Rainfall: measurements, variability and laboratory simulations

Abstract

A caracterização da pluviosidade assume uma importância fundamental em diversos domínios da hidrologia e em aplicações de engenharia, como por exemplo na modelação do escoamento, da erosão dos solos, e do clima, na calibração de dados de deteção remota, na conceção de sistemas de captação de água da chuva, entre outros. O trabalho apresentado nesta tese foca alguns aspetos relacionados com a pluviosidade, dando especial atenção à medição e caracterização da variabilidade da pluviosidade, tanto à escala do evento como em séries temporais históricas. A caracterização das propriedades das gotas de chuva (tamanho e velocidades de queda) é também destacada neste trabalho tanto sob condições naturais como laboratoriais, sendo particularmente importante para estudos de erosão hídrica.

A primeira parte da tese foca-se na pluviosidade natural. O conjunto de dados usados inclui: (i) séries temporais anuais e mensais que datam do século XIX, obtidas por estações meteorológicas dispersas por Portugal; (ii) mais de 3 anos de medições obtidas numa instalação experimental localizada em Coimbra, usando diferentes tipos de pluviómetros, incluindo um distrómetro que regista dados com resolução de 1 minuto. As séries temporais longas permitiram o estudo de tendências monotónicas e parciais na pluviosidade mensal e anual; enquanto que os dados com elevada resolução temporal foram usadas para caracterizar os eventos pluviosos de acordo, por exemplo com as propriedades das gotas de chuva.

O aumento da variabilidade tem sido assinalado para a pluviosidade inter e intra-anual, o que suscita uma crescente preocupação no âmbito da gestão de recursos hídricos e escassez da água. Nesta tese quando foram investigadas as tendências monotónicas da pluviosidade anual, não houve evidências para rejeitar a hipótese nula de ausência de tendência. Com o intuito de lidar com o carácter não-monotónico das tendências obtidas foram realizados testes de tendência para diferentes sub-períodos que indicaram alternância entre períodos de aumento e diminuição da pluviosidade anual e mensal.

A elevada variabilidade manifestada pela pluviosidade estende-se também a escalas temporais menores. As variações podem ocorrer, por exemplo, ao nível dos eventos pluviosos. Nesta tese, este facto é considerado, por exemplo, em relação à composição química da água, que pode variar para períodos de tempo curtos. Um amostrador de baixo custo foi desenvolvido para recolher sequencialmente pequenas amostras de água da chuva e, deste modo, permitir estimar a variabilidade da composição da água durante os eventos pluviosos.

Em alternativa a uma abordagem sobre as propriedades médias da pluviosidade para elevados volumes e longos intervalos de tempo, a pluviosidade pode ser modelada como um processo discreto, uma vez que consiste em numerosas gotas individuais que diferem no tamanho e na velocidade de queda. A relação entre as características das gotas, intensidade e energia cinética da chuva foi analisada com base em 35 eventos pluviosos registados com um distrómetro. Os resultados confirmaram, por exemplo, que a lei de potência ajusta-se bem à relação entre a energia cinética e o diâmetro médio das gotas (ponderado pela massa), e à relação entre energia cinética e intensidade da chuva.

A segunda parte da tese foca-se na simulação de chuva em laboratório, ferramenta amplamente utilizada que permite a repetição das experiências sob condições controladas e num curto espaço de tempo. Em laboratório é frequente utilizarem-se intensidades de chuva constantes em detrimento da reprodução de variabilidade temporal e diferentes padrões de chuva. Neste trabalho realizaram-se experiências laboratoriais com a intenção de estudar os efeitos de picos de intensidade de eventos pluviosos no escoamento superficial e transporte sólido. Os resultados mostram que os instantes em que os picos de chuva ocorrem durante longos eventos podem ter uma grande influência nos hidrogramas e nos processos de transporte sólido; no caso de serem ignorados podem causar estimativas por defeito ou por excesso das descargas líquidas e perdas de solo.

Os simuladores de chuva foram também estudados no que concerne às propriedades das gotas. Foi testada uma instalação experimental que combina simuladores de chuva por aspersão e redes; sugerindo que estas podem ser utilizadas para aumentar a intensidade e energia cinética da chuva na zona de controlo (principalmente pela formação de gotas maiores). As experiências laboratoriais foram, portanto, importantes para caracterizar as chuvas simuladas e promover a versatilidade dos aspersores através do uso de redes.

The characterization of rainfall is of fundamental importance to many fields in hydrology, and engineering applications, such as modelling of runoff, soil erosion, and climate, calibrating remote sensing data, designing rainwater harvesting systems, among others. The work presented in this thesis focuses on some aspects related to rainfall. Special attention is dedicated to measuring and charactering the rainfall variability, both within individual rain events and historical time series. Characterizing the raindrop properties (sizes and fall speeds) is also an emphasis in this research study, which is particularly important for water erosion studies, whether under natural or laboratory conditions.

The first part of the thesis focuses on natural rainfall. The data sets used comprise: (i) annual and monthly time series dating from the 19th century, obtained from meteorological stations scattered over Portugal; (ii) three-year rainfall measurements obtained on an outdoor experimental site set up at Coimbra, using different types of rain gauges, including a laser disdrometer which provided records with one-minute temporal resolution. The longest time series allowed the study of full monotonic trends and partial trends in the annual and monthly rainfall; whereas, the high temporal resolution series were used to characterize the rainfall events according to e.g. the raindrop properties.

The increased variability has been reported for inter- and intra-annual rainfall, which leads to increased concern about water resources management and water scarcity issues. In this thesis when full monotonic trends were investigated in annual rainfall, there was no evidence for rejecting the null hypothesis of no trend. In order to deal with the non-monotonic character of the trends obtained, shorter periods were then analysed; the partial trends showed a sequence of alternately decreasing and increasing trends in annual and monthly rainfall.

The high variability of rainfall is also observed in shorter time scales. Variations can occur, for instance, within individual rainfall events. In this thesis, this fact is considered, for example, in relation to the rainwater chemical composition, which can vary over relatively short time periods. A low-cost rain sampler was developed for collecting sequential small volume rain samples, and this way, allowing the assessment of variations of rainwater composition during individual rain events.

Instead of centring on the rainfall average properties over large volumes and long time intervals, rainfall can be modelled as a discrete process consisting of numerous individual raindrops that differ in size and fall speed. Relationships were estimated between these raindrops’ characteristics and the rain rates and kinetic energy based on the disdrometric data from 35 rain events. Results confirmed that, for example, power laws fitted well the relationship between the kinetic energy and the mass-weighted mean drop diameter, and the kinetic energy-rain rate relationship.

The second part of this thesis focuses on rainfall simulation, which is a widely used tool that allows the repetition of experiments under controlled conditions and in a less time consuming manner. There has been a tendency to use constant intensity at the expense of considering the temporal variability and rainfall patterns. In this thesis, laboratory experiments were carried out in order to study the effects of heavy rainfall bursts within storm events on runoff and soil loss. Results showed that the instant at which rainfall bursts occur during long duration rain events has a strong influence on the discharge hydrographs and associated transport processes; if ignored it might cause both under and over estimation of runoff discharge and soil loss.

Rainfall simulators were also studied in relation to the drop properties. A laboratory set-up that combines spray nozzle simulators and meshes was tested, suggesting that meshes can be used to increase the mean rainfall intensity and kinetic energy on the control plot (mainly through the formation of bigger drops). The exploratory experiments were then important to characterize simulated rainfall and promote the versatility of the nozzles by using meshes.