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Instituto Superior Técnico Instituto Superior Técnico

MODELAÇÃO DINÂMICA DE

SISTEMAS DE DRENAGEM

DOUTORAMENTO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE

UNIDADE CURRICULAR DE

GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS DE SANEAMENTO

Filipa Ferreira

2016/2017


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.


1. CLASSIFICAÇÃO DE MODELOS E

ETAPAS DE MODELAÇÃO


PRINCÍPIOS DE DESENVOLVIMENTO E FORMULAÇÃO DE MODELOS

• 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.

Enquadramento

EVOLUÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO,

MODELAÇÃO E GESTÃO INTEGRADA DE SISTEMAS

DE SANEAMENTO

redes de drenagem

ETAR

meios receptores



• 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)

Modelação computacional de sistemas de drenagem:


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.



• 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.



• 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 valores adoptados para

cada parâmetro e à estrutura do modelo

Etapas do processo de modelação


2. 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 econtrolo de d. d. excedentes)

• estimar cargas poluentes

• avaliar a eficácia de soluções de controlo na origem



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

– 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

Hietograma de

projecto com 4 h

de duração



infiltração

no solo

armazenamento

em depressões

intercepção +

evapotranspiração

escoamento

superficial

intercepção +

evaporação

escoamento

em colectores

precipitação

evaporação

Perdas hidrológicas e formação do escoamento directo



Propagação do escoamento superficial traduzida por um hidrograma



• 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)



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

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0 60 120 180 240 300

tempo ( min )

O (

mm

/ m

in )

-1

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0 60 120 180 240 300I (

mm

/ m

in )

1 mm

1 mm

Hidrograma unitário ( Dt = 10 min ; K = 50 min )

Precipitação unitária ( Dt = 10 min )

Hidrograma unitário instantâneo ( K = 50 min )

0

0.2

0.1

0


• 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

1

2

3

0

1

0 1t / tconcentração

A c

on

trib

uin

te / A

to

tal

Curva tempo-área

h = 4 b

Forma da bacia

2 b

2

divergente

b

1

rectangular

2 b

3

convergente




Propagação do escoamento na rede de colectores

Equações de Saint Venant: integração das equações da continuidade e da

conservação do momento

Lqt

A

x

Q

011

t

Q

Agx

QV

Agx

hiJ

• 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).



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



dinâmico completo

cinemático

difusivo

reservatório

0

lq

x

Q

t

A

(quasi-permanente)

t

Q

Agx

UQ

Agx

hJI

.

1

.

1 0 0

➢ 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).

➢ 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


hgxt DD


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



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.



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.

Aplicabilidade de métodos de cálculo e simulação de caudais (adaptado de EN 752-4, 2001)



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



• 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)



• 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)

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.



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.

– 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


3. DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS

MODELOS EXISTENTES


DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS MODELOS EXISTENTES

Caracterização sumária dos modelos

Principais programas comerciais actualmente disponíveis:

• Modelação detalhada:

– InfoWorks (Wallingford Software):

– MIKE (DHI) (antigo MOUSE)

– SWMM (U.S. EPA)

– WASSP, de 1982;

– WALLRUS, de 1989;

– SPIDA, de 1992;

– MOSQITO, de 1993;

– HydroWorks, de 1994.

– (V1, de 1971; V4, de 1988;V5, de 2005)

• Modelação simplificada:

– SAMBA (do DHI)

– FLUPOL (FLUWIN)

– KOSIM

– SIMPOL (modelação integrada)



Modelos utilizados por programas de simulação de drenagem urbana :

Processo Tipo de modelo Programa

Flu

pol

Hyd

roW

orks

/

Info

Wor

ks

MO

US

E

SA

MB

A

SW

MM

SIM

PO

L

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



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 S

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 S

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 >10 10 2

modelação de poluentes com base em relações com os

sedimentos S S S S


Flu

pol

Hyd

roW

orks

/

Info

Wor

ks

MO

US

E

SA

MB

A

SW

MM

SIM

PO

L



Propagação dos modelo do reservatório linear S

poluentes superficiais modelo do duplo reservatório linear S

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 S

transformação/decaimento de poluentes N S S

equação de advecção S S S S

equação de advecção-dispersão S

- consideração de estruturas de sedimentação/tratamento S


Flu

pol

Hyd

roW

orks

/

Info

Wor

ks

MO

US

E

SA

MB

A

SW

MM

SIM

PO

L


4. CASOS DE ESTUDO


FRENTES DE DRENAGEM ALGÉS-ALCÂNTARA E

TERREIRO DO PAÇO-ALCÂNTARA, EM LISBOA

CASOS DE ESTUDO


CASOS DE ESTUDO

Delimitação das bacias das três principais frentes de drenagem do

Sistema Interceptor de Lisboa– ETAR de Alcântara (“Zona Baixa”).

FRENTE DE DRENAGEM ALGÉS-ALCÂNTARA

população actual: 138 mil habitantes (79 000 hab. não servidos)

interceptor: 4,5 km de extensão

3 instalações elevatórias e 19 descarregadores

FRENTE DE DRENAGEM CAIS DO SODRÉ-ALCÂNTARA

população actual: 47 mil habitantes (1 200 hab. não servidos)

interceptor: 2,8 km de extensão

3 instalações elevatórias e 10 descarregadores

FRENTE DE DRENAGEM TERREIRO DO PAÇO-CAIS DO SODRÉ

em projecto

população actual: 80 mil habitantes (não servidos)


CASOS DE ESTUDO

Diagnóstico da situação existente e dados de base

Estações Elevatórias: elevadas frequências

de arranque e entrada de maré Colectores: assoreamento

Descarregadores: mal projectados,

mal construídos ou destruídos


CASOS DE ESTUDO

• 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

CRITÉRIOS:

2 Qpta TEMPO SECO

Cristas descarreg. 2,30 m(acima do nível máximo da maré).

construção da frente de drenagem Terreiro do Paço-Cais do Sodré

Principais desafios futuros


CASOS DE ESTUDO

• 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)

Construção do modelo e solicitações


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


CASOS DE ESTUDO

Modelação matemática

Programa MOUSE (MOdeling Package for Urban Drainage and SEwers

Systems) do Danish Hydraulic Institute (DHI)

Interceptor Algés-Alcântara Interceptor Cais do Sodré-Alcântara

EXEMPLO: Perfis longitudinais para período de tempo seco (situação actual).

Instituto Superior Técnico Instituto Superior Técnico MODELAÇÃO E GESTÃO AVANÇADA DE INFRA-ESTRUTURAS DE

SANEAMENTO: SISTEMAS DE DRENAGEM E ETAR

CASOS DE ESTUDO

Principais conclusões do estudo

Propostas de intervenção eficazes:

↑ taxa de atendimento (intercepção dos efluentes de 156 000 hab, não interceptados actualmente)

↓ considerável do risco descargas directas de excedentes

Grandeza Unidade Situação

Actual Futura

População total residente na área de atendimento habitantes 265 801 290 140

População residente na área de atendimento a descarregar

directamente para o rio Tejohabitantes 156 312 0

Volume total afluente ao sistema da "Zona Baixa"

(água residual + água pluvial)10

6 m

3/ano 23 45

Volume total afluente à ETAR da "Zona Baixa"

(água residual +água pluvial)10

6 m

3/ano 13 36

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 106 m

3/ano 14 0

(valor estimado) - pluvial contaminado 106 m

3/ano 12 8

Duração das descargas directas no meio receptor horas/ano 8760 353

% 100% 4%


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.


CASOS DE ESTUDO

REDES DE DRENAGEM DAS BACIAS PILOTO NA

EMPRESA ÁGUAS DO AVE


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.

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

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.


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

CASOS DE ESTUDO

Instituto Superior Técnico

CASOS DE ESTUDO

De acordo com o Método Racional:

Q = C. i. A

onde:

Q – caudal de ponta (m3/s)

C – coeficiente de drenagem (-)

i – intensidade de precipitação (m/s)

A– área da bacia (m2)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 24 48 72 96 120

Q (m3/s)

t (h)

Volume produzido pela P

Volume afluente ao

sistema separativo

Caudal de ponta – Método Racional

Estimar o valor de C’ (coeficiente de escoamento aparente)


CASOS DE ESTUDO

• 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

Metodologia


CASOS DE ESTUDO

• 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

Metodologia


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

- necessidade de uma manutenção intensiva

- verificação exaustiva da qualidade dos dados recolhidos

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Velocidade (m/s)

Alt

ura

de e

sco

am

en

to (

mm

) hmáx registado

hmín ADS

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

Velocidade (m/s)A

ltu

ra d

e e

sco

am

en

to (

mm

)

hmín registado

hmáx registado

hmin ADS

0

50

100

150

200

250

300

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Velocidade (m/s)

Alt

ura

de e

sco

am

en

to (

mm

)

hmín registado

hmáx registado

hmin ADS


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


Características do modelo em SWMM

Modelo hidráulico:

• bacias piloto constituídas unicamente por colectores e caixas de visita

• rede de drenagem nem extensa nem complexa

• ocorrência de fenómenos rapidamente variados devido à afluência de caudais pluviais,

• possível entrada em carga

• possível inversão do escoamento,

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

CASOS DE ESTUDO

não houve

necessidade de

efectuar

simplificações

utilizou-se

a onda

dinâmica


Calibração / validação do modelo em SWMM

CASOS DE ESTUDO

Tempo seco

EV : entre –10% e +10%

EQp : entre –10% e +10%

Ocorrência de P

EV : entre –10% e +20%

EQp : entre –15% e +25%


Relação entre caudais medidos e caudais modelados (l/s)

Alguns resultados – tempo seco

CASOS DE ESTUDO


Relação entre caudais medidos e caudais modelados (l/s)

Alguns resultados – ocorrência de precipitação

CASOS DE ESTUDO


CASOS DE ESTUDO

4 a 31 eventos

Valores de C’ obtidos e condições hidráulicas de simulação

Principais conclusões

Identificadas as áreas prioritárias para maior intensidade de trabalho de campo

Implementadas estratégias de actuação de médio / longo prazo

Manutenção / reabilitação direccionadas para locais onde se prevê o máximo efeito / retorno


CASOS DE ESTUDO

Eliminação de afluências indevidas:

➢ Dispendioso

➢ Trabalhoso

➢ Moroso

Quantificação e localização da magnitude do problema:

➢ permite um planeamento mais adequado

➢ estratégia investimento vs. benefício

Principais conclusões

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

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