SIMULAÇÃO DA PROPAGAÇÃO DE CHEIAS EM RESERVATÓRIOS E BARRAGENS NA BACIA DO TAQUARI-ANTAS

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1 SIMULAÇÃO DA PROPAGAÇÃO DE CHEIAS EM RESERVATÓRIOS E BARRAGENS NA BACIA DO TAQUARI-ANTAS Vinícius Alencar Siqueira 1 * & Ayan Santos Fleischmann 2 & Walter Collischonn 3 Resumo A construção de barramentos e reservatórios é uma condição necessária para o gerenciamento de recursos hídricos, como geração de energia e controle de cheias. Entretanto, intervenções estruturais desta natureza normalmente alteram o comportamento hidráulico dos rios, podendo acarretar em efeitos distintos dependendo da característica e operação dos sistemas hídricos formados. Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma simulação da propagação de cheias sobre reservatórios e barramentos hidrelétricos na bacia do Taquari-Antas/RS até a cidade de Encantado, localizada na região sul do Brasil. O estudo consistiu no acoplamento do Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH) ao modelo hidrodinâmico HEC-RAS, de maneira a realizar uma intercomparação entre diferentes cenários de barramentos e também de operação das usinas. Os resultados mostraram que os reservatórios existentes têm pequena capacidade de atenuação em relação ao pico das cheias, e sua operação atual pode causar uma ligeira aceleração dos hidrogramas durante estes eventos. Palavras-Chave Simulação hidrológica, modelagem hidráulica, propagação de cheias. FLOOD ROUTING SIMULATION OVER RESERVOIRS AND DAMS IN TAQUARI-ANTAS BASIN Abstract Dams and reservoirs are key elements for water resources management, which includes energy production and flood control among other purposes. However, such structural interventions often change river hydraulic behavior, potentially causing additional effects depending on operation and geometry of the formed systems. This work presents a flood routing simulation over reservoirs and hydropower dams in Taquari-Antas basin up to the city of Encantado, located in southern Brazil. The MGB-IPH hydrological model was coupled to HEC-RAS in order to perform an intercomparison between different scenarios and operation rules of the dams. Results showed that the capacity of the existing reservoirs is relatively low for flood peak attenuation, and actual operation of the structures can slightly speed up the hydrograph during a flood event. Keywords Hydrological simulation, hydraulic modelling, flood routing. INTRODUÇÃO Compreender e representar da melhor maneira possível os processos de geração e escoamento de água em rios tem sido continuamente objeto de estudo em áreas como a hidráulica e a hidrologia. O conhecimento destes processos é fundamental para o enfrentamento de desafios relacionados à demanda hídrica dos diversos setores da sociedade, os quais são diretamente associados a aspectos como inundações, estiagens e qualidade da água. Em muitas ocasiões, o suprimento das demandas pode ser garantido através da implantação de medidas estruturais ao 1 Instituto de Pesquisas Hidráulicas - IPH/UFRGS. vinisiquera@gmail.com 2 Instituto de Pesquisas Hidráulicas - IPH/UFRGS. ayan.fleischmann@gmail.com 3 Instituto de Pesquisas Hidráulicas - IPH/UFRGS. collischonn@iph.ufrgs.br * Autor Correspondente: vinisiquera@gmail.com XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 longo dos rios, a exemplo de reservatórios para múltiplas finalidades, dentre as quais se destacam a produção de energia, a irrigação, o abastecimento público e o controle de cheias. A geração de energia elétrica é o principal motivo para a implementação de reservatórios no Brasil (Bravo et al., 2008), a qual atualmente corresponde por cerca de 66% da capacidade instalada nacional (ANEEL, 2013). Além disso, o controle de cheias surge como condição fundamental em grande parte dos reservatórios utilizados para a produção de energia (Raupp et al., 2010; ONS, 2014), onde deve existir um volume de espera para redução do pico durante afluências muito elevadas e consequentemente o impacto de enchentes a montante ou jusante do barramento. No entanto, intervenções estruturais desta natureza podem acabar acarretando em alguns efeitos distintos dependendo das características dos sistemas hídricos formados. Por exemplo, a formação de longos reservatórios artificiais em função do represamento de barragens pode, sob determinadas condições, ocasionar um efeito de translação à onda de cheia, sujeito à aceleração desta no canal (e. g. Garrison e Granju, 1969). Reservatórios com áreas inundadas estreitas e extensas apresentam, a montante das barragens, uma maior declividade da linha de água em relação aos reservatórios com lâminas curtas e largas, sendo que neste caso a tendência é de comportar-se como um rio durante a passagem da onda de cheia (Goodel e Wahlin, 2009; HEC/USACE, 2014). Neste contexto, o presente trabalho teve por objetivo investigar o possível efeito de reservatórios sobre a propagação de cheias em uma bacia do sul do Brasil, formados pela existência de barramentos hidrelétricos com operação a fio d'água. ESTUDO DE CASO A bacia selecionada para o presente estudo é a do Taquari-Antas, na qual está situado o Complexo Hidrelétrico do Rio das Antas, operado pela CERAN. Este complexo totaliza 360 MW de potência instalada e localiza-se em vales encaixados ao longo do rio principal, sendo formado pelas UHEs Castro Alves, Monte Claro e 14 de Julho (Figura 1). O complexo de usinas teve sua construção iniciada no ano de 2004, sendo concluído em dezembro de 2008 com o início da operação da UHE 14 de Julho. Figura 1- Localização da bacia do Taquari/Antas, no Rio Grande do Sul (à esquerda), com detalhe para o trecho de rio analisado (à direita). O trecho de rio adotado para a análise possui uma extensão aproximada de 170 km e situa-se entre o início do reservatório da UHE Castro Alves (cerca de 25 km a montante do barramento) e a cidade de Encantado, localizada cerca de 70 km a jusante da UHE 14 de Julho. Esta cidade XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 caracteriza o início do trecho mais crítico relacionado a problemas de inundação na bacia, o qual se estende até a barragem de Bom Retiro do Sul (DRH/SEMA, 2011). Além disso, alguns afluentes majoritários da bacia situam-se ao longo do trecho considerado, os quais representam importantes contribuintes para o rio principal. Entre as usinas de Castro Alves e Monte Claro encontra-se o rio da Prata, (3.777 km²), enquanto que a jusante da UHE 14 de Julho ocorre o encontro das águas de ambos rios Carreiro (2.565 km²) e Guaporé (2.490 km²) com o já nomeado rio Taquari. As três usinas hidrelétricas que compõem o Complexo do Rio das Antas têm a característica de operação a fio d'água, ou seja, as vazões defluentes são relativamente próximas à afluência e praticamente não possuem capacidade de regularização. Boa parte da queda de projeto é garantida por meio de túneis que atravessam grandes meandros originados pelo relevo e geografia da região, para os quais são verificadas grandes diferenças de cota entre o barramento e o final do trecho de vazão reduzida, especialmente para a UHE Castro Alves. METODOLOGIA Para a realização do presente estudo foi efetuada inicialmente uma simulação hidrológica a partir do modelo MGB-IPH, de maneira a representar os hidrogramas de cheia em pontos de interesse na bacia. Na sequência, o modelo hidráulico HEC-RAS foi preparado com a informação topológica da rede de drenagem, as condições de contorno geradas pelo MGB-IPH e as estruturas hidráulicas existentes nas usinas, considerando diferentes cenários de barramentos e também de operação de comportas. As informações sobre os modelos e dados utilizados encontram-se descritas a seguir. Modelo Hidrológico MGB-IPH O MGB-IPH (Collischonn e Tucci, 2001) é um modelo hidrológico distribuído composto de módulos específicos para o cálculo do balanço hídrico no solo, evapotranspiração, propagação do escoamento na célula e propagação do escoamento na rede de drenagem. A discretização da bacia é feita na forma de unidades denominadas minibacias, as quais são pequenas subdivisões definidas nos pontos de confluência entre dois trechos de rios ou em outros pontos considerados de interesse. Cada uma das minibacias é dividida em blocos resultantes da combinação de uso do solo, cobertura vegetal e tipo de solo, sem considerar a localização dentro do elemento (Collischonn e Tucci, 2001). Estes blocos são também denominados de Unidades de Resposta Hidrológica - URHs, cuja função é proporcionar a existência de áreas com comportamento hidrológico similar, explicado por características físicas relacionadas aos solos, como capacidade de armazenamento d água e condutividade hidráulica, e à cobertura vegetal, a exemplo de índice de área foliar, interceptação, profundidade das raízes e albedo. O escoamento sofre atenuação e retardo no interior da minibacia através da utilização de reservatórios lineares - superficial, sub-superficial e subterrâneo, sendo posteriormente propagado na rede de drenagem através do método de Muskingum-Cunge (Tucci, 1998). Os dados hidrológicos utilizados para a preparação do MGB-IPH foram obtidos a partir do INMET e do Hidroweb, da ANA, bem como de instituições que realizam o monitoramento na bacia do Taquari-Antas, como a CPRM e a UNIVATES. Enquanto isso, as informações necessárias para representação das diferentes respostas hidrológicas - as URHs - foram provenientes dos mapas digitais de tipo de solo, uso do solo e cobertura vegetal elaborados para o Plano de Bacia (DRH / SEMA, 2011). Modelagem hidrodinâmica: HEC-RAS XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 O HEC-RAS é um modelo hidráulico unidimensional para análise de rios desenvolvido pelo Hydrological Engineering Center, nos Estados Unidos. O software foi projetado especialmente para as atividades do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA, porém encontra-se disponível gratuitamente para uso do público em geral. Através do HEC-RAS é possível realizar simulações em regime permanente e não-permanente, incluindo módulos para cálculo de transporte de sedimentos e análise de qualidade de água (HEC / USACE, 2010). As seções transversais para o presente trabalho foram obtidas a partir do modelo HEC-RAS preparado para o plano de bacia do Taquari-Antas, ao longo dos estudos realizados para simulação de cenários de enquadramento futuro dos corpos hídricos, enquanto que as características estruturais das barragens foram obtidas a partir de informações oriundas do website da CERAN (< e do trabalho realizado por Fernandes et al. (2008). Além disso, foi realizada também a compatibilização das seções transversais em relação ao volume dos reservatórios existentes a montante dos barramentos, considerando o nível de água operacional das usinas a fio d'água. Para a etapa de simulação hidráulica, os seguintes cenários foram considerados para avaliação: Cenário 1: Sem a existência de barragens. Neste cenário, foi avaliada uma situação representando o comportamento natural do rio que aconteceria durante a ocorrência de uma cheia, dada pela ausência das estruturas hidráulicas; Cenário 2: Com a existência de barragens, na condição atual. Neste cenário foi avaliada a situação real, onde é desejada a maximização da produção de energia com o atendimento da regra de operação dos reservatórios. No caso da operação atual, considerou-se que os reservatórios iniciam no nível máximo operacional e que a abertura das comportas ocorre com velocidade de 10 cm/min. Cenário 3: Com a existência de barragens, na condição de comportas totalmente abertas. Neste cenário, são formados volumes de espera nas UHEs Monte Claro e 14 de Julho com a finalidade de controle de enchentes, na qual os reservatórios encontram-se com níveis mínimos no momento de chegada do hidrograma de cheia. Ressalta-se que a vazão defluente da UHE Castro Alves ocorre apenas por vertedor livre, sendo a comporta unicamente utilizada para liberação da vazão mínima ambiental. Por este motivo, nenhum controle operacional foi considerado para este barramento. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após uma etapa inicial de calibração e verificação do MGB-IPH, a simulação hidrológica foi realizada para dois eventos recentes de cheia, um de pequena dimensão e outro extremo, ocorridos respectivamente nos anos de 2014 e Esta simulação foi concebida de maneira a representar estes eventos de forma mais realística possível, com base na condição natural de formação das enchentes em função da passagem dos sistemas meteorológicos e dos processos físicos que ocorrem na bacia. Como avaliação preliminar, na Tabela 1 estão apresentados os volumes calculados a partir dos hidrogramas de cheia simulados em cada usina e na cidade de Encantado. Além disso, devido a ausência de contribuintes significativos entre as UHEs Monte Claro e 14 de Julho, o volume dos hidrogramas foi mantido constante no XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 trecho indicado. Já na Tabela 2, os volumes anteriores foram novamente calculados para uma situação hipotética considerando a possibilidade de armazenamento total, onde cada reservatório estaria inicialmente vazio no início da cheia e permitiria a retenção do volume de água após a passagem da mesma. Com base nas informações da Tabela 2, é possível observar que nestes eventos um pouco menos da metade do volume da cheia que passou por Encantado foi proveniente da área de drenagem até a UHE Castro Alves. Além disso, percebe-se que os rios Carreiro e Guaporé, situados a jusante da UHE 14 de Julho, também tiveram uma contribuição importante, o que potencialmente acaba diminuindo a utilidade dos reservatórios para atenuação da cheia na cidade mencionada. Considerando o maior dentre os reservatórios, o da UHE Castro Alves, o seu volume total corresponderia aproximadamente a 10% do volume da cheia de Jun/2014, enquanto que na situação mais crítica (Jul/2011) este percentual ficaria um pouco abaixo de 5%. Caso esta reservação inicial fosse possível, o volume total contido nos reservatórios das usinas a jusante (67 hm³) - composto pelas UHEs Monte Claro e 14 de Julho - poderia reduzir cerca de 8% e 17% do volume de cheia que havia passado pela cidade de Encantado, respectivamente para os eventos ocorridos nos anos de 2011 e Tabela 1. Volumes estimados para os hidrogramas de cheia que passam nos reservatórios das UHEs analisadas e na cidade de Encantado, para os eventos de 06/06/2014 e 21/07/2011. Local Volume da cheia (hm³) 06/06/ /07/2011 UHE Castro Alves UHE Monte Claro UHE 14 de Julho Encantado Tabela 2. Volumes estimados para o hidrograma de cheia que passa em cada um dos locais, considerando o volume total dos reservatórios para atenuação. Local 06/06/ /07/2011 Volume do reservatório Volume da % de atenuação Volume da % de atenuação cheia (hm³) em Encantado cheia (hm³) em Encantado UHE Castro Alves 91, ,1 % 708 4,6 % UHE Monte Claro ,3 % ,6 % UHE 14 de Julho 55, % ,8 % Encantado Para realização da simulação hidrodinâmica, foram determinadas as seguintes condições de contorno a partir da simulação com o MGB-IPH: (i) hidrograma afluente na UHE Castro Alves, incluindo na foz dos rios Prata, Carreiro e Guaporé para condição de montante e; (ii) declividade da linha de água a jusante (Encantado), necessária para o cálculo da profundidade normal na equação de Manning em escoamento à superfície livre. Após a preparação das condições de contorno, a avaliação da influência dos reservatórios na propagação de cheias na bacia do Taquari-Antas foi realizada a partir da intercomparação dos cenários propostos. Em termos práticos, a atenuação dos impactos da cheia é possibilitada a partir de um conjunto de regras de operação associado a um volume de espera no reservatório, de tal forma que XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 sejam permitidos o armazenamento de parte do volume de cheia afluente e a redução do pico de vazão. A operação ocorre de maneira a escoar a vazão natural até um determinado limite crítico, a partir do qual o controle da vazão defluente é realizado através da regulação da abertura das comportas. Para fins de simulação do cenário 3, as comportas das usinas 14 de Julho e Monte Claro foram mantidas em sua abertura total sem qualquer operação de fechamento das mesmas, sendo os resultados para o menor evento de cheia (06/06/2014) mostrados nas figuras 2 e 3. Figura 2. Perfil da linha de água no trecho entre os reservatórios UHE Monte Claro e 14 de Julho, para o dia 05/06/2014 às 00:00. Figura 3. Perfil da linha de água no trecho entre os reservatórios UHE Monte Claro e 14 de Julho, para o dia 06/06/2014 às 05:00, com início do extravasamento na usina a jusante. É possível observar, através das figuras acima apresentadas, que mesmo com as comportas totalmente abertas haveria o extravasamento no vertedor livre destes reservatórios, praticamente no instante de pico da cheia ocorrida - às 5:00 do dia 06/06/2014. Tal situação indica uma provável incapacidade de atenuação das cheias mesmo em eventos de menor relevância, considerando a configuração atual das estruturas por parte dos barramentos existentes. Por este motivo não foram consideradas regras operacionais para controle de comportas neste cenário, para o qual foi mantida a operação com total abertura tendo em vista à máxima atenuação até o completo enchimento do reservatório. A figura 12 mostra o resultado para o evento do dia 06/06/2014, na cidade de Encantado, considerando de maneira conjunta os 3 cenários testados. É possível verificar que a operação atual das usinas a fio d'água praticamente não alterou a vazão de pico da cheia, porém causou uma ascensão um pouco mais rápida do hidrograma em relação à situação de total ausência dos XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 barramentos. Embora a operação com volume de espera tenha resultado em um comportamento hidrológico esperado, a o amortecimento do hidrograma foi muito pequeno se comparado à situação sem a existência das barragens. Analogamente, a figura 13 mostra a simulação hidráulica para o evento do dia 21/07/2011, apresentando os cenários testados apenas para o hidrograma da cheia principal. A operação atual das usinas também ocasionou uma pequena aceleração da cheia em relação à situação de total ausência dos barramentos, o que pode ser percebido durante a ascensão do respectivo hidrograma. Além disso, da mesma forma a operação com volume de espera alterou minimamente a vazão máxima simulada, mostrando que estas usinas não teriam qualquer utilidade para o controle de enchentes destas magnitudes. Figura 4. Resultado da simulação hidráulica em Encantado para os cenários de barramento propostos, referente ao evento do dia 06/06/2014. Figura 5. Resultado da simulação hidráulica em Encantado para os cenários de barramento propostos, referente ao evento do dia 21/07/2011. CONCLUSÃO A avaliação do estudo consistiu na intercomparação entre diferentes cenários para barramentos e operação das usinas, considerando situações com presença e ausência das XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 intervenções estruturais, bem como a maximização da produção de energia ou do uso para controle de cheias. Os resultados obtidos mostraram que os reservatórios das UHEs Monte Claro e 14 de Julho não demonstraram capacidade no controle de cheias para a cidade de Encantado, o que poderia ser pouco relevante mesmo com uma possível introdução de comportas e regras de operação para esta finalidade na usina hidrelétrica de Castro Alves. Entretanto, os resultados da análise indicaram uma pequena aceleração durante a evolução dos hidrogramas em um evento típico de cheia, considerando a operação das UHEs no nível máximo operacional. Esta situação indica que a avaliação deste efeito e dos seus possíveis impactos pode ser importante em estudos de barragens com características semelhantes dos reservatórios formados, uma vez que pode ocorrer certas condições como simultaneidade de picos em afluentes situados a jusante do barramento e consequentemente a sua intensificação. REFERÊNCIAS BRAVO, J. M; PAZ, A. R.; COLLISCHONN, W.; UVO, C. B.; PEDROLLO, O. C.; CHOU, S. C. (2009). Incorporating Forecasts of Rainfall in Two Hydrologic Models Used for Medium-Range Streamflow Forecasting. Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 14, p COLLISCHONN, W.; TUCCI, C. E. M. (2001) Simulação hidrológica de grandes bacias. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Vol. 6, n. 1, p DRH/SEMA (2011). Plano de Bacia do Taquari-Antas. Secretaria Estadual do Meio Ambiente. Estado do Rio Grande do Sul. FERNANDES, M. A; FISCHER, V.; CHIARELLO, M. W. (2008) The Antas River Hydropower Complex. In: CBDB, Main Brazilian Dams - Vol. III Companhia Energética do Rio das Antas GARRINSON, J. M.; GANJU, J-P, P. (1969) Unsteady Flow Simulation in Rivers and Reservoirs. Journal of Hydraulics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, p GOODELL, C.; WAHLIN, B. (2009). Dynamic and Level Pool Reservoir Drawdown: A Practical Comparison for Dam Breach Modeling. In: 33rd IAHR Congress Proceedings, Vancouver, Canada. HEC/USACE (2010). HEC-RAS User's Manual, Version 4.1. Institute of Water Resources. Hydrological Engineering Center. HEC/USACE (2014) Using HEC-RAS for Dam Break Studies. Training Documents TD-39, Hydrological Engineering Center, US Army Corps of Engineers. 62 p. ONS (2014). Operador Nacional do Sistema Elétrico. Plano Anual de Prevenção de Cheias. Disponível em: < RAUPP, I. P.; COSTA, F. S.; DAMAZIO, J. M. (2010). Minimização do conflito entre a geração da energia elétrica e o controle de cheias no planejamento da operação de reservatórios II: aplicação. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Vol. 15, n. 2, p TUCCI, C. E. M. (1998). Modelos Hidrológicos. 1ª edição. ABRH: Porto Alegre, 669 p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8