PCH PARACAMBI MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO. Julho de 2011

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1 PCH PARACAMBI MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO Julho de 211 LIGHTGER 1/11 Rev. Data Descrição da revisão Elaborado por Verificado por Autorizado por CE Rev. Data Elaborado por Verificado por Autorizado por CREA CE PC JCM JCM 34.4-D AP CE - Códigos de emissão EP Estudo preliminar CO Para comentários AP Para aprovação EF Emissão final PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 1/36

2 PCH PARACAMBI MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO LIGHTGER 1/11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 1.1. Objetivos 1.2. Apresentação Geral 1.3. Desvio do Rio 2. METODOLOGIA 2.1. Modelo Hidrodinâmico 2.2. Dados Hidrológicos Disponibilizados 2.3. Construção do Modelo 3. RESULTADOS 3.1. Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu 3.2. Resultados da Calibração 3.3. Resultados da Simulação de Desvio Fase 2 para Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 3/6/ Resultados da Simulação de Desvio Fase 3 para 4 4. CONCLUSÕES 5. REFERÊNCIAS Foto da Capa: Rio Guandu (Fonte: Vertente Engenharia Ltda., 211a) PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 2/36

3 LISTA DE QUADROS: QUADRO 1 Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) QUADRO 2 Etapas Construtivas da PCH Paracambi QUADRO 3 Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo Hidrodinâmico para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da UHE Pereira Passos QUADRO 4 Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem LISTA DE FIGURAS: FIGURA 1 Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) FIGURA 2 Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) FIGURA 3 Dados Disponibilizados: Níveis d Água FIGURA 4 Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (9 a 19/1/211) FIGURA 5 Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das Contribuições Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo Hidrodinâmico FIGURA 6 Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro Existentes ao Longo do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico FIGURA 7 Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca: 33848m) no Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para a Fase 2-3 (Esquerda) e a Fase 3-4 (Direita) FIGURA 8 Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem FIGURA 9 Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 16m³/s e Manning de,45 FIGURA 1 Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) - Manning de,45 FIGURA 11 Correlação entre Níveis d Água Simulados e Observados para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de,45 FIGURA 12 Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com Manning =,45 FIGURA 13 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 24 m³/s PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 3/36

4 FIGURA 14 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 16 m³/s FIGURA 15 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos variável passando de 12m³/s para 16m³/s e Retornando a 12m³/s após 9 horas FIGURA 16 Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3 FIGURA 17 Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3) Realizada no Dia 3/6/11 FIGURA 18 Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre Tempo de Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT) FIGURA 19 Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 22 m³/s FIGURA 2 Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 16 m³/s FIGURA 21 Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Variável Passando de 16m³/s para 22 m³/s e Retornando a 16m³/s Após 12 Horas FIGURA 22 Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 3 para 4 FIGURA 23 Resultados da Simulação de Níveis e Vazões em Diversas Seções de Interesse para a Operação Recomendada para a UHE Pereira Passos durante a Operação de Fechamento da Comporta entre as Fases 3 e 4 PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 4/36

5 1. INTRODUÇÃO 1.1. Objetivos Este documento tem por objetivo apresentar os resultados encontrados com os estudos de modelagem matemática hidrodinâmica, realizados para apoiar o processo de tomada de decisão no que se refere ao planejamento e operação das atividades de desvio do Ribeirão das Lajes para implantação da PCH PARACAMBI, visando atendimento das condições técnicas, ambientais e regulatórias para este tipo de operação. As atividades ligadas ao desvio do Ribeirão das Lajes para a construção da barragem do leito do rio da PCH Paracambi irão envolver redução temporária das vazões liberadas para jusante da obra, mudanças que podem impactar negativamente a operação da Estação de Tratamento de Água da CEDAE, no rio Guandu, mais a jusante. Como a operação da UHE Pereira Passos, sob responsabilidade da LIGHT, pode contribuir para minimizar estes impactos, controlando as vazões liberadas para jusante, foi elaborado um modelo matemático hidrodinâmico capaz de descrever o comportamento do estirão do Ribeirão das Lajes desde a UHE Pereira Passos até sua confluência com o rio Santana, e do rio Guandu, desde esta confluência até à barragem de controle de níveis d água da ETA Guandu. O adequado planejamento e a integrada coordenação desta atividade deverão minimizar os possíveis impactos a jusante das obras de desvio, visando restaurar, no menor tempo possível, a vazão defluente mínima de 12 m³/s (conforme Resolução ANA-211/23), ao longo da calha do Ribeirão das Lajes até a captação da CEDAE (ETA GUANDU). No presente estudo foram investigadas diversas regras alternativas de defluência da UHE Pereira Passos, visando atender ao objetivo de minimizar o desconforto da operação da ETA Guandu durante as duas principais operações de desvio (transição das fases 2-3 e 3-4). Foram ainda caracterizadas as condições prévias necessárias para início de cada operação, dadas pelos níveis d água alcançados a montante da barragem. Durante a transição das fases 3-4, quando o fluxo do Ribeirão das Lajes será totalmente seccionado, já está programada uma paralisação para manutenção da Estação de Tratamento de Água (ETA) GUANDU, conforme entendimentos mantidos entre LIGHTGER e CEDAE. Os resultados encontrados na modelagem matemática justificam a necessidade dessa paralisação, para minimização de riscos, validam os tempos de paralisação e estimam a evolução das vazões e níveis disponíveis junto à Captação da ETA, durante a realização desses trabalhos. Para alcançar os objetivos dos estudos propostos, o trabalho realizado cumpriu com diversas atividades, conforme listadas abaixo. Análise dos Dados e da Documentação disponibilizada. Construção do Modelo Hidrodinâmico de Hidráulica Fluvial para o Trecho de Interesse. Calibração e Validação dos Parâmetros do Modelo. Simulação de Diversas Alternativas. Análise e Compilação dos Resultados. Elaboração de Apresentação e Nota Técnica com os Principais Resultados Encontrados. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 5/36

6 A FIGURA 1 apresenta uma vista área do local da região de Captação da ETA Guandu, próxima a confluência do rio Guandu e os seus afluentes Queimados e Ipiranga. FIGURA 1 Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) 1.2. Apresentação Geral A PCH Paracambi localiza-se no trecho inferior do Ribeirão das Lajes, um dos formadores do Rio Guandu, no Estado do Rio de Janeiro. Esse curso d água tem suas nascentes no arco orográfico formado pelas serras de São Brás, do Itaguaçú e da Mazomba, em altitudes superiores a 1.2 m. Em seu alto curso encontra-se localizada a Barragem de Lajes, que controla uma bacia hidrográfica com área de 35 km². O reservatório, de proporções avantajadas em comparação com a dimensão da bacia hidrográfica, recebe além da contribuição natural da sua bacia a montante, vazões transpostas do Rio Piraí, através do Túnel de Tócos. A jusante da Barragem de Lajes, o Ribeirão das Lajes recebe as águas utilizadas na geração da Usina Nilo Peçanha, transpostas do Rio Paraíba do Sul através do sistema de bombeamento Santa Cecília Vigário, denominado Desvio Paraíba Piraí. Imediatamente a jusante da restituição de Nilo Peçanha acha-se localizada a UHE Pereira Passos, associada ao reservatório de Ponte Coberta, que recebe a contribuição natural de uma área de drenagem incremental de 17 km². Finalmente, a PCH Paracambi controla uma área intermediária da ordem de 161 km² e acha-se distante da foz no Rio Guandu cerca de 33 km. A região a ser estudada refere-se à bacia do rio Guandu, mais especificamente o trecho desde o canal de fuga da UHE Pereira Passos até a Captação de água da CEDAE para a Estação de Tratamento de Água (ETA) Guandu, correspondente a uma área de drenagem incremental da ordem de 957,5km 2. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 6/36

7 A FIGURA 2 apresenta esquematicamente a bacia do rio Guandu compreendo alguns dos principais afluentes e localização dos principais pontos de interesse para o presente estudo. FIGURA 2 Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) O regime fluvial no local de implantação da PCH Paracambi é totalmente artificial. É condicionado, por um lado, à operação do reservatório de Ribeirão das Lajes, que regulariza as vazões afluentes e armazena todos os hidrogramas de cheia (nunca houve vertimento na barragem). Por outro lado, depende da operação do sistema de transposição de vazões da bacia do Paraíba do Sul, através das estações elevatórias de Santa Cecília e Vigário, que alimentam a UHE Nilo Peçanha e a UHE Fontes Nova. A capacidade máxima da UEL de Vigário é de 19 m³/s. Assim, as vazões em trânsito no local da PCH Paracambi correspondem à soma das vazões regularizadas pelo reservatório de Ribeirão das Lajes com as vazões bombeadas pela Elevatória de Vigário, e mais uma pequena contribuição intermediária de uma área de 178 km². Na maior parte do tempo, as maiores vazões são provocadas pela operação da UHE Pereira Passos em regime de ponta, com vazão turbinada máxima de 32 m³/s. O próprio vertedouro da UHE Pereira Passos, dimensionado para uma vazão de 3 m³/s, nunca foi acionado devido à ocorrência de uma cheia, tendo sido operado apenas em períodos de manutenção das unidades geradoras. O QUADRO 1 apresenta a relação dos principais afluentes dos rios Ribeirão das Lajes Guandu. Nota-se que a contribuição lateral média (afluentes) até o rio da Onça é de aproximadamente 2,48m³/s, deste até a foz do rio São Pedro é igual a 1,7m³/s e deste até a foz do rio Queimados igual a 3,89m³/s, correspondendo, respectivamente, a 15%, 63% e 23% da vazão afluente total no trecho de interesse (UHE Pereira Passos à Captação CEDAE). PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 7/36

8 QUADRO 1 Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 26 Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim ) LOCAL Distância Rio Guandu (km) Q7,1 Afluente (m³/s) Vazão Média Afluente (m³/s) Contribuição Lateral Acumulada (m³/s) Área de Drenagem (km²) UHE Pereira Passos Ribeirão da Floresta Rio Cacaria Rio da Onça Córrego dos Macacos Rio Macaco Valão da Areia Rio Santana Rio São Pedro Rio Poços, Queimados e Ipiranga Foz Desvio do Rio A sequência construtiva da barragem da PCH Paracambi foi dividida em 5 fases, que dão origem a três operações distintas de desvio, conforme descrito no QUADRO 2. Para todas as fases de desvio, no dimensionamento das estruturas, a vazão máxima dimensionamento das estruturas é 3m³/s, correspondente ao engolimento máximo da UHE Pereira Passos acrescido de 1% para considerar a contribuição da bacia incremental. QUADRO 2 Etapas Construtivas da PCH Paracambi FASE Descrição Construção das obras localizadas na margem direita (Casa de Força e Vertedouro/Adufas) mantendo-se o rio pelo leito natural e protegendo-se a obra por ensecadeira e septos naturais a montante e jusante. Desvio do rio pelos dois vãos rebaixados do vertedouro para remoção dos septos e ensecadeira, construção das ensecadeiras e da barragem do leito do rio. Desvio por dois blocos rebaixados do vertedouro. Continuação da fase anterior (construção da barragem do leito do rio). Desvio por apenas um bloco rebaixado do vertedouro. Ainda continuação da construção da barragem do leito do rio Desvio por um vão do vertedouro, com a ogiva já concretada. A barragem estará praticamente concluída nessa etapa. Etapa de Desvio Cotas de Segurança Sem desvio Ensecadeira e Septos mont. e jus. na El. 35,2 m 1ª Etapa de Desvio Ensec. Montante El. 37, m Ensec. Jusante El. 34,6 m 2ª Etapa de Desvio Ensec. Montante El. 4, m Ensec. Jusante El. 34,6 m 3ª Etapa de Desvio Coroamento mínimo da barragem El. 48, m 5 Fechamento do desvio para enchimento do reservatório. - PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 8/36

9 2. METODOLOGIA Para a avaliação dos efeitos no escoamento do rio devido às atividades de desvio planejadas para a PCH Paracambi, foi utilizado o programa HEC-RAS, versão 4.1, desenvolvido para simulação do escoamento em regimes permanente e não-permanente em rios e canais. Por meio deste programa pôde-se calcular os perfis de linha d água dinâmicos, para rios de qualquer seção transversal, associados ao deslocamento, de um hidrograma de vazões de entrada, ao longo do trecho modelado, podendo apresentar situações de escoamento subcrítico ou supercrítico. O processo de modelagem começa pela análise das informações disponíveis, incluindo as seções topobatimétricas levantadas e níveis d água e vazões observadas. O ajuste dos parâmetros e critérios do modelo, que será realizado durante o período de calibração, pode ser atingido com o auxílio de informações e dados de campo. Após a construção e calibração do modelo, torna-se possível, a custos relativamente baixos, a realização de simulações capazes de antecipar possíveis impactos decorrentes das atividades de intervenção no curso d água, favorecendo, assim, a tomada de decisões que possam minimizar ou mesmo evitar esses impactos, permitindo, ainda, a redução de custos e aumento da segurança relacionados a atividade de desvio Modelo Hidrodinâmico Conceitos Gerais As leis físicas que governam o escoamento hidrodinâmico em rios e canais são baseadas nos princípios da conservação de massa (equação da continuidade) e da conservação do momentum. Essas leis são expressas matematicamente em forma de equações diferenciais. Cada trecho de rio é representado, no modelo, por duas seções transversais, uma em cada extremidade, que devem ser representativas do curso d água no estirão. Essas seções devem ser locadas onde ocorrerem mudanças de declividade ou área molhada, rugosidade do canal e/ou obstáculos localizados. A solução da equação diferencial do escoamento depende do estabelecimento de uma condição de contorno, que pode ser o nível d água para a seção mais de jusante, no caso de escoamento subcrítico, ou o nível d água da seção mais de montante, no caso de supercrítico. Os cálculos são processados de jusante para montante, no primeiro caso, ou em sentido oposto, no segundo. Caso não se conheça o nível de partida, o programa pode assumir a ocorrência de escoamento crítico ou normal na seção inicial. Conforme já apresentado, o programa admite dois tipos de perda de carga ao longo do escoamento: perdas por atrito, distribuídas ao longo de cada trecho, e perdas localizadas, resultantes de transições bruscas no escoamento: Perdas por atrito e Perdas por transição. Para a determinação das perdas de carga por atrito entre as seções, é utilizada a fórmula de Manning para o escoamento livre, na qual o coeficiente de rugosidade n é função de diversos fatores, tais como vegetação, configuração do fundo e das margens do canal, etc. A adequada determinação dos coeficientes de Manning envolvidos nos diferentes trechos de rio representa um dos principais fatores para a obtenção de um modelo que bem caracterize os fenômenos hidráulicos envolvidos. Este coeficiente deve ser obtido por calibração, tendo em vista níveis d água observados. Uma boa calibração é essencial para a consistência dos perfis PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 9/36

10 de linha d água a serem simulados nas condições futuras, para as quais não se dispõe de mecanismo direto de aferição. As perdas de carga localizadas ocorrem devido, em geral, à variação, mais ou menos brusca, das condições geométricas entre duas seções consecutivas (com alterações entre áreas das seções e, consequentemente, velocidades), que caracterizam uma contração ou expansão do escoamento. Maiores detalhes sobre a metodologia e os conceitos teóricos utilizados na construção do modelo hidrodinâmico, aqui utilizado, podem ser encontradas nos manuais do Usuário e de Referência do próprio modelo HEC-RAS Calibração A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar coeficientes e parâmetros do modelo hidrodinâmico de modo que as vazões e os níveis d água simulados se ajustassem, o mais próximo possível, aos valores observados, considerando a simulação em regime de escoamento permanente e não-permanente. Uma das principais dificuldades em estudos desta natureza refere-se ao número reduzido de seções transversais normalmente levantadas, seja por razões econômicas, seja por não se ter, no momento da programação da campanha de campo, todo o conhecimento do estirão fluvial a ser simulado. No modelo, esta limitação pode ser superada pela interpolação entre seções existentes, ou mesmo pela introdução de seções auxiliares que possam representar, mesmo que de maneira aproximada, as condições de controle hidráulica existentes no trecho. Outro fator importante no ajuste (calibração) adequado do modelo hidrodinâmico refere-se a determinação dos coeficientes de Manning. Na modelagem hidrodinâmica, espera-se que o aumento nos valores do coeficiente de Manning tenha os seguintes impactos no comportamento hidráulico do sistema: Aumento de níveis d água. Atenuação no pico dos hidrogramas. Aumento no tempo de viagem. Aumento do efeito de laço nas curvas-chave. Resumidamente, alguns dos fatores que podem influenciar na precisão e ajuste do modelo são listados a seguir. Possíveis problemas com dados observados, decorrente da imprecisão nas medições de níveis d água e vazões, características do comportamento cota-vazão nas seções de medição resultando em curvas-chave com Laço, ou mesmo influências dos níveis d água decorrente do efeito de remanso de seções a jusante. Grande variabilidade dos coeficientes de Manning, podendo variar, normalmente, entre,25 a,55. Baixa representatividade das seções levantadas, tornando-se necessário a introdução de seções auxiliares para melhorar a representação dos controles hidráulicos e trechos modelados. Pouco conhecimento das contribuições laterais (Afluentes), para as quais, muitas vezes, não se disponibiliza de dados observados. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 1/36

11 Dificuldade de representação do armazenamento lateral em várzeas e planícies de inundação, as quais contribuem com a atenuação e o retardamento do hidrograma Dados Hidrológicos Disponibilizados No momento de levantamento das seções topobatimétricas foi realizada, também, a medição de níveis d água nas respectivas seções. O levantamento das novas seções realizado para o presente estudo foi executado pela Vertente Engenharia Ltda e PCH Paracambi, entre os dias 1 a 19/1/211, compreendendo o trecho entre a Captação da CEDAE e o eixo da PCH Paracambi. O levantamento topobatimétricos entre a PCH e a UHE Pereira Passos, por sua vez, aconteceu entre os dias 31/8 a 13/9/21, realizado por sua vez para subsidiar os estudos de remanso da usina. A FIGURA 3 apresenta, graficamente, os níveis d água levantados para cada um desses períodos de dados. 45 Nível d'água Observado 4 Nível d'água (m) Trecho entre acaptação (S-26) e PCH Paracambi : 1 a 19/1/211 Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos: 31/8 a 13/9/ Distância à Captação ETA Guandu (m) FIGURA 3 Dados Disponibilizados: Níveis d Água Foram, ainda, disponibilizados informações de vazões do ribeirão das Lajes e rio Guandu, para período coincidente do levantamento das novas seções, estas informações incluem: Defluências da UHE Pereira Passos e precipitação observada, com frequência de minutos, entre os dias 9 a 19/1/211, disponibilizadas pela LIGHT. Vazões Observadas no Posto BR 116 e níveis d água na Captação da ETA Guandu, com frequência horária, entre os dias 1/1 a 28/2/211, disponibilizados pela CEDAE. A FIGURA 4 ilustra, graficamente, as séries de dados disponibilizados de precipitação e vazões, em intervalos de 15 minutos, e a série de vazões observadas na estação BR-116, em frequência horária, para período comum de dados,. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 11/36

12 Vazão (m³/s) Chuva (mm) 1 Vazão Observada no Posto BR116 (horária) Vazão Defluente UHE Pereira Passos (15-15min) Precipitação Acumulada (24h) Tempo FIGURA 4 Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (9 a 19/1/211) Com base nas defluências observadas na UHE Pereira Passos, fez-se um exercício simplificado para verificação da propagação dessas vazões até o local de instalação da estação fluviométrica BR-116 (correspondente à seção S-19 no modelo), podendo-se, assim, realizar uma estimativa inicial das características do escoamento hidrodinâmico no trecho estudado, sobretudo, no que diz respeito ao tempo de viagem e contribuições dos afluentes no trecho. Esta estimativa inicial foi realizada por tentativa e erro, tendo sido identificado como o melhor ajuste a média móvel central de 7 horas das vazões defluentes da UHE Pereira Passos, defasada de 8 (oito) horas e somadas a uma estimativa de contribuição lateral constante, igual a 16m³/s, proveniente dos afluentes no trecho. O resultado desse exercício é apresentado na FIGURA 5, onde se observa o bom ajuste entre as vazões observadas na estação fluviométrica e as vazões defasadas, para período comum de dados. Nota-se que a grande diferença, entre os valores observados e médios, constatada no dia 12/1, deve-se, provavelmente, ao aumento de contribuição lateral proveniente dos afluentes, decorrente da chuva observada no dia anterior (11/1). Lembrando que para esta análise foi considerada uma contribuição lateral total, constante, igual a 16m³/s, concentrada em dois diferentes pontos, próximos às confluências do ribeirão das Lajes com os rios da Onça e São Pedro, com vazões de 3 e 13m³/s, respectivamente. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 12/36

13 Vazão (m³/s) Vazão Observada no Posto BR116 Média Móvel da Defluência a UHE P.Passos Defasada até o Posto BR116 Precipitação Acumulada (24h) Chuva (mm) Tempo FIGURA 5 Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das Contribuições Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo Hidrodinâmico 2.3. Construção do Modelo Topologia do Modelo Para construção da topologia básica do sistema foi disponibilizado um conjunto de 44 seções topobatimétricas, incluindo 18 seções oriundas do levantamento realizado na ocasião do Projeto Básico da PCH Paracambi, utilizadas nos estudos de remanso, e mais 26 seções levantadas recentemente (janeiro/211) visando a realização do presente estudo. Para o estabelecimento do modelo, as seções disponíveis foram tabuladas em pares coordenados distância-cota, sendo cada identificada pelo estaqueamento segundo sua distância, em metros, começando na Captação da CEDAE até próximo o canal de fuga da UHE Pereira Passos. A localização das seções levantadas em campo, bem como das principais estruturas implementadas no modelo ao longo do trecho modelado, como pontes e estruturas de desvio (vertedouro), é apresentada esquematicamente na FIGURA 6. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 13/36

14 Station (m) RS=38375 Downstream (Bridge) Station (m) RS=22541 Downstream (Bridge) Station (m) Station (m) Station (m) Ponte RJ125 (S-5) Ponte Ferroviária (S-8) Elevation (m) Elevation (m) UHE Pereira Passos PCH Paracambi Ponte RJ127 (S-9) Elevation (m) Ponte BR116 (SB-2) Elevation (m) Ponte BR116 (S-19) Elevation (m) Captação Guandu FIGURA 6 Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro Existentes ao Longo do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico Durante os trabalhos de calibração do modelo, conforme detalhado mais adiante, verificou-se, a necessidade de introdução de seções auxiliares (fictícias), derivadas das seções disponíveis, visando atingir uma melhor representatividade do escoamento no trecho modelado, sobretudo nos pontos de controle hidráulico ou ao longo dos estirões de rio que não tivessem bem representados pelas seções adjacentes disponíveis. Devido às características de entrada de dados no modelo, foi necessária, ainda, a duplicação de seções transversais para introdução no modelo das estruturas como pontes e barragem (vertedouro). Finalmente, para estirões com características similares ao longo do trecho, porém apresentando poucas seções no mesmo, optou-se pela interpolação automática das seções levantadas, a partir de ferramenta existente no programa HEC-RAS, visando favorecer a estabilidade numérica. A seguir, são resumidas algumas das características da topologia do modelo construído: 44 Seções levantadas em campo, sendo 18 seções entre UHE Pereira Passos e PCH Paracambi (Estudos de Remanso) e 26 seções entre PCH Paracambi e Captação ETA (Presente Estudo). 7 seções Auxiliares de Controle Hidráulico. 5 Trechos de Travessia com Ponte 1 Estrutura de Desvio (Vertedouro), com duas alternativas de comportas com controle de fechamento, incluindo uma com 2 Vãos Rebaixados ou outra com 1 Vão Rebaixado e 1 Vão Com Ogiva. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 14/36

15 O QUADRO 3 ilustra a topologia do modelo, apresentando o nome das seções, seu estaqueamento, distância até a Captação da CEDAE, cota de fundo mínima (talvegue), níveis d água observados no momento do levantamento da seção e alguma descrição/observação pertinente sobre a seção. QUADRO 3 Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo Hidrodinâmico para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da UHE Pereira Passos Seção Dist. à Captação CEDAE Cota Mín. de Fundo (m) N.A. Obs. (m) Data e Hora do Levantamento Descrição S /1/11 11:55 Montante Captação CEDAE S /1/11 12:57 S /1/11 13:45 S /1/11 14:35 S /1/11 15:44 S /1/11 16:2 S /1/11 16:45 Cópia S-19 Jus Cópia S-19 Jus Jusante da Ponte BR116 PONTE 992 Ponte BR116 (Jusante) Cópia S-19 Jus S /1/11 14:25 Entre Pontes da BR116 Cópia S-19 Mont PONTE 9142 Ponte BR116 (Montante) Cópia S-19 Mont Montante da Ponte BR116 Cópia S-19 Mont S /1/11 16:3 S /1/11 11:35 Cópia Modif. S-16 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 1:3 Cópia Modif. S-15 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 9:4 Cópia Modif. S-14 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 8: Cópia Modif. S-13 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 14:35 S /1/11 15:25 Jusante da Foz São Pedro S /1/11 16:1 S /1/11 16:2 Cópia S-9 Jus S /1/11 14:25 Jus. da Ponte RJ127 PONTE Ponte RJ127 Cópia S-9 Mont Mont. da Ponte RJ127 Cópia S-9 Mont Cópia Modif. S Aux. Cach. e Jus. da Foz Santana Cópia S-8 Jus Auxiliar Ponte S /1/11 12:2 Jusante da Ponte Ferroviária PONTE Ponte Ferroviária Cópia S-8 Mont Montante da Ponte Ferroviária Cópia S-8 Mont Auxiliar Ponte Cópia Modif. S-7 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 9:4 Cópia Modif. S-6 Jus Auxiliar Cachoeira S /1/11 9:45 Mont. Cachoeira e Jus. Foz Macacos Cópia S-5 Jus S /1/11 8:25 Jusante da Ponte RJ125 PONTE Ponte RJ125 Cópia S-5 Mont Montante da Ponte RJ125 Cópia S-5 Mont Mont PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 15/36

16 Seção Dist. à Captação CEDAE Cota Mín. de Fundo (m) N.A. Obs. (m) Data e Hora do Levantamento Descrição S /1/11 14:5 S /1/11 12:2 S /1/11 14:3 S /1/11 15:3 Cópia S-1 Mont VERTEDOURO Eixo PCH Paracambi Cópia S-1 Mont Cópia S-1 Mont S-Q /9/1 : S-Q /9/1 : S-Q /9/1 : S-Q /9/1 : S-Q /9/1 : S-Q /8/1 : Cópia S-Q1 Mont S-Q /9/1 : Cópia S-B2 Jus S-B /9/1 : Jusante da Ponte BR116 PONTE Ponte BR116 Cópia S-B2 Mont Montante da Ponte BR116 Cópia S-B2 Mont S-M3 antiga /9/99 : S-M /9/1 : S-Q /9/1 : S-M /9/1 : S-Q /9/1 : S-M /9/1 : S-M /9/1 : S-M /9/1 : S-M7 (Copia) /9/1 : Jusante UHE Pereira Passos Modelagem das Estruturas de Desvio A estrutura de desvio de rio, neste caso o próprio vertedouro com vãos rebaixados, em um primeiro momento, e, posteriormente, já com uma das suas ogivas construída, também, foram implementadas no modelo, através da utilização de componente existente especificamente para este fim. Observa-se, ainda, que essas estruturas são dotadas de comportas, as quais podem ser virtualmente operadas durante as simulações, aumentando, assim, o realismo da atividade de desvio e, consequentemente, a representatividade do modelo na transição entre as diferentes fases de desvio do rio. A FIGURA 7 apresenta, esquematicamente, as duas condições de desvio a serem simuladas para a transição entre as diferentes fases de desvio. A primeira ilustração representa a condição da estrutura de desvio para o início da transição entre as Fases 2 e 3, quando um dos dois vãos rebaixados deverá ser fechado. A segunda ilustração mostra a condição das estruturas para o início da transição entre as Fases 3 e 4, onde se prevê o fechamento do vão rebaixado, transferindo o desvio do rio para o vão já com a ogiva do vertedouro finalizada. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 16/36

17 Paracambi Plan: Fase 2 para 3 R Armazena 29/3/211 Paracambi Plan: Fase 3 para 4 R Armazena 29/3/ Legend Legend Ground Ground Ineff Ineff 45 Bank Sta 45 Bank Sta Elevation (m) 4 35 Elevation (m) Station (m) Station (m) FIGURA 7 Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca: 33848m) no Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para a Fase 2-3 (Esquerda) e a Fase 3-4 (Direita) Modelagem das Áreas de Armazenamento Lateral Quando a vazão no rio aumenta ocorrendo um transbordamento de suas margens, com inundação de suas planícies de inundações, o escoamento ocorre lateralmente enchendo essas regiões de armazenamento. Com o aumento do nível nessas áreas de inundação, pode ocorrer escoamento na direção de jusante, com distâncias e velocidades diferentes das observadas no canal principal. Com a diminuição dos níveis d água no canal principal, a água acumulada nessas áreas de armazenamento tende a escoar das margens de volta ao canal principal, voltando a complementar o escoamento do próprio rio. No modelo HEC-RAS, esse escoamento transversal de inundação das margens pode ser representado por áreas de armazenamento lateral, as quais trocam água com o escoamento pelo canal principal. O aumento no armazenamento lateral, em geral, resultará nos seguintes impactos no escoamento no canal principal: Atenuação no pico dos hidrogramas. Aumento no tempo de viagem. Aumento no tramo final do hidrograma. Diminuição dos níveis d água, porém pode ocorrer aumento dos mesmos, caso esteja-se trocando área de escoamento por área de armazenamento. O QUADRO 4 apresenta as principais características das áreas identificadas de armazenamento lateral e incorporadas na modelagem do trecho estudado. Primeiramente, essas áreas foram identificadas e suas áreas foram aferidas a partir das imagens disponibilizadas no software GoogleEarth. Em seguida, essas áreas foram implementadas no modelo HEC-RAS. Através do processo iterativo de calibração, foram identificas fatores de majoração dessas áreas capazes de melhor ajustar os resultados dos modelos as condições observadas, chegando aos valores finais apresentados, a seguir, como área de armazenamento. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 17/36

18 QUADRO 4 Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem ID Estaqueamento da Estrutura Lateral (m) Área (m²) Área Levantada (1³.m²) Área de Armazenamento (1³.m²) Elev. Mín da Área (m) Elev. Soleira Lateral (m) Comprimento Conexão com Canal (m) A A A A A5A A5B A A A A A FIGURA 8 apresenta a localização das regiões identificadas e utilizadas como áreas de armazenamento lateral na presente modelagem. Estas regiões foram identificadas a partir da análise de imagens de satélite, com ajuda do software GoogleEarth, nas quais foram observados claramente regiões de acumulo de água, seja nas próprias margens do rio, seja por conexões mais estreitas com o mesmo. A3 A1 A2 A4 A5A A6 A5B A7 A8 A9 FIGURA 8 Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 18/36

19 Contribuição Lateral de Afluentes Como apresentado no item anterior, a partir de uma análise preliminar dos dados de vazões observadas na estação fluviométrica BR-116 e das defluências observadas na UHE Pereira Passos, foi possível a estimativa da contribuição total devido aos afluentes no trecho modelado, para o período de calibração do modelo, em torno de 16m³/s. Para a fase de simulações, com base nos valores médios apresentados no capítulo anterior, considerado ainda o período do ano esperado para execução das atividades de desvio e, sobretudo, visando uma posição mais conservadora, foi a adotado o valor de 6m³/s como correspondente às contribuições laterais de todos os afluentes existentes ao longo do trecho modelado. Nota-se que este valor de 6m³/s é menor que a metade da afluência média de 17,7m³/s (QUADRO 1), até o local da Captação da CEDAE. Esta contribuição lateral foi considerada no modelo de forma concentrada, afluindo próximo ao local da confluência com o rio São Pedro. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 19/36

20 3. RESULTADOS 3.1. Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu No presente estudo, foram analisadas algumas atividades operacionais relativas às etapas de desvio de rio previstas para a PCH Paracambi, visando antecipar e minimizar possíveis impactos e, ao mesmo tempo, apoiar a tomada de decisões mais eficientes. Assim, as situações analisadas compreenderam o período de transição entre diferentes fases de desvio, quando deverá ocorrer o fechamento de um dos vãos do vertedouro. As etapas simuladas incluiu a transição entre as Fases 2 para 3 e Fases 3 para 4, visto que estes são momentos de maior relevância e que geram maior preocupação para os operadores e usuários do sistema em questão. Resumidamente, as etapas de desvios estudadas compreenderam as seguintes atividades: Transição entre as Fases 2 e 3: Fechamento de um dos dois vãos rebaixados, utilizados para desvio de rio. Transição entre as Fases 3 e 4: Fechamento do vão rebaixado e desvio de rio pelo vão já com a ogiva construída. A instabilidade numérica é um problema comum para modelos hidrodinâmicos de qualquer tamanho ou complexidade. Muitos são os fatores que podem influenciar a estabilidade e a precisão numérica. Visando minimizar os problemas decorrentes de instabilidade, porém, ao mesmo tempo, sem perder a precisão da solução numérica, foram avaliadas diversas configurações de parâmetros para o modelo desenvolvido para o rio Guandu. Estas avaliações foram realizadas tanto através da aplicação de fórmulas existentes para este fim, como, por exemplo, equação de Freads e número de Courant, ou mesmos por tentativa-e-erro na determinação de parâmetros do modelo e de critérios de cálculo. Alguns dos parâmetros e critérios de cálculo que resultaram nas melhores soluções numéricas para as simulações realizadas, para o presente caso do rio Guandu, são listados a seguir: Intervalo de tempo de Cálculo: 5 minutos (Intervalo de tempo dos Dados: 15 minutos ou 1 hora). Possibilidade de repartição do intervalo de Tempo (Time Slice). Aquecimento do Modelo (Warm-up) Interpolação entre seções a cada 1 metros Resultados da Calibração A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar os coeficientes de Manning dos diversos trechos do estirão fluvial, de modo que os níveis d água simulados se ajustassem, o mais próximo possível, aos níveis observados, em regime de escoamento permanente. Outro parâmetro ajustado durante o processo de calibração consistiu dos volumes de armazenamento lateral ajustados proporcionalmente aos volumes inicialmente identificados através das imagens de satélite. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 2/36

21 Assim, o processo de calibração visou o ajuste dos níveis simulados aos observados a partir da simulação do modelo em regime de escoamento não-permanente, tendo sido necessário para tanto a apropriação dos horários correspondentes ao levantamento dos níveis observados. Finalmente, buscou-se ajustar o modelo para representar, também, as vazões observadas na estação fluviométrica BR-116, considerando para tanto as mesmas condições de contorno do período analisado, incluindo as mesmas defluências de montante observada na UHE Pereira Passos para período comum de dados Calibração em Regime Permanente Primeiramente, foram realizadas simulações com o módulo do modelo para escoamento permanente, considerando como balizador os níveis d água observados durante o período de levantamento das seções transversais. Vale lembrar que esses níveis d água foram levantados em momentos diferentes, para condições de escoamento bastante diferenciadas, podendo a vazão em trânsito nessas seções ter variado entre 12 a 36m³/s. De qualquer forma, buscouse uma primeira estimativa dos coeficientes de Manning, tendo esta avaliação inicial indicado valores de Manning na faixa de,35 a,. Esta primeira etapa possibilitou, sobretudo, uma verificação da geometria do trecho modelado e ajuste de seções auxiliares. A FIGURA 9 apresenta um perfil de linha d água simulado na etapa de calibração, em regime permanente, para uma vazão de 16m³/s, e os níveis d água observados durante diferentes momentos. Nível d'água (m) NA Observado NA Simulado (n =,45) Cota de Fundo (m) Q = 16m³/s Trecho entre acaptação (S-26) e PCH Paracambi (S-1) : 1 a 19/1/211 Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos: 31/8 a 13/9/ Distância à Captação ETA Guandu (m) FIGURA 9 Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 16m³/s e Coeficiente de Manning de,45 PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 21/36

22 Calibração Regime Não Permanente Após a estimativa inicial dos coeficientes de Manning a partir da calibração com regime permanente, foram realizadas simulações em regime não-permanente, ou seja, em condições hidrodinâmicas, utilizando como dados de entrada valores observados em campo, visando o melhor ajuste do modelo, não só dos coeficiente de rugosidade, como também outros parâmetros e critérios da modelagem. Nesta etapa da calibração, foi considerado como hidrograma de entrada ao sistema o mesmo apresentado no gráfico da FIGURA 4 (defluência a UHE Pereira Passos, entre os dias 9 e 19/1/211). A condição de contorno de jusante foi definida como nível d água constante, igual ao valor observado na respectiva seção, visto que nesta região, próxima a captação da CEDAE, existe uma estrutura de controle de níveis, a qual, ao longo do tempo, proporciona baixa variabilidade dos mesmos. A FIGURA 1 apresenta o perfil longitudinal entre a Captação da CEDAE e a PCH Paracambi para o qual existem dados hidrológicos observados em frequência adequada a este tipo de análise, tendo sido plotados os níveis simulados e observados para o mesmo instante de tempo, premissa imprescindível na calibração e validação de modelos hidrodinâmicos. 4 Nível d'água (m) Vazão Variada n =,45 Observado Simulado (n =,45) Cota de Fundo (m) 1 5 Trecho entre acaptação (S-26) e PCH Paracambi (S-1) : 1 a 19/1/ Distância à Captação ETA Guandu (m) FIGURA 1 Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) - Manning de,45 A FIGURA 11 apresenta uma correlação entre esses mesmos níveis d água, demostrando a adequação do modelo construído. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 22/36

23 Níveis d'água Observados no trecho entre as seções S-26 (Captação) e S-1 (33.768km) - período de 1 a 19/1/211 y = 1.65x R² =.9983 N.A. Simulado (m) N.A. Observado (m) FIGURA 11 Correlação entre Níveis d Água Simulados e Observados para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de,45 A FIGURA 12 apresenta o hidrograma de vazões simuladas contrastadas com o das vazões observadas no local onde se encontra instalada a estação fluviométrica BR-116, para a qual foram disponibilizados, pela CEDAE, os dados horários para o período de interesse (9 a 19/1/211). Esta atividade priorizou, sobretudo, a representação adequada pelo modelo dos tempos de viagens, mais do que da amplitude de picos. Os resultados desta simulação, utilizando coeficientes de Manning igual a,45, foram os que apresentaram melhor adequação as condições observadas, tanto para amplitude como em relação ao ajuste dos tempos de viagem dos picos. Para tanto foram estimadas, ainda, os locais e valores das áreas (volumes) de armazenamento lateral, além de outros parâmetros do modelo, como, por exemplo, espaçamento entre seções, intervalos de cálculo e coeficientes de estabilidade do modelo. Ainda nesta figura, para efeitos comparativos, é apresentado o hidrograma resultante da simulação sem considerar os armazenamentos laterais, que ficou defasado em relação ao observado, indicando a necessidade dos armazenamentos para uma adequada representação do comportamento hidráulico do trecho estudado. E a chuva observada durante o período de simulação, representada no eixo secundário do gráfico, permite explicar algumas discrepâncias entre os níveis simulados e observados, causadas certamente pelas vazões afluentes lateralmente, resultantes dessas precipitações (vide o ocorrido em 12/11). PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 23/36

24 Vazão (m³/s) Chuva (mm) 1 Observação (BR116) Simulação Sem Armazenamento (BR116) Simulação Com Armazenamento (BR116) Precipitação Acumulada em 24h (mm) Tempo (15 minutos) FIGURA 12 Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com Manning =, Resultados da Simulação de Desvio Fase 2 para 3 Na transição entre as Fases 2 e 3, o primeiro vão rebaixado é fechado, para que seja feita a concretagem da ogiva, desviando-se as águas do Ribeirão das Lajes pelo segundo vão apenas (também rebaixado). No momento do fechamento do primeiro vão, a vazão defluente, que era igual à afluente, cai pela metade (mesmo nível d água a montante, porém apenas um vão rebaixado, em vez de dois). A diferença de vazão (afluente defluente) promove um enchimento parcial do reservatório, sendo paulatinamente diminuída, até que o nível d água a montante do vertedouro alcance a elevação necessária para que a vazão defluente seja novamente igual à vazão afluente. Assim, vale lembrar que para se obter condições iniciais mais favoráveis para realização do desvio, maior deverá ser a defluência da UHE Pereira Passos, o que, em contra partida, resultaria em maior perda de água armazenada e, assim, diminuição dos benefícios oriundos da geração hidrelétrica do sistema de jusante. Foram ensaiadas 3 (três) situações operativas de defluência a usina de Pereira Passos e, por sua vez, igual a vazão de entrada no sistema modelado. A primeira simulação representa uma condição operativa pouco factível do ponto de vista operacional de Pereira Passos, porém com a qual não se espera nenhum impacto para a operação da ETA Guandu na região de captação. A segunda situação operativa visa avaliar um turbinamento de Pereira Passos que pudesse ser mantido por um período de tempo mais longo, mantendo-se o mínimo impacto nas vazões na região de Captação da ETA. Finalmente, o terceiro cenário simulado, representa um hidrograma de defluência variado, iniciando na vazão 12m³/s, passando para 16m³/s e retornando aos 12m³/s após 9 horas. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 24/36

25 Em todas as simulações realizadas, observou-se que, depois da súbita redução de vazões a jusante da estrutura de desvio, devido ao fechamento de um dos vãos, a vazão a jusante fica inteiramente normalizada em menos de 6 horas. Enquanto isso, o nível d água a montante da barragem da PCH Paracambi não se eleva mais do que 2,56m, atingindo a cota máxima de 35, m. Nota-se, ainda, que a onda negativa, gerada pela queda de vazão a jusante da estrutura de desvio da PCH Paracambi, se propaga pelo ribeirão das Lajes e rio Guandu, se recuperando rapidamente, conforme pode ser verificado no hidrograma simulada no local da captação da ETA Guandu. Verificou-se que para os 3 cenários operativos considerados não foi observada vazão inferior à mínima necessária para operação adequada do sistema de Captação, que é 122m³/s. A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de Captação da ETA Guandu. A FIGURA 13 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas influenciadas pela atividade de desvio do rio para a PCH Paracambi, para o primeiro cenário operativo com defluência a UHE Pereira Passos constante igual a 24m³/s. Esta simulação demostra que o efeito do fechamento de um dos vãos rebaixados praticamente não deverá ser percebido no local de captação da ETA Guandu. Nessa Figura e nas seguintes, as linhas cheias referem-se a vazões enquanto que as linhas tracejadas correspondem aos níveis d água Vazão (m³/s) Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7) Vão Rebaixado Vão Rebaixado Jus. PCH Paracambi Mont. da BR116 (Posto Fluv.) - Captação CEDAE (S-) N.A. Mont. Barragem Nível d'água (m) Tempo Simulação (5 minutos) FIGURA 13 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 24 m³/s A FIGURA 14 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para o segundo cenário operativo simulado, considerando uma defluência a Pereira Passos constante e igual a 16m³/s. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 25/36

26 Esta situação ainda indica condições hidrológicas bastante positivas do ponto de vista operacional das vazões na região de Captação da ETA Guandu Vazão (m³/s) Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7) Vão Rebaixado Vão com Ogiva Jus. PCH Paracambi (S-1) Mont. da BR116 (Posto Fluv.) - Captação CEDAE (S-) N.A. Mont. Barragem Nível d'água (m) Tempo Simulação (5 minutos) FIGURA 14 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 16 m³/s Na FIGURA 15 é apresentada a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para a terceira condição operacional de defluência a Pereira Passos variável, considerando um hidrograma iniciando com vazão de 12 m³/s, subindo para 16m³/s e retornando ao patamar de 12m³/s, após 9 horas. Esta operação visa minimizar a utilização dos volumes armazenados em Ponte Coberta, sem comprometer a operacionalidade da Captação da ETA Guandu, visto que a vazão em trânsito neste último local poderá ser mantida sempre acima do patamar mínimo de 122m³/s. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 26/36

27 Vazão (m³/s) Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7) Vão Rebaixado Vão com Ogiva Jus. PCH Paracambi Mont. da BR116 (Posto Fluv.) - Captação CEDAE (S-) N.A. Mont. Barragem Nível d'água (m) Tempo Simulação (5 minutos) FIGURA 15 Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos variável passando de 12m³/s para 16m³/s e Retornando a 12m³/s após 9 horas Finalmente, a FIGURA 16 apresenta uma comparação dos hidrogramas simulados na seção próxima à Captação da ETA Guandu, resultante das três condições operacionais simuladas para a transição entre as Fases 2 e 3 de desvio Vazão (m³/s) 1 1 Captação CEDAE (Q afluente = variada = m³/s) Captação CEDAE (Qafluente = constante = 16m³/s) Captação CEDAE (Q afluente = constante = 24m³/s) Tempo Simulação (5 minutos) FIGURA 16 Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3 PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 27/36

28 3.4. Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 3/6/211 A partir dos resultados encontrados com as correspondentes simulações foi possível elaborar um plano operativo de defluência da UHE Pereira Passos, visando evitar vazões menores que 122m³/s na região de captação da ETA Guandu, durante a transição entre as Fases 2 e 3 de desvio do rio. No dia 3/6/211, foi realizado de fato o fechamento de um dos vãos rebaixados concretizando, assim, mais essa fase de desvio do rio. Visando uma validação do modelo hidrodinâmico já calibrado para o trecho, foram coletados e analisados o conjunto de dados referente a este período. A FIGURA 17 apresenta uma comparação das vazões observadas e simuladas para o local de instalação da estação fluviométrica junto à estação da BR116, localizada a montante da região de Captação da ETA. Nota-se que a onda negativa observada, resultante do fechamento de uns dos vãos, chega à seção da BR116 com tempo de viagem e amplitude compatível com os valores simulados. Estes resultados ratificam os resultados encontrados com o modelo hidrodinâmico construído e calibrado para o trecho estudado, aumentando a sua confiabilidade e permitindo, assim, seu uso para a avaliação e determinação de cenários operativos mais adequados para a transição entre as Fases 3 e 4, tanto do que diz respeito a otimização dos recursos hídricos e energéticos, quando para minimização dos impactos nas vazões na região de captação da ETA Guandu Vazão (m³/s) Qobs BR116 (CEDAE) Qcalc BR116 (HecRas) N.A. a Jusante do Eixo da Usina Desvio Fase 3 (dia3 às 16:4) Leitura de Régua (m) Tempo (15 Minutos) FIGURA 17 Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3) Realizada no Dia 3/6/11 PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 28/36

29 3.5. Resultados da Simulação de Desvio Fase 3 para 4 Na transição da Fase 3 para a Fase 4 do desvio, quando o segundo vão rebaixado é fechado para que o escoamento passe sobre o primeiro vão, já concretado, o fluxo para jusante é totalmente interrompido até que o NA de montante alcance a cota 39,m, correspondente à soleira do vertedouro. A partir desse momento, a vazão defluente vai aumentando gradativamente, na medida em que o nível do reservatório sobe, até que seja alcançada a carga suficiente para que a vazão vertida por um vão (aquele cuja ogiva já havia sido concretada) iguale a vazão afluente. Todavia, a completa interrupção do fluxo para jusante, mesmo que por um prazo curto, de cerca de algumas dezenas de minutos, deve ser considerada um impacto relevante, merecedor de todo o esforço possível para sua ampla compreensão, favorecendo assim tomada de possíveis ações mitigadoras. Deve-se ter em mente que uma operação adequada da UHE Pereira Passos, aproveitando a elevada capacidade de engolimento de suas turbinas e a existência de um reservatório de regularização (Ponte Coberta), pode proporcionar condições para a minimização dos impactos a jusante decorrentes da passagem da Fase 3 para 4 do desvio do rio, sem comprometer demasiadamente a capacidade de armazenamento dos reservatórios de montante e a geração energética. Se o fechamento da comporta do vão rebaixado do vertedouro for precedido pelo estabelecimento de um regime permanente de escoamento, com vazões mais elevadas, proporcionadas pela operação da UHE Pereira Passos, pode-se conseguir condições mais favoráveis para a realização da operação de transição das fases 3-4 pelos seguintes motivos: Para uma vazão mais elevada, o volume de reservatório da PCH Paracambi remanescente entre o nível d água inicial e a crista do vertedouro diminui, porque é necessária uma carga maior para a passagem de uma vazão maior pelo vão rebaixado. Pelo mesmo motivo, o volume que fica armazenado na calha do Ribeirão das Lajes e do próprio Rio Guandu, no trecho entre a barragem e a captação da CEDAE, fica maior, atenuando os efeitos negativos da operação, pois, para que a vazão se anule nas proximidades da captação da CEDAE, seria preciso esvaziar toda a calha a montante, e isso levaria algum tempo. A FIGURA 18 apresenta duas curvas de capacidade de regularização do reservatório de Ponte Coberta (UHE Pereira Passos), informando o período em que determinada vazão defluente pode ser mantida, esgotando-se a capacidade útil do reservatório e mantendo constante a vazão defluente. Nota-se que o turbinamento máximo da usina, em torno de 32m³/s, poderia ser mantido por um período de no máximo 8 horas, quando de uma afluência igual ou superior a 18m³/s. A partir da análise da FIGURA 18 e de posse do modelo construído e calibrado para o trecho em estudo, torna-se possível o ensaio e a avaliação de diferentes cenários e regras operativas para a etapa de desvio entre as Fases 3 e 4. Este procedimento visou minimizar os impactos no local da captação da ETA Guandu, no que diz respeito à redução das vazões em trânsito, evitando porém a utilização excessiva de recursos armazenados no reservatório de Ponte Coberta. Após diversas simulações prévias com o modelo, identificou-se a vazão de 22m³/s como sendo a mais factível operacionalmente para Pereira Passos, com a qual se poderia garantir a vazão mínima operativa da Captação da ETA Guandu, em aproximadamente 12m³/s. Por outro lado, a manutenção do turbinamento em 16m³/s, apesar de ser uma vazão que pode ser mantida por longos períodos de tempo, nas condições de desvio do rio poderia vir a comprometer a operação da ETA Guandu. Neste sentido, buscou-se encontrar um cenário operativo ótimo, o PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 29/36

30 qual fosse factível do ponto de vista operacional para a Usina de Pereira Passos, porém que resultasse no mínimo impacto a operação de Captação da ETA Guandu. Após novas simulações, chegou-se a um cenário ótimo para operação da UHE pereira Passos durante a atividade de desvio entre as Fases 3 e 4. Para ilustração dos resultados encontrados, foram ensaiados 3 (três) situações hidrológicas com diferentes hidrogramas de entrada ao sistema (ou seja, defluência de Pereira Passos). A primeira simulação representa a condição de defluência de Pereira Passos constante com 22m³/s. Na segunda, considerou-se uma condição hidrológica com vazão também constante igual a 16m³/s. E, finalmente, foi simulado um hidrograma variável, considerando inicialmente uma vazão de 16m³/s, passando para o patamar de 22m³/s poucas horas antes de iniciado o desvio, mantendo-se esta vazão também por algumas horas após o mesmo. UHE Pereira Passos - Vazão Defluente x Tempo NA inicial NA final = 86, m (1% VU) = 82, m ( % VU) Horas Q Afluente = 18 m³/s vazão (m³/s) Q Afluente = 1 m³/s FIGURA 18 Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre Tempo de Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT) A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de Captação da ETA Guandu. A FIGURA 19 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas e influenciadas pelas atividades de desvio entre as Fases 3 e 4, para a primeira condição operativa simulada de defluência da Pereira Passos, considerou um hidrograma de turbinamento (afluente ao sistema) constante com vazão de 22m³/s. Nota-se que, embora o prazo necessário para a normalização da situação a jusante (retorno da vazão ao patamar de 22m³/s) seja relativamente alto (superior a 24 horas), a vazão de 12 m³/s já é atendida cerca de 4,6 horas após o início do desvio. Na região de Captação da ETA, a vazão mínima esperada resultante desta operação seria da ordem de 124m³/s. Enquanto isso, o nível d água final, a montante da estrutura de desvio da PCH Paracambi, resultou na cota 45,2 m, representando uma elevação de 8,4 m. PCH Paracambi Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio LIGHTGER 1/11 3/36