Material de apoio Elaborado por Gracely Ortega Tavares monitora da disciplina Hidrologia

Transcrição

1 Material de apoio Elaborado por Gracely Ortega Tavares monitora da disciplina Hidrologia RESERVATÓRIOS 1. CONCEITOS GERAIS Um reservatório é uma construção formada pelo barramento artificial de um vale natural ou pela formação artificial de lagos não associados a uma bacia de drenagem natural e com vazões de efluentes sujeitas a controle Qualquer que seja o tamanho do reservatório ou a finalidade da água acumulada, sua principal função é a de regulador, objetivando a manutenção da vazão dos cursos de água ou atendendo às variações da demanda dos usuários. As principais características físicas de um reservatório são: Capacidade de armazenamento, calculada a partir de levantamentos topográficos; Armazenamento da água pelo solo da margem devido sua permeabilidade; Caudabilidade, quantidade de água que pode ser fornecida, pelo reservatório num determinado período de tempo; Regularização da vazão dos cursos d água ou atendendo às variações da demanda dos usuários; Transporte de material sólido, por suspensão e arrastamentos; Perdas d água, devido principalmente a infiltração e a evaporação; 1.1 Regularização de vazões Regularizar vazão de um rio significa armazenar o excesso de água no período chuvoso e compensar as deficiências nos períodos de estiagem. A acumulação é feita em reservatórios formados pelas barragens implantadas nos cursos d água. 1.2 Dimensionamento de reservatórios Volume morto O volume morto corresponde à parcela de volume total do reservatório inativa ou indisponível para fins de captação de água. Corresponde ao volume do reservatório compreendido abaixo do NA mínimo operacional, conforme mostra a Figura 1. 1

2 Figura 1. Volume morto do reservatório. Os reservatórios funcionam como grandes bacias de detenção de sedimentos, pois propiciam condições favoráveis à sedimentação do material sólido transportado pelo curso d água devido à diminuição da velocidade das águas. Ao longo do reservatório, formam-se depósitos com distribuição granulométrica característica, variando o tamanho dos grãos de montante (onde se deposita o material grosseiro) para jusante (com material fino). Em conseqüência da retenção dos sedimentos, as águas saem claras do reservatório, aumentando o poder erosivo a jusante da barragem. Uma vez que os sedimentos acumulados alcançam a soleira da tomada d água, não há mais condições para a operação adequada do reservatório, esgotando-se sua vida útil. O método usual para se tratar do assoreamento é destinar uma parcela do volume total do reservatório à sedimentação dos sólidos durante a sua vida útil.(volume morto). O assoreamento de um reservatório pode ser estimado a partir dos dados de transporte sólido do curso d água e da capacidade de retenção do reservatório: A) Aporte Sólido No Brasil, os dados de transporte sólido ainda são escassos. Assim, muitos estudos desta natureza acabam recorrendo a regionalização dos dados sedimentométricos, efetuando estimativas do aporte sólido anual em função de dados existentes em regiões próximas à área de projeto, em bacias vizinhas de características físicas e de uso e ocupação do solo semelhantes. Assim, pode-se recorrer a curvas que relacionam a vazão sólida total com a vazão líquida ou, mais freqüente, com a área de drenagem da bacia hidrográfica. B) Eficiência de Retenção de Sedimentos A eficiência de retenção de sedimentos no reservatório depende da proporção entre a capacidade do reservatório e o volume total afluente. Um reservatório pequeno, em um rio, deixa passar a maior parte de sua vazão afluente tão rapidamente, que as partículas 2

3 finas não se depositam e seguem para jusante. Um grande reservatório, por sua vez, pode reter a água por vários anos, possibilitando uma deposição quase total dos sólidos em suspensão. Além disso, a eficiência de retenção de sedimentos diminui com o tempo, à medida que a capacidade do reservatório se reduz pelo assoreamento. C) Distribuição dos Sedimentos nos Reservatórios Os depósitos de sedimentos se formam irregularmente ao longo dos reservatórios, estendendo-se de montante para jusante com distribuição granulométrica que varia desde os sedimentos mais grossos até as partículas finas. A deposição de montante denomina-se depósito de remanso (em referência ao fenômeno hidráulico), e caracteriza-se por uma granulometria grosseira. As deposições que ocorrem dentro do reservatório são chamadas de delta, depósito de margem e depósito de leito. O delta ainda se forma com sedimentos grosseiros. Já nos depósitos de margem e de leito, depositam-se os sedimentos mais finos. Os depósitos de remanso criam problemas de enchentes a montante do lago. Os depósitos que se formam no interior do reservatório provocam a redução de sua capacidade de acumulação: o delta tende a reduzir gradualmente o volume útil do reservatório, enquanto os depósitos do leito causam o assoreamento do volume morto. Os sedimentos que alcançam a barragem, passando por condutos ou pelas estruturas de vertimento, provocam a abrasão e o desgaste das comportas, turbinas, tubulações e outros elementos. A jusante da barragem, as águas claras provocam a erosão do leito e das margens do canal Volume útil Corresponde ao volume compreendido entre os níveis d água mínimo operacional e máximo operacional, (a cota máxima permitida para operação normal do reservatório. Geralmente, este nível coincide com a crista do extravasador ou com a borda superior das comportas do vertedor). Este é o volume de armazenamento necessário num reservatório para garantir uma vazão regularizada constante, durante o período mais crítico de estiagem. Devem-se considerar as perdas por evaporação e por infiltração no solo, quando estas forem significativas. 3

4 Figura 2. Volume útil do reservatório. O volume útil pode ser determinado de duas formas: Diagrama de massa ou diagrama de Rippl; Método do máximo déficit acumulado. Diagrama de massa ou diagrama de Rippl O diagrama de massa é definido como a integral do hidrograma. É um diagrama de volumes acumulados que afluem ao reservatório. Um hidrograma como é mostrado na Figura 3, da origem a um diagrama de massas como mostra a Figura 4. Figura 3 Hidrograma fluente a um reservatório. Figura.4 Diagrama de massa. 4

5 Como o diagrama de massa é integral do hidrograma, as tangentes a essa curva dão as vazões em cada tempo considerado. Para a explanação do cálculo do volume útil, considerou-se um outro diagrama de massa hipotético mostrado na Figura 5 abaixo. Figura 5 Diagrama de massa hipotético. No caso do abastecimento de água, a demanda é constante (vazão de adução de projeto). A reta A representa a demanda mensal acumulada do abastecimento de água. A curva B corresponde ao volume disponível acumulado do curso de água. Pelos pontos C e D, de máximos e mínimos relativos, traçam-se tangentes paralelas à reta de demanda acumulada. No primeiro período, o nível d água no reservatório estará descendo e no segundo período estará subindo; o ponto D representa o instante em que terminou a estiagem e inicia o período chuvoso. O ponto E representa o instante em que o reservatório está cheio e a água começa extravasar. O intervalo de tempo compreendido entre os instantes correspondentes aos pontos C e E chama-se período crítico. As ordenadas DG representam os máximos déficits de água durante os períodos críticos. O maior valor da ordenada GD no diagrama de Rippl corresponde ao volume útil do reservatório para atender ao abastecimento de água. Como o diagrama de Rippl é um método gráfico, o resultado obtido é bastante impreciso. 2 VERTEDORES Denomina-se vertedores as aberturas ou entalhes na parte superior de uma parede, através das quais o líquido escoa; por extensão, dá-se o nome de vertedor a toda parede, bem como aos descarregadores de superfícies dos reservatórios. Em outras palavras é definido como simples paredes, diques ou aberturas sobre as quais um líquido escoa. O terreno aplica-se também a obstáculos à passagem da 5

6 corrente e aos extravasores das represas. Os vertedores são, por assim dizer, orifícios sem a borda superior. Há muito tempo que os vertedores têm sido utilizados satisfatoriamente na medição de vazões de pequenos cursos de água e condutos livres, assim como no controle do escoamento em galerias e canais, razão por que o seu estudo é de grande importância. 2.1 Terminologia A borda horizontal denomina-se a crista, ou soleira. As bordas verticais constituem as faces do vertedouro. A carga do vertedor, H é a altura atingida pela água, a contar da cota da soleira do vertedor. Devido a depressão (abaixamento) da lâmina vertente junto ao vertedor, a carga H deve ser medida a montante a uma distância aproximadamente igual ou superior a 5H, conforme mostra a Figura Classificação Figura 6 Esquema dos vertedores Assumindo as mais variadas formas e disposições, os vertedores apresentam comportamentos dos mais diversos, sendo muitos os fatores que podem servir de base à sua classificação. 6

7 1. Quanto à forma a) Simples (retangulares, trapezoidais, triangulares, etc.) b) Compostas (seções combinadas) 2. Quanto à altura relativa da soleira a) Vertedores completos ou livres (p > p i ) b) Vertedores incompletos ou afogados (p < p i ) 3. Quanto à natureza ou espessura da parede a) Vertedores em parede delgada (chapas ou madeira chanfrada) b) Vertedores em parede espessa (e > 0,66H) 3. Dados Básicos: Dados Fluviométricos: Esta é a informação mais relevante. Em geral é necessária a compilação de todas as estações fluviométricas, não só na área de drenagem do aproveitamento, como também daquelas situadas a jusante ou em bacias próximas com características fisiográficas semelhantes às da área de drenagem em estudo. Estes dados adicionais podem fornecer informações importantes para a caracterização de curvas de freqüência e hidrogramas unitários na região da obra. Para a coleta dos dados fluviométricos, o projetista deve se reportar principalmente ao Sistema de Informações Hidrometeorológicas (SIH) do DNAEE. Este sistema gerencia e processa de maneira centralizada os dados hidrometeorológicos no Brasil. Recomenda-se consultar a publicação Inventário das Estações Fluviométricas, que contém informações relevantes de cerca de estações fluviométricas tais como localização, período e freqüência das observações, e tipo de dados coletados. O projetista deve ainda consultar entidades estaduais ou regionais vinculadas à utilização de recursos hídricos. Deve-se catalogar as marcas de cheias disponíveis no vale estudado, pois são informações úteis em estudos de freqüências de cheias. No Brasil, na maioria dos casos, as estações fluviométricas fornecem duas leituras de escala por dia (7 e 17 horas). No caso de bacias com pequenos tempos de concentração, é possível estimar o pico instantâneo das cheias a partir de equações empíricas relacionando o máximo diário, o pico instantâneo e a área de drenagem. Estas fórmulas podem servir para detalhar a cheia de projeto obtida pela análise dos registros médios diários. As séries de vazões são obtidas, de forma indireta, pela transformação dos níveis d água observados através de relações cota x vazão (Curva Chave), definidas a partir de campanhas de medições diretas de vazões. Convém lembrar, que na passagem de uma cheia, ou no caso de postos fluviométricos afetados por reservatórios à montante, as medições de vazões nelas efetuadas, obtidas em regime não permanente, deverão ser 7

8 corrigidas para os correspondentes valores em regime permanente uniforme. A transformação das vazões médias diárias demanda um trabalho especializado que envolve, detecção de erros grosseiros, definição e extrapolação de curvas-chave (o que pode envolver aplicação de modelos hidráulicos) e compatibilização de hidrogramas. Este processo é realizado continuamente por recursos hídricos e, por ocasião do projeto de obras de envergadura, o processo deve ser revisto ou iniciado. Em geral, não existe no local do aproveitamento uma estação fluviométrica. Dados de estação fluviométricas no mesmo rio e próximas ao local do aproveitamento podem ser transferidos diretamente para o local da obra, usando a relação das áreas de drenagem, desde que não haja afluentes importantes entre o local da obra e a estação em questão. Na falta de dados no local da obra ou que possam ser transferidos diretamente, poderão ser adotadas técnicas de regionalização para a definição da cheia de projeto. Entretanto, é sempre importante a instalação de estações fluviométricas no local da obra, especialmente se devem ainda ocorrer um ou mais períodos de cheias antes do início da construção da barragem. Dados Pluviométricos: Os dados pluviométricos são informações essenciais na aplicação dos métodos indiretos. Eles constituem as informações básicas na definição de chuvas de projeto. São usados ainda ao lado de dados fluviométricos concomitantes no ajuste dos modelos chuvavazão.os dados pluviométricos fornecem também informações adicionais importantes para o preenchimento de falhas e extensão de registros fluviométricos. Para a coleta dos dados pluviométricos, o projetista deve se reportar principalmente ao Sistema de Informações Hidrometeorológicas (SIH) do DNAEE. Recomenda-se consultar a publicação Inventário das Estações Pluviométricas. O projetista deve ainda consultar entidades estaduais ou regionais vinculadas à utilização de recursos hídricos. O tipo de dado pluviométrico mais comum no Brasil são as leituras de pluviômetros, feitas em intervalos de 24 horas. Correspondem, portanto, ao total precipitado durante o período entre as leituras normalmente realizadas às 7 horas da manhã. Dados de precipitação estão sujeitos a diversos tipos de erros, devido à má transcrição, influência dos ventos e à problemas diversos de instalação. Mudanças nas condições locais podem tornar os dados de uma estação pluviométrica inconsistentes, o que pode ser detectado e corrigido por curvas de massa. Quanto mais densa e bem distribuída for a rede de estações pluviométricas existente mais precisos serão a caracterização espacial das chuvas e o ajuste do modelo chuva-vazão. A precisão obtida com a rede existente depende das características da bacia e do tipo das chuvas. Chuvas intensas localizadas em bacias montanhosas requerem redes mais densas. Dados Físicos da Bacia: A caracterização física da bacia é parte importante no estudo do seu potencial de cheias. O projetista incumbido de calcular cheia de projeto de vertedores deve preparar um mapa da bacia com os seus limites, mostrando a topografia, o sistema de drenagem, a 8

9 localização das estações fluviométricas, pluviométricas e meteorológicas, principais reservatórios e áreas urbanizadas. Devem ser mapeadas as informações disponíveis sobre o uso e ocupação do solo e cobertura vegetal. Estes mapas permitem a definição de subregiões que podem ser consideradas homogêneas sob o ponto de vista de transformação de chuva em vazão. Diversos modelos chuva vazão utilizam a divisão da região em subbacias homogêneas, assumindo em cada unidade a constância dos parâmetros hidrológicos. Os critérios para sub-divisão devem considerar a percentagem de áreas impermeáveis, o tipo de solo, cobertura vegetal, a declividade e a disponibilidade de estações pluviométricas. O último fator em geral é determinante. Os dados físicos necessários para cada unidade variam de modelo para modelo, mas em geral incluem a percentagem de áreas impermeáveis, comprimento dos cursos d água e declividade do terreno. A aplicação dos modelos chuva-vazão exige ainda dados físicos a cerca dos canais naturais. O sistema de canais pode se sub-dividido em trechos e, para cada trecho, levantados as dimensões da seção, a declividade e o volume de armazenamento da planície de inundação. São necessárias ainda estimativas dos coeficientes de rugosidade, o que pode ser feito visitando o local. Deve-se sempre programar uma visita à região para confirmação das informações. Dados de Reservatórios e Barragens: O projeto de vertedores exige que se simule a ocorrência de cheias na área de drenagem do aproveitamento. Para isto, são necessárias as curvas de cota-área-volume, curvas de descarga dos vertedores e níveis máximos e mínimos de todos os reservatórios e barragens existentes ou projetados dentro da área. Usualmente, as curvas cota-área-volume são obtidos a partir de levantamentos aerofotogramétricos que permitem o traçado das curvas de nível a intervalos de 5 m. Seria desejável que estas curvas fossem obtidas a intervalos de 1 m para níveis acima do máximo normal operativo de cada aproveitamento. Desta forma, seria possível avaliar mais precisamente a capacidade de amortecimento de onda de cheia por parte dos reservatórios. As curvas de descarga dos vertedores são obtidas através de estudos em modelos reduzidos ou definidas por equações teóricas. É conveniente verificá-las através de medições no protótipo. 4. ASPECTOS AMBIENTAIS Os impactos ambientais decorrentes da implantação e operação de reservatórios podem ser destacados em dois pontos essenciais: a qualidade da água e o impacto hidrogeológico. 9

10 Qualidade da água O barramento d água impõe profundas mudanças na escala temporal que ocorrem na água. Conseqüentemente isto altera sensivelmente os processos físicos, químicos e biológicos do sistema. Para determinação da qualidade da água, é importante conhecermos o tempo de residência, ou tempo de retenção hidráulica intervalo de tempo durante o qual uma determinada massa d água permanece no reservatório desde a chegada até a saída. Conforme o uso do reservatório, controla-se o tempo de residência afetando: a reciclagem e acúmulo de nutrientes, crescimento do fitoplâncton (requer tempo de residência de 2 a 3 semanas), desenvolvimento de macrófitas aquáticas, depósito de detritos químicos e estado trófico do reservatório. Outro fator importante é a estratificação térmica. A absorção da energia solar pela água determina a sua densidade e conseqüentemente alteração biótica. A qualidade defluente de lagos, devido a retirada d água do reservatório ser por baixo, implica na má utilização biótica de estratificação. A eutrofização é o processo natural ou artificial de adição de nutrientes aos corpos d água e aos efeitos resultantes dessa adição. As atividades humanas (agricultura, urbanização...) aumentam a velocidade da eutrofização, reduzindo a vida útil do corpo d água, devido a geração de um excesso de matéria orgânica, superior à capacidade de decomposição do sistema, alterando portanto o equilíbrio ecológico do rio. Os principais impactos da eutrofização são: redução da qualidade d água destinada ao abastecimento (causa odore e sabor desagradável), inviabilização da utilização recreacional do reservatório, variações diárias da concentração de oxigênio (podendo provocar a mortandade de peixes), deposição de algas mortas no fundo do lago, crescimento excessivo de macrófitas. Impacto hidrogeológico De modo geral, a formação de reservatórios causa impactos sobre diversos aspectos ambientais de uma bacia hidrográfica. O padrão de escoamento superficial é influenciado a montante e a jusante do reservatório, e a vazão dos rios é alterada no tempo e no espaço. O enchimento do reservatório causa alterações no sistema hidrogeológico regional, atuando em magnitude crescentes de jusante para montante e na direção perpendicular, a partir das margens. Isto ocorre basicamente de duas maneiras: Modificações transitórias, em conseqüência da elevação do nível de base regional, que a descarga dos aqüíferos livres e do aumento de carga sobre o piso do reservatório, procedendo dos aqüíferos confinados sem conexão hidráulica direta com o rio barrado, e Modificações permanentes, conseqüência da elevação da superfície piezométrica do aqüífero livre (confinado ou semi-confinado) em conexão hidráulica direta com o rio, e modificação das parcelas do balanço hídrico na área de influência do reservatório. 10

11 5. BIBLIOGRAFIA LINSLEY, R. K. Engenharia de Recursos Hídricos. São Paulo: McGraw Hill do Brasil, EDUSP, SOUZA PINTO, N., TATIT HOLTZ, A. C. e MARTINS, J. A Hidrologia Básica. São Paulo: Edgar Blücher, 1976, 278p. VILLELA, S. M. e MATTOS, A Hidrologia Aplicada. São Paulo: Ed. McGraw-Hill do Brasil, 1975, 245p. TUCCI, C. E. M. et al Hidrologia. Coleção ABRH de Recursos Hídricos Ed. EESC USP, São Carlos SP 819p. BOTTURA, J A., Santos, J. P. Impacto Hidrogeológico de Reservatórios. São Paulo: IPT, Guia para Cálculo de Cheia de Projeto de Vertedores Ministério de Minas e Energia. Eletrobrás Centrais Elétricas Brasileiras SA 11