode, obviamente, exceder o valor unitário.

Quando na mesma bacia hidrográfica existirem zonas diferentes, no que respeita ao tipo de solo, inclinação, cobertura e ocupação do solo, deverá ser utilizado um coeficiente de escoamento ponderado, ou seja, a média dos vários valores de .

2.4.3. Período de retorno

O período de retorno de certo fenómeno hidrológico é definido como sendo o intervalo de tempo que decorre, em média, entre dois eventos sucessivos de dimensão igual ou superior ao do fenómeno (Brandão, 1995). Para além disso, de acordo com Rosário

Período de retorno (anos) K

25 1,10

50 1,20

(44)

requerido”, podendo ainda “ser selecionado a partir dos resultados de uma análise de custos benefícios”.

Segundo Franco (2004), no caso de querer fixar o período de retorno em função do risco que se deseja assumir e do tempo de vida útil da estrutura o período de retorno, , pode ser calculado por:

= 1 − 1 − 1 (2.2)

Onde:

– risco de falha durante a vida útil; – período de retorno (anos); – vida útil da obra (anos).

Assim, através da expressão matemática 2.2 é possível escolher o período de retorno, fixando, à priori, o risco que se aceita correr, caso a obra falhe no seu tempo de vida útil.

Segundo JAE (1998), a escolha do período de retorno pode ainda ser feita em função da importância da rodovia, por um lado, e da magnitude das consequências previsíveis da insuficiência da passagem hidráulica, por outro.

O processo começa por considerar três parâmetros, P1, P2 e P3, estando o primeiro (P1) relacionado com a importância da via, ou seja, o transtorno que a interrupção da circulação pode causar; o segundo (P2) aos prejuízos/danos causados à própria via, associados à danificação de pavimentos ou bermas devido ao excesso da quantidade de água ou ação erosiva; e, o terceiro (P3) associado aos prejuízos/danos causados a terceiros relacionados com as inundações em áreas envolventes causados pela sobre elevação do nível de água. O peso atribuído a cada um destes parâmetros é especificado no Quadro 2.2.

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Quadro 2.2 - Peso dos parâmetros P1, P2 e P3 definidos no capítulo 2.4.3 (adaptado de JAE, 1998).

A avaliação do parâmetro P2 é feita tendo por base o aumento do tempo de percurso (∆ em %) imposto ao tráfego por utilização de vias alternativas e/ou se a estrutura afetada for um aterro com altura ℎ.

O período de retorno a adotar é função do índice ( = "1 + "2 + "3), cujos valores se apresentam no Quadro 2.2.

Como as bacias de retenção estão muitas das vezes associadas a estruturas de drenagem transversal das obras rodoviárias, a escolha do período de retorno deve ser igual ou superior ao da passagem hidráulica (Mano, 2008). Desta forma, a determinação do período de retorno pode também ser feita através do processo anterior, proposto pela JAE (1998).

No entanto, Fowler e Kilsby (2003) afirma que os eventos climáticos extremos estão a ocorrer cada vez mais com grande frequência, referindo que intensidades anteriormente experimentadas em média a cada 25 anos, ocorrem agora em 6 anos de intervalo. Isto leva a que o período de retorno de determinadas situações extremas tenha vindo a diminuir, pondo em questão os valores anteriormente estabelecidos.

Importância da via P1 Prejuízos/danos na via P2 Prejuízos/danos em terceiros P3 Estradas regionais e municipais 0,5 Baixos (ΔTp<25% e h<2m) 0,5 Baixos 0,5 Estradas nacionais, regionais e municipais com TDMA > 250 1,0 Médios (ΔTp<50% e h<5m) 1,0 Médios 1,0 IP(s). IC(s) ou outras estradas com TDMA >2000 1,5 Elevados (ΔTp≥50% e h≥5m) 1,5 Elevados 2,0

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2.4.4. Tempo de concentração

O tempo de concentração é o tempo necessário para que toda a bacia contribua para o escoamento na secção a jusante, ou seja, é o tempo necessário para que uma gota de água caída no ponto hidraulicamente mais afastado da bacia atinja a secção em análise.

Quanto mais impermeável for o solo da bacia menor o tempo de concentração devido ao aumento de escoamento superficial e ao aumento da velocidade que faz com que a água atinja mais rapidamente a secção em estudo.

A utilização de expressões cinemáticas, que entram em linha de conta com as características do movimento da água na bacia hidrográfica, para a determinação do caudal de ponta de cheia, requer a aplicação do tempo de concentração.

O cálculo do tempo de concentração em bacias hidrográficas urbanas e rurais pode ser estimado através da divisão do percurso pela velocidade de escoamento superficial na rede hidrográfica da bacia, ou ainda, por diversas fórmulas empíricas como as do Soil Conservection Service (SCS), Giandotti, Temez, Ventura, Kerby, David, referidas em Mata-Lima et al (2007).

A JAE (1978) preconiza, através da norma P8–78 sobre a elaboração de projetos de drenagem, a expressão matemática proposta por David (1976):

& = 0,000324*

+,+,

ℎ , - (2.3)

Onde:

& - tempo de concentração (h);

* - comprimento da linha de água principal desde a origem até ao local do

aqueduto (m);

ℎ - diferença de cotas entre o ponto mais elevado da bacia e a base do

aqueduto (m).

Para bacias de pequena dimensão, Moth (1998) destaca que devem ser respeitados os valores mínimos de &, para as seguintes situações: i) urbana – 5 min; ii) residencial – 10

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2.4.5. Intensidade de precipitação

A caracterização da precipitação constitui um importante elemento de apoio nos projetos de obras hidráulicas, quer para o dimensionamento quer para o planeamento de bacias de retenção. Este conhecimento é uma mais-valia no apoio à decisão face a situações de cheias e secas, entre outras.

A sistematização espacial da variabilidade dos fenómenos pluviais intensos é a principal meta de qualquer hidrólogo e tem sido alvo de estudo por vários autores como LNEC (1976), Matos e Silva (1986), Godinho (1987, 1989), Rodrigues (1990) e Portela (2006).

A determinação de curvas PMP (Precipitações Máximas Prováveis em função da duração), de curvas IDF (Intensidade-Duração-Frequência), de curvas PAD (Precipitação-Área-Duração) e a obtenção de hietogramas de projeto são ferramentas fundamentais na elaboração de mapas de isolinhas e na previsão da ocorrência de eventos extremos (Brandão et al. 2001).

Segundo o DR nº23/95 de 23 de Agosto, o cálculo de caudais de ponta para o dimensionamento de obras hidráulicas deve ser baseado nas curvas IDF que estabelecem a relação entre a intensidade de precipitação e a duração associada a um período de retorno :

= ./ , 0 (2.4)

Para um dado período de retorno , a intensidade de precipitação de duração pode ser representada por uma curva exponencial ( = / 0 × /10) ou por uma curva hiperbólica ( = 2/10

34 /10).

Segundo Brandão (1995), as curvas do tipo exponencial são as que melhor se adaptam à relação entre a intensidade de precipitação e a duração para um dado período de retorno.

Neste sentido, a intensidade de precipitação é obtida em função do valor dos parâmetros e 5, valores resultantes do ajustamento entre as intensidades de precipitação e as durações (associadas a um período de retorno) pelo método dos mínimos quadrados

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Através das redes udométricas do INAG podem ser obtidos registos de precipitações diárias máximas anuais que permitem, através de tratamentos estatísticos, determinar a lei teórica de distribuição de probabilidades que melhor se ajusta à distribuição dos valores observados da precipitação anual. Os valores de a e b das curvas IDF podem ainda ser obtidos a partir dos resultados publicados por Matos e Silva (1986), os quais se encontram referidos no DR nº23/95 de 23 de Agosto (Portela, 2006).

Porém, o comportamento dos fenómenos hidrológicos tem sofrido forte influência de fatores ambientais e antrópicos, conduzindo a alterações climáticas. No âmbito do projeto Scenarios Impacts and Adaptation Measures – SIAM II (Santos e Miranda, 2006), as principais características das alterações climáticas para Portugal para este século incluem, particularmente, a continuação do aumento da temperatura média global da atmosfera à superfície e a alteração na distribuição espacial e temporal da precipitação.

A utilização de modelos climáticos e cenários futuros permite, por meio da simulação do sistema climático, interpretar o comportamento recente do clima e obter cenários do clima futuro (Santos e Miranda, 2006).

Face às alterações da frequência e da intensidade de precipitação em Portugal Continental, foi feita uma comparação entre simulações de controlo, através de Modelos Regionais de Clima, e a normal climatológica observada (Figura 2.12).

Figura 2.12 – Precipitação média anual: (a) observações 1961-1999; (b) controlo HadMR2; (c) controlo HadMR3

(Santos e Miranda, 2006).

A simulação de controlo dos modelos usados, quando comparada com o observado mostra, em relação ao modelo HadMR3, uma clara subestimação da precipitação na metade Sul de Portugal Continental e no Interior Transmontano, e uma sobrestimação da

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precipitação nas zonas montanhosas, sobretudo no sistema montanhoso Montejunto-Estrela, em relação ao modelo HadMR2. Embora no Norte do Continente a representação da precipitação seja ainda próxima da observada, na metade Sul e no interior transmontano é bem visível uma alteração ao comportamento da precipitação média anual.

Neste contexto, estudos já realizados a partir de simulações efetuadas com o modelo climático HadMR3 para os cenários futuros A2 e B2, apontam para que, em termos anuais, ocorra uma diminuição da precipitação no final do século XXI (Figura 2.13).

Figura 2.13 – Anomalia (relativamente a 1961-1990) da precipitação no modelo HadRM3: (a) anual A2 2070-2099; (b) anual B2 2070-2099

(Santos e Miranda, 2006).

A figura mostra que os cenários climáticos A2 e B2 obtidos com o modelo HadMR3 apontam no sentido da diminuição da precipitação, mais significativa no cenário A2 que no cenário B2 projetando ainda maiores perdas sobre a região Sul do país. O cenário A2 projeta uma variação da diminuição da precipitação para o Norte e Centro do país entre 10% e 30 %, agravando até 50 % na metade Sul do país. Quanto ao cenário B2 a diminuição da precipitação é mais uniforme ao longo do território, com perdas a variarem entre 10 % a 20% no Centro e Norte do país e 30% na região Sul.

Estas projeções comprometem o atual dimensionamento e gestão das obras hidráulicas, pois não têm sido tomadas em consideração as previsões das alterações dos

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Segundo Moreira e Corte-Real (2008), será necessário que a legislação em vigor seja revista de modo a introduzir os efeitos das alterações climáticas. Os caudais de ponta devem ser determinados com base em curvas IDF afetadas por um coeficiente de alteração climática, introduzindo a influência de eventos hidrológicos extremos.

2.4.5.1. Determinação de curvas IDF

Na construção de curvas de possibilidade udométrica (curvas IDF), vários trabalhos têm sido desenvolvidos, como é citado em Brandão (1995). São exemplos desses trabalhos: Oliveira (1942), Mclllwraith (1945), Garcia (1946), Azevedo (1953), Taveira (1959), David (1977), Godinho (1984), Matos e Silva (1986), sendo este de alguma importância devido à frequente utilização das curvas IDF elaboradas no mesmo.

Em 1942, Oliveira realizou um estudo com o objetivo de caracterizar o regime de chuvas de Lisboa, utilizando para tal dados de udogramas diários de 1860 a 1939 e leituras do udómetro localizado na mesma cidade; em seguida, com base nos valores tabelados nesse trabalho, Azevedo (1953) determinou curvas IDF para Lisboa; David (1977), propôs uma metodologia para o cálculo da precipitação, referente a um dado período de retorno; e após sete anos, Godinho (1984) do Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica pretendendo estabelecer relações entre máximos de 60 min e 24 h, apresentou um estudo sobre máximos anuais de precipitação relativos a durações inferiores ao dia (Brandão, 1995).

Matos e Silva (1986) analisaram 21 postos udográficos localizados em território nacional e propuseram uma utilização a nível nacional das curvas IDF para durações de 5

min a 6 h. Neste estudo, obtiveram através do tratamento estatístico das séries anuais de

valores máximos de intensidade de precipitação curvas IDF para Lisboa (região A), sugerindo que a intensidade média de precipitação resultante dessas curvas sofra um agravamento de 20% nas regiões montanhosas de altitude superior a 700 m (região B) e uma redução de 20% nas regiões do Nordeste (região C) (Figura 2.14).

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Figura 2.14 – Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência (Matos e Silva, 1986).

Por fim, deve ser mencionado o trabalho desenvolvido por Brandão em 1995. Com base nas várias metodologias referidas acima e na utilização de meios informáticos já existentes, Brandão (1995) elaborou um programa designado por IDF, obtendo curvas IDF para quatro postos udográficos localizados em Aveiro, Évora, Faro e Lisboa.

2.4.5.2. Modelos de desagregação de precipitação

O acesso a dados temporais de precipitação de alta resolução (escalas horárias e sub-horárias) é de alta importância numa multiplicidade de aplicações hidrológicas, por exemplo, na construção de curvas IDF. Porém, nem sempre esses dados estão disponíveis levando à necessidade de recorrer a métodos de desagregação.

O método de desagregação mais básico é a desagregação uniforme, que consiste, por exemplo, em dividir uniformemente os dados diários em 24 h, no caso de se pretender obter a precipitação horária com base na precipitação diária. No entanto, é intuitivamente compreendido que este método não produz dados semelhantes com a pluviosidade real, visto que os eventos de precipitação, em geral, não duram 24 h com igual intensidade de precipitação (Wey, 2006).

Olsson e Berndtsson (1998) propuseram um método de desagregação estocástico baseado em observações empíricas de eventos de precipitação. Este modelo em cascata consiste em dividir cada período de chuva em duas partes iguais e distribuir o total de

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secção estimada com base em padrões determinados pela calibração do modelo através de dados históricos. Porém, apesar de ser possível reproduzir com precisão uma série de parâmetros estatísticos para as precipitações do local em estudo, trata-se de um modelo paramétrico e, portanto, carece de adaptação para poder ser aplicado a outros locais (Wey, 2006).

Como melhoria dos dois métodos anteriormente referenciados, no início dos anos sessenta, G.G. Svanidze introduziu pela primeira vez o método designado por método dos fragmentos. Para cada conjunto de dados diários a desagregar é formado um conjunto de fragmentos correspondentes à fração de precipitação diária que ocorreu em cada hora do dia, sendo a soma de todos os fragmentos igual à unidade (Wey, 2006). As expressões matemáticas 2.5 e 2.6 mostram a forma geral do método dos fragmentos.

67 =;8987

9<= (2.5)

Na expressão matemática 2.5, 67 é o fragmento a ser calculado para a hora >, ℎ> são os dados escolhidos a partir da série que se pretende desagregar (por exemplo, dados horários) e é o numero de dados de cada série. Cada fragmento é então multiplicado pelo total diário (?), de modo a originar novos valores horários como mostra a expressão matemática 2.6.

7, = @7 ∗ ? (2.6)

Embora, na maioria dos casos, o método dos fragmentos tenha sido utilizado para a desagregação de dados anuais, estudos realizados por Wójcik e Buishand (2003) evidenciam que o método dos fragmentos funcionou corretamente na desagregação de dados de precipitação a uma escala horária. Segundo Wey (2006), o método dos fragmentos é atualmente o método mais popular no processo de desagregação da precipitação.

Um outro modelo frequentemente utilizado diz respeito ao modelo de pulsos retangulares de Bartlett-Lewis modificado. Este modelo apresentado por Rodriguez-Iturbe et al. (1987) juntamente com o método dos fragmentos, conduziram a uma grande evolução no processo de desagregação da precipitação pois, não requerem a determinação de parâmetros específicos do local permitindo uma aplicabilidade em diversos climas (Hanaish et al., 2011). O modelo estocástico considera que os eventos de precipitação são

(53)

aglomerados de células, em que cada célula é um episódio de precipitação, cuja distribuição no tempo segue um processo estocástico definido.

O processo de desagregação do modelo de Bartlett-Lewis é caracterizado por seis parâmetros (λ, υ, k, μB, α e ф). Para cada evento de precipitação é seguido um processo de Poisson com taxa λ, ou seja, o tempo entre as transcorrências de início de eventos consecutivos é uma variável aleatória independente e exponencialmente distribuída com média 1/λ. Os tempos de início das células subsequentes seguem também um processo de Poisson com taxa β, em que β = kη (k é o parâmetro do modelo responsável pela simulação do tempo de início das células de chuva e η é a variável aleatória com distribuição gama, de índice α e parâmetro de escala υ). Após um tempo exponencialmente distribuído, com média 1/(фη), termina a chegada de células. Neste processo, o parâmetro

ф é o responsável pela simulação do tempo de fim de origem das células. Na Figura 2.15 é

apresentado um esquema ilustrativo das diversas etapas que constam na estrutura do modelo de Bartlett-Lewis (Hanaish et al., 2011).

Figura 2.15 – Esquema explicativo para o modelo Pulsos Retangulares de Bartlett-Lewis (adaptado de Hanaish et al., 2011).

Cada célula de chuva é representada por um pulso retangular de altura e largura aleatória. A altura representa a intensidade de chuva naquela célula supondo que essa possua uma distribuição exponencial cuja média seja μB, e a largura representa a duração que, também, se distribui exponencialmente com média 1/η. A precipitação total é a soma das precipitações ocorridas em todas as células de chuva associadas aos eventos (Hanaish et al., 2011).

Imagem

Figura 2.1 – Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico  (Lencastre e Franco, 1992)

Figura 2.1

– Representação Esquemática do Ciclo Hidrológico (Lencastre e Franco, 1992) p.30
Figura 2.2 – Bacia de retenção impermeabilizada com geomembrana, França   (STU, 1994)

Figura 2.2

– Bacia de retenção impermeabilizada com geomembrana, França (STU, 1994) p.34
Figura 2.3 – Bacia de retenção utilizada para diferir os caudais,   IC29, Espinho

Figura 2.3

– Bacia de retenção utilizada para diferir os caudais, IC29, Espinho p.35
Figura 2.4 – Perfil tipo de uma bacia seca de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto  (Matias, 2006)

Figura 2.4

– Perfil tipo de uma bacia seca de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto (Matias, 2006) p.37
Figura 2.5 – Perfil tipo de uma bacia com nível de água permanente de acordo com o DR nº23/95 de 23  de Agosto

Figura 2.5

– Perfil tipo de uma bacia com nível de água permanente de acordo com o DR nº23/95 de 23 de Agosto p.37
Figura 2.6 – Bacia com água permanente nº VIII Sul, Marne-la-Vallé, França  (STU, 1994)

Figura 2.6

– Bacia com água permanente nº VIII Sul, Marne-la-Vallé, França (STU, 1994) p.38
Figura 2.7 – Bacia de retenção enterrada  (Mata-Lima, 2003).

Figura 2.7

– Bacia de retenção enterrada (Mata-Lima, 2003). p.38
Figura 2.8 – Bacia em paralelo: Off-Line  (Dohy e Lionnet, 1997).

Figura 2.8

– Bacia em paralelo: Off-Line (Dohy e Lionnet, 1997). p.39
Figura 2.10 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em paralelo: off-line  (JAE, 1998)

Figura 2.10

– Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em paralelo: off-line (JAE, 1998) p.40
Figura 2.11 – Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em série: on-line  (JAE, 1998)

Figura 2.11

– Hidrograma do escoamento afluente e efluente de uma bacia em série: on-line (JAE, 1998) p.40
Figura 2.13 – Anomalia (relativamente a 1961-1990) da precipitação no modelo HadRM3: (a) anual A2  2070-2099; (b) anual B2 2070-2099

Figura 2.13

– Anomalia (relativamente a 1961-1990) da precipitação no modelo HadRM3: (a) anual A2 2070-2099; (b) anual B2 2070-2099 p.49
Figura 2.14 – Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência   (Matos e Silva, 1986)

Figura 2.14

– Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência (Matos e Silva, 1986) p.51
Figura 2.15  – Esquema explicativo para o modelo Pulsos Retangulares de Bartlett-Lewis   (adaptado de Hanaish et al., 2011)

Figura 2.15

– Esquema explicativo para o modelo Pulsos Retangulares de Bartlett-Lewis (adaptado de Hanaish et al., 2011) p.53
Figura 2.16 – Tipos de geometria das bacias e respetiva influência nos caudais.

Figura 2.16

– Tipos de geometria das bacias e respetiva influência nos caudais. p.55
Figura 3.1 – Localização e caraterização da região de Vila Real.

Figura 3.1

– Localização e caraterização da região de Vila Real. p.61
Figura 3.2 – Enquadramento geográfico da AE Transmontana.

Figura 3.2

– Enquadramento geográfico da AE Transmontana. p.62
Figura 3.3 – Mapa de localização da área de estudo (Viaduto de Constantim).

Figura 3.3

– Mapa de localização da área de estudo (Viaduto de Constantim). p.63
Figura 3.5 – Variação da precipitação em percentagem para o período de 2071  –  2100 simulada através  do modelo COSMO – CLM (IPCC cenário A1B)

Figura 3.5

– Variação da precipitação em percentagem para o período de 2071 – 2100 simulada através do modelo COSMO – CLM (IPCC cenário A1B) p.68
Figura 3.6 – Localização das oito estações meteorológicas selecionadas correspondente a cada célula da  rede do modelo COSMO-CLM

Figura 3.6

– Localização das oito estações meteorológicas selecionadas correspondente a cada célula da rede do modelo COSMO-CLM p.68
Figura 4.1 – Gráfico Quantil-Quantil para intensidades de precipitação máxima observada na estação  de Pinhel para uma duração de 5 min

Figura 4.1

– Gráfico Quantil-Quantil para intensidades de precipitação máxima observada na estação de Pinhel para uma duração de 5 min p.81
Figura 4.3 – Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 60 min.

Figura 4.3

– Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 60 min. p.82
Figura 4.2 – Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 10 min.

Figura 4.2

– Tal como a Figura 4.1 mas, para uma duração de 10 min. p.82
Figura 4.4 – Representação das fdp obtidas do ajuste da Lei de Gumbel às séries dos valores  observados de intensidade de precipitação para durações de 5, 15, 30 e 60 min.

Figura 4.4

– Representação das fdp obtidas do ajuste da Lei de Gumbel às séries dos valores observados de intensidade de precipitação para durações de 5, 15, 30 e 60 min. p.84
Figura 4.5 – Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário C20.

Figura 4.5

– Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário C20. p.85
Figura 4.6 – Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário A1B, para o período  de 2011 – 2040

Figura 4.6

– Tal como a Figura 4.4, mas relativo aos dados simulados do cenário A1B, para o período de 2011 – 2040 p.87
Figura 4.7  –  Intensidade de precipitação observada na estação de Castelo Melhor no período 2002  –  2008 em função dos valores do 1º trecho de duração (entre 5 e 30 min) para o período de retorno de dez

Figura 4.7

– Intensidade de precipitação observada na estação de Castelo Melhor no período 2002 – 2008 em função dos valores do 1º trecho de duração (entre 5 e 30 min) para o período de retorno de dez p.89
Figura 4.9 – Tal como a Figura 4.7, mas relativo ao 3º trecho de valores de duração (entre 6 e 48 h)

Figura 4.9

– Tal como a Figura 4.7, mas relativo ao 3º trecho de valores de duração (entre 6 e 48 h) p.90
Figura 4.10 – Tal como a Figura 4.7, mas relativo a todas as durações da estação de Castelo Melhor

Figura 4.10

– Tal como a Figura 4.7, mas relativo a todas as durações da estação de Castelo Melhor p.90
Figura 4.12 – Tal como a Figura 4.13, mas para as restantes estações pluviométricas. 1025405570851000102030405060708090100110120Intensidade de precipitação (mm/h)Duração (min)PineloObs 2003-2011A1B 2011-2040A1B 2071-2100B1 2011-2040B1 2071-2100102540557085

Figura 4.12

– Tal como a Figura 4.13, mas para as restantes estações pluviométricas. 1025405570851000102030405060708090100110120Intensidade de precipitação (mm/h)Duração (min)PineloObs 2003-2011A1B 2011-2040A1B 2071-2100B1 2011-2040B1 2071-2100102540557085 p.102
Figura 4.14 – Tal como a Figura 4.16, mas para as restantes estações pluviométricas.2040608010012014016005101520253035Intensidade de precipitação (mm/h)Duração (min)PineloDR nº 23/95A1B 2011-2040A1B 2071-2100B1 2011-2040B1 2071-2100204060801001201401600510

Figura 4.14

– Tal como a Figura 4.16, mas para as restantes estações pluviométricas.2040608010012014016005101520253035Intensidade de precipitação (mm/h)Duração (min)PineloDR nº 23/95A1B 2011-2040A1B 2071-2100B1 2011-2040B1 2071-2100204060801001201401600510 p.104

Referências