MODELAÇÃO DINÂMICA DE SISTEMAS DE DRENAGEM

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1 DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE UNIDADE CURRICULAR DE GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO MODELAÇÃO DINÂMICA DE SISTEMAS DE DRENAGEM Filipa Ferreira 2016/2017

2 ÍNDICE (4ª AULA) 1. CLASSIFICAÇÃO DE MODELOS E ETAPAS DE MODELAÇÃO. 2. MODELAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS E DE QUALIDADE DA ÁGUA. 3. CARACTERIZAÇÃO DE PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES. 4. CASOS DE ESTUDO.

3 1. CLASSIFICAÇÃO DE MODELOS E ETAPAS DE MODELAÇÃO

4 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Enquadramento Contaminação progressiva dos meios receptores Necessidade de controlo de inundações nos centros urbanos Novos paradigmas: nova arquitectura da cidade, com soluções verdes; sustentabilidade; avaliação de riscos. EVOLUÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO, MODELAÇÃO E GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO redes de drenagem ETAR meios receptores

5 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Modelação computacional de sistemas de drenagem: início na década de 1970 aplicável a colectores, ETAR e meios receptores instrumento de planeamento, projecto, análise e operação de sistemas diferentes níveis de detalhe e complexidade componente hidráulica: praticamente consolidada qualidade da água: conhecimento limitado (complexidade dos fenómenos níveis de incerteza) Interligação com programas de CADD (Computer Aided Drafting and Design) e SIG (Sistemas de Informação Geográfica)

6 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Classificação de modelos Modelos determinísticos (formulados segundo regras de causalidade, que pressupõem um total conhecimento do sistema) vs probabilísticos (que podem ser estatísticos ou estocásticos, em que o comportamento do sistema não é totalmente conhecido tempos computacionais mas necessidade de dados). Modelos teóricos ou fisicamente baseados vs modelos conceptuais ou empíricos, que recorrem à representação simplificada dos processos físicos, com base em resultados obtidos experimentalmente. Modelos de regime permanente (em que todas as variáveis e parâmetros são independentes do tempo) vs modelos dinâmicos (analisam a evolução temporal das diferentes variáveis). Modelos de análise evento-a-evento (modelos fisicamente baseados e distribuídos no espaço, em que as condições iniciais têm que ser dadas através de parâmetros de entrada) ou de modelação contínua (destinados à análise do comportamento do sistema durante longos períodos de tempo). Modelos distribuídos (em que os parâmetros variam espacialmente) vs modelos agregados.

7 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Modelos black box model - modelos empíricos, simplificados, de aplicação limitada às condições de calibração e que oferecem reduzido conhecimento sobre as formas de controlar os processos observados. Reproduzem não o fenómeno físico mas sim a resposta do sistema. Modelos glass box/white box model - modelos determinísticos que representam os processos mais relevantes através de equações diferenciais (nomeadamente através das equações da continuidade, conservação do momento e da energia, transporte de massa e de reacções biológicas), e podem ser aplicados, com cuidado, fora das condições estritas de calibração. Modelos grey box model - correspondem a modelos intermédios, baseados em simplificações das leis físicas.

8 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Etapas do processo de modelação Definir o problema processos a modelar e respectivas variáveis objectivos do modelo Recolher informação Selecionar modelo a aplicar Estabelecer condições iniciais e de fronteira Representar de equações diferenciais e desenvolver código (recurso a métodos numéricos) Calibração e validação do modelo Aplicação do modelo Incerteza associada aos resultados: devida aos dados de entrada, aos Instituto valores Superior adoptados Técnico para cada parâmetro e à estrutura do modelo

9 2. PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS

10 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Modelação de comportamento de sistemas de drenagem Incluem aspectos hidráulicos e hidrológicos. Permitem a simulação dinâmica de: precipitação e escoamento superficial escoamento nos colectores (com superfície livre e em pressão) qualidade da água e transporte de poluentes Aplicação amplamente divulgada: dimensionando as infra-estruturas (i.e.: mitigação de inundações e controlo de d. d. excedentes) estimar cargas poluentes avaliar a eficácia de soluções de controlo na origem

11 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Precipitação e escoamento superficial Precipitação A precipitação é a principal solicitação dos sistemas de drenagem em meio urbano. Nos estudos de hidráulica urbana: considerar intensidades médias de precipitação, em função da duração da chuvada e do período de retorno estimadas por curvas IDF Hietograma de projecto com 4 h de duração MATOS R. (1987) Métodos de Análise e de Cálculo de Caudais Pluviais em Sistemas de Drenagem Urbanos. Tese para especialista do LNEC, Vol.1, Lisboa, LNEC. Pereira C. B. (1995) - Análise de Precipitações Intensas. Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Hidráulica e Recursos Hídricos. Instituto Superior Técnico, IST/UTL, Lisboa. considerar a precipitação máxima de projecto uniformemente distribuída em toda a área da bacia, atendendo à dimensão relativamente reduzida das bacias de drenagem urbanas

12 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Perdas hidrológicas e formação do escoamento directo precipitação intercepção + evapotranspiração intercepção + evaporação evaporação escoamento superficial armazenamento em depressões escoamento em colectores infiltração no solo

13 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Propagação do escoamento superficial traduzida por um hidrograma

14 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Perdas iniciais: dependem do declive e ocupação da bacia, das condições atmosféricas e do grau de humedecimento do solo podem ascender a 3 a 7 mm nas áreas permeáveis 0,2 a 3 mm em áreas impermeáveis Perdas contínuas: correspondem praticamente às perdas por infiltração depende da permeabilidade, estado de saturação e tipo de ocupação do solo modeladas pelo coeficiente de escoamento proporcionais à intensidade de precipitação por fórmulas de Horton (1933) de Green e Ampt (1911) de Philip (1954)

15 O ( mm / min ) I ( mm / min ) PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Modelos que descrevem a propagação do escoamento superficial: Hidrograma unitário - corresponde ao hidrograma do escoamento superficial directo resultante de uma precipitação útil unitária, com duração unitária, uniformemente distribuída no tempo e no espaço. Aplicável a bacias urbanas pouco impermeáveis Precipitação unitária ( Dt = 10 min ) mm Hidrograma unitário instantâneo ( K = 50 min ) Hidrograma unitário ( Dt = 10 min ; K = 50 min ) mm tempo ( min ) -1

16 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Modelo de reservatório linear - conjuga a equação da continuidade e a equação do armazenamento e permite obter um hidrograma unitário que representa adequadamente o comportamento de pequenas bacias urbanas. Modelo cinemático simula o escoamento considerando apenas forças gravíticas e de atrito (o volume escoado é determinado com base nas diversas perdas de carga e nas dimensões da bacia, enquanto que a forma do hidrograma é determinada pela largura, inclinação e rugosidade da superfície, nomeadamente através da equação de Manning-Strickler). Curvas tempo-área - descreve a evolução no tempo da área da bacia que contribui para o escoamento na secção de jusante; dependem da forma da bacia, do declive e do tempo de concentração Curva tempo-área Forma da bacia 1 divergente rectangular convergente A contribuinte / A total t / t concentração 1 3 h = 4 b 2 2 b 1 b 3 2 b

17 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Propagação do escoamento na rede de colectores Equações de Saint Venant: integração das equações da continuidade e da conservação do momento Q x A t q L h x 1 g A QV x 1 g A Q t J i 0 equação da dinâmica, corresponde às forças actuantes sobre o volume de controlo (peso e pressão) forças tangenciais (forças de atrito, dadas pela perda de carga hidráulica) termo de inércia (aceleração local e convectiva do escoamento).

18 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Equações adicionais: necessárias para a resolução das eq. básicas Equação da resistência - fórmulas de perda de carga, nomeadamente as fórmulas de Darcy Weirbch ou de Colebrook- White, ou as fórmulas monómias empíricas de Chézy ou de Gauckler-Manning-Strickler Condições iniciais - de volume e altura do escoamento ao longo do percurso Condições de fronteira - caracterizar as variações de caudal ou de altura do escoamento nas extremidades de cada troço, incluindo perdas de carga localizadas, armazenamento em câmaras de visita, descarregadores e eventuais níveis de maré

19 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS A Q q l 0 t x reservatório 0 I 0 cinemático J h x 1 g. A UQ x 1 g. A Q t difusivo (quasi-permanente) dinâmico completo Modelo reservatório: considera efeitos de armazenamento e atenuação, despreza qualquer efeito dinâmico. Válido se o efeito preponderante for o amortecimento por armazenamento e se se desprezarem os efeitos de jusante Modelo cinemático: aplicável a escoamentos em regime rápido (fórmula de Manning- Strickler). Não modela regolfo nem inversão do escoamento (não aplicável a regimes lentos, controlados por jusante) Modelo difusivo: modela a propagação das ondas dinâmicas para jusante, considera efeitos de regolfo e de armazenamento e permite a simulação de fenómenos de atraso na atenuação a na propagação; não simula inversão do escoamento. Modelo dinâmico: considera todos os termos da eq. Saint Venant (permite a simulação de transientes hidráulicos, pois representa a propagação das ondas para montante).

20 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Métodos numéricos: Usados na integração das equações de Saint Venant. Baseados sobretudo na técnica de diferenças finitas, aplicada directamente às equações diferenciais ou após a respectiva transformação pelo método das características. Conhecidas as condições de fronteira, considerar os colectores subdivididos em troços de cálculo de Δx e determinar os valores das incógnitas nos intervalos de cálculo de duração Δt Podem ocorrer erros diversos, tais como oscilações parasitas, amortecimento exagerado ou alteração na velocidade de propagação do fenómeno. Para evitar problemas de estabilidade numérica deve-se assegurar o cumprimento da condição de Courant, alterando para o efeito o passo de cálculo ou o comprimento dos troços de cálculo Dt Dx g h

21 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Condutas sobre pressão conceito de Preissmann A aplicação das equações de Saint Venant a condutas sob pressão pode ser concretizada através da aplicação do conceito introduzido por Preissmann, que contempla a existência de uma hipotética ranhura na geratriz superior da tubagem, de tal ordem de grandeza que não aumente significativamente a secção do escoamento, nem o respectivo raio hidráulico.

22 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Aplicabilidade de métodos de cálculo e simulação de caudais (adaptado de EN 752-4, 2001) Métodos Domínio Aplicação Mét. simples/ Mod. de onda Modelos empíricos cinemática dinâmicos Dimensionamento de pequenos sistemas S S NR Dimensionamento de grandes sistemas _ S NR Verificação do desempenho em termos de inundações S* Verificação do comportamento hidráulico e ambiental de sistemas existentes _ S* S* Concepção e dimensionamento de emissários e descarregadores de tempestade _ S* S* Impactes sobre o meio receptor (qualidade) _ S S* Impactes sobre o meio receptor (quantidade) _ S NR Controlo em tempo real _ S NR S- Aspectos hidrológicos tratam-se de forma simplificada; S* - Aspectos hidrológicos tratam-se de forma simplificada ou detalhada; NR- Em regra, não recomendável.

23 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Qualidade da água e transporte de poluentes Acumulação de poluentes (nos colectores e à superfície). grande parte dos poluentes está agrupada aos sedimentos, a matéria orgânica acumulada no fundo ( near bed solids, em terminologia anglo-saxónica) contribui fortemente para a carência em oxigénio (química ou biológica) descrita por funções lineares ou por funções exponenciais (mais usadas nos programas de modelação matemática, por serem de resolução analítica mais simples) avaliada a massa de depósitos arrastada pelo escoamento superficial, a maioria dos modelos determina as cargas poluentes associadas aos sedimentos através de coeficientes de proporcionalidade característicos de cada poluente, que são definidos atendendo ao tipo de ocupação do solo

24 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Arrastamento de poluentes sobre as bacias de drenagem (acção da precipitação, que arrasta os depósitos previamente acumulados, e subsequente escoamento superficial) dependem da massa de sedimentos previamente acumulada, das condições de tempo seco antecedentes e da intensidade da precipitação e/ou do escoamento superficial as cargas poluentes associadas aos sedimentos são, em regra, modeladas através de factores de proporcionalidade em relação aos sedimentos, que dependem da intensidade máxima da precipitação, com duração de 5 minutos Transporte de poluentes no interior dos colectores na forma dissolvida ou coloidal: modelado por equações de advecção-dispersão em suspensão: modelado por equações de advecção-dispersão de fundo: depende da turbulência do escoamento, da massa de sedimentos acumulada, do caudal escoado ou da tensão de arrastamento no fundo transporte sólido total (suspensão e arrastamento)

25 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS Estes modelos não consideram fenómenos cujo conhecimento teórico é ainda limitado, mas que podem assumir elevada importância no transporte sólido no interior dos colectores, nomeadamente a forma confinada dos colectores, a variabilidade dos regimes de escoamento, a reduzida dimensão e propriedades coesivas dos sedimentos, a disponibilidade limitada de sedimentos no fundo dos colectores e o desenvolvimento de biofilmes. Processos químicos e biológicos: o colector como reactor! abordagem mais realista e complexa, que considera processos físicos, químicos e biológicos: o colector é entendido como um reactor onde as fases sólida, líquida e gasosa interagem entre si modelos inclui matrizes que relacionam parâmetros e processos de forma similar à dos modelos de lamas activadas da IWA (ASM1, 2 e 3), que permitem a simulação, entre outros, dos seguintes processos: decaimento de componentes com carência em oxigénio, rearejamento, trocas entre a fracção de sólidos suspensos e sólidos de fundo ( bed load ) e actividade do biofilme WATS Wastewater Aerobic and Anaerobic Transformations in Sewers ( Escola de Aalborg, na Dinamarca)

26 PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS proceder a medições de campo para a respectiva calibração e validação ter em atenção o tratamento das águas residuais no interior dos colectores (em terminologia anglo saxónica, in-sewer treatment ), em que se potencia a ocorrência de processos de biodegradação (mineralização e biotransformação) EX: - remoção biológica de nutrientes: o afluente à ETAR deverá apresentar CQO facilmente biodegradável - deve controlar-se a formação de sulfuretos, que favorece o desenvolvimento de organismos filamentosos A modelação da qualidade da água é feita de forma simplificada, especialmente quando comparada com a modelação hidráulica, e está associada a elevadas incertezas tanto na representação dos processos físicos, químicos e biológicos, como na fiabilidade dos parâmetros monitorizados para calibração dos modelos.

27 3. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES

28 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Caracterização sumária dos modelos Principais programas comerciais actualmente disponíveis: Modelação detalhada: InfoWorks (Wallingford Software): MIKE (DHI) (antigo MOUSE) WASSP, de 1982; WALLRUS, de 1989; SPIDA, de 1992; MOSQITO, de 1993; HydroWorks, de SWMM (U.S. EPA) (V1, de 1971; V4, de 1988;V5, de 2005) Modelação simplificada: SAMBA (do DHI) FLUPOL (FLUWIN) KOSIM SIMPOL (modelação integrada)

29 Flupol HydroWorks/ InfoWorks MOUSE SAMBA SWMM SIMPOL DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana : Processo Tipo de modelo Programa Perdas hidrológicas perdas iniciais fixas S S S S S perdas contínuas: coef. escoamento volumétrico S S S S S S humedecimento do solo S retenção superficial S S infiltração: fórmula de Horton S S S fórmula de Green-Ampt S evapotranspiração S outras fórmulas de perdas contínuas S Propagação do curvas tempo-área S escoamento modelo do reservatório linear S S S superficial modelo de reservatórios em cascata S modelo cinemático/ modelo do reservatório não linear S S

30 Flupol HydroWorks/ InfoWorks MOUSE SAMBA SWMM SIMPOL DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Processo Tipo de modelo Programa Propagação do advecção S escoamento na modelo de Muskinghum-Cunge S rede de colectores modelo cinemático/ modelo do reservatório não linear S S modelo difusivo equações completas de Saint Venant S S S Poluentes no concentrações médias por evento (CME) S S S escoamento distribuição lognormal das CME S superficial acumulação: equação de potência S equação de Michaelis-Menton equação exponencial (Alley e Smith, 1981) S S S S arrastamento: exponencial (Sartor e Boyd; Jewell e Adrian) S S S exponencial (Nakamura, 1990) outras fórmulas S S número de poluentes modelados 4 >10 > modelação de poluentes com base em relações com os sedimentos S S S S S S

31 Flupol HydroWorks/ InfoWorks MOUSE SAMBA SWMM SIMPOL DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES Processo Tipo de modelo Programa Propagação dos modelo do reservatório linear S poluentes superficiais modelo do duplo reservatório linear Retenção de poluentes em sarjetas acumulação linear e diluição no volume da caixa de retenção SN S Transporte de eq. de transporte baseada: na lei de Shields S poluentes nos no método de Ackers-White S colectores no método de Vélikanov S noutros métodos transformação/decaimento de poluentes N S S equação de advecção S S S S equação de advecção-dispersão - consideração de estruturas de sedimentação/tratamento S S S S

32 4. CASOS DE ESTUDO

33 CASOS DE ESTUDO FRENTES DE DRENAGEM ALGÉS-ALCÂNTARA E TERREIRO DO PAÇO-ALCÂNTARA, EM LISBOA

34 CASOS DE ESTUDO FRENTE DE DRENAGEM ALGÉS-ALCÂNTARA FRENTE população DE DRENAGEM actual: 138 CAIS mil DO habitantes SODRÉ-ALCÂNTARA ( hab. não servidos) interceptor: população 4,5 km de extensão FRENTE DE DRENAGEM actual: 47 mil TERREIRO habitantes DO PAÇO-CAIS (1 200 hab. DO SODRÉ não servidos) 3 interceptor: instalações 2,8 elevatórias km de extensão e 19 descarregadores em projecto 3 instalações população actual: elevatórias 80 mil e habitantes 10 descarregadores (não servidos) Delimitação das bacias das três principais frentes de drenagem do Sistema Interceptor de Lisboa ETAR de Alcântara ( Zona Baixa ).

35 CASOS DE ESTUDO Diagnóstico da situação existente e dados de base Descarregadores: mal projectados, mal construídos ou destruídos Estações Elevatórias: elevadas frequências de arranque e entrada de maré Colectores: assoreamento

36 CASOS DE ESTUDO Principais desafios futuros Interceptar a totalidade da água residual doméstica. Reduzir a zero o volume descarregado directamente para o meio receptor, em tempo seco. Aumentar o volume de águas residuais afluente à ETAR de Alcântara, em tempo de chuva. construção de novos descarregadores e reabilitação dos existentes construção da frente de drenagem Terreiro do Paço-Cais do Sodré CRITÉRIOS: 2 Q pta TEMPO SECO Cristas descarreg. 2,30 m (acima do nível máximo da maré).

37 CASOS DE ESTUDO Construção do modelo e solicitações Construção do modelo infra-estruturas consideradas (simplificadas!) Solicitações ao sistema: populações e caudais de tempo seco precipitações e marés Simulação do comportamento hidráulico-ambiental dos sistemas interceptores (para diferentes condições de afluência e precipitação)

38 CASOS DE ESTUDO Propostas de intervenção: frente de drenagem Terreiro do Paço-Alcântara construção da frente T.Paço-Cais do Sodré reabilitação do colector Ressano Garcia interligação entre o colector e o interceptor

39 CASOS DE ESTUDO Modelação matemática Programa MOUSE (MOdeling Package for Urban Drainage and SEwers Systems) do Danish Hydraulic Institute (DHI) EXEMPLO: Perfis longitudinais para período de tempo seco (situação actual). Interceptor Algés-Alcântara Interceptor Cais do Sodré-Alcântara

40 CASOS DE ESTUDO Principais conclusões do estudo Propostas de intervenção eficazes: taxa de atendimento (intercepção dos efluentes de hab, não interceptados actualmente) considerável do risco descargas directas de excedentes Grandeza Unidade Situação Actual Futura População total residente na área de atendimento habitantes População residente na área de atendimento a descarregar directamente para o rio Tejo habitantes Volume total afluente ao sistema da "Zona Baixa" (água residual + água pluvial) 10 6 m 3 /ano Volume total afluente à ETAR da "Zona Baixa" (água residual +água pluvial) 10 6 m 3 /ano Volume total descarregado directamente no rio Tejo (excedentes e caudais domésticos não interceptados) 10 6 m 3 /ano 26 8 Tipo de efluente descarregado - água residual bruta 10 6 m 3 /ano 14 0 (valor estimado) - pluvial contaminado 10 6 m 3 /ano 12 8 Duração das descargas directas no meio receptor MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA horas/anode INFRA-ESTRUTURAS DE SANEAMENTO: SISTEMAS % DE 100% DRENAGEM E 4% ETAR

41 CASOS DE ESTUDO Melhoria global do desempenho hidráulico do sistema: Auto-limpeza dos colectores: parte dos troços que não cumpriam o critério de velocidade mínima na situação actual verificam-no no futuro em resultado, sobretudo, do incremento de caudais. Redução do respectivo risco de ocorrência de inundações em tempo de chuva (não obstante o aumento significativo do caudal interceptado e transportado pelo sistema). A entrada de caudais no sistema por efeito de maré verifica-se apenas na situação actual. As diversas propostas de beneficiação são bastante eficazes.

42 CASOS DE ESTUDO REDES DE DRENAGEM DAS BACIAS PILOTO NA EMPRESA ÁGUAS DO AVE

43 CASOS DE ESTUDO Bacias de drenagem da Águas do Ave, S.A. Objectivos: Definir áreas prioritárias de intervenção, no sentido de mitigar / eliminar entradas em carga e descargas para o meio receptor. Problema: Existência de ligações indevidas de caudal pluvial em redes separativas domésticas Abordagem tradicional: pesquisa no campo em cada caixa de visita e em cada colector; trabalho dispendioso, complexo e moroso. Desafio à modelação: redes separativas domésticas quantificar / localizar ligações indevidas bacias de pequena dimensão dificuldades de medição e de definição de padrões campanhas de curta duração dificuldades de definição de padrões

44 CASOS DE ESTUDO Caracterização do sistema de drenagem Localização: área de atendimento da Ave do Ave, S.A. (Municípios de Guimarães, Fafe, Póvoa de Lanhoso, Santo Tirso, Trofa, Vieira do Minho, Vila Nova de Famalicão, Vizela) 12 bacias piloto: Áreas entre 2 e 10 ha Comprimento de rede cerca de 1km Diâmetros entre 200 e 250mm Campanhas de medição: Medição de caudal na secção de jusante Campanhas de curta duração

45 CASOS DE ESTUDO Caudal de ponta Método Racional De acordo com o Método Racional: Q = C. i. A Q (m3/s) onde: Q caudal de ponta (m 3 /s) C coeficiente de drenagem (-) i intensidade de precipitação (m/s) A área da bacia (m 2 ) Volume produzido pela P Volume afluente ao sistema separativo t (h) Estimar o valor de C (coeficiente de escoamento aparente)

46 CASOS DE ESTUDO Metodologia Determinar padrões de tempo seco Dados de monitorização contínua de outro projecto Período de 3 anos 36 medidores de caudal Diâmetros entre 200 e 500mm Adimensionalizar os padrões

47 CASOS DE ESTUDO Metodologia Ajustar os padrões aos dados do projecto Remover o escoamento de base de tempo seco dos hidrogramas Determinar o volume indevido Modelar diversos eventos de precipitação Determinar C Aferir zonas de intervenção prioritária

48 CASOS DE ESTUDO Principais desafios Bacias de pequena dimensão: - reduzido caudal afluente - dificuldade de medição de altura de água e velocidade - depósitos em tempo seco e arrastamento após chuvadas alteração dos parâmetros de calibração do medidor Altura de escoamento (mm) - necessidade de uma manutenção intensiva - verificação exaustiva da qualidade dos dados recolhidos 300 hmín registado hmáx registado 250 hmin ADS 200 Altura de escoamento (mm) Altura de escoamento (mm) hmáx registado hmín ADS Velocidade (m /s) Velocidade (m /s) Velocidade (m /s)

49 CASOS DE ESTUDO Principais desafios Necessidade de utilização de hidrogramas padrão de tempo seco de outro projecto, com posterior adaptação: - bacias de reduzida dimensão - os comportamentos individuais adquirem expressão no hidrograma - qualquer alteração no ciclo de utilização de AA reflecte-se de imediato em ARD - a determinação de hidrogramas médios resulta num padrão com pontas amortecidas

50 CASOS DE ESTUDO Características do modelo em SWMM Modelo hidráulico: bacias piloto constituídas unicamente por colectores e caixas de visita rede de drenagem nem extensa nem complexa não houve necessidade de efectuar simplificações ocorrência de fenómenos rapidamente variados devido à afluência de caudais pluviais, possível entrada em carga possível inversão do escoamento, utilizou-se a onda dinâmica Modelo hidrológico: reduzidas áreas superficiais que contribuem para a rede de drenagem doméstica, o parâmetro que conduz a resultados significativamente diferentes é a %Aimp. utilização do modelo de Green-Ampt, com a parametrização média típica de bacias urbanas. em Aimp: caracterização das áreas afluentes de telhado, estrada e calçada, com Ks respectivo

51 CASOS DE ESTUDO Calibração / validação do modelo em SWMM Tempo seco EV : entre 10% e +10% EQ p : entre 10% e +10% Ocorrência de P EV : entre 10% e +20% EQ p : entre 15% e +25%

52 CASOS DE ESTUDO Alguns resultados tempo seco Relação entre caudais medidos e caudais modelados (l/s)

53 CASOS DE ESTUDO Alguns resultados ocorrência de precipitação Relação entre caudais medidos e caudais modelados (l/s)

54 CASOS DE ESTUDO Principais conclusões Valores de C obtidos e condições hidráulicas de simulação 4 a 31 eventos Identificadas as áreas prioritárias para maior intensidade de trabalho de campo Manutenção / reabilitação direccionadas para locais onde se prevê o máximo efeito / retorno Implementadas estratégias de actuação de médio / longo prazo

55 CASOS DE ESTUDO Principais conclusões Eliminação de afluências indevidas: Dispendioso Trabalhoso Moroso Quantificação e localização da magnitude do problema: permite um planeamento mais adequado estratégia investimento vs. benefício Apreciação final a metodologia apresentada é adequada para a previsão / localização da entrada de afluências indevidas deveria ser melhorada para previsão de caudais de ponta e forma do hidrograma Recomendação: campanhas de curta duração deveriam incidir sobre 2 estações do ano, por forma a providenciar dados fiáveis