Modelling the influence of storm movement and wind-driven rainfall on overland flow in urban areas

Abstract

Na segunda metade do século XX e no início deste novo século tem-se assistido a um aumento histórico da população urbana. Esta realidade demográfica acarreta uma maior exposição e vulnerabilidade destas populações aos riscos de origem natural e antrópica. As cheias urbanas associadas a precipitações intensas enquadram-se em ambos estes riscos. Efeito das alterações ao ciclo hidrológico natural, e.g., diminuição da capacidade de infiltração por impermeabilização do terreno, e da maior concentração de habitantes e de atividades económicas, é percetível o aumento da ocorrência e da magnitude de cheias em áreas urbanas, bem como das perdas tangíveis e intangíveis associadas. Um profundo conhecimento das razões que levam a esta realidade é pois fundamental para a criação das ferramentas (e.g., planos, modelos e técnicas) que permitam mitigar os efeitos decorrentes das precipitações intensas em meio urbano. O principal objetivo desta tese é o de contribuir para um melhor conhecimento dos processos associados às cheias urbanas causadas por precipitações intensas. Para o cumprir foram investigados diversos aspetos sobre o processo de precipitação-escoamento. Foi dada particular importância à análise dos efeitos causados pela ocorrência simultânea de vento e chuva no escoamento superficial em zonas urbanas, tema sobre o qual existem poucos estudos. A atividade de investigação que consubstancia esta tese baseou-se principalmente na simulação física em laboratório. Foram também utilizadas técnicas de simulação computacional, nomeadamente para desenvolver um modelo digital de terreno e obter – por aproximação numérica e derivação analítica – hidrogramas de escoamento superficial associados a chuvas móveis. Recorrendo a um simulador de chuva foram realizados ensaios de precipitação simulada sobre modelos físicos de zonas urbanas. O simulador de chuva consiste numa estrutura móvel onde podem ser adaptados nebulizadores e a partir da qual é possível gerar campos de velocidade do vento. Estes ensaios foram realizados sob vários cenários com diferentes condições de precipitação intensa (e.g., chuvadas estáticas e móveis, com e sem vento). Estes cenários permitiram estudar a influência que a densidade, altura e conectividade de coberturas de edifícios têm no escoamento superficial. Foram também realizados ensaios laboratoriais para investigar de que forma a geometria das encostas influencia o escoamento superficial e o transporte de sedimentos, para chuvas estáticas e móveis de elevada intensidade. A simulação computacional foi utilizada para estabelecer comparações com algumas das observações realizadas em laboratório e para realizar um estudo aplicado, com base em modelos SIG, sobre a evolução temporal da ocupação urbana. Com os resultados obtidos pode concluir-se que a ação combinada do vento e da chuva e o movimento das células de precipitação provocam alterações significativas e sistemáticas no escoamento superficial. Os caudais de ponta e os tempos de base do escoamento são particularmente afetados pelas ações referidas. O trabalho realizado com base em modelos físicos permitiu também constatar que diferentes características do edificado (e.g., densidade de edifícios altos) conduziram, para as mesmas condições de precipitação, à obtenção de diferentes hidrogramas de escoamento superficial e que, em superfícies naturais, a forma das encostas é um fator preponderante para os processos de escoamento superficial e erosão hídrica.

In the second half of the 20th century and in the beginning of this new century the world has witnessed a historic increase in urban population. This demographic reality implies a greater exposure and vulnerability of these populations to risks of natural and anthropogenic origin. Urban flooding associated with heavy rainfall fits under both these risks. One consequence of changes to the natural hydrological cycle, e.g., lower infiltration capacity by ground-sealing, combined with population growth and the concentration of economic activities, is a heightened awareness of the increased occurrence and magnitude of urban floods, not to mention the associated loss of tangible and intangible assets. A thorough understanding of the reasons underlying this reality is thus fundamental to the development of tools (e.g., plans, models and techniques) to mitigate the consequences of intense rainfall over urban areas. The main objective of this thesis is to contribute to a better understanding of the processes associated with urban flooding caused by heavy rainfall. Particular attention has been paid to the analysis of the effects triggered by the simultaneous occurrence of wind and rain on overland flow in urban areas, a subject on which there are not very many studies. The research work that establishes the foundation of this thesis was mainly based on physical simulations in the laboratory. Computer simulation techniques were also used, in particular to develop a digital terrain model and obtain runoff hydrographs associated with moving rainstorms, by means of numerical approximation and analytical derivation. Simulated rainfall tests were performed on physical models of urban areas. The rainfall simulator consisted of a movable structure with nozzles which could generate wind speed fields. These laboratory tests were applied to several scenarios with different precipitation intensity conditions (e.g., stationary and moving rainfall, with and without wind). These scenarios made it possible to study how the density, height and rooftop connectivity of buildings influence overland flow. Laboratory tests were also carried out to investigate how the configuration of hillslopes influences overland flow and sediment loss, under static and moving intense rainstorms. Computer simulation was used to establish comparisons with some of the laboratory tests’ observations and to perform an applied GIS-based study of the temporal evolution of urban occupation. From the results obtained it can be concluded that the combined action of wind, rainfall and storm movement causes significant and systematic changes on overland flow. Peak and time of base flow are particularly affected by these actions. The research carried out with physical models also showed that different characteristics of the urban structure (e.g., density of high-rise buildings), under the same rainfall conditions, led to different overland flow hydrographs and that, in natural surfaces, hillslope configuration is a key factor in overland flow and water erosion processes.