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The Impact of Green Infrastructure (GI) on the Urban Water Cicle: a multi-scalar approach
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Abstract(s)
Building urban resilience has attracted significant attention in recent years. In response to climate change, innovative technologies are emerging to help manage and attenuate flood risk. One frequently used approach to help build resilience capacity is Green Infrastructure (GI), which is considered an important strategy of urban planning aimed at enhancing sustainable development. Studies revealed that the various types of GI practices offer multiple benefits in addition to stormwater benefits, in widely varying geographic and climatic regions.
This dissertation assesses the state-of-art on GI to discuss its effectiveness as a solution to tackling urban flood risk, as well as characterises a Spanish city (Vitoria-Gasteiz), as a city-scale case study. Vitoria-Gasteiz’s GI managed to improve and correct historical issues with urban flooding water quality, preserving its environmental and landscapes.
Data from a monitored bioretention cell lysimeter, located at the National Green Infrastructure Facility (NGIF), Newcastle University, was analysed. The objective was to determine whether the bioretention cells offer an effective solution to urban flood management, by presenting its behavior in response to real rainfall events. Three rainfall events were chosen for analysis: the first one with a total rainfall of 26,2 mm, in which the lysimeter stored 80,7%; the second with 48,6 mm (of which 39,8 mm was only in 24,5 h), delaying the start of runoff by 12 hours and generating a lag time of 11 hours, storing 20%; and the third with 8 mm, where the lysimeter received 16 L and outflowed 100 mL.
The bioretention cell characteristics were modelled in the software Storm Water Management Model (SWMM), to assess its hydrologic potential to manage runoff during flood events, from hypothetical wider catchment drainage areas. The best simulated SWMM scenario ratios were the 12,5:1 that showed, respectfully, a runoff peak and volume reduction of 30% and 32%, while the 25:1 showed a reduction of 3,45% and 16,5%.
Num contexto de mudanças ambientais globais e de rápida urbanização, a construção de resiliência urbana tem atraído uma atenção crescente tanto de profissionais como de investigadores em planeamento urbano. Uma cidade precisa de avaliar e construir capacidade de resiliência para absorver, mitigar, adaptar e proteger a sua população, propriedades e infraestruturas a muitos tipos de perturbações, incluindo águas superficiais, mantendo ao mesmo tempo a sua organização e funções sociais, ecológicas e económicas. Estão a surgir tecnologias inovadoras para ajudar a gerir o risco de inundações, mas estas nem sempre são fáceis de implementar. Uma tecnologia frequentemente proposta para ajudar a construir capacidade de resistência é a utilização de técnicas de drenagem urbana sustentável, ou Infraestrutura Verde (GI, de Green Infrastructure, em inglês), como parte de um plano de gestão de águas pluviais. A utilização destas tecnologias é considerada uma importante estratégia de planeamento urbano, destinada a reforçar o desenvolvimento sustentável. De facto, os espaços verdes urbanos e a GI podem proporcionar múltiplos cobenefícios, para além dos benefícios das águas pluviais, e podem aumentar a resiliência urbana. Pensando nisso, esta dissertação avalia o estado da arte existente sobre GI, de forma a discutir as suas eficácias como soluções para o risco de inundações urbanas, bem como caracteriza uma cidade espanhola (Vitoria-Gasteiz) como um estudo de caso à escala de cidade, e, finalmente, analisa dados de um lisímetro de célula de bioretenção, localizado no National Green Infrastructure Facility (NGIF), na Universidade de Newcastle (Reino Unido), para determinar se a sua célula de bioretenção poderia ser uma solução eficaz para eventos de gestão de inundações urbanas, apresentando o seu comportamento em eventos de chuva reais. Além disso, ao modelar as características da célula de bioretenção no software EPA's Storm Water Management Model (SWMM), esta dissertação simula o potencial hidrológico da célula de bioretenção para gerir o escoamento de áreas hipotéticas impermeáveis à superfície. Através da revisão bibliográfica, verificou-se que muitos estudos revelaram que os vários tipos de práticas de GI oferecem múltiplos benefícios aos ecossistemas urbanos e ao escoamento urbano, em regiões geográficas e climáticas muito variadas. As instalações de bioretenção, por exemplo, podem reduzir 50% a 97% do volume total do escoamento, promovendo a infiltração para recarregar as águas subterrâneas com um efeito de purificação eficaz, intercetando poluentes e, também, promovendo a evaporação. Os cintos verdes de baixa elevação podem recolher o escoamento pluvial, retardar as cheias urbanas, e complementar as águas subterrâneas. Os pavimentos permeáveis podem ser utilizados para substituir as superfícies tradicionais das estradas de alcatrão. No entanto, as GI não possuem sempre o mesmo desempenho, dependem do clima e do regime pluviométrico de onde é implementada, e os seus benefícios a longo prazo e manutenção são ainda muito limitados. A combinação de infraestruturas convencionais cinzentas e verdes é importante para conseguir uma gestão de águas pluviais que funcione bem por períodos mais longos. Uma implementação bem-sucedida de GI, por exemplo, é a premiada cidade espanhola Vitoria-Gasteiz, onde o projeto e execução do “Cinturão Verde” desencadeou a Câmara Municipal a continuar a implementar outras GI. A cidade conseguiu melhorar e corrigir questões históricas da qualidade das águas urbanas e cheias, preservando o seu ambiente e paisagens e também melhorando a biodiversidade. Apesar da necessidade de trabalho árduo, é possível implementar Infraestruturas Verdes, procurando melhorar a vida dos seus cidadãos e das gerações futuras, uma vez que os inquéritos públicos indicam que 99% da população da cidade concorda que o “Cinturão Verde” e a suas GI melhoraram a sua qualidade de vida, uma vez que aumentou o número de espaços verdes, parques e jardins urbanos. Em relação aos dados analisados do NGIF, estes compreenderam um período de 9 meses de dados, nos quais a célula de bioretenção recebeu um total de 1.211,2 L como entrada e reteve eficazmente 52,7% do mesmo. Foram escolhidos três eventos pluviométricos no período dos dados: Setembro de 2020, com uma precipitação total de 26,2 mm em 2 dias, em que a saída no lisímetro foi atrasada em 17 horas, conseguindo armazenar 80,7%; Outubro de 2020, com uma precipitação de 48,6 mm em 3 dias (sendo que 39,8 mm foram apenas em 24,5 horas), atrasando o início escoamento em 12 horas e gerando um tempo de retardo do pico de escoamento em 11 horas, gerindo 20% do total de fluxo; e Abril de 2021, com uma precipitação total de 8 mm em 14 horas (sem chuvas anteriores por 43 dias), onde o lisímetro recebeu 16 L de entrada e teve como saída apenas 100 mL, resultando numa eficiência de 99%. De maneira geral, concluiu-se que células de bioretenção podem armazenar totalmente o volume de pequenos eventos de precipitação. Ou seja, a intensidade da chuva é a principal propriedade pluviométrica que influencia na eficiência da célula de bioretenção, com uma relação inversa (quanto maior a intensidade, menor a eficiência). Além disso, foram simulados diferentes cenários no software SWMM para a célula de bioretenção existente no NGIF, de acordo com as suas propriedades de laboratório, para gerir o escoamento proveniente de diferentes superfícies impermeáveis, a fim de descobrir uma razão ótima de área impermeável-célula de bioretenção. A melhor relação foi a de 5:1, que não gerou pico de escoamento e transbordamento de superfície, e geriu eficazmente 62% do fluxo total de escoamento. O cenário 12,5:1 mostrou uma redução de 30% do pico de escoamento e uma redução de 32% do volume de escoamento e o cenário 25:1 apresentou uma redução de 3,45% do pico de escoamento e uma redução de 16,5% do volume de escoamento. Os resultados, tanto reais como simulados, demonstraram que as células de bioretenção são infraestruturas verdes que, quando combinadas com sistemas de drenagem convencionais, podem ajudar as zonas urbanas a gerir os seus eventos de inundações e aumentar a sua resiliência, visto que os resultados demonstraram que essa GI pode atrasar o início do escoamento e os seus picos, além de diminuir os volumes totais. O lisímetro analisado é um de terra, portanto não possui nenhuma vegetação específica, por isso esta alternativa singular pode ser utilizada em todo o mundo, mostrando a sua implementação favorável e inclusiva.
Num contexto de mudanças ambientais globais e de rápida urbanização, a construção de resiliência urbana tem atraído uma atenção crescente tanto de profissionais como de investigadores em planeamento urbano. Uma cidade precisa de avaliar e construir capacidade de resiliência para absorver, mitigar, adaptar e proteger a sua população, propriedades e infraestruturas a muitos tipos de perturbações, incluindo águas superficiais, mantendo ao mesmo tempo a sua organização e funções sociais, ecológicas e económicas. Estão a surgir tecnologias inovadoras para ajudar a gerir o risco de inundações, mas estas nem sempre são fáceis de implementar. Uma tecnologia frequentemente proposta para ajudar a construir capacidade de resistência é a utilização de técnicas de drenagem urbana sustentável, ou Infraestrutura Verde (GI, de Green Infrastructure, em inglês), como parte de um plano de gestão de águas pluviais. A utilização destas tecnologias é considerada uma importante estratégia de planeamento urbano, destinada a reforçar o desenvolvimento sustentável. De facto, os espaços verdes urbanos e a GI podem proporcionar múltiplos cobenefícios, para além dos benefícios das águas pluviais, e podem aumentar a resiliência urbana. Pensando nisso, esta dissertação avalia o estado da arte existente sobre GI, de forma a discutir as suas eficácias como soluções para o risco de inundações urbanas, bem como caracteriza uma cidade espanhola (Vitoria-Gasteiz) como um estudo de caso à escala de cidade, e, finalmente, analisa dados de um lisímetro de célula de bioretenção, localizado no National Green Infrastructure Facility (NGIF), na Universidade de Newcastle (Reino Unido), para determinar se a sua célula de bioretenção poderia ser uma solução eficaz para eventos de gestão de inundações urbanas, apresentando o seu comportamento em eventos de chuva reais. Além disso, ao modelar as características da célula de bioretenção no software EPA's Storm Water Management Model (SWMM), esta dissertação simula o potencial hidrológico da célula de bioretenção para gerir o escoamento de áreas hipotéticas impermeáveis à superfície. Através da revisão bibliográfica, verificou-se que muitos estudos revelaram que os vários tipos de práticas de GI oferecem múltiplos benefícios aos ecossistemas urbanos e ao escoamento urbano, em regiões geográficas e climáticas muito variadas. As instalações de bioretenção, por exemplo, podem reduzir 50% a 97% do volume total do escoamento, promovendo a infiltração para recarregar as águas subterrâneas com um efeito de purificação eficaz, intercetando poluentes e, também, promovendo a evaporação. Os cintos verdes de baixa elevação podem recolher o escoamento pluvial, retardar as cheias urbanas, e complementar as águas subterrâneas. Os pavimentos permeáveis podem ser utilizados para substituir as superfícies tradicionais das estradas de alcatrão. No entanto, as GI não possuem sempre o mesmo desempenho, dependem do clima e do regime pluviométrico de onde é implementada, e os seus benefícios a longo prazo e manutenção são ainda muito limitados. A combinação de infraestruturas convencionais cinzentas e verdes é importante para conseguir uma gestão de águas pluviais que funcione bem por períodos mais longos. Uma implementação bem-sucedida de GI, por exemplo, é a premiada cidade espanhola Vitoria-Gasteiz, onde o projeto e execução do “Cinturão Verde” desencadeou a Câmara Municipal a continuar a implementar outras GI. A cidade conseguiu melhorar e corrigir questões históricas da qualidade das águas urbanas e cheias, preservando o seu ambiente e paisagens e também melhorando a biodiversidade. Apesar da necessidade de trabalho árduo, é possível implementar Infraestruturas Verdes, procurando melhorar a vida dos seus cidadãos e das gerações futuras, uma vez que os inquéritos públicos indicam que 99% da população da cidade concorda que o “Cinturão Verde” e a suas GI melhoraram a sua qualidade de vida, uma vez que aumentou o número de espaços verdes, parques e jardins urbanos. Em relação aos dados analisados do NGIF, estes compreenderam um período de 9 meses de dados, nos quais a célula de bioretenção recebeu um total de 1.211,2 L como entrada e reteve eficazmente 52,7% do mesmo. Foram escolhidos três eventos pluviométricos no período dos dados: Setembro de 2020, com uma precipitação total de 26,2 mm em 2 dias, em que a saída no lisímetro foi atrasada em 17 horas, conseguindo armazenar 80,7%; Outubro de 2020, com uma precipitação de 48,6 mm em 3 dias (sendo que 39,8 mm foram apenas em 24,5 horas), atrasando o início escoamento em 12 horas e gerando um tempo de retardo do pico de escoamento em 11 horas, gerindo 20% do total de fluxo; e Abril de 2021, com uma precipitação total de 8 mm em 14 horas (sem chuvas anteriores por 43 dias), onde o lisímetro recebeu 16 L de entrada e teve como saída apenas 100 mL, resultando numa eficiência de 99%. De maneira geral, concluiu-se que células de bioretenção podem armazenar totalmente o volume de pequenos eventos de precipitação. Ou seja, a intensidade da chuva é a principal propriedade pluviométrica que influencia na eficiência da célula de bioretenção, com uma relação inversa (quanto maior a intensidade, menor a eficiência). Além disso, foram simulados diferentes cenários no software SWMM para a célula de bioretenção existente no NGIF, de acordo com as suas propriedades de laboratório, para gerir o escoamento proveniente de diferentes superfícies impermeáveis, a fim de descobrir uma razão ótima de área impermeável-célula de bioretenção. A melhor relação foi a de 5:1, que não gerou pico de escoamento e transbordamento de superfície, e geriu eficazmente 62% do fluxo total de escoamento. O cenário 12,5:1 mostrou uma redução de 30% do pico de escoamento e uma redução de 32% do volume de escoamento e o cenário 25:1 apresentou uma redução de 3,45% do pico de escoamento e uma redução de 16,5% do volume de escoamento. Os resultados, tanto reais como simulados, demonstraram que as células de bioretenção são infraestruturas verdes que, quando combinadas com sistemas de drenagem convencionais, podem ajudar as zonas urbanas a gerir os seus eventos de inundações e aumentar a sua resiliência, visto que os resultados demonstraram que essa GI pode atrasar o início do escoamento e os seus picos, além de diminuir os volumes totais. O lisímetro analisado é um de terra, portanto não possui nenhuma vegetação específica, por isso esta alternativa singular pode ser utilizada em todo o mundo, mostrando a sua implementação favorável e inclusiva.
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Keywords
Green Infrastructure Vitoria-Gasteiz Bioretention cell Lysimeter SWMM Urban Water management.