Influência das alterações climáticas no dimensionamento de órgãos de recolha de águas pluviais

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Influência das alterações climáticas no dimensionamento de

órgãos de recolha de águas pluviais

Dissertação de Mestrado em Engenharia do Ambiente

Candidato: Diogo Humberto Vaz Correia

Orientador: Luís Filipe S. Fernandes

Coorientador: Mário Jorge M. Gonzalez Pereira

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Influência das alterações climáticas no dimensionamento de

órgãos de recolha de águas pluviais

Dissertação de Mestrado em Engenharia do Ambiente

Candidato: Diogo Humberto Vaz Correia

Orientador: Luís Filipe S. Fernandes

Coorientador: Mário Jorge M. Gonzalez Pereira

Composição do Júri:

___________________________________________

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V

“The important thing is not to stop questioning.” Albert Einstein

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VII

AGRADECIMENTOS

Pretendo deixar aqui um grande agradecimento a todos que fizeram parte desta fase da minha vida, e que de diversas formas ajudaram à realização deste trabalho.

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Luís Filipe Sanches Fernandes pela oportunidade de realizar a dissertação de mestrado, e todo o trabalho inerente à sua execução.

Ao meu coorientador, Professor Mário Jorge Modesto Gonzalez Pereira por toda a disponibilidade que sempre demonstrou durante a elaboração do trabalho, a sua participação foi indispensável e importante para a sua realização.

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.

We acknowledge the E-OBS dataset from the EU-FP6 project ENSEMBLES (http://ensembles-eu.metoffice.com) and the data providers in the ECA&D project (http://www.ecad.eu)".

À minha Mãe pelo apoio incondicional que demonstrou durante todos os anos, e pela paciência que teve para o término de mais uma etapa.

Aos meus amigos pelo que representam na minha vida, e em particular à Daniela Terêncio, ao Paulo Afonso e ao Nuno Magalhães pelo apoio constante e motivação que me transmitiram para a conclusão da dissertação.

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IX

RESUMO

As alterações climáticas sofreram uma aceleração devido ao crescimento acentuado da população mundial e da expansão urbana que se vai traduzir em alterações nos regimes e fenómenos de precipitação intensa. Estas alterações criam uma pressão maior sobre os sistemas de drenagem de águas pluviais. Como consequência as inundações urbanas tornam-se mais frequentes e são o resultado do não aproveitamento da capacidade de transporte da água pelos sistemas de drenagem.

O objetivo deste trabalho foi analisar a influência das alterações climáticas no dimensionamento dos órgãos de recolha de águas pluviais e averiguar se os regimes de precipitação descritos no Decreto Regulamentar n.º 23/95 (DR n.º 23/95) e aplicados no dimensionamento dos coletores de águas pluviais se adaptam aos cenários de clima futuro.

A metodologia adotada no trabalho para a obtenção de curvas intensidade-duração-frequência (IDF) foi desenvolvida e adaptada do trabalho de Brandão et al (2001) e inclui as seguintes etapas: (1) o processo de desagregação da precipitação para escalas sub-diárias (método dos fragmentos) e sub-horárias (aplicação dos coeficientes de desagregação em Brandão et al. (2001)); (2) a análise exploratória estatística preliminar e ajuste da função distribuição de Gumbel ajustada às séries temporais de intensidade de precipitação máxima; (3) a utilização da função de distribuição de probabilidade inversa de Gumbel para estimar valores de intensidade de precipitação máxima; (4) a linearização das curvas IDF com recurso a escalas logarítmicas e a estimação dos valores dos parâmetros a e b com a regressão robusta e ao método dos mínimos quadrados; (5) correção do viés introduzido pelo modelo COSMO-CLM. A metodologia apresenta-se como atual, garante robustez, significância estatística e permite uma análise comparativa adequada entre os resultados obtidos.

Os resultados permitem concluir que as alterações climáticas podem não produzir alterações significativas no dimensionamento de órgãos de drenagem de águas pluviais devido a uma combinação de fatores. No entanto, verificam-se, de forma generalizada, aumentos acentuados dos caudais previstos para cenários de clima de futuro, na ordem dos 10% a 60%. A principal disparidade verificada na comparação entre o DR n.º 23/95 e os resultados simulados para futuro é a distribuição não homogénea em três regiões pluviométricas, tal como preconizado na legislação em vigor.

PALAVRAS-CHAVE: Precipitação intensa, alterações climáticas, curvas IDF

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XI

ABSTRACT

Climate change has accelerated due to the sharp growth of world population and urban sprawl that will lead to changes in intense precipitation regime. These changes increase the pressure on rainwater drainage systems. As a consequence, urban flooding becomes more frequent and is the result of not using water transport capacity through drainage systems.

The objective of this study was to analyze the influence of climate change on the design of rainwater collectors, to determine if the precipitation regimes described in DR n.º 23/95 o are adequate for the design of storm water organs for future climate scenarios.

The methodology adopted in this study to estimate IDF curves for future climate was developed and adapted from the work of Brandão et al. (2001) and includes the following steps: (1) the process of precipitation disaggregation for sub daily (fragments method) and sub hourly scales (application of the coefficients of disaggregation in Brandão et al. (2001)); (2) the preliminary statistical exploratory analysis and adjustment of the Gumbel distribution function adjusted to the time series of maximum precipitation intensity; (3) the use of the Gumbel inverse probability distribution function to estimate values of maximum precipitation intensity; (4) the linearization of the IDF curves using logarithmic scales and the estimation of the IDF parameters a and b with robust regression and least squares method; (5) correction of the bias introduced by the COSMO-CLM model. The adopted methodology is current, guarantees robustness, statistical significance and allows an adequate comparative analysis between the results obtained.

The results allow us to conclude that climate change may not produce significant changes in the design of stormwater drainage organs due to a combination of factors. However, there is a general increase in the estimated flows for future climate scenarios, in the order of 10% to 60%. The main disparity observed in the comparison between DR No. 23/95 and the simulated results for the future is the non-homogeneous distribution in three rainfall regions, as recommended by the current legislation.

KEYWORDS: intense precipitation, climate change, IDF curves, design of stormwater

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XIII

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ... XVII ÍNDICE DE TABELAS ... XXI SIMBOLOGIA, SIGLAS E ACRÓNIMOS ... XXIII

1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Enquadramento ... 1 1.2 Objetivos do Trabalho ... 3 1.3 Estrutura da dissertação ... 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 5 2.1 Ciclo Hidrológico ... 5 2.1.1 Precipitação ... 6 2.1.2 Escoamento Superficial ... 6 2.2 Alterações Climáticas ... 7 2.2.1 Modelos Climáticos ... 9

2.2.2 Alterações do Ciclo Hidrológico devido às Mudanças Climáticas ... 10

2.2.3 Evento de precipitação extrema ... 11

2.3 Determinação de Parâmetros Hidrológicos ... 13

2.3.1 Método Racional ... 13

2.3.2 Coeficiente de escoamento ... 14

2.3.3 Período de retorno ... 15

2.3.4 Tempo de concentração ... 16

2.3.5 Intensidade de Precipitação ... 18

2.3.6 Determinação de curvas IDF ... 18

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XIV

2.4 Sistemas de drenagem de águas pluviais ... 21

2.4.1 Tipos de sistemas ... 21

2.4.2 Principais componentes dos sistemas de drenagem ... 22

2.4.3 Aspetos de conceção ... 22

2.4.4 Imposições regulamentares ... 23

2.4.5 Dimensionamento Hidráulico do sistema de drenagem de águas pluviais ... 25

3. METODOLOGIA ... 29

3.1 Caracterização da área de estudo ... 31

3.2 Dados ... 33

3.2.1 Obtenção de Dados Observados ... 33

3.2.2 Obtenção de Dados Simulados ... 35

3.3 Agregação e Desagregação da precipitação ... 37

3.3.1 Desagregação da precipitação diária em precipitação sub-diária ... 38

3.3.2 Desagregação da precipitação sub-diária em precipitação sub-horária ... 39

3.4 Curvas de Intensidade-Duração-Frequência (IDF) ... 41

3.4.1 Correção do viés ... 44

3.5 Sistemas de drenagem pública de águas residuais pluviais ... 45

3.5.1 Caudais de águas pluviais ... 45

3.5.2 Órgãos de drenagem ... 45

4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS ... 47

4.1 Ajuste do Modelo Distributivo à Variável Hidrológica ... 47

4.1.1 Apreciação da qualidade do ajuste da função de distribuição de Gumbel ... 47

4.2 Parâmetros a e b das curvas IDF ... 50

4.2.1 Qualidade ajuste dos Parâmetros ... 51

4.2.2 Parametros a e b simulados para cenários futuros ... 52

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XV

4.4 Diâmetros... 59

4.4.1 Diâmetros obtidos para a inclinação mínima´ ... 59

4.4.2 Diâmetros obtidos para a inclinação máxima ... 62

4.5 Velocidades ... 65

4.5.1 Velocidades obtidas para a inclinação mínima ... 65

4.5.2 Velocidades obtidas para a inclinação máxima ... 68

5. CONCLUSÕES ... 71

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XVII

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2-1 - Diagrama de Horton (retirado de Lencastre e Franco, 1992). ... 5 Figura 2-2 - Alterações projetadas para precipitações intensas (%) no inverno e verão 1971 – 2000 para 2071 – 2100 (Fonte: EEA, 2017b). ... 12 Figura 2-3 Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência (adaptado de Matos e Silva, 1986). ... 19 Figura 3-1 Esquematização da metodologia, com todas etapas executadas. ... 30 Figura 3-2 Classificação climática de Köppen-Geiger na Península Ibérica e Ilhas Baleares. (Fonte: Atlas Climático Ibérico, 2011). ... 31 Figura 3-3 Média da precipitação total anual na Península Ibérica e Ilhas Baleares (1971-2000) (Fonte: Atlas Climático Ibérico, 2011). ... 32 Figura 3-4 Número médio de dias com precipitação superior ou igual a 30,0 mm na Península Ibérica e Ilhas Baleares (1971-2000) (Fonte: Atlas Climático Ibérico, 2011). ... 33 Figura 3-5 Figura representativa da base de dados do ECA&D para da precipitação de um dia (Fonte: http://eca.knmi.nl/utils/mapserver/eobs_maps_registered.php). ... 34 Figura 3-6 Malha da região completa que mostra a rede de estações de medição de precipitação (Haylock et al., 2008b). ... 35 Figura 3-7 – Domínio espacial do modelo COSMO-CLM (Fonte: CLM Community, 2015). 36 Figura 3-8 - Malha do modelo regional COSMO-CLM. ... 37 Figura 3-9 Esquema do processo de desagregação dos dados observados e simulados para a escala sub-diária. ... 39 Figura 3-10 Esquema do processo de desagregação dos dados observados e simulados para a escala sub-horária. ... 39 Figura 3-11 Mapa de isolinhas das relações associadas ao percentil 50% entre precipitações de 5 min e a hora, 10 min e a hora, 15 min e a hora (Fonte: Brandão et al., 2001). ... 40 Figura 4-1 Parâmetros µ e σ da função de distribuição de Gumbel para a duração de 15 minutos, para o cenário C20 (1961-2000). ... 48 Figura 4-2 - Gráficos Quantil-Quantil para intensidades máximas de precipitação das durações de 5, 10, 15 e 30 min observadas em 4 células da malha de Portugal Continental. ... 49

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XVIII

Figura 4-3 – Gráficos de ajuste dos parâmetros a e b por regressão pelos métodos de ajuste robusto e método dos mínimos quadrados, para as durações de 5, 10, 15 e 30 min, para um período de retorno de 10 anos, para 4 células da malha de Portugal Continental. ... 51 Figura 4-4 – Indicadores de qualidade do ajuste realizado com o método de ajuste robusto a malha correspondente a Portugal continental, para um período de retorno de 10 anos. ... 52 Figura 4-5 Parâmetros a e b das curvas IDF propostos por Matos e Silva (1986), para Portugal continental, para um período de retorno de 10 anos. ... 53 Figura 4-6 – Variação dos parâmetros a e b, para um período de retorno de 10 anos, entre os valores da figura 4.5 e os valores de a e b observados para o passado recente, cenário C20 (1961-2000) ... 54 Figura 4-7 Parâmetro a das curvas IDF simulado para dois cenários futuros, A1B e B1; para dois períodos 2021-2060 e 2061-2100; para um período de retorno de 10 anos, para Portugal continental. ... 55 Figura 4-8 - Caudais obtidos utilizando os parâmetros a e b das curvas IDF propostas por Matos e Silva, 1986. ... 56 Figura 4-9 Diferenças (em percentagem) entre os caudais utilizando os parâmetros a e b das curvas IDF simuladas para os cenários futuros (A1B e B1) para dois períodos e os caudais obtidos com os parâmetros a e b das curvas IDF propostas por Matos e Silva, 1986. ... 58 Figura 4-10 – Diâmetros obtidos para a inclinação mínima utilizando os caudais calculados segundo os dados DR n.º 23/95. ... 59 Figura 4-11 Diâmetros comerciais obtidos para a inclinação mínima, utilizando os caudais calculados segundo os dados DR n.º 23/95. ... 60 Figura 4-12 Diferenças (em mm) entre os diâmetros comerciais, para inclinação mínima, utilizando os caudais simulados para os cenários futuros (A1B e B1) para dois períodos e os diâmetros obtidos para a inclinação mínima utilizando os caudais calculados segundo os dados DR n.º 23/95. ... 61 Figura 4-13 Diâmetros obtidos para a inclinação máxima utilizando os caudais calculados segundo os dados DR n.º 23/95. ... 62 Figura 4-14 – Diâmetros comerciais obtidos para a inclinação máxima, utilizando os caudais calculados segundo os dados DR n.º 23/95. ... 63 Figura 4-15 Diâmetros obtidos para a inclinação máxima utilizando os caudais simulados para o cenário A1B e B1, para os períodos 2021-2060 e 2061-2100. ... 64

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XIX

Figura 4-16 – Velocidades escoamento obtidas para a inclinação mínima, utilizando os caudais e dimensionamento calculados segundo o DR n.º 23/95. ... 65 Figura 4-17 Velocidades de escoamento obtidas para a inclinação mínima, utilizando os caudais e dimensionamento calculados segundo os parâmetros a e b das curvas IDF simuladas para os cenários futuros (A1B e B1) para os períodos 2021-2060 e 2061-2100. ... 67 Figura 4-18 Velocidades de escoamento obtidas para a inclinação máxima, utilizando os caudais e calculados segundo o DR n.º 23/95. ... 68 Figura 4-19 Velocidades de escomento obtidas para a inclinação máxima, utilizando os caudais e calculadas segundo os parâmetros a e b das curvas IDF simuladas para os cenários futuros (A1B e B1) para os períodos 2021-2060 e 2061-2100. ... 69

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XXI

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Valores médios do coeficiente C da fórmula racional - Áreas Urbanas (adaptado de ASCE, manual nº37)... 14 Tabela 2.2 - Coeficiente de ajustamento (K) em função do período de retorno (adaptado de JAE, 1988). ... 15 Tabela 2.3 - Valores do período de retorno, TR, em função do risco aceitável e da vida útil da

obra (adaptado de Marques et al., 2013). ... 16 Tabela 2.4 - Tempos de concentração em zonas urbanas, em minutos, em função do grau de impermeabilização e declive das superfícies (adaptado de Martins et al. 2010). ... 17 Tabela 2.5 Valores de Ks, para diferentes materiais, a utilizar na fórmula de Gauckler-Manning-Strickler ... 27 Tabela 3.1 - Comparação das relações médias sub-horárias portuguesas e mundiais (adaptado de Brandão et al., 2001). ... 40 Tabela 3.2 – Diâmetros comerciais de coletores de águas residuais (Tubos de PVC, Manual Técnico Politejo). ... 46

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XXIII

SIMBOLOGIA, SIGLAS E ACRÓNIMOS

Simbologia

Parâmetro a – Constante dependente do período de retorno Parâmetro b – Constante dependente do período de retorno Dim – Dimensionamento

fdp – função densidade de probabilidade h – Hora ha – hectare I – Intensidade de Precipitação inc – Inclinação min – Minuto mm – milímetro

Obs – Dados observados t – Duração da precipitação tc – Tempo de concentração T – Período de retorno

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

τ– tensão de arrasto (N/m2_).

γ– peso volúmico da água (N/m3_).

𝑅ℎ– raio hidráulico (m).

Siglas e Acrónimos

AEMet – Agencia Estatal de Meteorologia ASCE – American Society of Civil Engineers

COSMO-CLM – COnsortium for Small-scale MOdelling and Climate Limited-area Modelling community

DR n.º 23/95 – Decreto Regulamentar n.º 23/95 de 23 de agosto EEA – Agência Europeia de Ambiente

ECA&D – European Climate Assessment and Dataset GCM – Global Circulation Model

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XXIV GEE – Gases de Efeito de Estufa

IDF – Intensidade Duração e Frequência IM – Instituto Meteorológico

IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change JAE – Junta Autónoma de Estradas

KNMI – Royal Netherlands Meteorological Institute OMM – Organização Meteorológica Mundial PVC – Policloreto de vinilo

RCM – Regional Circulation Model

RPA – Região Pluviométrica A do anexo IX do DR n.º 23/95 RPB – Região Pluviométrica B do anexo IX do DR n.º 23/95 RPC – Região Pluviométrica C do anexo IX do DR n.º 23/95 SIAM – Scenarios, Impacts and Adaptations

SRES – Special Report on Emission Scenarios

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Capítulo 1 - Introdução

1

1. INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento

Atualmente existe uma preocupação premente com as consequências das alterações climáticas, visto que estas têm significativos impactes ambientais, económicos, sociais e transversais a todas as áreas da sociedade humana (Allan e Soden, 2008; Rajczak et al., 2013; Vaz, 2008). Este facto foi enfatizado pelo acordo de Paris (2015) no âmbito de uma Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima (UNFCCC) na qual se reconheceu os impactes adversos das alterações climáticas e a necessidade de reduzir as emissões de gases de efeito de estufa (UNFCCC, 2015). No relatório da Agência Europeia do Ambiente (EEA) é referido que a Europa atravessa um período em que se verifica um aumento da frequência e intensidade de eventos meteorológicos extremos, podendo o sul da Europa ser uma região crítica (EEA, 2017a; Vaz, 2008).

Ao longo dos séculos têm sido observadas mudanças climáticas, mas o cerne da questão prende-se com o facto do ritmo destas alterações terem sofrido uma aceleração decorrente de um crescimento acentuado da população mundial, do estilo de vida e da expansão urbana (von Sperling et al., 2006).

Conforme descrito no “Livro Branco, Adaptação às alterações climáticas: para um quadro Europeu (2009)”, as alterações climáticas traduzem-se essencialmente por alterações nos regimes da temperatura do ar, da superfície da terra e do mar, bem como alterações nos regimes e fenómenos extremos de precipitação e no nível médio mundial do mar, que se traduz num possível aumento da gravidade das catástrofes naturais futuras. As mudanças verificadas nos padrões de precipitação com capacidade de alterar o regime hidrológico incluem um dos objetos de estudo deste trabalho, as precipitações intensas. É, portanto, urgente estudar a vulnerabilidade dos sistemas naturais e humanos às potenciais alterações climáticas, nomeadamente as associadas ao ciclo hidrológico, o que permitirá adotar medidas e estratégias de adaptação, prevenção e mitigação dos seus impactes (Adam, 2011; EEA, 2016).

Os trabalhos sobre mudanças climáticas recorrem frequentemente a diversas metodologias, que têm em comum a utilização de projeções de clima através de Modelos Climáticos Globais (GCM) ou Modelos Climáticos Regionais (RCM). A comunidade científica considera estes modelos a melhor ferramenta pois permitem a simulação de cenários futuros de clima tendo em conta de forma quantitativa processos e componentes que afetam o clima

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2

(atmosfera, oceanos, vegetação, solos, etc.) e interação dos mesmos para diferentes cenários de emissão de gases de estufa (Adam, 2011).

Em estudos sobre alterações climáticas, surgem naturalmente dificuldades associadas aos modelos climáticos que permitem estimar acontecimentos futuros. A precipitação é um dos parâmetros mais incertos nestes modelos e, no caso das precipitações extremas a incerteza aumenta drasticamente devido a várias causas, entre as quais se pode mencionar a alta variabilidade em todas as escalas espaciais e temporais (Zolina, 2012).

O desenvolvimento contínuo de metodologias ou projetos de investigação apresenta-se assim como essencial para que seja possível ter o maior conhecimento acerca do regime de precipitações máximas para cada região, que permita o dimensionamento de obras hidráulicas e obras relacionadas com a gestão de recursos hídricos, tendo em conta que estes projetos são realizados considerando o custo mínimo e um risco admissível de falha (Beijo et al., 2005).

Problemas relacionados com eventos extremos de precipitação, como, erosão do solo, danos em infraestruturas e obras hidráulicas e, até, danos ou perda de vidas humanas devem ser evitados ou mitigados. A abordagem aos problemas relacionados com o dimensionamento dos órgãos de recolha de águas pluviais só poderá manifestar uma evolução significativa através do estudo dos regimes de precipitação intensa e das suas alterações futuras (Hartmann et al., 2011; Vieira et al., 1991).

O Decreto Regulamentar n.º 23/95 (DR n.º 23/95) está datado de 1995, o que implica uma revisão, principalmente devido à extrapolação dos dados realizada para as regiões pluviométricas.

Os sistemas de drenagem urbana, conforme verificado pelos acontecimentos cada vez mais recorrentes, são fundamentais para os aglomerados urbanos e para a sua sustentabilidade ambiental, em particular nos eventos de precipitação extrema. Verificam-se no entanto consequências que afetam não só a saúde pública, mas que representam grandes prejuízos económicos resultantes de inundações, quer seja pela ausência ou ineficiência dos sistemas de drenagem de águas pluviais, ou pela expansão urbana que leva a um aumento do volume de escoamento superficial (Filho e Costa, 2012; von Sperling et al., 2006).

A urbanização acelerada de áreas cada vez mais diversas, que incluem áreas florestais e agrícolas levam a uma alteração do ciclo hidrológico, particularmente do escoamento de águas pluviais. As alterações verificadas traduzem-se habitualmente em inundações nas zonas baixas das bacias hidrográficas, onde se encontram normalmente as zonas urbanas, e resultam de um comportamento hidráulico deficiente das redes de drenagem devido ao subdimensionamento,

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3

ou seja, o diâmetro dos coletores é inferior ao necessário para comportar os caudais atuais, ou à obstruções dos coletores. Assim as inundações urbanas frequentes são resultantes do não aproveitamento da capacidade de transporte dos sistemas de drenagem de águas pluviais devido ao subdimensionamento ou a uma manutenção desadequada (Marques et al., 2013).

No entanto situações de cheias devido eventos extremos de precipitação são cada vez mais comuns, o que implica uma proatividade da comunidade científica e dos órgãos governamentais na constante avaliação do cálculo hidráulico e hidrológico para prevenir catástrofes com consequências devastadoras.

1.2 Objetivos do Trabalho

O estudo efetuado tem como objetivo primordial analisar a influência das alterações climáticas nos critérios de dimensionamento dos órgãos de recolha de águas pluviais, e averiguar se os regimes de precipitação descritos no DR n.º 23/95 de 23 de agosto e aplicados no dimensionamento dos coletores de águas pluviais se adaptam aos cenários futuros estimados pelo modelo COSMO-CLM.

Foram definidas as subsequentes etapas para atingir o objetivo proposto:

 Recolha de informação existente sobre o dimensionamento de órgãos de drenagem públicos de águas pluviais;

 Análise de dados observados de precipitação diária disponibilizados pelo ECA&D;

 Simulações de padrões de precipitação a partir do modelo COSMO-CLM para cada célula da malha correspondente à área de Portugal continental para cenários futuros;

 Aplicação de métodos de agregação e desagregação de precipitação aos dados observados e simulados;

 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, simulados para diferentes cenários consequentes das alterações na distribuição dos valores extremos de precipitação;

 Aplicação de procedimentos e etapas de cálculo de dimensionamento a cada célula da malha da área de Portugal Continental;

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4

 Comparação dos resultados obtidos relacionados com o dimensionamento de coletores de águas pluviais definidos no DR n.º 23/95 de 23 de agosto com os dos resultados simulados para cenários futuros pelo modelo COSMO-CLM.

1.3 Estrutura da dissertação

A presente dissertação está organizada em cinco capítulos principais, os quais são descritos sucintamente em seguida:

 Capítulo 1 – Introdução – enquadramento do tema, onde é apresentada a motivação para a realização deste estudo, apresentação dos objetivos e a estrutura da dissertação.

 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica – fundamentação teórica e revisão da literatura relativa aos temas abordados ao longo da dissertação. Possibilita um entendimento sobre a forma como este tema foi abordado e analisado em estudos anteriores.

 Capítulo 3 – Metodologia – descrição das várias etapas realizadas para a concretização dos objetivos do trabalho propostos no Capítulo 1 e obtenção dos resultados finais, para posterior avaliação e comparação das curvas IDF utilizadas para o dimensionamento de órgãos de recolha de águas pluviais presentes no DR n.º 23/95 de 23 de agosto e as curvas IDF simuladas pelo modelo COSMO-CLM para diferentes cenários futuros.

 Capítulo 4 – Análise e Discussão dos Resultados – exposição dos resultados obtidos, bem como, a sua análise e interpretação.

 Capítulo 5 – Conclusões – apresentação das conclusões do trabalho desenvolvido e sugestões para futuros trabalhos.

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Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Ciclo Hidrológico

O ciclo hidrológico pode ser definido como um fenómeno climático permanente de circulação da água nos vários subsistemas terrestres, em diferentes estados físicos (Brandão, 1995; Orsi e Sarubo, 2010; Rodrigues et al., 2011). A existência deste ciclo só é possível devido à presença da radiação solar(Carvalho e Silva, 2006; Lencastre e Franco, 1992).

A circulação da água é constituída por vários processos (Figura 2.1), dos quais se podem destacar a evaporação, a condensação, a precipitação e o escoamento superficial, que asseguram o abastecimento contínuo de água e mantêm o ciclo hidrológico (Carvalho e Silva, 2006; Orsi e Sarubo, 2010).

Os conceitos de precipitação e escoamento superficial, são os conceitos mais relevantes para o estudo em questão, visto que afetam as obras hidráulicas e em particular os sistemas de drenagem pública de águas pluviais (Lencastre e Franco, 1992; Sepúlveda, 2011).

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6

2.1.1 Precipitação

A precipitação define-se como o processo pelo qual a água, sob a forma líquida ou sólida, atinge a superfície da terra (Brandão, 1995; Rodrigues et al., 2011).

A quantidade de precipitação numa região é fundamental para a determinação, entre outros, das necessidades de rega de culturas ou do abastecimento doméstico e industrial. A intensidade de precipitação é importante para a determinação dos caudais de pontas de cheia.

Por precipitações intensas devem ser entendidas as chuvas de grande intensidade que ocorrem durante temporais, que se podem medir em poucos minutos (10 a 5 min), cujo cálculo é fundamental ao dimensionamento de obras hidráulicas (sistemas de drenagem, diques de proteção contra cheias, etc.), na medida em que condicionam diretamente o valor do caudal máximo de uma cheia (caudal de ponta).

As precipitações intensas são caracterizadas por três parâmetros:

 Duração – A análise da precipitação segundo a sua duração, é fundamental para o dimensionamento das obras hidráulicas onde a determinação dos caudais de cheia é requerida. O período de tempo a considerar pode variar desde poucos minutos (coletores de águas pluviais) a algumas horas (obras em pequenas bacias hidrográficas) ou, até mesmo, alguns dias (obras em grandes bacias hidrográficas);

 Intensidade – A intensidade traduz o quociente entre a altura de chuva e o tempo de duração do evento;

 Frequência – Representa a probabilidade de ocorrência de uma chuvada conhecida a sua duração e intensidade, normalmente expressa em termos de período de retorno (T), ou seja, o intervalo de tempo que decorre para que um evento seja igualado ou excedido.

2.1.2 Escoamento Superficial

O escoamento superficial é um dos principais processos do ciclo hidrológico, e caracteriza-se por um movimento aleatório de água, que varia no tempo e no espaço. Este resulta da precipitação que não é evaporada, que não se infiltra ou é intercetada, e pode ser influenciado por diversos fatores, como por exemplo, a vegetação, altitude, topográfica, temperatura, tipo de solo e geologia (Carvalho e Silva, 2006; Rodrigues et al., 2011).

Trata-se de uma fase do ciclo hidrológico de grande importância para a grande maioria dos estudos de hidrologia urbana, devido às alterações das condições naturais que diminuem o potencial de infiltração de água no solo e aumentam as superfícies impermeáveis. Um dos mais

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7

importantes fatores de sucesso de projetos de sistemas de drenagem de águas pluviais, é consequentemente a análise criteriosa do escoamento superficial para a determinação do caudal de ponta, do volume de água escoado, e da forma do hidrograma para um determinado período de retorno, pois permite minimizar os efeitos negativos do desenvolvimento urbano no ciclo da água (Martins et al., 2010).

2.2 Alterações Climáticas

As alterações climáticas alteram o regime hidrológico, entre os quais podem-se referir o aumento de situações de cheias, seca, erosão, deterioração da qualidade das águas e diversidade dos ecossistemas (Adam, 2011). Intergovernmental Panel on Climate Change (2013) define o conceito de Mudança Climática como as mudanças de clima devido à variabilidade natural e/ou resultado das atividades humanas.

Tendo em conta que a variabilidade climática é um processo natural que pode ser identificada através da observação de séries históricas de variáveis do clima como a temperatura e precipitação (Adam, 2011), o IPCC concluiu que as atividades humanas contribuíram para as alterações climáticas verificadas nas últimas cinco décadas, sobretudo para o aquecimento global e para a frequência de fenómenos climáticos extremos. Estas mudanças foram provocadas principalmente pelas emissões de gases de efeito de estufa (GEE) e terão efeitos a longo prazo no ciclo hidrológico, o que coloca desafios na gestão da água e sustentabilidade dos ecossistemas naturais (Duarte, 2007; He et al., 2011).

O conhecimento das mudanças hidroclimáticas extremas em resposta às mudanças climáticas induzidas pela emissão antropogénica de GEE é essencial para a avaliação de impactes e vulnerabilidade ao aquecimento global (IPCC, 2012). A análise de vários resultados de modelos climáticos mostrou que a frequência de eventos extremos deverá aumentar com o aquecimento global, como as secas, as inundações e as ondas de calor (IPCC, 2012; Sillmann

et al., 2013). De facto, alguns estudos sugerem que o aquecimento global pode induzir

mudanças fundamentais nas características do ciclo hidrológico do Planeta e dos regimes hidroclimáticos relacionados (Giorgi et al., 2011; Trenberth, 1999).

A modificação do ciclo da água é uma das consequências mais percetíveis do aquecimento atmosférico global (Allen e Ingram, 2002; Huntington, 2006), e a precipitação apresenta-se como um ponto-chave neste processo (Mariotti et al., 2002; Mauget, 2006). Como consequência, os estudos científicos sobre a ocorrência e distribuição de precipitação aumentou

(32)

8

ao longo das últimas décadas, pois estas são interessantes não só do ponto de vista climático, mas também em termos de gestão de recursos hídricos (Gonzalez-Hidalgo et al., 2010).

Diferentes centros de pesquisa internacionais têm adotado modelos matemáticos para representar o sistema climático global e projetar alterações climáticas futuras. Os modelos climáticos globais (GCM) consideram diferentes cenários de emissão de GEE dependentes de previsões de desenvolvimento socioeconómico e tecnológico, em regra geral, para os 100 anos seguintes (Adam, 2011).

O IPCC produziu uma série de cenários até o final do século XXI, descritos no Relatório de Síntese sobre Cenários de Emissão, que cobrem um nível de incerteza viável e foram amplamente aplicados em pesquisa climática e na modelação dos impactes das mudanças climáticas numa grande quantidade de sistemas. Os cenários de emissão de GEE presentes no

Special Report on Emissions Scenarios (SRES), descritos em Nakicenovic e Swart (2000),

apresentam quatro projeções diferentes de emissões de GEE para o futuro, relacionados com aspetos de desenvolvimento social, económico e tecnológico, crescimento populacional, preocupação com o meio ambiente e diferenças regionais.

Para a Europa do Sul, uma simulação de modelo climático indica uma quebra anual de precipitação de 10-40% no final do século para Portugal, dependendo do cenário e da região (Santos e Miranda, 2006). Os índices de precipitação extrema para o final do século têm uma tendência menos clara do que a temperatura. No entanto, os cenários climáticos projetados sugerem uma diminuição geral na precipitação total e um aumento significativo no comprimento dos períodos secos, especialmente durante o outono e a primavera, e um aumento dos fortes eventos de precipitação (Hov et al., 2013).

As projeções de mudanças climáticas para 2071-2100 (cenários A1B e B1, SRES) revelam diminuições significativas na precipitação total, particularmente no outono sobre o noroeste e sul de Portugal, embora as mudanças exibam padrões locais e sazonais distintos e geralmente são mais fortes para A1B do que para B1. O aumento da precipitação no inverno sobre o nordeste de Portugal em A1B é a principal exceção à tendência geral de seca. As contribuições dos eventos de precipitação extrema para a precipitação total também deverão aumentar, principalmente no inverno e na primavera sobre o nordeste de Portugal (Costa et al., 2011).

(33)

9

2.2.1 Modelos Climáticos

Para simular o clima atual e projetar mudanças futuras foram desenvolvidos os Modelos de Circulação Geral, que são uma ferramenta baseada em princípios físicos gerais da dinâmica dos fluídos e termodinâmica. A comunidade científica considera estes modelos a melhor ferramenta pois permitem simular cenários de evolução do clima para diferentes cenários de emissão de GEE tendo em conta, de forma quantitativa, as diversas componentes do sistema climático (atmosfera, oceanos, vegetação, solos, etc.) (Adam, 2011).

A caracterização climática regional é representada de forma razoável pelos GCM, que no entanto apresentam algumas limitações, entre as quais é importante referir a dificuldade em apresentar uma descrição representativa do clima local ou seja a discretização apenas é suficiente para retratar processos atmosféricos em macro escala na superfície da Terra (Dibike e Coulibaly, 2005).

Entre as principais limitações dos GCM podem-se destacar a discretização para retratar processos atmosféricos de escalas menores e os processos físicos hidrológicos que em bacias variam bastante em microescala. De forma a tornar mais fiáveis os modelos climáticos existem vários projetos para desenvolver a estimativa de todos os parâmetros (Raisanen, 2007; Stone e Knutti, 2010; Zhang et al., 2007).

Algumas técnicas para adequar a escala espacial dos resultados dos GCM a escalas de bacias hidrográficas, são chamadas de downscalling e podem ser agrupadas em downscalling dinâmico que são baseadas na utilização de Modelos de Circulação Regional (RCM) e

downscalling estatístico (Xu, 1999).

Ainda que os GCM forneçam simulações adequadas para a circulação atmosférica em escala global, devem melhorar o nível de detalhe fornecido (Wilby e Fowler, 2010). A resolução espacial destes modelos são na ordem das centenas de quilómetros, o que dificulta modelos que utilizam uma malha com resolução espacial inferior à dos GCM e limita a possibilidade de simular com exatidão alguma variação do clima em escala regional (Moriondo e Bindi, 2006). O Downscalling trata-se de uma técnica que permite transferir a informação meteorológica dos GCM, com resolução maior que 100 Km, para escalas regionais, com resolução de 10 Km a 100 Km. Várias metodologias de downscalling têm sido aplicadas aos GCM (Carter, 2007; Fowler et al., 2007; Giorgi e Mearns, 1991; Hewitson e Crane, 1996; Mearns et al., 2003; Wilby et al., 2006; Wilby e Wigley, 2000; Zorita e Storch, 1999).

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10

Estas técnicas são enquadradas em duas abordagens distintas:

 Modelos regionais dinâmicos que são semelhantes aos GCM mas apresentam resolução mais pequena, utilizam como dados iniciais e condições de contorno o resultado obtida pelas simulações do GCM. Ou seja o modelo regional é forçado em todo o domínio pelas informações geradas pelo GCM (Wilby e Fowler, 2010). O desempenho na simulação e previsão de distribuição de precipitação localizada é melhor nesta técnica de downscalling como sugerem alguns estudos (Nobre et al., 2001; Sun et al., 2005).

 Métodos empíricos ou downscalling estatístico consiste na transferência estatística entre os dados dos campos de larga escala e a variável de interesse na superfície (Wilby et al., 2004). Outro método consiste na aplicação à saída dos GCM (Giorgi et al., 2001). Entre outros métodos empíricos de downscalling podem-se referir os de regressão múltipla, procedimento de classificação automática de GCM para RCM. Bouwer et al. (2004) propôs ainda um método de downscalling com aplicação nos dados dos modelos de mudança climática, utilizando métodos de interpolação e estatísticos, com validação para cada caso e que exigiu uma grande quantidade de dados locais.

2.2.2 Alterações do Ciclo Hidrológico devido às Mudanças Climáticas

A literatura científica fornece fortes evidências de que a alteração do clima global está a afetar os recursos hídricos mundiais, incluindo a acidificação do oceano, o aumento da temperatura, o degelo glaciar, as alterações nos padrões de precipitação e a subida do nível do mar (Bloetscher et al., 2010).

À escala global, prevê-se que as chuvas extremas se intensifiquem como resultado de mudanças climáticas de origem antropogénicas (Flato et al., 2013). A maioria das evidências para esse aumento baseia-se em dados observados à escala diária e produção de modelos climáticos. É cada vez mais claro, no entanto, que os eventos climáticos extremos devem ser entendidos em escalas de tempo mais curtas se quisermos responder a mudanças no risco de perigos naturais, como inundações que resultam de mudanças nas precipitações intensas (Diodato et al., 2011). Acredita-se que o aquecimento global conduza a um aumento dos eventos extremos de precipitação, como consequência do aumento das quantidades de água precipitável na atmosfera (O'Gorman e Schneider, 2009). Estes acontecimentos são

(35)

11

corroborados pelas evidências, em escalas globais, regionais e locais de que os eventos de precipitação extrema se tornaram mais frequentes (Oost et al., 2007).

2.2.3 Evento de precipitação extrema

A probabilidade da intensidade das precipitações extremas aumentarem devido a mudanças climáticas é uma preocupação social significativa, derivado às inundações resultantes de precipitação, que são atualmente um dos perigos naturais mais dispendiosos e que apresenta um grande risco em todo o mundo (Westra et al., 2014).

A primeira descoberta formal da influência humana sobre a intensificação diária observada da precipitação extrema foi fornecida por Min et al. (2011) e Kiktev et al.(2007) e a evidência que liga eventos climáticos extremos específicos ou um aumento no número para alterações climáticas antropogénicas continua a ser estudada (Coumou e Rahmstorf, 2012).

A intensidade e/ou frequência diária da precipitação extrema aumentou na maioria dos continentes (Alexander et al., 2006), e aproximadamente 65% das áreas que apresentam dados confiáveis disponíveis exibem tendências positivas para extremos máximos de precipitação anual entre 1951-1999 (Min et al., 2011). A estimativa do aumento médio da taxa global de intensidade de precipitação máxima diária, no século XX e início do século XXI, foi de aproximadamente entre 5,9 e 7,7% por grau Celsius (°C) de temperatura atmosférica (Westra

et al., 2013). Esta média apresenta maiores taxas de mudança nos trópicos e nas altas latitudes

do Hemisfério Norte (Groisman et al., 2005), e taxas mais baixas registadas nas latitudes médias mais secas. Dados de escalas de tempo diárias ou mais longas de GCM também sugerem que as intensidades extremas de chuva aumentarão com o aquecimento global (IPCC, 2007) com uma sensibilidade de cerca de 6% por grau Celsius (°C) globalmente, mas com grande variabilidade do modelo (Kharin et al., 2007).

A visão geral da variabilidade climática, para a Europa, dos extremos das precipitações mostra que as precipitações mais fortes e extremas na Europa apresentaram variabilidade complexa nas últimas cinco décadas. Os extremos de precipitação absoluta aumentaram no inverno com magnitudes de tendência de 4 a 10% por década (cerca de 1-3 mm / dia por década) (Zolina, 2012).

Prevê-se que o aquecimento global conduza a uma maior intensidade de precipitação e períodos secos mais longos na Europa (IPCC, 2012). As projeções mostram um aumento na precipitação extrema diária na maior parte da Europa no inverno, em até 35% durante o século

(36)

12

XXI (Figura 2.2) (EEA, 2017b). Foram encontrados Padrões similares para outros índices de precipitação intensa (Rajczak et al., 2013).

Os modelos climáticos projetam que grandes eventos de precipitação se intensificam com as mudanças climáticas. É geralmente aceite que os eventos extremos de precipitação num dia poderão aumentar a uma taxa de cerca de 6-7% por grau (ºC) de aquecimento. No entanto, estudos recentes sugerem que a precipitação extrema sub-diária (por exemplo, por hora) pode aumentar em cerca de duas vezes esta taxa (Ban et al., 2015).

Figura 2-2 - Alterações projetadas para precipitações intensas (%) no inverno e verão 1971 – 2000 para 2071 – 2100 (Fonte: EEA, 2017b).

Os diversos cenários de alteração climática projetam modificações importantes do clima em Portugal. No que concerne à precipitação, sugerem uma redução da ordem de 20 a 40% da precipitação atual, devida à redução da duração da estação chuvosa. Não obstante os diversos modelos preverem, em termos globais, a redução de precipitação anual, sugerem também um ligeiro aumento da precipitação na região Norte de Portugal e um decréscimo para as regiões do Centro e Sul. Os modelos preveem ainda um aumento da assimetria sazonal da precipitação, com decréscimo relevante para o período de Verão (Santos e Miranda, 2006). A concentração da precipitação nos meses de Inverno e o previsível aumento generalizado da frequência de

(37)

13

chuvadas intensas deverá aumentar a magnitude e a frequência dos episódios de cheia, particularmente no Norte do país (Santos e Miranda, 2006).

Um número crescente de estudos indica a presença de tendências positivas nos extremos de precipitação na Europa nas últimas décadas (Alexander et al., 2006; Klein Tank e Können, 2003; Moberg et al., 2006; Zolina et al., 2009). Estes resultados para toda a Europa são geralmente baseados em índices descritivos de extremos que ocorrem, em média, uma vez (ou várias vezes) a cada ano (ou estação) como os definidos pela Equipa Especialista em Deteção e Índices de Mudanças Climáticas (van den Besselaar et al., 2013).

2.3 Determinação de Parâmetros Hidrológicos

2.3.1 Método Racional

O cálculo dos caudais de águas pluviais para áreas urbanas tem-se caracterizado pela utilização quase generalizada do método racional a nível nacional ou até à escala mundial (Martins, 2000; Portela, 2012) e encontra-se descrito por vários autores (Chow et al., 1988; Raudkivi, 1979). Este método permite determinar caudais de ponta de cheia para pequenas e médias bacias hidrográficas e a generalidade dos autores referem vários limites para a sua aplicação, não existindo consenso acerca de uma área máxima que pode ir de 1 Km2 até cerca de 500 Km2 (Bichança, 2006; Filho e Costa, 2012; Portela, 2012).

As simplificações de natureza hidrológica e hidráulica da formulação deste método consideram-se as principais limitações da fórmula racional. A limitação hidrológica está relacionada com o facto de considerar a precipitação como invariável no espaço e no tempo e em admitir a transformação precipitação-escoamento, traduzida por um coeficiente de escoamento, como sendo uma relação linear. A fórmula racional considera ainda que o caudal de ponta de cheia só ocorre quando toda a bacia está a contribuir para o escoamento, o que consiste numa limitação hidráulica (Bichança, 2006; Macário, 2013; Martins, 2000).

A expressão para o cálculo pelo método racional é a seguinte:

Qpluvial = C. I. A (1)

Onde:

Qpluvial = Caudal máximo, ou de ponta, na secção em estudo (l/s). C = Coeficiente de escoamento.

(38)

14 A = Área drenada pela secção em estudo (em ha).

I = Intensidade da chuvada de duração igual ao tempo de concentração na secção em estudo para período de retorno definido (l/s.ha).

2.3.2 Coeficiente de escoamento

O DR n.º 23/95 define o coeficiente de escoamento como a razão entre a precipitação útil, isto é, aquela que dá origem a escoamento na rede de precipitação efetiva, ou seja, aquela que cai dentro da bacia e pode ser estimado através do gráfico e das expressões analíticas constantes no anexo X.

Para utilização do método racional, são aplicados os coeficientes de escoamento (C) (Tabela 2.1). Estes valores do coeficiente de escoamento são aplicados a períodos de retorno de 5 a 10 anos.

Tabela 2.1 - Valores médios do coeficiente C da fórmula racional - Áreas Urbanas (Fonte: ASCE, manual nº37).

(39)

15

No caso de existir necessidade e corrigir valores de coeficiente de escoamento para períodos de retorno maiores, deve recorrer-se a um coeficiente de ajustamento (K) (Tabela 2.2). Se for efetuado ajustamento o valor não pode exceder o valor unitário.

Tabela 2.2 - Coeficiente de ajustamento (K) em função do período de retorno (adaptado de JAE, 1988).

Período de retorno K

25 1,10

50 1,20

100 1,30

2.3.3 Período de retorno

A definição para o período de retorno (T) pode ser descrita como o intervalo de tempo, em média, que decorre para que um determinado evento seja igualado ou excedido (Marques et

al., 2013).

Segundo o artigo 130º do DR n.º 23/95 os períodos de retorno que são utilizados mais frequentemente são de 5 ou 10 anos, podendo em situações excecionais ser reduzidos para 1 ou 2 anos quando se verifiquem bacias muito planas com um estudo prévio criterioso.

A definição do período de retorno, devido às consequências para pessoas e bens, exige uma análise aprofundada do caudal de ponta de cheia, podendo fazer-se estudos económicos com vista à sua estimativa. A expressão seguinte permite determinar o período de retorno em que F(x) designa a função de distribuição de determinado acontecimento:

T = 1

1 − 𝐹(𝑥)

(2)

A introdução do risco (R) (Lencastre e Franco, 1984) do caudal, para um certo período de retorno, poder ser excedido durante o tempo de vida útil da obra n é dado pela seguinte expressão:

R = 1 − (1 − 1 𝑇𝑅

(40)

16

Onde:

R – Risco permissível

TR – Período de retorno (anos)

n – Vida útil da obra (anos)

Pode-se, no entanto, escolher TR, ou seja, escolher o risco que se pretende correr caso a

obra não desempenhe as funções para que foi dimensionada, dentro do seu tempo de vida útil, definido pela expressão seguinte:

𝑇_𝑅 = 1

1 − (1 − 𝑅)1𝑛

(4)

A equação 4 permite calcular o período de retorno, TR, considerando que uma obra tem

uma vida útil (n) em anos, e uma vez fixado o risco (R). Na tabela 2.3 apresentam-se valores de R para vários períodos de retorno de acordo com as expressões 3 ou 4

Tabela 2.3 - Valores do período de retorno, TR, em função do risco aceitável e da vida útil da obra (adaptado

de Marques et al., 2013).

Risco aceitável Vida útil da obra (n)

R 10 20 30 40 50 100 200 0.01 995 1990 2985 3980 4975 9950 19900 0.10 95 190 285 380 475 950 1899 0.25 35 70 105 140 174 348 696 0.50 15 29 44 58 73 145 289 0.75 8 15 22 29 37 73 145 0.99 3 5 7 9 11 22 44

2.3.4 Tempo de concentração

O tempo de concentração (expressão 5) pode ser definido como o tempo de percurso da água precipitada para atingir uma secção de referência, partindo do ponto cinematicamente mais afastado da bacia hidrográfica (Mata Lima et al., 2007).

A determinação do tempo de concentração está sujeita a incertezas. A estimativa, em bacias urbanas, pode ser efetuada com recurso a vários processos: utilização de fórmulas

(41)

17

empíricas, em regra geral para terrenos livres; por medição direta usando traçadores; atendendo à cobertura e declive da bacia de drenagem procede-se à estimativa da velocidade média do escoamento superficial na bacia até à secção em estudo; ou recorrendo à bibliografia existente através de valores tabelados (Martins et al., 2010).

𝑡𝑐 = 𝑡𝑒+ 𝑡𝑝 (5)

Onde:

tc – tempo de concentração (min)

te – tempo de recolha da água (entrada no primeiro dispositivo de recolha da rede) (min)

tp – tempo máximo de percurso da água desde a entrada na rede até à secção em estudo (min)

A estimativa com recurso a valores tabelados em bacias urbanas, para determinar a intensidade de precipitação de projeto, e a estimativa de caudais de ponta através de métodos simplificados, são apresentados na tabela 2.2 e são aconselhados os tempos de concentração indicados. Como são valores independentes de várias características da bacia urbana, devem ser usados com ponderação (Martins et al., 2010).

Tabela 2.4 - Tempos de concentração em zonas urbanas, em minutos, em função do grau de impermeabilização e declive das superfícies (adaptado de Martins et al. 2010).

Impermeabilização Declive Tempo de concentração

(minutos)

Áreas urbanas com impermeabilização

superior a 50%

Áreas muito inclinadas

(>8%) 5

Áreas inclinadas (1.5% a

8%) 7.5

Áreas planas (<1.5%) 10

Áreas urbanas com impermeabilização

inferior a 50%

Áreas muito inclinadas

(>8%) 5

Áreas inclinadas (1.5% a

8%) 10

(42)

18

2.3.5 Intensidade de Precipitação

Para o cálculo dos caudais de ponta de cheia, através dos parâmetros a e b, é essencial ter conhecimento da intensidade média de precipitação (I), durante um tempo de precipitação (t), para um período de retorno associado (T). Este conceito é expresso pelas curvas de Intensidade-Duração-Frequência (IDF) que podem ser representadas pela expressão:

I = a. tb ₍₆₎

Onde:

I - intensidade média da chuvada de duração t, expressa em mm/h, para um dado local e para um determinado período de retorno.

a e b - parâmetros que variam de local para local e com período de retorno considerado,

de acordo com anexo IX, DR nº 23/95 .

t - duração da chuvada expressa em min

I = a. tb_/0,36 ₍₇₎

 I = intensidade média da chuvada de duração t, expressa em l/s.ha, para um dado local e para um determinado período de retorno

2.3.6 Determinação de curvas IDF

Na Figura 2.3 são apresentadas as regiões pluviométricas e os valores dos parâmetros a e b, a considerar nas diferentes regiões pluviométricas para determinação das curvas IDF em função do período de retorno, decorrentes do trabalho realizado por Matos e Silva, 1986.

(43)

19

Figura 2-3 Regiões pluviométricas e parâmetros das curvas intensidade-duração-frequência (adaptado de Matos e Silva, 1986).

É importante salientar trabalhos realizados para a obtenção de curvas IDF para precipitações intensas com durações inferiores ao dia. Pode-se destacar o trabalho de Brandão (1995) que apresentou udogramas para precipitações intensas e para 4 estações udográficas com recurso a um programa, chamado IDF, elaborado pela mesma. Brandão et al. (2001) com a metodologia desenvolvida anteriormente apresentou valores de parâmetros das curvas IDF para 27 postos udográficos, para períodos de retorno entre 2 e 1000 anos e para três intervalos de duração da precipitação, entre 5 e 30 minutos, entre 30 minutos e 6 horas, e 6 a 48 horas.

2.3.7 Modelos de desagregação de precipitação

Os dados obtidos nas estações meteorológicas e modelos GCM e RCM são dados normalmente à escala diária, tornando assim os métodos de desagregação da precipitação indispensável para estudos que envolvam alterações climáticas

O método mais básico para desagregação consiste em dividir uniformemente os dados diários em 24 horas para obter dados de precipitação horária, o que demonstra claras limitações pois a precipitação não apresenta a mesma intensidade e padrão durante as 24 horas (Wey, 2006).

Existem algumas metodologias para desagregar a precipitação com bons resultados e utilizadas em alguns trabalhos, das quais se destacam o modelo dos pulsos retangulares de

(44)

20

Bartlett-Lewis modificado e o programa HyetosR, que possibilita a simulação e a desagregação horária de precipitação (Back e Uggioni, 2010; Hanaish et al., 2011; Kossieris et al., 2012).

O modelo de desagregação utilizado na realização deste trabalho foi o método dos fragmentos, introduzido por G. G. Svanidze no início de 1960. A partir de uma pesquisa na literatura é possível verificar que este é atualmente o método mais popular para desagregação de dados de precipitação. Para proceder à desagregação de dados de precipitação através deste método é necessário que os dados observados e os dados que se pretendem desagregar se encontrem na mesma escala temporal, com a vantagem da quantidade de dados observados requeridos ser bastante inferior em relação à quantidade de dados que se pretendem desagregar. Os fragmentos obtidos são uma fração da precipitação diária que ocorreu em cada hora do dia, ou seja, o somatório dos coeficientes das 24 horas de um dia é igual à unidade. Para a obtenção de melhores resultados é melhor escolher uma série com uma precipitação diária total que coincida com os dados diários que estão sendo desagregados (Wey, 2006).

Para o processo de desagregação para valores sub-diários dos dados de precipitação simulados, para cenários futuros, recorreu-se ao método dos fragmentos ou coeficientes de desagregação dos valores máximos de precipitação. Os fragmentos (𝑤_𝑖) são uma fração da precipitação diária que ocorreu a uma dada hora do dia (ℎ𝑖).

𝑤_𝑖 = ℎ𝑖 ∑24𝑖=1ℎ𝑖

(8)

Onde:

𝑤_𝑖 – fragmento calculado para uma hora (i)

ℎ_𝑖 – fração da precipitação diária que ocorreu a uma dada hora (i) do dia

Consequentemente a soma dos coeficientes (𝑤𝑖) para as 24 horas do dia são iguais à unidade.

Depois para estimar a intensidade de precipitação em cada hora do dia (ℎ_𝑖′), o fragmento correspondente (𝑤_𝑖) é multiplicado pela intensidade de precipitação diária.

(45)

21 Onde:

ℎ_𝑖′ - intensidade da precipitação em cada hora (i) do dia 𝑤_𝑖 – fragmento calculado para uma hora (i)

d – intensidade da precipitação diária (mm/h)

2.4 Sistemas de drenagem de águas pluviais

Os sistemas de drenagem têm como finalidade recolher, transportar e rejeitar nos meios recetores, em condições adequadas, as águas residuais domésticas, comerciais e industriais e as águas pluviais. A drenagem pluvial urbana não é só uma necessidade, mas uma prioridade por estar diretamente ligada à qualidade de vida e à segurança de pessoas e bens (Marques et al., 2013)

2.4.1 Tipos de sistemas

O DR n.º 23/95 define os quatro tipos de sistema de drenagem de águas residuais no artigo 116º e são classificados de acordo com a origem das águas que escoam:

• Sistemas unitários - compostos por uma única rede de coletores onde são conjuntamente admitidas as águas residuais domésticas, industriais e pluviais. Têm como finalidade recolher e drenar a totalidade das águas residuais dos aglomerados populacionais;

• Sistemas separativos - são constituídas por duas redes de coletores diferentes, uma destinada à drenagem de águas pluviais e outra destinada à drenagem de águas residuais domésticas e industriais. Não existe ligação entre as duas redes de drenagem;

• Sistemas mistos – este sistema é constituído por uma rede que conjuga os dois tipos de sistemas referidos anteriormente. Uma parte da rede é unitária e outra parte é separativa;

• Sistemas pseudo-separativos - em situações excecionais, devido a inexistência de uma rede de drenagem de águas pluviais, admite-se a ligação de águas pluviais de pátios interiores ao coletor de águas residuais domésticas.

De acordo com o DR n.º 23/95 as novas redes de drenagem de águas residuais que se devem implantar devem ser do sistema separativo. Este tem sido um dos objetos de discussão, a escolha de um sistema (unitário ou separativo). Inicialmente a opção foi o sistema unitário e só mais recentemente se alterou para os sistemas separativos (Marques et al., 2013).

Devido a novas técnicas de reabilitação de canalizações e tendo em conta o custo inerente de construção de um novo sistema gerou-se discussão relativamente à escolha do tipo de sistema

(46)

22

de drenagem de águas residuais. Os fatores técnicos, económicos e ambientais condicionam a escolha do tipo de sistema (Sousa, 2001).

2.4.2 Principais componentes dos sistemas de drenagem

Os coletores e órgãos acessórios constituem essencialmente os componentes de um sistema separativos de drenagem de água pluviais

A rede de coletores é o principal componente e é constituído por um conjunto das canalizações que assegura o transporte das águas pluviais desde os dispositivos de entrada até um destino final. Na generalidade dos casos, os coletores utilizados são circulares de betão ou de PVC.

Os órgãos acessórios constituintes dos sistemas de drenagem de águas pluviais são: • Dispositivos de entrada – sarjetas de passeio ou sumidouros de grades

• Câmaras de visita – acesso aos coletores para as operações de manutenção e de limpeza. Nas redes de drenagem podem estar ainda presentes os órgãos especiais e instalações complementares, dos quais se destacam os seguintes:

• Desarenadores – provocam a deposição de materiais granulares transportados nas águas pluviais;

• Bacias de retenção – estruturas que regulam os caudais pluviais. São uma solução eficaz para reter grandes quantidades de água que vai sendo liberada, aos poucos e de forma controlada, a fim de evitar inundações a jusante;

• Câmaras de infiltração ou drenantes – destinam-se à retenção e infiltração da água pluvial no terreno;

.• Estações elevatórias – permitem transportar a água para cotas mais elevadas.

• Descarregadores de tempestade – permitem a descarga dos caudais em excesso face à capacidade hidráulica das infraestruturas dispostas a jusante.

2.4.3 Aspetos de conceção

Os sistemas de drenagem de águas pluviais, em comparação com outras infraestruturas urbanas, apresentam elevados custos de investimento, o que implica que as soluções adotadas sejam tecnicamente eficientes mas economicamente viáveis (Silva, 2013). Em sistemas de drenagem de águas pluviais, com os moldes atuais de conceção, devem-se destacar os aspetos seguintes:

(47)

23

 Promover a redução da extensão das redes de coletores e dos diâmetros, recorrendo ao percurso superficial da água pluvial e favorecer a integração destes em áreas impermeáveis;

 Escolha de bacias de retenção e câmaras drenantes, que constituem soluções de drenagem não convencionais;

 Preocupação com a qualidade da água, nomeadamente devido aos riscos de efeitos nocivos no meio recetor.

A inclusão de áreas permeáveis em áreas impermeáveis, através de soluções de descontinuidade permitem uma redução dos caudais de ponta pluvial e correspondem a regras urbanísticas mais adequadas. Linhas de drenagem superficial através de espaços livres, como por exemplo valetas devem se privilegiadas sempre que possível (Sousa e Matos, 2000).

As soluções a escolher devem cumprir os objetivos seguintes:  O volume de água pluvial infiltrada deve ser maior;

 O volume de água pluvial retida e intercetada nas depressões do solo e nas árvores e arbustos deve aumentar;

 O armazenamento temporário da água pluvial em bacias de retenção ou detenção deve ser promovido;

 Em situações que se verifiquem precipitações intensas, devem ser criadas condições controladas de escoamento de superfície ao longo das superfícies impermeabilizadas desde que tidos em conta determinados critérios, com o objetivo de se minimizar os incómodos para os utentes e o desgaste das superfícies impermeabilizadas (Silva, 2013).

2.4.4 Imposições regulamentares

 Diâmetro mínimo

O DR nº 23/95, Artigo 134º, impõe um diâmetro nominal mínimo de 200 mm para os coletores de águas pluviais, de modo a evitar entupimentos ou obstruções que se poderiam verificar em coletores com diâmetros mais pequenos.

 Inclinações Regulamentares

As inclinações de implantação dos coletores são limitadas basicamente por razões construtivas. A inclinação máxima (imáx) = 15%, deve-se à necessidade de manter a estanquidade e evitar a abertura das juntas de ligação que podem ocorrer devido ao peso dos

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coletores, da água escoada ou da ação dinâmica de escoamento que pode levar ao escorregamento dos coletores. Pode, no entanto, ser ultrapassada caso se verifique a inclusão de dispositivos especiais de ancoragem dos coletores. A inclinação mínima (imín) de 0,3%, é

imposta pelo DR n.º 23/95, devido à possibilidade surgirem situações em que o assentamento dos coletores pode resultar em coletores horizontais ou com inclinação contrária ao sentido de escoamento. Admite o mesmo DR n.º 23/95 inclinações inferiores desde que seja garantido o rigor de nivelamento na implantação dos coletores, a estabilidade do assentamento e o poder de transporte.

 Velocidades Regulamentares

Para os coletores unitários ou separativos pluviais, o DR nº 23/95 define como valor de velocidade máxima de escoamento (Vmáx) = 5 m/s, e como valor de velocidade mínima de

escoamento (Vmín) = 0,9 m/s. O limite definido para o Vmáx serve para precaver a erosão ou

abrasão da superfície interior dos coletores ou outros órgãos de drenagem de águas pluviais. Para o Vmín, e tendo em conta que as águas pluviais transportam materiais sólidos pretende-se

que estes tenham capacidade de autolimpeza de modo a impedir que essas partículas se depositem no fundo e originem problemas de funcionamento.

 Autolimpeza

As condições de autolimpeza estão relacionadas com a tensão de arrasto mínima e verifica-se para que não surjam problemas com a deposição de materiais sedimentáveis nos coletores. Quando os limites de velocidade inferiores regulamentares são inviáveis, um exemplo que se verifica nos coletores de cabeceira, estabelecem-se declives de forma a assegurar estes valores limites para o caudal de secção cheia. A tensão de arrasto pode ser calculada pela seguinte expressão:

𝜏 = 𝛾 𝑅_ℎ 𝑖 (10)

Em que:

τ– tensão de arrasto (N/m2). γ– peso volúmico da água (N/m3). 𝑅_ℎ– raio hidráulico (m).