Study of different atmospheric environments associated to storms development in the Madeira Island

The study aims to improve the understanding about different atmospheric environments leading to the development of storms associated with heavy precipitation in Madeira Island. For this purpose, four main goals have been considered: 1) To document the synoptic and mesoscale environments associated with heavy precipitation. 2) To characterize surface precipitation patterns that affected the island during some periods of significant accumulated precipitation using numerical modelling. 3) To study the relationship between surface precipitation patterns and mesoscale environments. 4) To highlight how the PhD findings obtained in the first three goals can be translated into an operational forecast context. Concerning the large scale environment, precipitation over the island was favoured by weather systems (e.g, mesoscale convective systems and low pressure systems), as well as by the meridional transport of high amount of moisture from a structure denominated as “Atmospheric River”. The tropical origin of this moisture is underscored, however, their impact on the precipitation in Madeira was not so high during the 10 winter seasons [2002 – 2012] studied. The main factor triggering heavy precipitation events over the island is related to the local orography. The steep terrain favours orographically-induced stationary precipitation over the highlands, although maximum of precipitation at coastal region may be produced by localized blocking effect. These orographic precipitating systems presented different structures, associated with shallow and deep convection. Essentially, the study shows that the combination of airflow dynamics, moist content, and orography is the major mechanism that produces precipitation over the island. These factors together with the event duration act to define the regions of excessive precipitation. Finally, the study highlights two useful points for the operational sector, regarding the meridional water vapour transport and local effects causing significant precipitation over the Island; RESUMO: O estudo procura melhorar o entendimento sobre os diferentes ambientes atmosféricos que favorecem o desenvolvimento de tempestades associadas com precipitação intensa na ilha da Madeira. Nesse sentido foram definidos quatro objetivos: 1) Documentar os ambientes sinópticos e de mesoescala associados com precipitação intensa; 2) Caracterizar padrões de precipitação na superfície, em eventos de elevada precipitação acumulada, utilizando modelação numérica; 3) Estudar as relações entre os padrões de precipitação e ambientes de mesoescala; 4) Mostrar como tais resultados podem ser utilizados num contexto operacional de previsão do tempo. Em relação a ambientes de larga escala, verificou-se que a ocorrência de eventos de precipitação intensa sobre a ilha foi favorecida por sistemas meteorológicos, assim como pelo transporte meridional de humidade por meio de estruturas atualmente denominadas Rios atmosféricos. Neste último caso é de destacar a origem tropical de humidade, no entanto, o seu impacto na precipitação sobre a Madeira durante os 10 invernos estudados [2002-2012] não foi tão elevada. O principal fator que favorece os eventos de precipitação intensa está relacionado com a orografia local. O terreno complexo da ilha favorece a ocorrência de precipitação estacionária induzida orograficamente sobre as terras mais altas, embora a precipitação nas zonas costeiras possa ser produzida por um efeito localizado de bloqueio. Estes sistemas orográficos precipitantes apresentaram diferentes estruturas, associados a convecção pouco profunda e profunda. O estudo mostra que a combinação entre as características do escoamento, a quantidade de humidade, e a orografia são os condimentos essenciais para o desenvolvimento da precipitação sobre a ilha, atuando de maneira a definir as regiões de precipitação excessiva. Por fim, o estudo destaca dois pontos que podem ser úteis na previsão do tempo operacional, ligados a larga escala e aos efeitos locais, os quais podem levar ao desenvolvimento de tempestades e precipitação intensa sobre a ilha.

Vazão em soleiras controladas ou não por comportas

Os controladores de caudal, normalmente implementados em sistemas Supervisory control and data acquisition (SCADA), apresentam uma grande relevância no controlo automático de canais de adução. Para garantir que os controladores de caudal sejam fiáveis em todo o seu domínio de funcionamento (em situações de escoamento com ressalto livre ou submerso e de transição entre escoamentos com ressalto livre e ressalto submerso) foram comparados os resultados dos ensaios experimentais com diferentes métodos de cálculo da vazão em comportas e/ou sobre soleiras. O programa de ensaios foi realizado nos canais laboratorial e experimental da Universidade de Évora. Foram realizados ensaios em comportas planas verticais e em soleiras do tipo Waterways Experiment Station (WES) controladas ou não por comportas planas verticais. Em ambos os casos, foram contempladas as situações de escoamento com ressalto livre e submerso. Os resultados obtidos mostram que: a) para as comportas, o método Rajaratnam e Subramanya (1967a) conduz a bons resultados com um erro percentual médio absoluto MAPE < 1% para o escoamento com ressalto livre e MAPE < 4% para o submerso; a transição entre escoamentos foi identificada corretamente por este método; b) para as soleiras, obtiveram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre para o método USACE (1987), com MAPE < 2%, e para o submerso através do método Alves e Martins (2011), com MAPE < 5%; a transição entre escoamentos pode ser considerada adequada de acordo com a curva experimental de Grace (1963); c) para soleiras controladas por comporta, conseguiram-se bons resultados para o escoamento com ressalto livre recorrendo à equação dos orifícios de pequenas dimensões, com MAPE < 1, 5%, e para o submerso com a equação dos orifícios totalmente submersos com MAPE < 1, 6%; em ambos os casos foi necessária calibração do coeficiente de vazão; a transição entre escoamentos foi adequada pelo método de Grace (1963). Com base nos resultados obtidos, foi possível definir um algoritmo de vazão generalizado para comportas e/ou soleiras que permite a determinação da vazão para as situações de escoamento com ressalto livre e submerso incluindo a transição entre escoamentos; ABSTRACT: Flow controllers, usually implemented in Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems, are very important in the automatic control of irrigation canal systems. To ensure that flow controllers are reliable for the entire operating range (free or submerged flow and flow transitions) the experimental results were compared with different methods of flow measurement for gates and/or weirs. The test program was conducted in the laboratory flume and in the automatic canal of the University of ´Evora. Tests were carried in sluice gates and in broad-crested weirs controlled or not by sluice gate. In both cases free and submerged flow conditions were analyzed. The results show that: a) for the sluice gates, the method of Rajaratnam e Subramanya (1967a) leads to good results with a mean absolute percentage error (MAPE) < 1% for free flow and MAPE < 4% for submerged flow. The transition between flows is correctly identified by this method; b) for the uncontrolled weir, good results were obtained for free flow with the method USACE (1987) with MAPE < 2%, and for submerged flow by the method Alves e Martins (2011) with MAPE < 5%. The transition between flows can be accurately defined by the experimental curve of Grace (1963); c) for the controlled weir, good results were achieved for the free flow with the small orifice equation with MAPE < 1.5% and for submerged flow with the submerged orifice equation with MAPE < 1.6%; in both cases the calibration of the discharge coefficient is needed. The transition between flows can be accomplished through Grace (1963) method. Based on the obtained results, it was possible to define a generalized flow algorithm for gates and/or weirs that allows flow determination for free and submerged flow conditions including the transition between flows.

Supervisão e controlo de um sistema de canais de rega. Parte II-Calibração hidráulica

O artigo faz uma apresentação breve do sistema de supervisão e controlo (SCADA) desenvolvido para as redes primária e secundária de canais do Aproveitamento Hidroagrícola de Idanha-a-Nova, já instalado e calibrado, dando uma atenção muito especial ao desenvolvimento e calibração dos controladores de caudal para comportas associadas ou não a soleiras descarregadores. Os controladores de caudal desenvolvidos para o SCADA permitem o cálculo do caudal para todas as situações de funcionamento das comportas, garantindo a continuidade das soluções nas passagens do escoamento tipo descarregador para tipo comporta e da situação de ressalto livre para ressalto parcial ou totalmente afogado, em ambos os sentidos. O coeficiente teórico de vazão usado para iniciar o algoritmo de vazão geral foi ajustado no campo com recurso a estimativas de caudal realizadas com dois tipos de caudalímetros e para duas aberturas diferentes de cada comporta e/ou dois regimes permanentes para cada uma das instalações. Foram usados dois tipos de caudalímetros, ambos transdutores acústicos baseados no efeito de Doppler, um fixo no rasto dos canais e o outro portátil e montado numa plataforma flutuante. O artigo faz também uma apresentação breve dos caudalímetros usados, apresenta os resultados das medições de caudal efetuadas e ainda os valores corrigidos para os coeficientes de vazão.

A água na paisagem natural e antrópica

O crescimento da população gerou a ocupação de grandes áreas da superfície terrestre que provocaram alterações nas paisagens naturais. A apropriação desordenada do território, tendo em conta os espaços urbanos e rurais, trouxe vários impactos negativos ao meio ambiente. As linhas de água são os ecossistemas mais utilizados pelo homem ao longo da história, pela água, pesca, transporte, … e que simultaneamente vai modelando a paisagem pelas alterações do estado físico e modificações nas superfícies por onde corre. O sistema ribeirinho é constituído por vários ecossistemas, relacionados entre si e que são identificados transversalmente. Ao longo do ano é possível identificar, numa linha de água, três níveis: o de cheia durante o escoamento máximo anual no período das chuvas, o médio ao longo do ano e o de estiagem com o escoamento mínimo no pico do verão. Nas margens, a zonagem das espécies ripárias, está relacionada com a altitude, a unidade bioclimática, a distância do “eixo de humidade”, a geomorfologia, o tipo de solos e a matéria orgânica, entre outros fatores. Nas galerias ripícolas do Alentejo são frequentes cinco comunidades vegetais com grande diversidade de espécies, cujas presenças estão relacionadas com os níveis de água ao longo do ano e o tipo de solo: a) Choupais (Populus nigra), em solos sujeitos a prolongados encharcamentos. b) Salgueirais de borrazeiras pretas (Salix atrocinerea), em ribeiras com regime torrencial. c) Amiais (Alnus glutinosa), em solos com toalha freática à superfície. d) Freixiais (Fraxinus angustifolia) em solos húmidos, a comunidade mais comum no Alentejo. A vegetação marginal constitui um sistema elástico importante na proteção mecânica das margens contra o desgaste normal das águas, porque as mantêm seguras, protege o leito, favorece a riqueza piscícola e purifica as águas. Na proteção com sistemas rígidos e impermeáveis, verifica-se um elevado custo e estabilidade ameaçada nos pontos de contacto com as margens naturais, impede a comunicação natural entre a água que corre no leito do rio e a que se desloca em toda a largura do vale, provocando alterações no lençol freático. São vários, os valores associados à paisagem ribeirinha e, a titulo de exemplo, destacam-se: a) Simbólico: o Taj Mahal nas margens do rio Yamuna em Agra – Índia, classificado como Património da Humanidade pela UNESCO (1980) e a ponte Hintze Ribeiro destinada a unir as margens de Entre-os-Rios, em Penafiel e Castelo de Paiva, sobre o rio Douro e que colapsou em 4 de março de 2001, num acidente que provou 59 mortes. b) Histórico: a ponte medieval de San Martín (séc. XIV.) em Toledo – Espanha; o açude e termas romanas do séc. I a IV a.C., na Herdade de Almagrassa (Pisões) – Portugal e a villa romana da Tourega (séc. I a IV) que pertenceu ao senador Julius Maximus (Ivlivs Maximvs), como consta da lapide funerária encontrada na N. Sra. da Tourega (Évora) – Portugal. c) Mítico: a ponte romana em Cangas de Onís com a Cruz de la Victoria no principado de Astúrias – Espanha. d) Cultural: a atividade diária nas margens do rio Kottayam no distrito de Kerala – Índia; um fim de semana na margem do rio Danúbio na cidade de Viena – Aústria; as várzeas de rios goeses: Loutulim (Rio Zuari), Benaulim (represa de Komollam Tollem) e Betul (rio Sal) (Goa) – Índia e várzeas de rios cingaleses (região de Kandy) – Sri Lanka. e) Turístico: o palácio real de verão mandado construir pelo marajá Jagat Singh II (1734-1751) na ilha de Jag Niwas (1,5 ha) no lago Pichola. No fim da década de 60, tornou-se num dos mais famosos hotéis românticos do mundo, o Lake Palace Hotel – Índia e a queda de água de Karpuzkaldiran próximo da cidade de Antalya, cujo acesso é feito por escadas ou de barco – Turquia.

Rotações de Culturas e Afolhamentos

A rotação de culturas é uma prática agronómica importante em todos os sistemas de agricultura. A alternância de culturas de espécies com características distintas ao nível morfológico (sistema radical), ciclo vegetativo (épocas distintas de sementeira e colheita) e ao nível da sua resistência a pragas e doenças, contribui para o aumento da melhoria das características físicas, químicas e biológicas dos solos. A rotação de culturas pode melhorar a estrutura do solo, quer pela introdução de matéria orgânica, quer pela porosidade biológica criada pelas raízes das culturas. O aumento da porosidade biológica conduzirá a uma maior infiltração da água no solo com consequência na redução do escoamento superficial e portanto, da erosão hídrica. O acréscimo da porosidade biológica no solo pelas raízes é de extrema importância, principalmente em sistemas de mobilização nula (sementeira directa). A utilização de plantas leguminosas, como por exemplo a Vicia sativa L. (vicia ou ervilhaca) a Lupinus luteus L.(tremocilha), o Cicer arietinum L. (grão-de-bico) a Pisum sativum L. (ervilha), etc., na rotação, favorecerá o incremento de azoto no solo, o qual será favorável ao crescimento das gramíneas com redução dos seus custos de produção. Outro aspecto extremamente importante da rotação de culturas prende-se com a melhor distribuição do parque de máquinas e da mão-de-obra ao longo do ano, fazendo-se alternar culturas com épocas de sementeira e de colheita diferentes, como por exemplo o Helianthus annuus L. (girassol) que é uma cultura de primavera-verão, o trigo mole (Triticum aestivum L.) e a cevada dística (Hordeum distichum L.) que são culturas de outono-inverno, etc.