Ciclo hidrológico Componente terrestre

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1 Balanço hidrológico

2 Ciclo hidrológico Componente terrestre Precipitação Esc = Prec EVT Inf + Vol Evaporação Transpiração Escoamento superficial Infiltração Zona não saturada Zona saturada Recarga Escoamento sub-superficial Evaporação Escoamento subterrâneo Evaporação

3 Simplificações do balanço hidrológico Esc = Prec EVT Inf + Vol Escala anual (- Inf + Vol) ~ 0 Esc = Prec EVT Escala mensal/diária Esc = Prec EVT Inf + Vol Escala horária Vol ~ 0 EVT ~ 0 Inf pode ser calculado com modelos simplificados Esc = Prec Inf

4 Captações de água Precipitação Precipitação Evapotranspiração Esc.Superficial Evapotranspiração Recarga Furo Captação Galeria superficial Nascente Esc.Superficial Recarga

5 Tipos de estruturas subterrâneas Furo artesiano repuxante Aquífero livre Estratos impermeáveis Aquífero porosos Aquífero confinado Aquíferos fracturados Aquífero cársicos Três tipos de aquíferos: porosos, onde a água circula através de poros. As formações geológicas são areias limpas, areias consolidadas por um cimento também chamadas arenitos, conglomerados, etc; fracturados e/ou fissurados, onde a água circula através de fracturas ou pequenas fissuras. As formações são granitos, gabros, filões de quartzo, etc; cársicos, onde a água circula em condutas que resultaram do alargamento de diaclases por dissolução. As formações são os calcários e dolomitos.

6 Aquífero Um reservatório de água subterrânea; Toda a formação geológica com capacidade de armazenar e transmitir a água e cuja exploração seja economicamente rentável. Existem essencialmente 2 tipos de aquíferos: Aquífero livre Formação geológica permeável e parcialmente saturada de água. É limitado na base por uma camada impermeável. O nível da água no aquífero está à pressão atmosférica. Aquífero Confinado - Formação geológica permeável e completamente saturada de água. É limitado no topo e na base por camadas impermeáveis. A pressão da água no aquífero é superior à pressão atmosférica. Se as formações geológicas não são aquíferas então podem ser definidas como: Aquitardo Formação geológica que pode armazenar água mas que a transmite lentamente não sendo rentável o seu aproveitamento a partir de poços. Aquicludo - Formação geológica que pode armazenar água mas não a transmite (a água não circula). Aquífugo - Formação geológica impermeável que não armazena nem transmite água. Instituto Geológico e Mineiro (2001). Água Subterrânea: Conhecer para Preservar o Futuro. Instituto Geológico e Mineiro (

7 Variação do nível piezométricp Furo Galeria Nascente O nível da água nos aquíferos não é estático e varia com: a precipitação ocorrida; a extracção de água subterrânea; os efeitos de maré nos aquíferos costeiros; a variação súbita da pressão atmosférica, principalmente no Inverno; as alterações do regime de escoamento de rios influentes (que recarregam os aquíferos); a evapotranspiração, etc.

8 Avaliação das disponibilidades superficiais

9 Escoamento anual Escoamento anual (dam3)

10 Problema Será que é possível garantir para uma utilização que necessita de 100 l/s: Necessidade média diária: 100 l/s 0,1 (m3/s) x 24 x 60 x 60 = m3/dia Necessidades mensal: x 30 = m3 = 259,2 dam3/mês Necessidade anual 259,2 x 12 = 3 110,4 dam3 = 3,1 hm3/ano

11 Escoamento anual Escoamento anual (dam3) ,1 hm3/ano

12 Função empírica de distribuição 1917/18, v /19, v /20, v /21, v /22, v /23, v /24, v /25, v /26, v /27, v /28, v /90, v n 1, v (1), 1/(n+1) 2, v (2), 2/(n+1) 3, v (3), 3/(n+1) 4, v (4), 4/(n+1) 5, v (5), 5/(n+1) 6, v (6), 6/(n+1) 7, v (7), 7/(n+1) 8, v (8), 8/(n+1) 9, v (9), 9/(n+1) 10, v (10), 10/(n+1) 11, v (11), 11/(n+1). n, v (n), n/(n+1) v (1) > v (2) > v (3) >. > v (n) Plotting position: Gumbel i/(n+1)

13 Função empírica de distribuição do escoamento anual Prob não exc cedência ,1 hm3/ano Escoamento anual (dam3)

14 Escoamento mensal Out-17 Out-21 Out-25 Out-29 Out-33 Out-37 Out-41 Out-45 Out-49 Out-53 Out-57 Out-61 Out-65 Out-69 Out-73 Out-77 Out-81 Out-85 Out-89 Escoamento mensal (dam3)

15 Função empírica de distribuição 1917/18, Esc. Mensal Mínimo v /19, Esc. Mensal Mínimo v /20, Esc. Mensal Mínimo v /21, Esc. Mensal Mínimo v /22, Esc. Mensal Mínimo v /23, Esc. Mensal Mínimo v /24, Esc. Mensal Mínimo v /25, Esc. Mensal Mínimo v /26, Esc. Mensal Mínimo v /27, Esc. Mensal Mínimo v /28, Esc. Mensal Mínimo v /90, Esc. Mensal Mínimo v n 1, v (1), 1/(n+1) 2, v (2), 2/(n+1) 3, v (3), 3/(n+1) 4, v (4), 4/(n+1) 5, v (5), 5/(n+1) 6, v (6), 6/(n+1) 7, v (7), 7/(n+1) 8, v (8), 8/(n+1) 9, v (9), 9/(n+1) 10, v (10), 10/(n+1) 11, v (11), 11/(n+1). n, v (n), n/(n+1) v (1) > v (2) > v (3) >. > v (n) Plotting position: Gumbel i/(n+1)

16 Função empírica de distribuição do escoamento mensal mínimo Prob não excedencia ,2 hm3/mês Escoamento mensal minimo (dam3)

17 Função empírica de distribuição do escoamento mensal mínimo Prob não ex xcedencia Escoamento mensal minimo (dam3)

18 Caudal médio diário QMD (m3/s)

19 Função empírica de distribuição do mínimo do caudal médio diário QMD mínimo (m3/s) Probablidade de não excedência QMD mínimo (m3/s) 8640 m3/dia

20 Balanço necessidades disponibilidades 12 de Novembro

21 Balanço necessidades-disponibidades Necessidade média diária: 100 l/s 0,1 (m3/s) x 24 x 60 x 60 = m3/dia Necessidades mensal: x 30 = m3 = dam3 Necessidade anual x 12 = dam3 = 3.1 hm3 Prob não excedência Prob não excedencia Necessidade anual Escoamento anual (dam3) Escoamento mensal minimo (dam3) Necessidade mensal

22 O que fazer quando as disponibilidades superficiais da bacia não são suficientes? Racionalizar necessidades; Procurar novas origens: Origens superficiais; Origens subterrâneas; Reutilização de água; Dessalinização. Aumentar a capacidade de regularização: Quando o problema é o desfasamento temporal entre as disponibilidades e as necessidades.

23 Necessidade de armazenamento Armazenamento Afluência Efluência Albufeiras Aquíferos Evaporação Recarga Albufeiras e aquíferos proporcionam uma capacidade de armazenamento temporário da água o que permite a compatibilização temporal das disponibilidade de água com as necessidades.

24 Zonas de armazenamento Evaporação Captação NMC NPA Afluências Nme Volume de encaixe de cheias Volume útil Volume morto Descarga Energia H Volume turbinado

25 Dimensionamento do volume de encaixe de cheias Qafluente NMC NPA Encaixe de cheias Volume útil Descarga Qefluente Nme Volume morto Tempo Tempo Redução do pico da cheia Volume encaixado

26 Dimensionamento do volume morto Volume morto: Volume abaixo do nível da tomada de água de cota mais baixa Dimensão do volume morto: Depende da orografia do local de implantação da barragem; Caudal sólido afluente à albufeira; Expectativa de vida útil da infra-estrutura. NMC NPA Deposição de sólidos Caudal sólido Nme Volume morto Descarga de fundo

27 Dimensionamento do volume útil Qual deve ser o valor adequado do volume útil de uma albufeira, para satisfazer um conjunto de usos com uma dada garantia de abastecimento? Excesso de volume útil: Maior volume de investimento; Maior custo de operação; Impactos mais significativos; Défice de volume útil: Insuficiente garantia de abastecimento.

28 Balanço de massas Evaporação Captação NMC Volume de encaixe de cheias Descarga NPA Afluências Nme Volume útil Energia H Volume morto Volume turbinado Vt+1 = Vt + Qt Et R1t R2t St Vt+1 Volume armazenado no inicio do mês t+1 Vt Volume armazenado no inicio do mês t Et Volume evaporado durante o mês t Qt Volume afluente durante o mês t R1t Volume captado (atribuído ao uso 1) durante o mês t R2t Volume captado (atribuído ao uso 2) durante o mês t St Volume descarregado (pelo descarregador de cheias) durante o mês t Qt Et V R1t R2t St

29 Método dos picos sucessivos Σ Qt - Nt K3 K4 Não considera a evaporação; Assume que a necessidade é satisfeita com uma garantia de 100% K1 K2 K = Max (K1, K2, Kn) tempo Período de escassez de água (necessidades excedem as afluências) Período de excesso de água (afluências excedem as necessidades)

30 Método dos picos sucessivos Out. 1917, Q1 Nov. 1917, Q2 Dez. 1917, Q3 Jan. 1918, Q4 Fev. 1918, Q5 Mar. 1918, Q6.. Ago. 1990, QM-1 Set. 1990, QM Out. 1917, Q1 Nov. 1917, Q2 Dez. 1917, Q3 Jan. 1918, Q4 Fev. 1918, Q5 Mar. 1918, Q6.. Ago. 1990, QM-1 Set. 1990, QM Out. 1917, Q1, Q1-N Nov. 1917, Q2, Q1+Q2 2N Dez. 1917, Q3, Q1+Q2+Q3 3N Jan. 1918, Q4, Q1+Q2+Q3+Q4 4N Fev. 1918, Q5,. Mar. 1918, Q6,... Ago. 1990, QM-1,. Set. 1990, QM... Out. 1917, Q1... Nov. 1917, Q2... Dez. 1917, Q3... Jan. 1918, Q4... Fev. 1918, Q5... Mar. 1918, Q Ago. 1990, QM-1,... Set. 1990, QM,... Σ Qt - Nt tempo

31 Simulação matemática Et Qt V R1t R2t St Balanço de massas Vt+1 = Vt + Qt Et R1t R2t St Cálculo da evaporação: Et = At x et (volume, e.g. dam3) At - Área inundada (e.g. km2) et Evaporação (mm) A = f(v), A = f(h) curva de área inundada V = f(h), curva de volumes armazenados

32 Curva características Curva de áreas inundadas Cota do plano de água, H Area inundada, A Curva de volumes armazenados Cota do plano de água, H Volume armazenado, V

33 Curvas características - Alqueva

34 Simulação matemática Regra de operação para o periodo t Rt = f(vt, Nt) Rt + St Nt Kt St (valor descarregado); Necessidade, Nt; Volume (capacidade) da albufeira, K; St = max (0, Vt+Qt-Nt-Et-K) Vt+Qt

35 Simulação (em MS Excel)

36 Resultados Volume Armazenado (dam3) Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89

37 K = dam3 N = dam3/mês Resultados Volume Armazenado (dam3) K = dam3 N = dam3/mes Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Volume Armazenado (dam3) Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89 0 Out-17 Out-20 Out-23 Out-26 Out-29 Out-32 Out-35 Out-38 Out-41 Out-44 Out-47 Out-50 Out-53 Out-56 Out-59 Out-62 Out-65 Out-68 Out-71 Out-74 Out-77 Out-80 Out-83 Out-86 Out-89

38 Indicadores de desempenho Garantia/fiabilidade Mede a capacidade do sistema em satisfazer as necessidades Tempo: Garantia_T = #anos sem falha / #anos simulados Volume: Garantia_V = Volume fornecido / Necessidades Vulnerabilidade Mede a gravidade das falhas; Exemplos: Duração média das falhas; % das necessidades não satisfeitas em caso de falha Resiliência Mede a capacidade do sistema em recuperar de uma falha Probabilidade de não existir uma falha após uma falha (número de vezes em que uma falha sucede a uma falha sobre o número total de falhas).

39 Relações Volume fornecido vs volume da albufeira vs garantia Em Volume fornecido G3 G2 G1 Volume da albufeira, K Volume fornecido vs volume da albufeira para diferentes variabilidades de escoamento afluente Em Volume fornecido com um dado valor de garantia S3 S2 S1 Volume da albufeira, K

40 Relações Volume fornecido vs volume da albufeira vs garantia Em Volume fornecido G3 G2 G1 G1 > G2 > G3 Volume da albufeira, K Volume fornecido com um dado valor de garantia Volume fornecido vs volume da albufeira para diferentes variabilidades de escoamento afluente Em S3 S2 S1 S1 > S2 > S3 Volume da albufeira, K