Resiliência de infraestruturas de drenagem rodoviárias face às alterações climáticas: análise dos fatores condicionantes na estimação de caudais de cheia

Abstract

No século XXI, as alterações climáticas suscitam a incerteza sobre os fenómenos hidrológicos e as metodologias normalmente utilizadas para a estimação de caudais de cheia. Os eventos de cheia são um dos maiores fatores de risco associados às infraestruturas de drenagem rodoviárias, que terão inevitavelmente de ser adaptadas face às alterações climáticas, e as metodologias de estimação de caudais de cheia terão também necessariamente de ser adaptadas e/ou validadas para incluir os efeitos destas alterações, de forma a dar resposta aos novos desafios. Por um lado, o grande aumento populacional e a sua concentração em densos centros urbanos tem promovido um aumento expressivo da impermeabilização dos solos, levando a que numa mesma bacia hidrográfica, e para um mesmo hietograma de precipitação, os hidrogramas demonstrem tendência para maiores caudais instantâneos, que ocorrem num menor espaço de tempo. Por outro, há ainda a registar os efeitos das alterações climáticas que ainda não são totalmente conhecidos e que vêm colocar grandes pressões sobre o ciclo hidrológico natural e sobre o ciclo hidrológico urbano, como é o caso das alterações nos regimes de precipitação e noutros processos que levam à formação do associado escoamento superficial. Pela complexidade dos fenómenos envolvidos, no dimensionamento de obras hidráulicas de menor dimensão, são por vezes utilizados métodos simplificados para a estimação de caudais de cheia. Na presente dissertação são analisados os fatores condicionantes da formação de escoamento superficial e da geração de caudais de cheia, a sua influência na resposta de cheia das bacias hidrográficas e a sua importância na estimação de caudais e hidrogramas de cheia. Com base nestes resultados serão identificadas as virtudes, limitações e campos de aplicação dos métodos clássicos para a estimação de caudais de cheia, a partir da análise das metodologias de estimativa de caudais de cheia para o dimensionamento das passagens hidráulicas, já implantadas, para o restabelecimento das linhas de água naturais interrompidas pela via rodoviária, em diferentes casos de estudo. Foram estudados quatro casos, tendo-se verificado que não foram tidas em conta as últimas décadas de registos da precipitação, a variação no tempo e no espaço do coeficiente de escoamento, a variabilidade temporal e espacial da precipitação e a influência dos processos hidrológicos na resposta de cheia da bacia hidrográfica. Salvo um caso, todas as metodologias se basearam no Método Racional, pelo que, foi considerado o caudal de cheia centenária para o dimensionamento das passagens hidráulicas e não foi considerado o hidrograma de cheia das bacias hidrográficas. Assim, apenas num caso, por ter sido necessária a reabilitação de uma passagem hidráulica, foi depois efetuada a análise hidrodinâmica da bacia hidrográfica pelo Método do Hidrograma Unitário Sintético de SCS. A existência de mais (anos de registo de) dados hidrológicos, maior conhecimento dos fenómenos hidrológicos e novos modelos de simulação, alguns com software de acesso livre e de simples utilização, torna possível a complementaridade dos métodos simples com as abordagens de Simulação de Monte Carlo e de Simulação Contínua, para melhor representar a variabilidade da precipitação e a incerteza dos fenómenos hidrológicos.

In the 21st century, climate change raises uncertainty about hydrological phenomena and the methodologies normally used for the estimation of flood flows. Flood events are one of the greatest risk factors associated with road drainage infrastructures, which will inevitably have to be adapted in the face of climate change, and flood flow estimation methodologies will also necessarily have to be adapted and/or validated to include the effects of these changes, in order to respond to the new challenges. On the one hand, the large population increase and its concentration in dense urban centres has promoted a significant increase in soil sealing, leading to a situation where, in the same catchment, and for the same precipitation hyetograph, the hydrographs show a tendency towards higher peak flows, which occur in a shorter period of time. On the other hand, there are also the effects of climate change that are not yet fully known and that put great pressure on the natural hydrological cycle and on the urban hydrological cycle, such as changes in precipitation regimes and other processes that lead to the formation of the associated surface runoff. Due to the complexity of the phenomena involved, simplified methods for the estimation of flood flows are sometimes used in the design of smaller hydraulic structures. In this dissertation the conditioning factors of surface runoff formation and flood flow generation, their influence on the flood response of catchments and their importance in the estimation of flow rates and flood hydrographs are analysed. Based on these results, the virtues, limitations and fields of application of classical methods for flood flow estimation will be identified, from the analysis of methodologies for estimating flood flows for the design of culverts, already in place, for the re-establishment of natural waterways interrupted by the roadway, in different case studies. Four cases were studied, and it was found that the last decades of rainfall data records, the variation in time and space of the runoff coefficient, the temporal and spatial variability of rainfall and the influence of hydrological processes on the catchment flood response were not taken into account. Except one case, all methodologies were based on the Rational Method, so the centennial flood flow rate was considered for the design of culverts and the catchment flood hydrograph was not considered. Thus, only in one case, as the rehabilitation of a culvert was necessary, the hydrodynamic analysis of the catchment was then carried out by the SCS Synthetic Unit Hydrograph Method. The existence of more (years of records of) hydrological data, greater knowledge of hydrological phenomena and new simulation models, some with free and simple to use software, makes it possible to complement simple methods with Monte Carlo Method and Continuous Simulation approaches, to better represent the variability of precipitation and the uncertainty of hydrological phenomena.