Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2017/2018

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1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2017/2018 Tema: Calibração do modelo hidrológico e hidrodinâmico da bacia do rio Lima para utilização num sistema de previsão de cheias e inundações Aluno: Luís Miguel Cappellotto Pastor Número do Aluno: Orientador: Professor Doutor José Luís Silva Pinho 1. Introdução Ao longo da sua história o nosso planeta já enfrentou diversas mudanças climáticas que alteraram o curso da Humanidade tal como a conhecemos hoje. Estas alterações climáticas sucederam ao longo de diversas eras e deixaram marcas que são estudadas até aos dias de hoje. Atualmente é, de um modo geral, consenso científico que o planeta Terra está, uma vez mais, a enfrentar alterações climáticas. Estas alterações manifestam-se, principalmente, pelas subida da temperatura média global, pela irregularidade de precipitações, e aumento de frequência e magnitude de eventos extremos. A intensidade e frequência dos eventos extremos tempestades, cheias e secas, possivelmente associados às alterações climáticas, têm tido inúmeras repercussões nas sociedades contemporâneas, tornando-se cada vez mais premente a prevenção e mitigação dos seus efeitos (Coelho, 2004). Nos últimos anos tem sido visível uma tendência para o aumento do número de desastres naturais um pouco por todo o mundo, sendo reconhecido por diversos autores que o aumento da probabilidade da ocorrência de eventos extremos, como as cheias e as secas, nas regiões temperadas, está intimamente relacionado com este fenómeno (Agência Europeia do Ambiente, 2003). Assim, e apesar de ao longo da sua história a humanidade já ter enfrentado alterações climáticas e de as cheias terem sempre existido enquanto fenómeno natural, a ocorrência de períodos de precipitação, ou muito intensos, ou muito longos, tem contribuído para a intensificação de episódios de cheia, que passaram de excecionalidades a parte integrante do quotidiano de muitas populações. (Coelho, 2004). Deste modo o registo de inundações tem aumentado um pouco por todo o mundo. Na Europa, estima-se que mais de 10 milhões de pessoas vivam em zonas de risco de inundações que, para além de perdas de vidas humanas e prejuízos socioeconómicos elevados, acarretam riscos para a saúde pública, para o ambiente e para as infraestruturas urbanas. Por isso, tem-se verificado, por parte das entidades governamentais, grandes preocupações no reforço dos quadros legais que contemplam preocupações acrescidas de avaliação, gestão e mitigação de riscos de inundações (Comissão Europeia, 2007). Todas estas alterações climáticas obrigaram o ser humano a repensar a planificação urbana e a adaptar as mesmas às novas condições existentes sendo que um elemento de apoio na revisão urbanística constitui a utilização de ferramentas informáticas de apoio à decisão. Com o desenvolvimento da tecnologia a evoluir todos os dias existem ferramentas que possibilitam a simulação do comportamento de uma bacia hidrológica perante vários cenários. A integração coerente destas ferramentas proporciona a construção de sistemas de suporte à decisão que, crescentemente, vêm sendo utilizadas tanto em gabinetes de engenharia como em empresas e agências governamentais (Vieira et al., 2012). Deste modo é possível prever o risco de inundações em determinada zonas com apenas a previsão meteorológica salvaguardando as populações de um maior dano. Um sistema de apoio à decisão é composto por três componentes principais: sistema de informação, sistema de modelação e sistema de análise. O sistema de informação contempla bases de dados com toda a informação disponível relacionada com o problema em estudo. Alguma desta informação pode estar presente no SSD enquanto outra pode ser adicionada à base de dados pelo próprio utilizador. O sistema de modelação é uma representação do mundo real e contém modelos de simulação que proporcionam uma visão sobre causas e efeitos de problemas com os quais o decisor se confronta. Este sistema de modelação é apoiado no sistema de informação e alimenta o sistema de análise que inclui a definição estratégica de cenários e a análise de casos de gestão (Vieira, 2013). 1

2 A modelação matemática está presente na pratica hidrológica como uma das principais ferramentas utilizadas em projetos de engenharia e avaliações ambientais. Particularmente, os modelos hidrológicos de larga escala têm sido aplicados em avaliações de impactos de mudança da cobertura vegetal e variabilidade climática, e em sistemas de previsão. Entre as limitações destes modelos está a incapacidade de representar o escoamento em áreas muito planas, com extensas áreas inundáveis e efeitos de regolfo como nos rios amazônicos. (Paiva, 2009) Os modelos hidrológicos permitem simular processos do ciclo hidrológico através de equações matemáticas. Dentre esses processos, a propagação do escoamento nos rios é de grande importância, especialmente em bacias de grande escala. Em geral, o módulo de propagação do escoamento implementado nos modelos hidrológicos é simplificado, sendo adotada uma versão baseada na metodologia de onda cinemática, na maior parte dos casos. Apesar disso, os modelos que utilizam essas metodologias produzem resultados aceitáveis na maioria das aplicações. Entretanto, bacias com rios de baixa declividade, com trechos sujeitos a regolfo, ou com extensas planícies de inundação, podem não ser bem representados por metodologias de propagação simplificadas (Pontes, 2015). Nestes casos deveremos recorrer a modelos hidrodinâmicos das redes fluviais da bacia. Após a criação da topologia do modelo hidrológico é necessário proceder à sua calibração, ou seja, é necessário realizar um conjunto de operações de modo a que com a introdução de dados históricos os resultados do modelo se aproxime dos valores de registos históricos. Dever-se-á ainda proceder a uma análise de sensibilidade dos resultados dos modelos aos parâmetros de calibração, o que possibilita a racionalização da etapa de calibração, tal como, também, a fixação dos parâmetros para os quais o modelo é pouco sensível (Durães et al., 2011). Deste modo fica garantido que os resultados de previsões também obedeçam ao mesmo comportamento hidrológico reproduzido pelo modelo calibrado, permitindo utilizar o sistema de suporte à decisão na adoção de medidas que permitam mitigar eventuais efeitos de cheias e inundações. 2. Objetivos Com esta dissertação pretende-se contribuir para a melhoria de um modelo hidrológico e hidrodinâmico existente no Laboratório de Hidroinformática da Universidade do Minho, através da sua calibração e do desenvolvimento de tarefas necessárias à sua integração no sistema de suporte à decisão em funcionamento no referido Laboratório. Deste modo será possível acompanhar e prever os caudais na rede hidrográfica da bacia do rio Lima em situações de cheia, integrando os dados de monitorização provenientes de sensores instalados na bacia. Definido o objetivo principal da dissertação apresentam-se de seguida os objetivos específicos que serão considerados de forma a conseguirmos atingir o objetivo principal: - Estudo e análise da versão atual do modelo hidrológico e hidrodinâmico da bacia do rio Lima; - Levantamento dos dados hidrológicos históricos disponíveis na bacia; - Calibração do modelo com recurso a metodologia de calibração automática baseada numa ferramenta de otimização; - Análise de desempenho do modelo; - Inclusão de um modelo hidrodinâmico 2DH para a vila de Ponte de Lima; - Configuração do modelo e processamento da informação necessários à sua inclusão na plataforma Delft- FEWS em operação no Laboratório de Hidroinfomática; - Análise de desempenho da capacidade preditiva do modelo e produção de mapas de inundação para a vila de Ponte de Lima em diferentes cenários hidrológicos. 2

3 3. Metodologia Para atingir os objetivos que nos propomos a atingir num curto espaço de tempo é necessário utilizar metodologias acessíveis, com as quais o autor já esteja familiarizado. Assim, serão utilizadas as seguintes metodologias nas várias fases do trabalho: - Pesquisa bibliográfica Será, necessariamente, o primeiro recurso a ser utilizado. Uma extensiva pesquisa bibliográfica assente tanto em artigos científicos já publicados como em dissertações anteriores que também incidiram na modelação de bacias hidrográficas. - Análise crítica - Complementariamente à pesquisa bibliográfica irá ser realizada uma análise critica às plataformas informáticas que irão ser utilizadas, tanto o software como as bases de dados; - Estudo e análise da versão existente do modelo hidrológico e hidrodinâmico da bacia do rio Lima Nesta fase, será efetuado um estudo e análise do modelo instalado no Laboratório de Hidroinformática da Universidade do Minho. - Compilação de dados hidrológicos históricos disponíveis para a bacia Para calibrar e validar o modelo hidrológico e hidrodinâmico serão necessários dados históricos. Esses dados serão obtidos na base de dados do Serviço Nacional de Informação de Recursos Hídricos (SNIRH) e na base de dados da rede hidrológica da Confederacion Hidrografica Miño Sil. -Modelação hidrológica e da hidrodinâmica Serão utilizadas ferramentas para a simulação da hidrodinâmica da rede hidrográfica e da hidrologia da bacia programa SOBEK (Deltares, 2013), para a calibração automática baseada em otimização programa RRL e para a operacionalização do modelo a plataforma Delft-FEWS (Deltares, 2013). As tarefas de processamento de informação georreferenciada serão auxiliadas pelo programa ArcGis (ESRI, 1999). - Análise de desempenho do modelo Com o objetivo de testar e avaliar o desempenho da capacidade preditiva do modelo hidrodinâmico o mesmo será sujeito a avaliações de capacidade preditiva em diferentes cenários. Serão ainda produzidos mapas de inundação para a vila de Ponte de Lima, com base num modelo local bidimensional a implementar de forma integrada com o modelo hidrodinâmico da rede hidrográfica da bacia. 4. Resultados Esperados O trabalho a desenvolver no âmbito da dissertação contribuirá para o desenvolvimento de um modelo com capacidade preditiva para a bacia do rio Lima, em situações de escoamento normal ou em cenários de eventos extremos. Assim, com a implementação do modelo hidrológico e hidrodinâmico devidamente calibrado na plataforma Delft-FEWS poder-se-á realizar previsões adequadas para apoio à decisão na gestão dos recursos hídricos da bacia. Antecipam-se os seguintes principais resultados: - Sistema de previsão de caudais na bacia do rio Lima; Mapas de inundações resultantes de simulações hidrodinâmicas 2DH em cenários de cheia para a vila de Ponte de Lima. 3

4 O resultado final do trabalho proposto consistirá na dissertação de mestrado em Engenharia Civil, escrita de acordo com o Despacho RT-32/2005, organizada nos seguintes capítulos: 1. Introdução e objetivos 2. Revisão bibliográfica e Estado da Arte. 3. Ferramentas de modelação hidrológica e hidrodinâmica. 4. Caso de estudo. 5. Análise de resultados 6. Conclusões 7. Referências bibliográficas 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento Este trabalho será constituído por 6 fases: Fase 1: Pesquisa bibliográfica Fase 2: Modelação hidrológica (análise, estudo e calibração) Fase 3: Inserção do modelo na plataforma de previsão Fase 4: Simulação de cenários Fase 5: Análise do desempenho do modelo hidrológico e hidrodinâmico Fase 6: Escrita da dissertação 5.2 Calendarização Tempo (semanas) Fase 1 X X X Fase 2 X X X X X Fase 3 X X X Fase 4 X X X Fase 5 X X X Fase 6 X X X X X X X X Esta calendarização prevê o inicio de atividades (semana 1) na semana que se inicia dia 19 de março de 2018 e final na semana prevista de entrega de dissertações (semana 16) de acordo com o calendário estipulado pela direção de curso. 4

5 Referências Bibliográficas Coelho, C; Valente, S; Pinho, L; Carvalho, T; Ferreira, A; Figueiredo, E. A perceção social das alterações climáticas e do risco de cheia. Comissão Europeia (2007) Directiva n.º 2007/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro, relativa à avaliação e gestão dos riscos de inundações Deltares (2013) Durães, M.F.; Mello, C.R.; Naghettini, M. (2011); Applicability of the SWAT model for hydrologic simulation in Paraopeba River Basin, MG. ESRI (1999) Paiva, Rodrigo (2009); Modelagem hidrológica e hidrodinâmica de grandes bacias estudo de caso: bacia do rio Solimões. Pontes, Paulo (2015); Modelagem hidrológica e hidráulica de grande escala com propagação inercial de vazões. Vieira, J.; Pinho, J.; Pinho, R.; Araújo, J. (2012) A web-based decision support system for water quality management in a large multipurpose reservoir. 10th International Conference on Hydroinformatics HIC 2012, Hamburg, Germany. Vieira, L. (2013); Modelação da hidrodinâmica de sistemas estuarinos e costeiros. Plano de trabalhos para dissertação de mestrado. Werner, M.; Schellekens, J.; Gijsbers, P.; van Dijk, M.; van den Akker, O.; Heynert, K. (2011) The Delft- Fews flow forecasting system. 5