Nature-based solutions for urban drainage spatially distributed in hydrologic similarity areas

Abstract

Resumo: Soluções baseadas na Natureza (SbN) é um conceito guarda-chuva para conceitos relacionados à produção de serviços ecossistêmicos, incluindo os conceitos de drenagem sustentável. Na Hidrologia Urbana, SbN mostra-se como uma alternativa sustentável para redução dos efeitos adversos da urbanização no balanço hídrico e para mitigação de inundações. Há, no entanto, carência de estudos acerca de metodologias e do desempenho da implementação múltipla e descentralizada de SbN. Há também uma carência de estudos sobre a implementação de cenários realistas, que considerem a configuração espacial intraurbana pré-existente, haja visto que desconstruir cidades consolidadas é espacialmente e economicamente inviável, e que nem todas as SbN são viáveis para todas os espaços. A partir da delimitação de Áreas de Similaridade Hidrológica (ASH) resultantes de diferentes características espaciais intraurbanas, esta pesquisa tem por objetivo identificar como a implementação de SbN distribuídas em ASH pode reduzir os impactos da urbanização no balanço hídrico e nas inundações da bacia hidrográfica do rio Belém, considerando as limitações do espaço urbano pré-existente. Esta tese está escrita no formato de coletânea de artigos, sendo composta por quatro manuscritos que se associam de modo a atingir o objetivo geral. No primeiro artigo, uma análise teórica e uma revisão sistemática estruturada foram realizadas com o objetivo de identificar as interfaces existentes entre SbN e conceitos de drenagem sustentável. No segundo artigo, AHS foram delimitadas na bacia hidrográfica do rio Belém com base na configuração espacial intraurbana e o balanço hídrico anual e diário foi avaliado através de modelagem hidrológica com aplicação do modelo Aquacycle. No terceiro artigo, a dinâmica de inundações da bacia foi avaliada com base nos resultados obtidos no artigo 2 e na modelagem hidráulica com o modelo HEC RAS. A extensão e a profundidade das inundações foram identificadas para diferentes tempos de retorno (TR), bem como a contribuição da vazão por ASH, todos sob condições de chuvas intensas. Com base nos resultados obtidos nos três capítulos anteriores, foram definidos, no quarto artigo, cenários com implementação de SbN múltiplas e descentralizadas, estabelecidas de acordo com as condições espaciais das ASH. Também foram simulados os efeitos dos cenários no balanço hídrico e nas inundações urbanas. Os resultados obtidos no artigo 1 revelam que, apesar de existirem alguns contrapontos, os conceitos analisados convergem para os princípios de SbN e podem ser abarcados por seu guarda-chuva conceitual. A revisão sistemática revelou que a associação entre os conceitos se dá de diferentes formas na literatura científica, podendo resultar em confusões conceituais. No entanto, SbN demonstra potencial para alcançar relevância global na área dos recursos hídricos. No artigo 2, o método de delimitação de ASH se mostrou eficiente em agrupar áreas com características semelhantes. Seis ASH foram delimitadas na bacia do rio Belém, cujo percentual de áreas impermeáveis variou de 18% a 89%. Os resultados da modelagem mostram que a heterogeneidade espacial intraurbana se reflete no balanço hídrico anual e diário. No artigo 3, mapas de inundação foram obtidos para os TR 2, 5, 25 e 100 anos. Áreas susceptíveis a inundações foram identificadas em todos os trechos modelados, especialmente nas áreas mais a jusante. Os resultados mostraram uma grande variação no volume de vazão entre as ASH em todos os eventos simulados. Mostraram também que as áreas mais susceptíveis a inundações não são necessariamente as principais geradoras de vazão. Por fim, os resultados do artigo 4 demonstraram que os cenários com SbN podem aumentar a evapotranspiração em até 8% e a infiltração em até 19%, bem como reduzir o escoamento em até 20% e a vazão em até 8% na escala anual. No balanço hídrico diário foram observados aumentos entre 7% e 41% nas taxas de infiltração e reduções entre 3,6% e 29% no escoamento superficial, a depender do cenário simulado, volume de precipitação e condições de umidade antecedente. Com relação à dinâmica das inundações, foram obtidas reduções de até 16,3% nas vazões de pico e de até 22% na extensão das áreas inundadas. Por fim, a hipótese desta pesquisa foi validada, concluindo-se que a implementação de SbN para drenagem urbana é limitada de múltiplas formas pela configuração espacial pré-existente. Entretanto, cenários compostos por medidas múltiplas e combinadas em ASH, coalescentes às condições herdadas, podem apresentar respostas significativas no balanço hídrico, com diminuição dos picos de vazão máxima e das áreas suscetíveis à inundação.

Abstract: Nature-based Solutions (NbS) is an umbrella concept for ecosystem-related approaches, including sustainable drainage concepts. In Urban Hydrology, NbS reveals to be a sustainable alternative to reduce the adverse effects of urbanization on the water balance and mitigate floods. However, there is a lack of studies about methodologies and performance of implementing decentralized and multiple NbS. There is also a lack of studies about realistic scenarios considering the pre-existing intraurban spatial configuration since deconstructing consolidated cities is spatially and economically unfeasible, and not all NbS are suitable for all conditions. From the delimitation of Hydrologic Similarity Areas (HSA) resulting from different intraurban spatial features, this research aims to identify how the implementation of NbS distributed in HSA can reduce the impacts of urbanization on water balance and flood dynamics in the Belém catchment, considering the limitations of the pre-existing intraurban spatial configuration. This thesis is written in the format of articles collection, composed of four articles that associate with one another to achieve the main objective. In the first article, a theoretical analysis and a structured systematic review were conducted to identify the existing interfaces among NbS and sustainable drainage concepts. In the second article, Hydrologic Similarity Areas (HSA) were delimited in the Belém catchment based on intraurban spatial configuration patterns and their responses on annual and daily water balance were evaluated with hydrological modeling with Aquacycle. The third article described the catchment flood dynamic based on the results obtained in article 2 and on hydraulic modeling with HEC RAS. Flood extent and depth were identified at different return periods (RP), as well as the streamflow contribution per HSA under intense rainfall conditions. In the fourth article, based on the results obtained in the three previous chapters, scenarios with decentralized and multiple NbS according to the HSA spatial preconditions were set and its effects on water balance and urban floods were simulated. The results obtained in article 1 reveal that, despite a few counterpoints, the analyzed concepts converge to NbS principles and can be covered by its conceptual umbrella. The systematic review demonstrates that the association among concepts has taken place in different ways, which may result in conceptual confusion. Nevertheless, NbS has the potential to seek paths to achieve global relevance in the water resources field. In article 2, the method to delimit HSA has shown efficiency in grouping areas of similar features. Six HSA were delimited in the Belém catchment, whose percentage of impervious areas ranges from 18% to 89%. The modeling results show that the intraurban spatial heterogeneity is reflected in the annual and daily water balance. In article 3, flood maps were obtained for 2, 5, 25, and 100-year RP. Areas susceptible to flooding were identified in all modeled reaches, emphasizing downstream areas. The results showed a wide variation in streamflow volume among the HSA in all the simulated events and that the most susceptible to flooding areas are not necessarily the main contributors to streamflow. Finally, the results from article 4 showed that NbS scenarios can increase evapotranspiration by up to 8% and infiltration by 19%, reduce runoff by up to 20%, and streamflow by up to 8% in annual scale. In the daily water balance, increases ranging from 7% to 41% for infiltration rates and reductions ranging from 3.6% to 29% for runoff were observed, depending on the scenario, precipitation volume, and antecedent humidity conditions. Regarding the flood dynamics, reductions of up to 16.3% in peak flows and up to 22% in flood extent were obtained. Finally, the hypothesis is validated, concluding that the pre-existing urban spatial configuration limits the implementation of NbS for urban drainage. However, scenarios composed of multiple and combined measures into the HSA, accordant to preconditions, may present significant responses in the water balance, reducing the stormwater peak flows and the areas susceptible to flooding.