MODELAGEM E SIMULAÇÃO HIDRODINÂMICA E DE DISPERSÃO SAZONAIS NO RIO ARAGUARI: O CASO DA (AHE) CACHOEIRA CALDEIRÃO-AP

Transcrição

1 MODELAGEM E SIMULAÇÃO HIDRODINÂMICA E DE DISPERSÃO SAZONAIS NO RIO ARAGUARI: O CASO DA (AHE) CACHOEIRA CALDEIRÃO-AP Alan Cavalcanti da Cunha¹; Luis Aramis dos Reis Pinheiro²; Helenilza F. Albuquerque Cunha 2, Alaan Ubaiara Brito 2, Brunna Sangel³, Keila Patrícia Cambraia dos Santos³. James A. J. Avelar 4, Everaldo Barreiros de Souza 5, Edson Rocha 5. Antônio César Pinho Brasil Júnior 6. Alzira M. Oliveira 7 ¹Prof. Curso de Ciências Ambientais-UNIFAP, alancunha@unifap.br¹.prof. Curso de Eng. Elétrica-UNIFAP 2.Bolsista Projeto Hidrometeorologia-SUDAM/IEPA/DTI, 3 Bolsistas de IC- CNPq/UNIFAP. 4 Bolsista CNPq-NHMET/IEPA. 5 Prof. Curso de Meteorologia da UFPA. 6 Fac.Tec. Eng. Mec. UnB. 7 Bolsista Capes, mestranda Direito Ambiental e Políticas Públicas/UNIFAP ABSTRACT: The study of hydrodynamics in Araguari river has been shown to be relevant due to new enterprises of hydropower (AHEs) in the watershed. The objective was to model and simulate the hydrodynamics of flow and dispersion of passive agents in the water considering the ecological importance for the future Cachoeira Caldeirão Reservoir. The methodology consisted of numerical simulation of turbulent flow coupled to the processes of dispersion of passive agents in water using the CFX system We used the k-ε model in finite volume for the closure of turbulence. The flow and the process of dispersion of the scalar "polluting" were based on four seasonal stream flows: average, maximum, minimum and "ecologic" (series of 38 years). Simulations of dispersion of passive agent in the water were obtained from a single point source of mass, located strategically in the stretched of computational domain studied (upstream). The results indicated that the turbulent flow affected the dispersion pattern of pollutant, significantly also affecting the potential balance of aquatic ecosystems. When the disturbances occur, both because of the operation of future hydro power plant and variability of hydrologic processes, it is necessary to consider that factors. They are important in analysis of environmental impact studies, in particular to quantify the ecologic flow. KEYWORDS: Araguari river, hydrodynamic dispersion, simulation, hydropower. 1 INTRODUÇÃO Dentre as atividades humanas que mais causam impactos sobre os recursos hídricos destacam-se os aproveitamentos energéticos (AHEs) das bacias hidrográficas para a construção de usinas hidrelétricas. Uma das influências relacionadas com a construção de uma UHE é a mudança do perfil hidrodinâmico do rio que, por conseqüência, pode trazer impactos significativos às interações entre o meio biótico, abiótico e sócio-econômico, tais como mudanças nos ecossistemas, dinâmica de assoreamento e sedimentação em bacias hidrográficas (BRITO, 2008, BÁRBARA, 2006), PINHEIRO e CUNHA (2010). Além dos processos hidrodinâmicos serem de fundamental importância, tanto em estudos de impacto ambiental quanto no seu monitoramento antes e após a construção do empreendimento, o estudo do escoamento superficial nos canais livres pode auxiliar na análise de transporte de agentes passivos na água, tais como partículas sedimentares, microrganismos, sementes e constituintes químicos existentes no corpo d água (CUNHA et al et al, 2009). Neste aspecto, a simulação numérica do escoamento é uma importante ferramenta para o planejamento de operações da usina e proteção aos ecossistemas aquáticos antes e após enchimento do reservatório.

2 A principal hipótese da pesquisa é que a mudança (sazonal) das vazões acarreta modificações significativas na dinâmica de dispersão de agentes passivos na água e, com a construção do novo reservatório, mesmo considerado a fio d água modificará o padrão geral do escoamento do canal, em que a combinação entre fatores de controle de vazão da futura usina e as forçantes naturais, como a variabilidade hidroclimática, intensificarão as mudanças da dinâmica ecossistêmica local do corpo hídrico. 2 METODOLOGIA 2.1. Área de Estudo O trecho de estudo está localizado no médio rio Araguari, entre as localidades de Ferreira Gomes e Porto Grande-AP. Trata-se de um trecho juvenil, com muitas corredeiras, cujo desnível total é de 58,30 m em 42 km, resultando em um declive médio de 1,297 m/km. O Eixo da AHE Cachoeira Caldeirão está localizado nas coordenadas 'N/ 'W (ponto mais a montante) e 'N/ 'W (ponto mais a jusante). Esta região corresponde a um trecho com cerca de 29,89 km do rio Araguari. Seus extremos estão a montante do município de Porto Grande e a jusante a corredeira Cachoeira Caldeirão, região que possui potencial hidrelétrico (PROVAM, 1990) Modelo Turbulento k-ε 1 A energia cinética turbulenta k é definida como a variância de flutuação da velocidade. No sistema internacional de medidas é dada em m²/s². ε é a dissipação de energia cinética turbulenta (taxa na qual a energia cinética turbulenta se dissipa no escoamento) e tem dimensões de k por unidade de tempo, m²/s³. A equação da continuidade no modelo k-ε tornase: (1) e a do momentum: (2) onde B é a soma das forças de corpos, é a viscosidade efetiva da turbulência, e é a pressão modificada, definida por onde é a viscosidade de turbulência. O modelo k-ε é baseado no conceito de viscosidade turbilhonar,.. O modelo pressupõe que a viscosidade de turbulência é diretamente proporcional ao quadrado da energia cinética turbulenta e inversamente proporcional à dissipação da turbulência,, onde é uma constante adimensional identificada a seguir. Os valores k e são obtidos por intermédio da equação de transporte da energia cinética turbulenta e pela taxa de dissipação de energia cinética turbulenta,,, onde,, e são constantes. é a turbulência produzida devido à viscosidade e às forças flutuantes, apresentada na forma. é a turbulência flutuante. As constantes para a equação de transporte do modelo k- ε são = 1.44, = 1.92, =0.09, =1.00 e = Aproximações das Características do Domínio Computacional dos Reservatórios 1 ANSYS CFX-Solver Theory Guide (2007).

3 Para a representação do trecho estudado, considerou-se um domínio com o fundo plano, rugoso com breves e suaves desníveis de terreno, indicando as variações físicas aproximadas do leito. A profundidade máxima escolhida para Cachoeira Caldeirão foi de 15 m para obter uma profundidade média de 12,6m. Uma malha computacional foi gerada com nós e elementos tetraédricos. A discretização do domínio foi feita de forma não-estruturada utilizando elementos tetraédricos, devido à versatilidade com a complexa geometria do domínio e facilidade de manuseio deste tipo de malha para adaptabilidade (FIALHO, 2008). Em função das irregularidades nas bordas do domínio foi necessário maior refinamento da malha computacional nestas regiões. Na Tabela 1 são apresentadas as vazões mínima, média, máxima e ecológica (médias no tempo). Esta última é definida como a que atende aos mínimos requisitos de funcionalidade estimados para os ecossistemas aquáticos. Adotou-se nas simulações valores próximos de 1/3 da vazão mínima. Tabela 2. Dados de vazão nas fronteiras de entrada de fluido do domínio de estudo. Vazão (m³/s) Domínio Mínima Média Máxima Ecológica Cachoeira Caldeirão 315, , ,91 57,4 Ferreira Gomes I 320, , ,8 73,74 Considerou-se o regime estacionário de escoamento à temperatura isotérmica de 27 ºC em cada simulação. Escolheram-se vazões que caracterizassem os períodos representativos do ano e escoamento do trecho de rio, não havendo variação da mesma ao longo do tempo, mas apenas na secção transversal (FRAGOSO et al, 2009; PINHEIRO e CUNHA, 2010; FENTON, 2007; CHOW, 1959). A fonte contínua do poluente hipotético, semelhante à de um traçador, foi definida como um escalar. Utilizou-se no CFX uma equação de transporte acoplada ao escoamento hidrodinâmico, cujo valor mássico contínuo foi de 5 x 10-5 kg/m³.s. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES - Simulações das Vazões: Mínima, Média, Máxima e Ecológica Nas Figuras 3a, b, c e d são apresentados, em seqüência, os campos de velocidades vetoriais e os de dispersão de agentes passivos na água do trecho estudado, na ordem de vazões: mínima, média, máxima e ecológica. Ao se observar a região do canal de escoamento é possível inferir os efeitos sazonais da hidrodinâmica (campo vetorial) sobre o campo escalar poluente. Nota-se a dispersão da fonte contínua (pluma se deslocando da esquerda para a direita), onde se percebe que as configurações das plumas segundo a sazonalidade das vazões, que influenciam significativamente os processos dispersivos de agentes passivos na água. As variações sazonais das vazões causam modificações significativas no comportamento dispersivo, principalmente em locais próximos das regiões de entroncamentos entre ilhas. Tais variações são importantes devido seus efeitos físicos sobe os aspectos limnológicos e ecossistemas aquáticos.

4 a) b) c) d) Figura 3: Vazões: a)mínima, b) Média, c) Máxima e d) Ecológica. Dinâmica de dispersão das plumas de poluentes no trecho denominado de Cachoeira Caldeirão- Rio Araguari-AP. Nas Figuras 3a, b, e c, são representados os cenários de comportamento de plumas hipotéticas de poluentes se dispersando ao longo do trecho do rio Araguari em seu estágio atual, isto é, antes do impacto. As velocidades médias tender a variar entre 0,2 a 0.9 m/s ao longo do período sazonal. A variação da velocidade (função do período sazonal) é que controla a formação de regiões lóticas (muito turbulentas com vazões máximas e médias) ou lênticas (pouco turbulentas com vazões mínimas e ou ecológicas). Observa-se que há um comportamento específico para cada vazão. Observando-se os extremos das vazões, na máxima, onde se observa o aumento da velocidade em todo o domínio, ocorre uma maior diluição da pluma, ocorrendo uma tendência de comportamento simultâneo de diluição e espalhamento da pluma. Já a vazão ecológica representa uma situação crítica, onde a pluma tende a ser mais concentrada, porém com um alcance longitudinal menor, dependendo da hidrodinâmica local e das características da fonte de poluentes (observe as escalas de concentração na Figura 3a,b e c). 4. CONCLUSÕES Dois aspectos da análise se destacaram: a) a complexidade natural do escoamento em decorrência da geometria do rio associado ao acoplamento de um escalar (fonte contínua de poluente) à hidrodinâmica do escoamento; e b) os efeitos sazonais do clima influenciando os dois primeiros. Diante das análises, temos as seguintes conclusões:

5 1. A operação da futura usina de Cachoeira Caldeirão deverá influenciar substancialmente o atual equilíbrio hidrológico (teoria do contínuo hidráulico). Além disso, a intensificação sazonal de variabilidade hidroclimática também pode intensificar ou reduzir respostas ecológicas às variabilidade hidrológicas na bacia (características lóticas e lênticas em trechos do rio Araguari). Assim, é possível observar locais com maior potencial de mistura, erosão ou processos de sedimentação, segundo os processos turbulentos governados pelo escoamento natural do rio. 3. Ao se modificar a geometria do escoamento ocorrerá uma completa mudança do equilíbrio do ecossistema aquático, em especial das cadeias alimentares que dependem das recirculações verticais e horizontais do escoamento (nível de turbulência). 4. Por mais simplificadas que pareçam, a modelagem e a simulação empreendidas surgem como ponto de partida para análises futuras mais profundas sobre o escoamento turbulento natural. O conhecimento científico gerado em simulações torna-se muito útil no planejamento e gestão de recursos hídricos pois, quando se comparam os quatro cenários hidrodinâmicos, a dispersão longitudinal das plumas de poluentes nitidamente são modificadas. AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem a concessão de bolsas CNPq (Processo: /2009-7, Produtividade-PQ; IC-UNIFAP/CNPq), IEPA/SUDAM (Processo nº /2008) Projeto Rede de Gestão Integrada de Monitoramento da Dinâmica Hidroclimática e Ambiental da Bacia do Jarí - Estado do Amapá, Projeto REMAM II/FINEP/CNPq. 5 REFERÊNCIAS ANSYS User's Manual for Rev ANSYS CFX-Solver Theory Guide, BRITO, D. C.. Aplicação do sistema de modelagem da Qualidade da Água qual2kw em Grandes Rios: O Caso da Alto e Médio rio Araguari - AP. Disser. de Mest. Universidade Federal do Amapá BÁRBARA, V. F.. Uso do Modelo QUAL2E no Estudo da Qualidade da Água e da Capacidade de Autodepuração do Rio Araguari AP (Amazônia). 174 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia do Meio Ambiente), Universidade Federal de Goiás, Goiânia CUNHA, A.C; BRITO, D. C. e PINHEIRO, L. A. R. Uso do sistema de modelagem Qual2E (Qual2kw) para o estudo de impacto ambiental na qualidade da água causado por barragem e cidades ribeirinhas no Alto e Médio Araguari Amapá. Relatório Final do Projeto Araguari II. Processo / NHMET/IEPA-CNPq. Macapá Amapá. Abril. 144f FIALHO, A. B. SolidWorks Office Premium 2008: Teoria e Prática no Desenvolvimento de Produtos Industrias: plataforma para projetos CAD/CAE/CAM/ Arivelto Bustamante Fialho. 1ªedição. São Paulo: Érica FENTON, J. Open channel hydraulics. Institut für Hydromechanik, Universität Karlsruhe Kaiserstrasse 12, Karlsruhe, Germany FRAGOSO Jr, C. R. Simulações da Dinâmica de Fitoplancton no Sistema Hidrológico do Taim (RS). Dissertação de Mestrado. Instituto de Pesquisas Hidráulicas UFRGS PINHEIRO, L. A. R. e CUNHA, A. C. Modelagem e simulação da hidrodinâmica superficial e dispersão de poluentes no Rio Araguari (AP) aplicados a estudos ambientais de aproveitamento hidrelétrico (AEH). In: Tempo Clima e Recursos Hídricos. (Ors Cunha et al). Cap 9, IEPA. Macapá, Amapá, p PROVAM. Programa de Estudos e Pesquisas nos Vales Amazônicos. Superintendência do Desenvolvimento da Amazônia. Belém, PA: SUDAM/OEA. v p