MODELAGEM MATEMÁTICA DO COMPORTAMENTO SEDMENTOLÓGICO DO RIO MADEIRA E DO FUTURO RESERVATÓRIO DA UHE SANTO ANTONIO RELATÓRIO DE ANDAMENTO RA 1

Transcrição

1 UHE SANTO ANTÔNIO PROJETO BÁSICO MODELAGEM MATEMÁTICA DO COMPORTAMENTO SEDMENTOLÓGICO DO RIO MADEIRA E DO FUTURO RESERVATÓRIO DA UHE SANTO ANTONIO RELATÓRIO DE ANDAMENTO RA 1 JULHO LHO/2008

2 UHE SANTO ANTÔNIO MODELAGEM MATEMÁTICA DO COMPORTAMENTO SEDMENTOLÓGICO DO RIO MADEIRA E DO FUTURO RESERVATÓRIO DA UHE SANTO ANTONIO RELATÓRIO DE ANDAMENTO RA 1 JULHO/ JULHO/2008 EMISSÃO INICIAL JCM EFM JCS REV. DATA DESCRIÇÃO ELAB. VISTO APROV.

3 ÍNDICE Item Assunto Página 1. INTRODUÇÃO MODELOS EMPREGADOS MODELAGEM UNIDIMENSIONAL MODELAGEM BIDIMENSIONAL ANDAMENTO DOS SERVIÇOS RESERVATÓRIO DA UHE SANTO ANTÔNIO TRECHO DE JUSANTE 009 ANEXOS - MANCHAS DE INUNDAÇÃO 013 i

4 1. INTRODUÇÃO 1

5 Conforme citado no Programa de Levantamentos e Monitoramento Hidrossedimentológico do Rio Madeira e do Futuro Reservatório da UHE Santo Antônio, parte integrante do Projeto Básico Ambiental, a ampliação da base de dados hidrossedimentológicos obtida com a continuidade das campanhas hidrométricas realizadas após o EVTE e o EIA, determina uma revisão ampla dos Estudos Hidrossedimentológicos então realizados. Esta revisão se aplica fundamentalmente sobre a determinação e estabelecimento da curva de descarga líquida e curva de descarga sólida, além da distribuição granulométrica dos sedimentos nas principais estações fluviométricas do trecho em estudo. Dessa forma, a nova análise deverá conter, entre outros: Modelagem matemática uni-dimensional do transporte de sedimentos do rio Madeira em condições atuais e com reservatório através da aplicação do modelo HEC-6, incluindo o trecho a jusante do aproveitamento, avaliando a evolução temporal das condições de assoreamento do reservatório e de erosão a jusante; Modelagem matemática bi-dimensional do transporte de sedimento do rio Madeira que deverá se restringir às regiões próximas ao barramento da UHE Santo Antônio (5 km a montante e 9 km a jusante), onde as maiores profundidades e o alargamento proporcionado pela barragem, a montante, e os efeitos das estruturas de descargas, a jusante, têm influências significativas sobre o comportamento sedimentológico. Esses estudos, propostos no relatório Modelagem Matemática do Comportamento Sedimentológico do Rio Madeira e dos Futuros Reservatórios, de janeiro de 2008, têm por objetivos: Aprofundar o conhecimento sobre o comportamento sedimentológico do rio Madeira nas condições atuais, anteriores à construção do aproveitamento de Santo Antônio, considerando todas as informações disponíveis até o presente; Prognosticar a evolução do comportamento do rio Madeira ao longo de todo o estirão afetado pela implantação do reservatório, ampliando a base de dados disponível e empregando as melhores técnicas de modelagem existentes e compatíveis com essa base; Detalhar o prognóstico do comportamento hidrossedimentológico das porções do reservatório próximas à barragem da UHE Santo Antônio, com auxílio de modelos bidimensionais; Deixar implantada ferramenta de análise sedimentológica (modelo unidimensional) que permita o acompanhamento dos processos prognosticados, após a entrada em operação do aproveitamento. As características morfológicas e hidráulicas do trecho de rio em estudo indicaram a diretriz metodológica a adotar na modelagem, ou seja, executá-la em duas etapas complementares, assim definidas: 2

6 Modelagem unidimensional do estirão de 389 km de jusante da cachoeira de Jirau até a cidade de Humaitá - para simulação das condições atuais (calibragem de parâmetros) e prognóstico das futuras, após a implantação dos reservatórios. Modelagem bidimensional de segmentos do reservatório e do rio Madeira a jusante, próximo à barragem de Santo Antônio, utilizando os resultados da modelagem unidimensional para o estabelecimento das condições de contorno. 3

7 2. MODELOS EMPREGADOS 4

8 2.1. MODELAGEM UNIDIMENSIONAL Nos estudos que estão sendo desenvolvidos foi empregado o modelo HEC-RAS - River Analysis System, desenvolvido pelo U. S. Corps of Engineers, que em sua versão mais recente, a versão 4.0, possui um módulo de simulação de transporte de sedimentos, que será também empregado nas etapas subsequentes do projeto. Foi utilizado também, de forma auxiliar, o modelo SRH-1D (Sedimentation and River Hydraulics One Dimensional), desenvolvido pelo Bureau of Reclamation e pela Environmental Protection Agency, que constitui-se em um modelo fluvial para leitos móveis e transporte de sedimentos em rios e canais. Entre outras aplicações o modelo pode ser usado para simular fluxos estacionários e não estacionários assim como transporte de sedimentos coesivos e não coesivos. Para a modelagem unidimensional, prevê-se também a utilização do modelo HEC-6T, que é uma versão comercial do modelo HEC 6 - Scour and Deposition in Rivers and Resevoirs, desenvolvido e distribuído pelo U.S Army Corps of Engineers, empregado nos estudos anteriores. A opção pelo emprego de um modelo comercial nessa etapa dos trabalhos foi ditada pela existência de suporte técnico ao software, que para o modelo HEC-6 já não é mais disponível MODELAGEM BIDIMENSIONAL A modelagem bidimensional deverá se restringir às regiões próximas às obras da UHE Santo Antônio (5 km a montante e 9 km a jusante), onde as maiores profundidades e o alargamento proporcionado pela barragem, a montante, e os efeitos das estruturas de descarga, a jusante, têm maior influência sobre o comportamento sedimentológico. Dentre os modelos que poderão ser empregados na modelagem bidimensional já foi adquirido o software SMS - Surface Water Modeling System, modelo matemático bidimensional, integrado na vertical, desenvolvido pelo Brigham Young University - Environmental Modeling Research Laboratory. Adicionalmente, existem outros modelos que estão sendo avaliados quanto à pertinência dos mesmos, podendo ser citados o SSIIM - Sediment Simulation In Intakes with Multiblock Option, desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental da Faculdade de Engenharia, Ciência e Tecnologia da Norwegian University of Science and Technology (NTNU), o GEMSS - Generalized Environmental Modeling System for Surface Waters, desenvolvido a partir das pesquisas que deram origem ao conhecido modelo bidimensional de qualidade da água CE-QUAL-W2, e o MIKE 21C - River Hydraulics and Morphology, modelo bidimensional de hidráulica e morfologia fluvial desenvolvido e distribuído pelo DHI-Software. O SMS é na verdade uma interface que reúne diversos modelos matemáticos, entre os quais destaca-se o modelo RMA2 e o modelo FESWMS. O modelo RMA2 é um modelo hidrodinâmico multidimensional (1D/2D), em elementos finitos, amplamente utilizado em rios e estuários. O modelo foi desenvolvido por Ian King e recebe suporte tecnico do US Army Corps of Engineers - Engineering Resource Development Center (ERDC). O FESWMS (Finite Element Surface Water Modeling System) é um sistema de múltiplos 5

9 modelos que permite simular o escoamento em duas dimensões no plano horizontal (2DH). Nesse sentido, o SMS apresenta uma interface para o modelo FST2DH (Flow and Sediment Transport). O modelo FST2DH permite a modelagem não apenas hidráulica mas também de sedimentos não coesivos em rios, estuários e ambientes costeiros. Para a realização da modelagem unidimensional, considerando inclusive o efeito dos principais afluentes existentes no trecho, especialmente o rio Jaci Paraná, são necessárias seções topobatimétricas complementares às já existentes. Tomando por base a experiência acumulada nos estudos realizados durante a Viabilidade e o EIA, foram definidos os locais dessas novas seções de forma a suprir as deficiências detectadas na modelagem anterior. Nos trechos próximos ao barramento de Santo Antonio, onde será empregada a modelagem bidimensional, deverá ser elaborada planta topobatimétrica completa, para conformar o modelo digital de terreno necessário à implementação do modelo. 6

10 3. ANDAMENTO DOS SERVIÇOS 7

11 3.1 RESERVATÓRIO DA UHE SANTO ANTÔNIO Os serviços de campo, iniciados em março de 2008, tiveram que ser interrompidos em razão da grande cheia observada este ano, que atingiu um pico de cerca de m³/s em abril, o quinto maior pico registrado no período de 1967 a As altas velocidades do rio nas seções e o grande número de troncos flutuantes e submersos transportados pela corrente tornaram as operações de campo extremamente perigosas, colocando em risco a vida dos profissionais envolvidos e os equipamentos utilizados. Adicionalmente, cabe destacar que na estação de Guajará Mirim, no rio Mamoré, registrou-se a maior cheia do histórico, no dia 10 de abril de Por conta dessa dificuldade nos trabalhos de campo, não foi possível obter ainda as informações necessárias ao desenvolvimento e a calibração dos modelos, o que será possível somente no segundo semestre de 2008, com o reinício dos trabalhos de campo previstos para o mês de julho. Mesmo assim, já foi possível apresentar os resultados obtidos com o desenvolvimento e a calibração do modelo hidrodinâmico HEC-RAS no trecho referente ao reservatório da UHE Santo Antônio, que se constitui em aprofundamento dos estudos de remanso realizados anteriormente (modelagem matemática com leito rígido, tanto em condição natural como com reservatório), com base em alguns novos dados adquiridos desde então. Os resultados e as principais conclusões sobre esse estudo constam do Projeto Básico, Relatório Final Volume I Texto PJ0686-B-R00-GR-RL de junho de 2008, de onde extraímos: Os levantamentos complementares necessários, incluindo os levantamentos de seções topobatimétricas, de granulometria do leito do rio e de níveis d água e vazões líquidas e sólidas necessários a elaboração de Modelagem Matemática do Comportamento Sedimentológico do rio Madeira e do futuro Reservatório de Santo Antônio, no qual os estudos de remanso se inserem, não estão ainda concluídos; Os resultados alcançados com as novas modelagens do escoamento, realizados no âmbito do Projeto Básico, produzem resultados com o mesmo nível de confiabilidade daqueles obtidos na Viabilidade, embora constituam uma evolução em relação ao modelo original. Os resultados obtidos com as novas modelagens do escoamento reproduzem a curvachave a jusante de Jirau, nas condições atuais sem reservatório estabelecidas nos Estudos de Viabilidade. Além disso, os perfis de linha d`água no trecho intermediário do estirão, entre Cachoeira de Teotônio e a foz do rio Jaci Paraná, são inferiores aos estimados em Estudos de Viabilidade. No momento não há qualquer indicador de se configurar uma situação mais crítica do que a apresentada nos Estudos de Viabilidade, seja com relação a curva chave de Jirau, seja em relação a área alagada. O estudo apresentou os perfis da linha d`água do rio Madeira na condição atual (natural) e na condição futura, após a implantação da UHE Santo Antônio, para as seguintes vazões: Q = m³/s vazão média mensal com 95 % de permanência 8

12 Q = m³/s - Q = m³/s vazão média de longo termo Q = m³/s média das máximas anuais Q = m³/s cheia máxima de 50 anos de recorrência Q = m³/s cheia máxima de 100 anos de recorrência Q = m³/s cheia máxima de anos de recorrência Q = m³/s cheia de projeto do vertedouro. Os perfis de linha para as vazões iguais a 4.483, , , , e m³/s foram apresentadas em forma gráfica. Apresentaram-se também as manchas de inundação a montante para cheias de 50 e 100 anos de recorrência, respectivamente. Essas manchas de inundação indicam as regiões atingidas por essas cheias, servindo de subsídio para definição inicial das áreas urbanas a serem relocadas ou protegidas contra cheias, no caso da cheia de 50 anos de recorrência, e da infra-estrutura viária, no caso da cheia de 100 anos de recorrência, segundo os condicionantes estabelecidos na DRDH N o 556/2006 da ANA. Essas manchas tem ainda caráter preliminar em razão dos estudos não estarem ainda consolidades e por não incluir o efeito do assoreamento do reservatório sobre a linha de inundação após o quarto ano de operação, conforme estabelecido na referida DRDH. Além dessas manchas foram também produzidas as referentes à vazão Q= m³/s, que corresponde à média das máximas anuais, em condições naturais e com reservatório. As referidas manchas de inundação constam dos desenhos apresentados em anexo e discriminados a seguir: PJ0686-B-R99-GR-DE-011 Mancha de Inundação a montante Cheia de 50 anos de recorrência Com reservatório; PJ0686-B-R99-GR-DE-012 Mancha de Inundação a montante Cheia de 100 anos de recorrência Com reservatório; PJ0686-B-R99-GR-DE-013 Mancha de Inundação a montante Vazão média das máximas anuais (Q= m³/s) Condições naturais; PJ0686-B-R99-GR-DE-014 Mancha de Inundação a montante Vazão média das máximas anuais (Q= m³/s) Com reservatório. Ressalta-se que essas manchas estão georreferenciadas e foram utilizadas para outras análises ambientais TRECHO DE JUSANTE Além do estudo acima descrito, foi realizado o desenvolvimento e a calibração do modelo hidrodinâmico HEC-RAS no trecho a jusante da UHE Santo Antônio (até a localidade de Humaitá), bem como calculado preliminarmente o transporte de sedimentos em Porto 9

13 Velho, cujos resultados servirão de base para o futuro modelo morfodinâmico desse trecho. As informações topobatimétricas e de níveis d água observados no rio Madeira no trecho a jusante da UHE Santo Antônio propiciaram excelentes resultados na calibração do modelo HEC-RAS para este estirão. Esses resultados tendem a melhorar ainda mais com a complementação de dados topobatimétricos a ser realizada no trecho a jusante de Santo Antônio, visando completar alguns trechos nos quais existe uma seção transversal composta por dois braços devido à presença de ilhas. Uma explicação mais detalhada dessa situação consta no relatório apresentado no Projeto Básico. A diminuição da rugosidade em função do aumento das vazões, associada com a geometria das dunas na presente análise, deverá ser verificada em campo com auxílio de levantamentos batimétricos de perfis de formas de fundo do tipo dunas para diferentes vazões. Algumas medições de perfis verticais de velocidade com auxílio de um ADCP também poderiam contribuir para este propósito. Adicionalmente, o conhecimento da presença de dunas e de sua mobilidade servirão de base para o calculo do transporte de sedimento por arrasto, informação que serviria de subsidio aos estudos de Monitoramento Hidrossedimentológico e de Modelagem Matemática do Comportamento Sedimentológico do Rio Madeira. A figura abaixo mostra os resultados da calibração para todo o trecho modelado: são somente apresentados três perfis para facilitar a visualização, referentes à vazão baixa (3.454 m³/s), média ( m³/s) e alta ( m³/s). Em geral o modelo é capaz de reproduzir com boa precisão os níveis d água observados neste trecho do rio Madeira com mínimas variações nos parâmetros de calibração. Figura Resultados da Calibração do Modelo HEC-RAS madeira humaita-guajara Legend WS 06/04/2006 che WS 24/12/2004 enc WS 30/09/2006 est Ground OWS 30/09/2006 est OWS 24/12/2004 enc OWS 06/04/2006 che 40 Altitude (m) Seção 19 Seção 18 TOPBAT_JUS Seção 17 Seção 16 Seção 15 Seção 14 Seção 13 Seção 12 Seção 11 Seção 10 Seção 09 Seção 08 Seção 07 Seção 06 Seção 04 Seção 03 Seção 02 Seção 01 Seção C Seção B Seção A Batimetria Santo Antônio Batimetria Santo Antônio River Sta Distância até Humaitá (m) 10

14 A fórmula de transporte de sedimentos de Engelund-Hansen produziu bons resultados, especialmente para os valores de descargas líquidas acima de m³/s, quando comparado com as medições de descarga sólida em suspensão e com as estimativas de descarga sólida total em Porto Velho, conforme figura a abaixo. Recomenda-se a aplicação dessa equação para a modelagem futura das alterações de fundo no rio Madeira, decorrentes da retenção de sedimentos nos reservatórios a montante. Figura Rio Madeira em Porto Velho - Equação de Engelund-Hansen Descarga Sólida Total (t/dia) Dados Engelund-Hansen Descarga Líquida (m 3 /s) Os levantamentos complementares necessários, incluindo os levantamentos de seções topobatimétricas, de granulometria do leito do rio e de níveis d água e vazões líquidas e sólidas necessários a elaboração de Modelagem Matemática do Comportamento Sedimentológico do rio Madeira e do futuro Reservatório de Santo Antônio não estão ainda concluídos. Os levantamentos de campo complementares a serem executados pela empresa MicroArs Consultoria e Projetos Ltda., no trecho de jusante do futuro reservatório de Santo Antônio compreendem os seguintes serviços: Levantamentos de mais 8 seções transversais. De maneira geral, todas as seções topobatimétricas levantadas devem se estender até a parte mais alta do barranco nas duas margens do rio; Levantamentos batimétricos longitudinais em 5 trechos do rio Madeira, localizados a montante e jusante da UHE Santo Antônio. Cada trecho, de preferência deverá 11

15 localizar-se num estirão reto do rio, sem grandes mudanças na largura superficial, e com um comprimento mínimo de 1 quilômetro; Obtenção de leituras de régua em 5 novas estações fluviométricas além das estações já existentes instaladas no estirão, visando a determinação de um perfil de linha d água mais detalhado, de modo a caracterizar todos os pontos de controle (a montante e a jusante). 12

16 ANEXOS - MANCHAS DE INUNDAÇÃO 13

17 14

18 15

19 16

20 17