Aplicação de traçadores para a monitorização de escoamentos com superfície livre em meios rurais e urbanos

Abstract

A água é um recurso essencial para a vida na Terra. Para melhor a gerir, preservando a sua disponibilidade e qualidade, é fundamental conhecer melhor os seus fluxos. A monitorização e quantificação do movimento da água pode basear-se em várias técnicas hidrométricas. Entre estas, a aplicação de traçadores que podem ser usados com grande flexibilidade em escoamentos com superfície livre, sejam estes profundos (e.g., rios) ou pouco profundos (e.g., escoamentos superficiais em lâmina de água). Esta técnica pode ser aplicada em meios rurais ou urbanos, para o estudo de fenómenos hidrológicos e hidráulicos, e para deteção da presença e do movimento da água. Com esta dissertação prevê-se demonstrar a importância e utilidade dos traçadores na monitorização de escoamentos de água em meios rurais e urbanos. Os objetivos gerais do estudo conduzido experimentalmente em laboratório e no campo envolveram: identificação de caminhos preferenciais; medição da velocidade local; obtenção de campos de velocidade. O procedimento experimental implicou a preparação de equipamentos e instalações, a seleção de metodologias e a preparação de protocolos de ensaio, utilizando-se técnicas de medição baseadas em deteção remota, fazendo uso de sistemas aéreos não tripulados (UAS/drones) para medição em campo, bem como o uso de vários tipos de traçadores (e.g., coloridos, fluorescentes, térmicos, flutuantes). Os traçadores provaram ser uma técnica viável para determinação de velocidades de escoamento em diversos tipos de cenários (e.g., solo nu, cobertura morta, pavimentos impermeabilizados, cursos de água). Todos os traçadores aplicados apresentaram as suas vantagens e limitações, dependendo do local de aplicação e das condições atmosféricas. Os traçadores fluorescentes e coloridos não devem ser aplicados em superfícies cuja cobertura morta é superior a 1.0 ton/ha. Os térmicos, apesar de serem detetados em diversas condições, requerem equipamentos de deteção mais dispendiosos. Os flutuantes são facilmente obtidos e usados; contudo, demonstraram ser suscetíveis às condições atmosféricas (e.g., vento).

Water is an essential resource for life on Earth. To better manage it, preserving its availability and quality, it is essential to better understand its flows. Monitoring and quantifying water movement can be based on various hydrometric techniques. Among these, the application of tracers, which can be used with great flexibility in deep (e.g., rivers) or shallow (e.g., overland flow) free surface flows. This technique can be applied in rural or urban environments, to study of hydrological and hydraulic phenomena, and to detect the presence and movement of water. This dissertation intends to demonstrate the importance and usefulness of tracers in monitoring water flows in rural and urban environments. The general objectives of the study carried out experimentally in the laboratory and in the field involved: identification of preferential flow paths; local velocity measurement; generation of velocity fields. The experimental procedure implied the preparation of equipment and facilities, the selection of methodologies and the preparation of test protocols, using measurement techniques based on remote sensing, making use of unmanned aerial systems (UAS/drones) for measurement in the field, as well as the use of various types of tracers (e.g., coloured, fluorescent, thermal, floating). The tracers have proven to be a viable techique for determining flow velocities in different scenarios (e.g., bare soil, mulch cover, impermeable pavement, watercourses). All applied tracers presented their advantages and limitations, depending on the location where they were applied and atmospheric conditions. The fluorescent and coloured tracers shouldn’t be applied to surfaces whose mulch cover is greater than 1.0 ton/ha. The thermal technique, despite being easily detected in different conditions, require more expensive detection equipment. The floating tracers are easily obtained and used; however, they showed to be susceptible to atmospheric conditions (e.g., wind).