DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS HIDRÁULICAS DA BARRAGEM EIXO GUAPI-AÇU JUSANTE, LOCALIZADA NO RIO GUAPI-AÇU, ESTADO DO RIO DE JANEIRO

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1 DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS HIDRÁULICAS DA BARRAGEM EIXO GUAPI-AÇU JUSANTE, LOCALIZADA NO RIO GUAPI-AÇU, ESTADO DO RIO DE JANEIRO Mônica de Aquino Galeano da Hora 1 * & Manoel Isidro de Miranda Neo 2 Resumo Com foco na quesão da susenabilidade da água, a Universidade Federal Fluminense desenvolveu o Projeo Macacu. O projeo conemplou a proposa de implanação de uma barragem para regularização de vazões no local denominado Eixo Guapi-Açu Jusane, como alernaiva para o aumeno da disponibilidade hídrica. Em 2012, em virude do convênio firmado enre a Perobras e a Secrearia de Esado do Ambiene do Rio de Janeiro, foram conraados novos serviços de levanameno opográfico. A parir dos dados obidos, foram reavaliadas as caracerísicas físicas do reservaório e da barragem. Os resulados alcançados permiiram esabelecer o reservaório na coa 19,0 m, com volume úil de 44,2 x 10 6 m 3, admiindo-se uma probabilidade de falha no aendimeno à demanda de 3,5%. A coa de coroameno da barragem foi definida na elevação 21,0 m. Para as esruuras de saída de água, foram previsas duas válvulas dispersoras com diâmero nominal de 1,2 m e veredouro de soleira livre com largura de 25,0 m e crisa na coa 14,8 m. A vida úil do reservaório, considerando uma alura de deposição de 3,0 m, foi avaliada em 44 anos (méodo da deposição laminar) e 78 anos (méodo da redução de área). Palavras-Chave reservaório, barragem, Eixo Guapi-Açu Jusane. DESIGN OF THE HYDRAULIC STRUCTURES OF THE GUAPI-AÇU JUSANTE DAM AXIS, LOCATED IN GUAPI-AÇU RIVER, RIO DE JANEIRO STATE Absrac Focusing on he issue of waer susainabiliy, he Fluminense Federal Universiy developed he "Macacu Projec". The projec included he deploymen of a regulaing reservoir in he Guapi-Açu Jusane axis, as an alernaive o increased waer availabiliy. In 2012, under an agreemen signed beween Perobras and he Environmen Secreary of Rio de Janeiro Sae, new surveying services were hired. From he survey daa, he physical characerisics of he reservoir and dam were resized. The resuls achieved allowed o esablish he reservoir a elevaion 19.0 m, wih a capaciy of 44.2 x 10 6 m 3, assuming a probabiliy of failure of 3.5% o mee he demand. The elevaion of he dam cres was se a 21.0 m. The provided ouflow srucures are wo free discharge valves, wih a nominal diameer of 1.2 m, and a free overflow spillway wih m widh and elevaion cres se a 14.8 m. The reservoir working life, whereas deposiion of a heigh of 3.0 m, was evaluaed a 44 years (laminar deposiion mehod) and 78 years (reducion area mehod). Keywords reservoir, dam, Guapi-Açu Jusane axis. INTRODUÇÃO Com foco na quesão da susenabilidade do recurso naural água, a Universidade Federal Fluminense (UFF), com o apoio da Fundação Euclides da Cunha (FEC), paricipou e foi vencedora da segunda edição da seleção pública do Programa Perobrás Ambienal na área emáica Água: 1 Graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal Fluminense, monicadahora@oulook.com. 2 Professor Assisene do Deparameno de Engenharia Civil da Universidade Federal Fluminense, manoel.isidro@gmail.com.

2 Corpos d Água Doce e Mar. Os projeos selecionados visaram conribuir para a conservação e preservação dos recursos naurais e à consolidação socioambienal brasileira. O projeo da UFF, iniulado Planejameno Esraégico da Região Hidrográfica dos Rios Guapi-Macacu e Caceribu- Macacu, ou ainda Projeo Macacu, eve por objeivo principal a gesão inegrada dos recursos hídricos dos rios Guapi-Macacu e Caceribu-Macacu, localizados na porção da lese da bacia conribuine à Baia de Guanabara, Esado do Rio de Janeiro. Segundo UFF/FEC (2010), o rio Macacu é a principal fone de abasecimeno de água de cerca de 2,5 milhões de pessoas. O sisema já apresena problemas com relação ao aendimeno da demanda de água e se ainda for considerada a implanação do Complexo Peroquímico do Rio de Janeiro (COMPERJ), empreendimeno da Perobras, serão necessárias alernaivas que viabilizem o aumeno da disponibilidade hídrica. Assim sendo, no conexo do Projeo Macacu, foi proposa a implanação de uma barragem de regularização de vazões no local denominado Eixo Guapi-Açu Jusane. Em 2012, em virude de um convênio firmado enre a Perobras e a Secrearia de Esado do Ambiene do Rio de Janeiro (SEA), foram conraados novos serviços de levanameno opográfico na região esudada pelo Projeo Macacu. O convênio foi firmado em aendimeno a um condicionane do licenciameno ambienal que visava aumenar a disponibilidade hídrica em 5,0 m 3 /s nas regiões de impaco direo e indireo do empreendimeno COMPERJ. OBJETIVO O presene rabalho eve como principal objeivo o de avaliar e redimensionar o projeo da barragem Eixo Guapi-Açu Jusane proposo pela UFF, no âmbio do Projeo Macacu, a parir dos dados obidos pelo levanameno opográfico realizado pela SEA em Sineizando o esudo, foram definidas as curvas caracerísicas do reservaório e seus níveis operaivos, realizadas simulações para a operação de enchimeno e esvaziameno do reservaório para o aendimeno da demanda de água, laminação das cheias de projeo e definidas as caracerísicas físicas principais da barragem. REVISÃO DO DIMENSIONAMENTO DAS ESTRUTURAS HIDRÁULICAS Definição das Curvas Caracerísicas do Reservaório No âmbio do Projeo Macacu foi elaborado um mapeameno da região do eixo da barragem na escala de 1: Poseriormene, a SEA realizou novos esudos opográficos, com aerofoogrameria e apoio de campo, com nível de precisão que permiiu um mapeameno na escala de 1: Vale desacar que a parir de informações colhidas juno a SEA, com relação aos aspecos sociais e ambienais de uso e ocupação do solo e cuso social de relocação de população, adoou-se que a coa do nível d água máximo normal do reservaório (NAmáx) corresponderia a elevação 19,00 m. Do levanameno realizado, observou-se ambém que o limie inferior do reservaório (pé da barragem) esaria siuado na coa 10,00 m. Com base no exposo, foram raçados os gráficos Coa versus Área e Coa versus Volume, a parir dos dados obidos do levanameno realizado por SEA (2012). Foi dada preferência às curvas polinomiais de grau ímpar, pois polinômios de grau ímpar crescem sem limie à medida que os valores de x crescem, represenando melhor o comporameno físico do reservaório. Tabela 1 Curvas Caracerísicas do Reservaório Equação Coa x Área A=-0,0079 C 3 +0,49628 C 2 +32,938 Coa x Volume V=0,00005 C 5-0,00702 C 4 +0,37013 C 3-7,6840 C 2 +69,1377 C -227,66547

3 Cálculo da Vida Úil da Barragem pela Deposição de Sedimenos A parir dos esudos desenvolvidos por Mazza (2011), foram definidas as condições iniciais do reservaório para a esimaiva da sua vida úil, a saber: alura do depósio de sedimenos no pé da barragem igual a 3,00 m, correspondendo à coa 13,00 m (gerariz inferior da omada d água) e volume acumulado de 2,81 x 10 6 m 3 (calculado pela equação Coa versus Volume); vida úil superior a 35 anos (prazo máximo de concessão de ouorga previso na Lei 9433/97); vazão média anual afluene de 11,08 m 3 /s e descarga sólida anual afluene de /ano. Para o cálculo da vida úil pelo méodo da deposição laminar de sedimenos foi uilizado o sofware SEDIMENT, disponível em Carvalho (2008). Foram adoadas as seguines premissas: reservaório operado com consideráveis variações de nível (Tipo 3); uilização da curva de Brune com envolória média no cálculo da eficiência de reenção dos sedimenos no reservaório e axa de aumeno do ranspore sólido igual a zero. O resulado enconrado é apresenado na Figura 1. Figura 1 Vida Úil do Reservaório para Deposição Laminar de Sedimenos Para o cálculo da vida úil pelo méodo da redução de área (Borland & Miller) foi uilizado o sofware DPOSIT, ambém disponível em Carvalho (2008). Na simulação foi adoada uma axa de aumeno do ranspore sólido variando linearmene, inicial de 1,5% e final de 2,5%, e que o reservaório seria de zona plana (Tipo I). O resulado enconrado é apresenado na Figura 2. Figura 2 Vida úil Calculada pelo Méodo de Borland & Miller

4 Aravés dos resulados das simulações, foi possível aceiar a consideração inicial da coa do depósio de sedimenos na elevação 13,0 m, pois para o méodo da deposição laminar de sedimenos a vida úil resulou em 44 anos e para o méodo da redução de área correspondeu a 78 anos, ou seja, ambos resulados superiores a 35 anos. Dimensionameno do Volume do Reservaório As condições de conorno adoadas foram: vazão de aendimeno à demanda definida por SEA (2012) igual a 5,0 m 3 /s; vazão máxima ouorgável represenada pela meade da vazão Q 7,10 (criério do órgão esadual gesor de recursos hídricos) e igual a 1,6 m 3 /s e vazão regularizada represenada pela soma da vazão de aendimeno à demanda acrescida da vazão máxima ouorgável no local do barrameno e igual a 6,6 m 3 /s. A Figura 3 apresena uma esquemaização do arranjo considerado para o dimensionameno dos volumes moro (VM) e úil (VU) do reservaório. Figura 3 Esquemaização do Volume Úil e do Volume Moro de uma Barragem Com base na Figura 3, o nível d água mínimo normal do reservaório pode ser expresso por: HTA NAmín = CoaPB + H SED + HTA + (1) 2 onde: NA nível d água mínimo normal, em m. mín Coa PB coa do pé da barragem e igual a 10,00 m. H SED alura do depósio de sedimenos e igual a 3,00 m. H TA alura da omada d água, em m. H TA 2 submergência críica, ou seja, alura mínima de água necessária para eviar a formação de vórices na omada d água, em m. O valor adoado foi fundamenado a parir dos esudos desenvolvidos por Ferreira (2001). Para o presene rabalho, adoou-se que a omada d água esaria acoplada a duas válvulas dispersoras com diâmero de 1,20 m. Efeuando as devidas subsiuições na equação (1), o NA mín do reservaório esaria siuado na coa de 14,80 m, correspondendo a um volume moro de m 3, obido da curva Coa versus Volume. Para deerminação da capacidade de vazão das válvulas dispersoras, foi adoada a fórmula da capacidade de descarga de um orifício, definida por:

5 Q DEF = µ A 2 g h (2) onde: Q DEF vazão defluene pelo orifício, em m 3 /s. µ coeficiene de descarga do orifício, considerado igual a 0,6. A área do orifício, em m 2. g aceleração da gravidade e igual a 9,81 m/s 2. h carga hidráulica, em m. A parir da equação (2), foram calculadas as vazões defluenes do reservaório aravés das duas válvulas dispersoras e a Tabela 2 apresena os resulados alcançados para as coas relacionadas. Desaca-se que a variável H c represena a alura aé o cenro da omada d água, a parir do NA mín. Tabela 2 Vazão Defluene pelas Válvulas Dispersoras NA reservaório Hc (m) (m) Q DEF (m 3 /s) 14,80 1,20 6,6 15,10 1,50 7,4 15,40 1,80 8,1 15,70 2,10 8,7 16,00 2,40 9,3 16,30 2,70 9,9 16,60 3,00 10,4 16,90 3,30 10,9 17,20 3,60 11,4 17,50 3,90 11,9 17,80 4,20 12,3 18,10 4,50 12,8 18,40 4,80 13,2 18,70 5,10 13,6 19,00 5,40 14,0 A análise da Tabela 2 permie inferir que a consideração de duas válvulas dispersoras com diâmero de 1,20 m aende a vazão regularizada de 6,6 m 3 /s. Para o cálculo do volume úil do reservaório foi uilizada a planilha elerônica desenvolvida por Hora e al (2010) que é fundamenada na formulação do méodo da simulação proposo por McMahon & Main (1978) e expressa por: Z = Z + Q D E + 1 (3) 0 1 Z + C (4) onde: Z + 1 volume armazenado no final do período de empo (igual ao volume armazenado no início do período de empo +1). Z volume armazenado no início do período de empo. Q volume afluene durane o período de empo.

6 D volume defluido durane o período de empo. E volume evaporado no reservaório durane o período de empo. C volume úil do reservaório. A vazão defluene corresponde à soma das parcelas de vazões regularizada e verida. A vazão verida é aquela que é descarregada por uma esruura exravasora (e.g., veredouro ou descarregador de fundo). Já a vazão regularizada é definida como sendo a maior vazão defluída de forma consane, ao longo do período de simulação, durane a condição de enchimeno ou deplecionameno do reservaório. Porano, ela represena a média das vazões afluenes do período em que o reservaório esava oalmene cheio (100%), passou pelo insane em que ficou vazio (0%), e ornou a ficar cheio novamene (100%), sem reenchimenos oais inermediários, uilizando, nese inervalo de empo, odo o volume úil do reservaório, conforme proposo por Hora (2012). Parindo da condição inicial de reservaório cheio e com base na série hisórica de vazões médias mensais, exraída de UFF/FEC (2010), e referene ao período de jan./1932 a dez./2007, foram realizadas várias simulações buscando variar a capacidade de armazenameno do reservaório para aender a uma confiabilidade de aé 95% no empo, ou seja, com aé 5% de falha, como preconizado por McMahon e al (2007). Os resumos dos resulados são mosrados na Tabela 3. Tabela 3 Variação do Volume Úil em função da Falha no Aendimeno à Demanda Falhas no empo (%) - 1,0 2,0 3,0 3,5 Volume Úil (m 3 ) Volume Toal (m 3 ) Coa Volume Toal (m) 25,37 24,97 23,16 19,92 19,18 Da análise da Tabela 3, observa-se que a coa que mais se aproxima do limie esabelecido pela SEA (elevação 19,00 m) é aquela equivalene a 19,18 m. Nesa condição, a simulação do reservaório resula em 3,5% de falha, valor considerado saisfaório. Desa forma, o volume oal do reservaório a ser adoado para o nível d água máximo normal (NAmax = 19,00 m) corresponde a m 3, obido da curva Coa versus Volume. Laminação das Cheias de Projeo Para a propagação e a laminação da cheias em reservaórios é usual a adoção da meodologia proposa por Goodrich, descria em Schulz (1989), e expressa por: 2 S+ 2 S + Q+ = I + I+ + Q (5) onde: S armazenameno ou volume acumulado no início do inervalo de empo, em m 3. S + armazenameno ou volume acumulado no final do inervalo de empo, em m 3. I vazão afluene no início do inervalo de empo, em m 3 /s. I + vazão afluene no final do inervalo de empo, em m 3 /s. Q vazão defluene no início do inervalo de empo, em m 3 /s. Q + vazão defluene no final do inervalo de empo, em m 3 /s. inervalo de empo considerado na simulação. Os ermos desconhecidos aparecem no lado esquerdo e os ermos conhecidos no lado direio.

7 Para a simulação das cheias de projeo, foram considerados os empos de reorno recomendados em ELETROBRAS (1999), para as esruuras de concreo e de erra, além dos criérios definidos no Projeo Macacu, quais sejam: veredouro do ipo soleira livre com largura de 25,00 m; dimensionameno do veredouro para a cheia de 500 anos e seu desempenho verificado para a vazão de anos; nível d água máximo maximorum (NAmaxmax) definido pela sobrelevação resulane da laminação da cheia de 500 anos e coa da crisa da barragem de erra (coa de coroameno) definida pela sobrelevação resulane da laminação da cheia de anos. Foram ambém desconsideradas as vazões defluenes pelas válvulas dispersoras durane a passagem das cheias, em virude desas serem muio pequenas em relação à magniude das vazões com 500 e anos de recorrência. Os picos das vazões afluene e defluene para o empo de recorrência de 500 anos resularam em, respecivamene, 876,70 e 45,13 m 3 /s, e a coa máxima alcançada foi igual a 19,88 m, correspondendo a uma sobrelevação de 0,88 m em relação ao NAmax. Já o pico das vazões afluene e defluene para o empo de recorrência de anos resularam em, respecivamene, 1.214,94 e 60,37 m 3 /s, e a coa máxima aingida foi de 20,10 m, correspondendo a uma sobrelevação de 1,10 m em relação ao NAmax. Por quesão de segurança, a coa da crisa do coroameno da barragem foi admiida como sendo igual a 21,00 m, represenando uma borda livre de 1,12 m em relação ao NAmaxmax e uma folga adicional de 0,90 m da laminação da cheia milenar. A Figura 4 consolida as caracerísicas físicas da barragem e do reservaório proposos a parir dos esudos desenvolvidos. Figura 4 Principais Caracerísicas Físicas da Barragem e do Reservaório CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES A parir dos novos serviços de campo levanados por SEA (2012), foi possível deerminar o volume úil necessário para o aendimeno da vazão de demanda de 5,0 m 3 /s, fixada pela SEA aravés dos condicionanes de licenciameno. A vazão regularizada de 6,6 m 3 /s considerou o valor da vazão de demanda acrescido da vazão máxima ouorgável igual a 50% Q 7,10. Tendo em visa a resrição de inundação na coa 19,00 m, em função dos aspecos sociais e ambienais de uso e ocupação do solo e cuso social de relocação de população residene a ser aingida pelo fuuro reservaório, admiiu-se que a coa do nível d água máximo normal corresponde a esa elevação. Assim, a parir do valor do volume úil calculado, foram simuladas falhas no aendimeno à demanda, enre 1 a 3,5% no empo, com a finalidade de redução do volume e, consequenemene, do nível d água máximo normal. Foi selecionada a falha de 3,5% que

8 corresponde a um volume úil de 44,2 x 10 6 m 3. O nível d água máximo maximorum foi definido na coa 19,88 m e a coa de coroameno da barragem na elevação 21,00 m. No que diz respeio às defluências do reservaório, foram previsas dois ipos de esruuras: para as vazões regularizadas, duas válvulas dispersoras com diâmero nominal de 1,20 m, e para as cheias de projeo, veredouro de soleira livre com largura de 25,00 m e crisa na coa 14,80 m. A vida úil do reservaório foi avaliada por dois méodos, a saber: deposição laminar e redução de área. Em ambos, foi considerada uma alura de deposição de 3,00 m e os resulados alcançados foram de 44 anos para o primeiro méodo e 78 anos para o segundo méodo. Como os valores são superiores a 35 anos, admiiu-se que a coa de deposição dos sedimenos no pé da barragem corresponde a elevação 13,00 m. REFERÊNCIAS CARVALHO, N. O. (2008). Hidrossedimenologia Práica. 2ª edição. Ediora Inerciência Lda. Rio de Janeiro RJ. 599p. ELETROBRÁS. Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas. Manual. Rio de Janeiro, Disponível em: <hp:// Acessado em janeiro de FERREIRA, L. M. C. (2001). Submergência Críica na formação de vórices em omadas d água vericais. Disseração (Mesrado em Engenharia Civil), Faculdade de Engenharia Civil. Universidade Federal de Campinas. Campinas SP. 100p. HORA, A. F.; HORA, M. A. G. M.; NORONHA, G. C.; MARQUES, E. (2010). Operação de Reservaórios com a Consideração de Falhas no Aendimeno da Vazão de Demanda. In: XXIV Congresso Laino-Americano de Hidráulica, Puna del Ese, Uruguay, Nov HORA, M. A. G. M. (2012). Compaibilização da geração de energia em aproveiamenos hidreléricos com os demais usos dos recursos hídricos. Ediora EDUFF. Nierói RJ. 102p. MacMAHON, T. A.; MEIN, R. G. (1978). Reservoir Capaciy and Yield. Elsevier Scienific Publishing Company. New York USA. 213p. MacMAHON, T. A.; PEGRAM, G. G. S.; VOGEL, R. M.; PEEL, M. C. (2007). Revisiing reservoir sorage yield relaionships using a global sreamflow daabase. Advances in Waer Resources 30: pp MAZZA, A. S. (2011). Avaliação da Vida úil da Barragem de Guapi-Açu Jusane, Localizada na Bacia do Rio Guapi-Açu, Município de Cachoeiras de Macacu, Esado do Rio de Janeiro. Monografia (Projeo Final de Graduação em Engenharia do Meio Ambiene e Recursos Hídricos), Coordenação de Engenharia do Meio Ambiene e Recursos Hídricos. Universidade Federal Fluminense. Nierói RJ. 40p. SCHULZ, E. F. (1989). Problems in Applied Hydrology. Waer Resources Publicaions. Colorado - USA. 501p. SEA (2012). Relaório de Esudos de Alernaivas e Projeo Básico da Barragem do Guapi-Açu no rio de mesmo nome com visas à ampliação da Ofera de Água para a Região do CONLESTE Fluminense. Relaório. Secrearia de Esado do Ambiene do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro - RJ. 339p. UFF/FEC (2010). Planejameno Esraégico da Região Hidrográfica dos Rios Guapi-Macacu e Caceribu-Macacu. Nierói RJ, 544p.