ESTUDOS SOBRE A VAZÃO REMANESCENTE DO RIO TIBAGI NO TRECHO ENSECADO DA UHE PRESIDENTE VARGAS DA KLABIN, TELÊMACO BORBA PR.

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1 KLABIN ESTUDOS SOBRE A VAZÃO REMANESCENTE DO RIO TIBAGI NO TRECHO ENSECADO DA UHE PRESIDENTE VARGAS DA KLABIN, TELÊMACO BORBA PR. RELATÓRIO FINAL 03KPC0113 CURITIBA / PR FEVEREIRO / 2014

2 KLABIN ESTUDOS SOBRE A VAZÃO REMANESCENTE DO RIO TIBAGI NO TRECHO ENSECADO DA UHE PRESIDENTE VARGAS DA KLABIN, TELÊMACO BORBA PR. RELATÓRIO FINAL 03KPC0113 CURITIBA / PR FEVEREIRO / 2014

3 SUMÁRIO SUMÁRIO... i LISTA DE FIGURAS... ii LISTA DE FOTOS... iii LISTA DE TABELAS... iv APRESENTAÇÃO... v EQUIPE TÉCNICA... vi 1 INTRODUÇÃO RIO TIBAGI E LOCALIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO CÁLCULO DA VAZÃO REMANESCENTE SITUAÇÃO ATUAL METODOLOGIA DE CÁLCULO DAS VAZÕES NAS ESTRUTURAS Caracterização do problema hidráulico Vertedores Medições de campo Cálculo das Vazões Proposta para Vazão Remanescente Proposta para Desvio da Vazão na Barragem - Vertedouro CONCLUSÕES BIBLIOGRAFIA... 17

4 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Localização da UHE Presidente Vargas Figura 2 Corte da seção da galeria Figura 3 Corte da seção da galeria Figura 4 Corte da seção da galeria Figura 5 Vertedouro de seção circular considerado no estudo

5 LISTA DE FOTOS Foto 1 Foto aérea da localização da UHE Pres. Vargas e da UHE Mauá Foto 2 Margem direito do rio Tibagi no trecho ensecado da UHE Pres. Vargas Foto 3 Estruturas com fluxo de água atualmente Foto 4 Vertedouro sem vertimento no momento das medições Foto 5 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição Foto 6 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição Foto 7 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição Foto 8 Galeria 1 logo após a medição Foto 9 Galerias 2 e 3 logo após a medição

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Vazões calculadas nas galerias, nas condições de medição Tabela 2 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção Tabela 3 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção Tabela 4 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção Tabela 5 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção

7 APRESENTAÇÃO Apresentamos à KLABIN o presente documento, denominado ESTUDOS SOBRE A VAZÃO REMANESCENTE DO RIO TIBAGI NO TRECHO ENSECADO DA UHE PRESIDENTE VARGAS DA KLABIN, EM TELÊMACO BORBA. STCP Engenharia de Projetos Ltda.

8 EQUIPE TÉCNICA Ramon Gomes Pieter M. van der Meer Sérgio Morato, Dr. André Luciano Malheiros, MSc, Helder Rafael Nocko, MSc, Diego Frantz Coordenador Geral Eng. Ambiental CREA/SC Coordenação Técnica Biólogo Biólogo Dr. em Ecologia / Fauna Eng. Civil CREA PR-67038/D Eng. Ambiental CREA PR-86285/D Geógrafo

9 1 INTRODUÇÃO Este relatório trata do cálculo da vazão remanescente no trecho ensecado do rio Tibagi, entre o reservatório da UHE Presidente Vargas e o canal de fuga dessa mesma usina, o qual possui aproximadamente 1000 metros. O empreendimento hidrelétrico, que perante a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), é denominado PCH Salto Mauá possui potência instalada de 23,85 MW. No entanto, após a recente instalação da UHE Mauá, cujo proprietário é o Consórcio Cruzeiro do Sul, a montante da UHE Presidente Vargas, deixou a usina mais antiga dentro do trecho ensecado da usina mais nova e com maior potência, restringindo sua capacidade de produção. A UHE Mauá disponibiliza, em seu trecho ensecado, a vazão remanescente de 18,8 m 3 /s. Essa vazão, ainda utilizada em sua totalidade, não seria suficiente para manter a geração da UHE Presidente Vargas. Ainda assim, essa água não pode ser utilizada totalmente, fato que levaria ao secamento de 1000 metros do rio Tibagi. Dessa forma, a Klabin, proprietária da UHE Mauá, passou a estudar a repotenciação de sua usina. Ao solicitar a renovação da Licença ambiental de Operação (LO) junto ao Instituto Ambiental do Paraná (IAP), recebeu uma visita dos técnicos desse órgão. Foram apresentadas as características da usina e mostrada uma vazão sanitária sendo lançada no trecho ensecado da UHE Pres. Vargas. A partir disso o IAP solicitou um parecer que demonstrasse que uma vazão próxima àquela observada na vistoria seria suficiente para manutenção da vida aquática naquele trecho do rio Tibagi. Legalmente a vazão sanitária deve ser no mínimo equivalente a 10% da vazão total do rio, ou seja, 1,88 m3/s. Em discussão técnica entre profissionais do meio físico e biótico, chegou-se à conclusão de que uma vazão remanescente de 2,5 m 3 /s seria suficiente para a manutenção da vida aquática abaixo da barragem, desde que se concentrasse essa vazão em uma das margens do rio Tibagi, formando um canal mais caudaloso. Sendo assim, esse relatório busca calcular como essa vazão remanescente será disponibilizada para o trecho ensecado, seja a partir do vertimento de água sobre o vertedor, seja por meio das comportas existentes na barragem, as quais hoje apresentam vazamentos constantes que já alimentam o trecho ensecado do rio. 1

10 2 RIO TIBAGI E LOCALIZAÇÃO DO EMPREENDIMENTO Segundo Medri (2002), o rio Tibagi tem sua nascente a aproximadamente metros de altitude na região sul do estado do Paraná. Suas águas seguem em direção norte desaguando na represa de Capivara no rio Paranapanema a 298 metros de altitude. O rio se apresenta fortemente encaixado em seu leito na maior parte do trajeto. Sua bacia localizada na porção centro-leste paranaense possui 65 tributários diretos e centenas de subafluentes e sua área corresponde a hectares, cerca de 13% da área superficial do estado. O reservatório da UHE possui uma área equivalente a 7,64 hectares, é limitado a norte pela sua barragem e a sul pela barragem da UHE Mauá. A bacia hidrográfica que drena diretamente para o reservatório da UHE Presidente Vargas corresponde a uma área aproximada de 351 hectares, algo em torno de 0,014% da bacia do Tibagi. Localiza-se na divisa dos municípios de Ortigueira e Telêmaco Borba, como mostra a Figura 1 e Foto 1. 2

11 Figura 1 Localização da UHE Presidente Vargas. Fonte: ENVEX / STCP,

12 Foto 1 Foto aérea da localização da UHE Pres. Vargas e da UHE Mauá. Fonte: KLABIN / STCP,

13 3 CÁLCULO DA VAZÃO REMANESCENTE 3.1 SITUAÇÃO ATUAL O cálculo da vazão remanescente do rio Tibai nesse trecho se dá com a priorização de se concentrar o escoamento na margem direito do corpo hídrico, onde atualmente já existe um canal mais bem definido, com maior profundidade e, dessa forma, com melhores condições de sobrevivência para fauna aquática. A Foto 2 mostra esse canal, na margem direita do rio Tibagi. No instante da foto havia uma vazão de aproximadamente 2 m 3 /s (estimativa em função das condições de operação da UHE Mauá e UHE Presidente Vargas). Foto 2 Margem direito do rio Tibagi no trecho ensecado da UHE Pres. Vargas. Fonte: ENVEX / STCP, No lado direito da barragem da UHE Pres. Vargas estão localizadas três comportas cuja função é de trabalhar como desarenadoras. Atualmente essas comportas apresentam vazamentos, que já foram diminuídos em manutenções recentes da usina, mas que permanecem ativos e com inviabilidade de conserto. A Foto 3 mostra quais as atuais estruturas responsáveis pela água enviada ao trecho de jusante da barragem. São elas: 1. Estrutura denominada sangradouro de detritos, situada na parte superior da barragem; 5

14 2. Galeria 1, conduzindo a água do desarenador 1, situada na extrema margem direita da barragem, próxima da tomada d água para casa de força. O tubo possui 2,0 m de diâmetro; 3. Galerias 2 e 3, sendo que a galeria 2 conduz a água do desarenador 2. Ambas estão na margem direita da barragem, a esquerda da galeria 1. Neste caso, os tubos possuem 4,5 m de diâmetro; 4. Vertedouro, com 246 metros de extensão. Foto 3 Estruturas com fluxo de água atualmente. Fonte: KLABIN / STCP, A Figura 2, a Figura 3 e a Figura 4 mostram, respectivamente, cortes das seções das galerias 1, 2 e 3. Percebe-se que o diâmetro das mesmas são 2 metros, 4,5 metros e 4,5 metros, respectivamente. Essas figuras mostras desenhos do projeto original da usina, que data de

15 Figura 2 Corte da seção da galeria 1 Fonte: KLABIN / STCP, Figura 3 Corte da seção da galeria 2 Fonte: KLABIN / STCP,

16 Figura 4 Corte da seção da galeria 3 Fonte: KLABIN / STCP, Como em tais estruturas existem vazamentos, que acabam por se constituir em parte da vazão remanescente, é necessário se calcular a vazão em cada uma das estruturas. Para a estrutura denominada sangradouro de detritos, o vazamento é de pequena proporção e, por dificuldades operacionais de medição decidiu-se desprezar essa vazão, sendo assim conservadores. Para as demais estruturas a metodologia e o cálculo em si são apresentados nas seções a seguir. 3.2 METODOLOGIA DE CÁLCULO DAS VAZÕES NAS ESTRUTURAS Nesta seção são apresentadas as metodologias de cálculo das vazões hoje existentes nas estruturas que têm algum tipo de vazamento. Além disso, são apresentados os dados e registros fotográficos das medições em campo e, ao final, os cálculos das vazões Caracterização do problema hidráulico O problema em questão deve tratar do cálculo da vazão de escoamento na seção dos tubos em que há deságue das águas que estão vazando pelas comportas dos desarenadores, a fim de se conhecer a vazão total gerada nessas estruturas e confrontar com a vazão mínima desejada para o trecho natural do rio. Esses vazamentos direcionados aos dutos de seção circular serão utilizados como dispositivos de vazão remanescente para a UHE Presidente Vargas. Há 2 formas típicas para o cálculo desta vazão. A primeira possibilidade seria resolver o problema como um escoamento simples em seção tubular, para o qual se poderia utilizar equações clássicas de escoamento livre, tal como a Equação de Manning. Entretanto, a avaliação do projeto datado de 1943 e medições locais mostraram que os tubos não possuem declividade longitudinal, impedindo o uso da citada formulação, a menos que houvesse medição da declividade da linha d água, o que seria muito difícil na prática. A segunda forma, que foi selecionada para a solução do caso, é tratar como um problema de escoamento em vertedor com seção circular, em função das poucas informações possíveis de se medir com certa precisão em campo. A metodologia e suas limitações e possíveis fontes de erros estão descritos a seguir. 8

17 3.2.2 Vertedores Vertedores são estruturas hidráulicas tipicamente utilizadas para descarga de excedentes hídricos de reservatórios. Também há vertedores que são construídos e utilizados como forma controle ou medição de vazão de escoamentos (Baptista & Lara, 2010). Geralmente os vertedores possuem seção retangular, triangular ou trapezoidal. Embora geralmente o vertedor seja de parede delgada, há estruturas em que se considera parede espessa, sendo que tratamento matemático é particular para cada caso (Bureau of Reclamation, 1987). Desta forma, o problema em questão resume-se ao cálculo da vazão nos tubos que estão sendo tratados como vertedores circulares. De maneira geral, a equação para dimensionamento hidráulico de orifícios e vertedores corresponde à equação (Quintela, 1981): Q = C b 2gHdH onde Q é a vazão (em m³/s), b a largura (em m), C o coeficiente de descarga, H a altura da carga hidráulica (em m) e g a aceleração da gravidade (9,81 m/s²). Ou seja, o conhecimento da geometria do vertedor, do coeficiente de descarga, e do nível de água à montante e/ou sobre o vertedor possibilita o cálculo da vazão Medições de campo Para que fosse possível calcular a vazão em cada um das estruturas, de acordo com a metodologia estabelecida, se tornou necessário o levantamento da lâmina d água existente em cada uma das estruturas de interesse. O levantamento foi realizado por equipe da Klabin Para realizar as medições das tubulações das comportas, a vazão de transbordo no vertedouro foi zerada, de forma a só existir a transposição da água para jusante por meio dos vazamentos de água nas comportas. As medições foram realizadas por Elder Dettenborn, Diego Raone, Rodrigo Lopes e bombeiros da Klabin. A Foto 4 mostra o momento em que a cota da água no vertedouro foi rebaixada, de modo a não haver vertimento. Já a Foto 5, a Foto 6 e a Fonte: KLABIN / STCP, Foto 7 mostram o momento em que o bombeiro fazia o procedimento de descida sobre a barragem para efetuar as medições da lâmina d água, bem como para registro fotográfico. 9

18 Foto 4 Vertedouro sem vertimento no momento das medições. Fonte: KLABIN / STCP, Foto 5 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição. Fonte: KLABIN / STCP,

19 Foto 6 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição. Fonte: KLABIN / STCP, Foto 7 Bombeiro efetuando os trabalhos de medição. Fonte: KLABIN / STCP, A medição do nível d água na saída das galerias foi efetuada com a utilização de uma trena. Foram obtidas os seguinte níveis: Galeria 1 0,40 m; Galeria 2 0,37 m; Galeria 3 0,40 m. 11

20 A Foto 8 e a Foto 9 mostram respectivamente as galerias 1, 2 e 3 logo após as medições terem sido executadas. Foto 8 Galeria 1 logo após a medição. Fonte: KLABIN / STCP, Foto 9 Galerias 2 e 3 logo após a medição. Fonte: KLABIN / STCP,

21 3.2.4 Cálculo das Vazões A integração da equação Q = C b 2gHdH para o caso do vertedor com seção arco circular resulta na equação: Q = 1,014d!,!"# h!,!"# onde d é o diâmetro e h a carga hidráulica na saída do vertedor, conforme mostra a Figura 5. A equação acima considera um fator de 0,8 no valor de h, a fim de retirar possíveis erros da medição do nível d água nas condições que foram feitas em campo, conforme descrito na seção anterior. Figura 5 Vertedouro de seção circular considerado no estudo. Fonte: ENVEX / STCP, Desta forma, a Tabela 1 traz um resumo dos resultados obtidos para as 3 galerias. A vazão total nas condições de medição é de 1,34 m³/s. Tabela 1 Vazões calculadas nas galerias, nas condições de medição. Galeria 1 Galeria 2 Galeria 3 d (m) 2,00 4,50 4,50 h (m) 0,40 0,40 0,37 Q (m³/s) 0,31 0,55 0,48 Q total (m³/s) 1,34 Fonte: ENVEX / STCP,

22 3.2.5 Proposta para Vazão Remanescente Conforme visto acima, a vazão observada nas 3 galerias é da ordem de 1,34 m³/s. Com o objetivo de atingir a vazão de 2,5 m³/s, abrindo um pouco uma das comportas ou mais comportas para atingir essa vazão, de acordo com as opções abaixo (outras são possíveis). Destaque-se que na condição de medição não havia água sobre o vertedor da barragem e que essa estrutura também pode ser utilizada para aumento da vazão total até o valor desejado. Opção 1: aumentar as vazões nas galerias 2 e 3, tendo o mesmo valor; Opção 2: abrir a galeria 1 e manter as demais galerias com a mesma vazão medida; Opção 3: abrir a galeria 2 e manter as demais galerias com a mesma vazão medida; Opção 4: abrir a galeria 3 e manter as demais galerias com a mesma vazão medida. Abaixo estão apresentados os resultados para essas 4 opções sugeridas para aumento da vazão, até atingir valores iguais ou maiores do que 2,5 m³/s, mantendo-se a precisão de 1 cm na medição (Tabela 2, Tabela 3, Fonte: ENVEX / STCP, Tabela 4 e Fonte: ENVEX / STCP, Tabela 5). Tabela 2 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção 1. Galeria 1 Galeria 2 Galeria 3 d (m) 2,00 4,50 4,50 h (m) 0,40 0,59 0,59 Q (m³/s) 0,31 1,11 1,11 Q total (m³/s) 2,53 Fonte: ENVEX / STCP, Tabela 3 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção 2. Galeria 1 Galeria 2 Galeria 3 d (m) 2,00 4,50 4,50 h (m) 0,95 0,40 0,37 Q (m³/s) 1,49 0,55 0,48 Q total (m³/s) 2,52 Fonte: ENVEX / STCP, Tabela 4 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção 3. Galeria 1 Galeria 2 Galeria 3 d (m) 2,00 4,50 4,50 14

23 h (m) 0,40 0,75 0,37 Q (m³/s) 0,31 1,71 0,48 Q total (m³/s) 2,50 Fonte: ENVEX / STCP, Tabela 5 Vazões calculadas nas galerias, considerando abertura de comporta: opção 4. Galeria 1 Galeria 2 Galeria 3 d (m) 2,00 4,50 4,50 h (m) 0,40 0,40 0,74 Q (m³/s) 0,31 0,55 1,67 Q total (m³/s) 2,53 Fonte: ENVEX / STCP, Proposta para Desvio da Vazão na Barragem - Vertedouro Por fim, uma outra alternativa para atingir a vazão sanitária / ecológica sugerida (2,5 m3/s), seria desviar parte do escoamento da barragem para o canal principal, na margem direita do rio (sentido rio abaixo). Para tanto seria necessária uma obra de engenharia que possibilitasse subir a barragem do centro até a margem esquerda, conduzindo a vazão para a margem direita. Outra possibilidade seria através de uma escavação ou canalização abaixo da barragem conduzir a água para a margem direita. Considerando que atualmente a vazão por cima da barragem (vertedouro) é de pouco mais de 2 m3/s, seria possível destinar aproximadamente 1 m3/s para a geração de energia, reduzindo o volume do vertedouro para pouco mais de 1 m3/s. Juntamente com a vazão já existente nas comportas (aproximadamente 1,34 m3/s), este volume atenderia à proposta de vazão sanitária de 2,5 m3/s. Cabe observar que uma intervenção dessa natureza poderia trazer riscos à integridade da barragem, considerando o tempo de existência da mesma. 15

24 4 CONCLUSÕES Este relatório propôs uma solução para o problema da vazão mínima remanescente no trecho ensecado da UHE Pres. Vargas no rio Tibagi. Para tanto, a questão é contextualizada, é apresentada a situação atual e em seguida uma proposta para essa vazão (2,5 m 3 /s). Como já existe uma vazão permanente para jusante causada por vazamentos em algumas comportas da barragem, o valor desse fluxo total é calculado, utilizando conceitos físicos e matemáticos, além de medições em campo. Ao final do relatório, são apresentadas algumas alternativas para a manutenção da vazão de 2,5 m 3 /s para jusante, utilizando-se tanto os vazamentos existentes quanto uma abertura maior de comportas. Deve-se ter em mente que há incertezas nos métodos de cálculos das vazões, tanto pela formulação proposta quanto por possíveis imprecisões nas medições. No entanto, com relação às medições, já foi proposta um incerteza de 20%, reduzindo a vazão calculada e tornando o cálculo mais conservador. Melhorias nas estimativas de cálculo podem ser obtidas com medições em diferentes condições de operação e também com medições em vários pontos dentro das galerias, no sentido longitudinal. Além disso, destaca-se que na galeria 3 o fluxo mostrou-se bastante turbulento, provavelmente por irregularidades na seção e/ou vazamentos próximos à saída da galeria. Idealmente as medições devem ocorrer com escoamento o mais laminar possível. Outras formulações matemáticas também poderiam ser utilizadas, mas demandariam um esforço de monitoramento e matemático maior. Ainda assim, como os cálculos apresentam algumas premissas conservadoras e como não foi considerada a vazão do vazamento do sangradouro de detritos, pode-se dizer que os resultados possuem uma boa estimativa da ordem de grandeza das vazões. 16

25 5 BIBLIOGRAFIA BAPTISTA, M., LARA, M. Fundamentos de Engenharia Hidráulica. 3ª Edição. Editora UFMG. Belo Horizonte, BUREAU OF RECLAMATION United States Departamento of the Interior. Design of Small Canal Structures. Denver, QUINTELA, A.C. Hidráulica. 2ª Edição. Fundação Calouste Gulbenkian. Lisboa, MEDRI, M. E. ; BIANCHINI, E. SHIBATTA, O. A. ; PIMENTA, J. A. A Bacia do Rio Tibagi, Londrina 2002, UEL. Disponível em:< A-Bacia-do-Tibagi.pdf> 17