UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ÁREA DE ENGENHARIA E RECURSOS HÍDRICOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ÁREA DE ENGENHARIA E RECURSOS HÍDRICOS Manual do usuário Planilha HIDRO Operação de reservatórios com base em níveis de alerta

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ÁREA DE ENGENHARIA E RECURSOS HÍDRICOS Manual do usuário Planilha HIDRO Operação de reservatórios com base em níveis de alerta Klecia Forte de Oliveira Carlos de Oliveira Galvão versão 5 março 2004

3 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta Índice 2 Planilhas de Entrada de Dados Para iniciar o uso Para entender os cálculos realizados nas planilhas Planilha Alerta Planilha Gerenciamento

4 1 A planilha HIDRO A planilha eletrônica HIDRO Operação de reservatórios com base em níveis de alerta realiza o balanço hídrico do reservatório, de modo a fornecer ao usuário informações sobre seu comportamento perante diversas estratégias de operação, podendo ser usada em diferentes momentos: Na fase de planejamento, definindo os níveis de alerta do reservatório; Na fase de gerenciamento, acompanhando o comportamento do reservatório em tempo real com a aplicação dos níveis de alerta definidos antes; Na fase de previsão, prevendo volumes do reservatório a partir das informações da previsão meteorológica para um período. A planilha HIDRO se divide em planilhas internas caracterizadas por sua função básica: planilhas de entrada de informações e planilhas de saída de resultados. 2 Planilhas de Entrada de Dados Existem quatro planilhas cuja função básica é servir de entrada de informações para as simulações a serem realizadas para o reservatório: Curva C-A-V Deve-se inserir a Curva Cota-Área-Volume do reservatório, indicando os valores de área e volume a cada cota definida. Dem, Afl, Evp Devem-se inserir os valores das demandas médias mensais estimadas, vazões médias mensais afluentes ao reservatório e sua lâmina evaporada média mensal. Precipitações Deve-se inserir a série histórica de precipitações, da qual são obtidas as precipitações médias mensais.

5 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta Vazões Deve-se inserir uma série histórica de vazões mensais afluentes ao reservatório, da qual se calculam as vazões médias mensais afluentes. As séries históricas de precipitações e vazões inseridas devem ser cronologicamente coincidentes. 3 Planilhas de Resultados O comportamento do reservatório é simulado em cada planilha a partir de uma perspectiva própria, seja de planejamento das ações de gerenciamento, de gerenciamento em tempo real, ou previsão do comportamento hidrológico para determinado período. A simulação de períodos normais, chuvosos ou de estiagem é feita com a definição do coeficiente de afluência, que traduz a afluência de vazões ao reservatório, dependendo se seu valor é igual a 1,0, maior que 1,0 ou menor que 1,0, respectivamente. O coeficiente de demanda traduz a demanda de vazões do reservatório e, do mesmo modo que o coeficiente de afluência, simula períodos em que toda a demanda é atendida ou períodos em que nos quais se tem racionamento no abastecimento, dependendo se seu valor é igual a 1,0 ou menor que 1,0, respectivamente. Há um nível atingido pelo reservatório no qual não mais há a possibilidade de realizar captação para adução, devido às condições de qualidade da água que inviabilizam seu tratamento. O volume correspondente a este nível é chamado volume morto. O volume útil do reservatório é definido como sendo o volume morto subtraído de seu volume atual. 3.1 Fase de planejamento Planilha Alerta Com base em séries históricas de dados, esta planilha simula cenários de afluência e demanda, por processo de tentativa e erro, a partir dos quais se podem definir os níveis críticos de operação para o reservatório, que servirão para indicar o momento correto na tomada de decisões. Estes níveis são chamados níveis de alerta (NA). 5

6 Conforme mostra o esquema da Figura 1, o reservatório é dividido em zonas a partir de níveis fictícios. Em cada zona definida, atua um coeficiente de demanda, sendo tomado este coeficiente igual a 1,0 na zona de conservação. Figura 1 - Definição dos níveis de alerta em um reservatório. 3.2 Fase de gerenciamento Planilha Gerenciamento Nesta fase se dá o gerenciamento propriamente dito, a avaliação em tempo real das condições de operação do reservatório e sua administração com base nos níveis críticos de operação obtidos na planilha Alerta. Tomando o volume fornecido do reservatório e simulando cenários de afluência (períodos secos, normais ou chuvosos), pode-se prever o volume acumulado no do reservatório mês a mês e decidir quais medidas tomar para otimizar o uso de seus recursos. 3.3 Fase de Previsão Planilha Previsão Simula o comportamento do reservatório para o cenário atual, tomando a cada ano seu volume inicial igual ao volume atual fornecido e assumindo que as vazões afluentes sejam iguais as vazões provenientes da série histórica. Realiza a previsão de comportamento do reservatório para um determinado mês, com base na previsão meteorológica disponível, na série histórica de precipitações e nos resultados obtidos para a simulação do cenário atual.

7 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta 4 Tutorial 4.1 Para iniciar o uso Os itens abaixo indicam a seqüência de ações a serem realizadas antes de se fazer uso da planilha HIDRO: 1. Deve-se salvar o arquivo com um nome distinto para preservar o original. 2. Introduzir, nas devidas planilhas, os dados de entrada necessários, como indicado na Tabela 1 a seguir. 3. Na planilha Alerta, diminuir ou estender as linhas da tabela de cálculo de maneira que o intervalo de datas corresponda ao intervalo de datas da série histórica de vazões inserida na planilha Vazões. 4. Na planilha Gerenciamento, diminuir ou estender as linhas da tabela de cálculos para que o intervalo de datas corresponda ao período que se deseja simular. 5. Na planilha Previsão, diminuir ou estender as linhas da tabela de Distribuição de Probabilidades para que o número de anos nesta planilha seja o mesmo inserido na planilha Precipitações. Ainda na mesma planilha, na tabela que simula o comportamento do reservatório para o Cenário atual, diminuir ou estender as linhas de maneira que o intervalo de datas corresponda ao intervalo de datas da série histórica de vazões inserida na planilha Vazões. 6. Conferir se os nomes definidos na planilha após inserção de todos os dados de entrada representam corretamente os intervalos de células. Os nomes contidos na planilha e seus respectivos intervalos se encontram detalhados na Tabela 2. O que são nomes no Excel? Os nomes são conjuntos de caracteres (letras, números ou símbolos) usados para definir células ou intervalos de células. Como definir nomes no Excel? No menu Inserir, clique em Nome e escolha Definir. Na janela Definir Nome, escolha o 7

8 nome a ser conferido, clique na seleção de intervalo selecione o intervalo correto. e Tabela 1- Guias da planilha HIDRO e dados de entrada. Guias Dados de entrada Curva Cota-Área-Volume do reservatório, podendo ser suprimidos Curva C-A-V os valores de área, não usados nos cálculos. Inserir o valor do volume morto tomado para o reservatório. Demandas médias mensais estimadas; vazões médias mensais Dem, Afl, Evp afluentes ao reservatório; e lâmina evaporada média mensal do reservatório, respectivamente. Primeiro mês da estação chuvosa; último mês da estação Precipitações chuvosa; precipitações médias mensais. Vazões Vazões médias mensais. Nome do reservatório; frações da capacidade do reservatório correspondentes aos NA; coeficientes de demanda Alerta correspondentes a cada NA; data inicial das séries históricas; e valor do volume inicial. Guias Gerenciamento Previsão Tabela 1 Continuação. Dados de entrada Data inicial para cálculo; valor do volume inicial; coeficiente de afluência; e coeficiente de demanda do usuário (que pode ser omitido). Mês para o qual se deseja realizar a previsão; probabilidades de ocorrência de cada período (seco, normal, chuvoso); classificação dos anos como seco, normal ou chuvoso; data inicial das séries históricas; valor do volume inicial. Deve-se atentar para as unidades dos valores inseridos, explicitadas em cada planilha. Tabela 2 - Nomes contidos na planilha HIDRO e intervalos de células correspondentes. Nome Intervalo AFL Coluna na planilha Dem, Afl, Evp contendo os valores das vazões médias mensais afluentes ao reservatório. ANO_PREC Coluna na planilha Precipitações contendo os anos. CAV Matriz na planilha Curva C-A-V contendo as colunas Cota, Área e Volume. COEF1 Célula na planilha Alerta contendo o coeficiente de demanda correspondente ao NA1. COEF2 Célula na planilha Alerta contendo o coeficiente de demanda correspondente ao NA2. COEF3 Célula na planilha Alerta contendo o coeficiente de demanda correspondente ao NA3. COTA Coluna na planilha Curva C-A-V contendo os valores de cota.

9 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta DEM ESC_ALERTA EVP Nome FALHA_GERENC MESES MESES_SIMULADOS NA1 NA2 NA3 PESOS PREC_PER VAZOES VOL VOL_ALERTA VOL_GERENC VOL_MORTO VOL_PONDERADOS VOL_PREV VOL_SIMULADOS Coluna na planilha Dem, Afl, Evp contendo os valores das demandas médias mensais estimadas. Coluna na planilha Alerta contendo os volumes que representam a Escassez do reservatório. Coluna na planilha Dem, Afl, Evp contendo os valores de lâmina evaporada média mensal do reservatório. Tabela 2 Continuação. Intervalo Coluna na planilha Gerenciamento contendo as ocorrências de Falhas. Coluna na planilha Dem, Afl, Evp contendo os valores numéricos dos meses (1,2,..., 12). Coluna na planilha Simulação contendo os meses simulados. Célula na planilha Alerta contendo o volume do reservatório correspondente ao NA1. Célula na planilha Alerta contendo o volume do reservatório correspondente ao NA2. Célula na planilha Alerta contendo o volume do reservatório correspondente ao NA3. Coluna na planilha Previsão contendo os valores de probabilidades de ocorrência de cada tipo de ano. Coluna na planilha Precipitações contendo os valores totais da precipitação no período definido. Matriz na planilha Vazões contendo os valores das vazões médias mensais. Coluna na planilha Curva C-A-V contendo os valores de volume. Coluna na planilha Alerta contendo os valores de Volume - Início do mês. Coluna na planilha Gerenciamento contendo os valores de Volume - Início do mês. Célula na planilha Alerta contendo o valor correspondente ao volume morto do reservatório. Coluna na planilha Previsão contendo os valores dos volumes no início do mês ponderados pela probabilidade de ocorrência do respectivo ano. Coluna na planilha Previsão contendo os valores de volumes no início do mês de previsão para cada ano. Coluna na planilha Simulação contendo os volumes no início do mês para o intervalo simulado. As seqüências dos dados de origem dos gráficos devem ser atualizadas após realizar mudanças nas planilhas. As figuras a seguir apresentam as células que têm função de entrada de dados em cada planilha de resultados. 9

10 Figura 2 - Destaque das células que têm função de entrada de dados na planilha Alerta.

11 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta Figura 3 - Destaque das células que têm função de entrada de dados na planilha Gerenciamento. Figura 4 - Destaque das células que têm função de entrada de dados na planilha Previsão. 4.2 Para entender os cálculos realizados nas planilhas 11

12 As fórmulas presentes nas planilhas fazem uso dos Nomes definidos anteriormente. São indicados os títulos das colunas da tabela de cálculo de cada planilha Planilha Alerta 1. Mês: a primeira linha contém o mês correspondente à data inicial. Para os meses seguintes, o mês é resultado da soma do mês e número de dias do mês anterior. 2. Nº de dias do mês: fornece o número de dias do mês em questão (ou mês de cálculo). Este campo verifica se o mês da coluna anterior é fevereiro; caso seja, verifica se o ano é bissexto, para atribuir 28 ou 29 dias. 3. Início do mês Volume: volume inicial de cada mês de cálculo. Para a primeira linha de cálculo, o volume inicial é o valor de volume fornecido para a data inicial; para as linhas seguintes, o volume inicial de cada mês será o volume final do mês anterior. 4. Início do mês Cota: valor da cota do reservatório equivalente ao volume do início do mês. Este valor é obtido por interpolação linear dos dados da planilha Curva C-A-V. Tem-se na Tabela 3 os valores tomados para exemplificar os cálculos realizados nesta coluna.

13 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta Tabela 3 Valores usados para exemplificar os cálculos realizados na coluna Início do mês Cota. Data inicial 01/01/1963 Mês de cálculo 01/01/1963 Volume no início do mês (Vi) m 3 Volume anterior a Vi na Curva C-A-V m 3 Cota equivalente ao volume anterior 371,00 m Volume posterior a Vi na Curva C-A-V m 3 Cota equivalente ao volume posterior 372,00 m Cota equivalente a Vi 371,36 m Para obter o valor da cota equivalente a Vi é realizada a seguinte interpolação: Cota Vi= ( 372 ) x Cota Vi = 371,36m 5. Cota - Evp/2: é o valor da cota (do início do mês) do reservatório menos o valor correspondente à metade da lâmina evaporada no mês de cálculo, obtida a partir da planilha Dem, Afl, Evp. A lâmina evaporada para o mês de fevereiro é de 0,13 m, o que, seguindo o exemplo anterior, resulta em: 0,140 Cota = 371,36 = 371, 29m 2 6. Vol. Parcial: é o valor do volume correspondente à Cota - Evp/2, obtido por interpolação linear dos dados da planilha Curva C-A-V. Usando os valores mostrados na Tabela 3, tem-se: 371,29 371,00 Vol = x 371,00 372, = m ( ) + 7. Vazão Afluente: é o valor da vazão afluente ao reservatório, proveniente da planilha Vazões. 8. Acréscimo do Vol. Afluente: valor correspondente ao volume afluente ao reservatório, obtido pela multiplicação da vazão afluente (da planilha Vazões), em m 3 /s, pela quantidade de segundos do mês de cálculo. Seguindo o 13

14 exemplo, para o mês de março de 1963, a vazão afluente ao reservatório é de 13,583 m 3 /s. O volume afluente é de: 3 Vol = 13,583 x x 31 = m 9. Demanda Desejada: fornece o valor a ser retirado do reservatório para atender integralmente a demanda, de acordo com o valor das demandas médias mensais estimadas, provenientes da planilha Dem, Afl, Evp, convertendo-o para volume, como feito antes para o Acréscimo do Vol. Afluente. 10. Demanda Reduzida: este valor corresponde ao valor da Demanda Desejada, multiplicado pelo coeficiente de demanda adotado. O coeficiente de demanda tomado para cálculo aqui é escolhido da seguinte maneira: caso o nível inicial seja maior que o NA1, a planilha tomará para o coeficiente de demanda o valor 1,0; caso o volume do início do mês seja menor ou igual ao NA1, e maior que o NA2, o valor tomado para o coeficiente será o que consta na planilha Alerta, equivalente ao NA1; caso o volume do início do mês seja menor ou igual ao NA2, e maior que NA3, o valor tomado para o coeficiente será o que consta na planilha Alerta, equivalente ao NA2; caso o volume do início do mês seja menor ou igual ao NA3, e maior que o Volume Morto estipulado em Alerta para o reservatório, o valor tomado para o coeficiente será o que consta na planilha Alerta, equivalente ao NA3; caso o volume do início do mês seja menor ou igual ao Volume Morto, o coeficiente de demanda será tomado igual a zero. 11. Volume Parcial 2: é o volume que tem o reservatório após o Acréscimo do Volume Afluente e a retirada da Demanda Reduzida. 12. Demanda Atendida: é o valor realmente atendido, de acordo com as condições de volume do reservatório. 13. Cota 2: é o valor da cota do reservatório equivalente ao Volume parcial 2, obtido pelo mesmo procedimento usado na obtenção da Cota (Início do mês). 14. Cota 2 Evp/2: fornece o valor da cota do reservatório após ser diminuído da Cota 2 o valor correspondente a metade da

15 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta lâmina evaporada no mês de cálculo, obtida a partir da planilha Dem, Afl, Evp para este mesmo mês. 15. Vol. final do mês: é o valor do volume correspondente à Cota 2 Evp/2, obtido pelo mesmo processo usado para calcular o Vol. Parcial. 16. Escassez: este valor corresponde à diferença entre a Demanda Desejada e a Demanda Atendida. Em termos práticos, seria o valor do volume de água a ser racionado no mês de cálculo. 17. Volume extravasado: este valor corresponde à soma dos valores do Volume Parcial, do Acréscimo do Volume Afluente, diminuído o valor da Retirada da Demanda; este valor é comparado com a Capacidade do Reservatório, caso o primeiro seja maior que o segundo, é feita a diferença entre eles e o valor obtido é dado; caso contrário, o valor obtido é zero Planilha Gerenciamento Os cálculos realizados em algumas colunas da tabela de cálculos desta planilha são idênticos aos já apresentados na planilha Alerta, por esse motivo, a explicação para essas colunas será suprimida. 1. Acréscimo do Vol. Afluente: valor correspondente ao volume afluente ao reservatório, obtido pela multiplicação da vazão média afluente do mês de cálculo (da planilha Dem, Afl, Evp) em m 3 /s, pela quantidade de segundos do mês de cálculo. Exemplificando, tem-se o valor da vazão média afluente para o mês de março igual a 15,809 m 3 /s, o que resulta em um acréscimo no volume afluente igual a: 3 Vol = 15,809 x x 31 = m 2. Coeficiente de Demanda Níveis de Alerta: é o coeficiente de demanda tomado para cálculo, proveniente da planilha Alerta. Este valor só é adotado para cálculo caso a coluna Coeficiente de Demanda do Usuário não esteja preenchida. 15

16 3. Retirada da Demanda: fornece o valor a ser retirado do reservatório para atender a demanda, obtido pela multiplicação da demanda média estimada (da planilha Dem, Afl, Evp), do número de dias do mês de cálculo e do coeficiente de demanda adotado. Este coeficiente pode ser o Coeficiente de Demanda Níveis de Alerta ou o Coeficiente de Demanda do Usuário. 4. Volume parcial 2: é o volume que tem o reservatório após o acréscimo da vazão afluente e a retirada da demanda. 5. Falha: indica se houve, para o mês de cálculo, racionamento na Retirada da Demanda, comparando o Volume do final do mês e o NA1. Caso o NA1 seja maior ou igual ao volume final, o mês é tomado como falho, o que corresponde ao valor 1,0. Caso o volume final do mês seja maior que o NA1, o mês é tido como normal, o que corresponde ao valor 0,0. 6. Coeficiente de Demanda Usuário: nesta coluna o usuário pode inserir o valor que avalie adequado. Este valor será prioritariamente tomado como coeficiente de demanda para os cálculos efetuados na planilha. 7. Nível de Alerta 1: primeiro nível de alerta, obtido para o reservatório na planilha Alerta; usado nesta planilha apenas para gerar o gráfico de Volume acumulado no reservatório durante o período. 8. Nível de Alerta 2: segundo nível de alerta, obtido para o reservatório na planilha Alerta; usado nesta planilha apenas para gerar o gráfico de Volume acumulado no reservatório durante o período. 9. Nível de Alerta 3: terceiro nível de alerta, obtido para o reservatório na planilha Alerta; usado nesta planilha apenas para gerar o gráfico de Volume acumulado no reservatório durante o período.

17 Manual para Operação de Reservatórios com Base em Níveis de Alerta Planilha Previsão Da mesma forma que na planilha anterior, os cálculos realizados em algumas colunas da tabela de cálculos desta planilha são idênticos aos já apresentados na planilha Alerta, por esse motivo, a explicação para essas colunas será suprimida. Tabela de Distribuição de Probabilidades 1. Precip. Período: contém os valores dos totais precipitados, em ordem crescente, para a estação chuvosa dos anos da série de precipitações médias mensais usada. 2. Tipo de Ano: o usuário deve classificar o ano como seco, normal ou chuvoso, de acordo com o total precipitado na estação chuvosa. 3. Ano: ano correspondente ao total precipitado. 4. Volume no Início do Mês: fornece o valor do volume do reservatório, na planilha Simulação, para o mês em que está sendo realizada a previsão, no Ano indicado na coluna anterior. 5. Peso do Período: indica a probabilidade de ocorrência adotada para a Precipitação do Período a partir do Tipo do ano. 6. Ponderação do Volume: valor ponderado do volume a partir do Peso do período. 17

18 Tabela de Simulação do Comportamento do Reservatório 1. Acréscimo do Vol. Afluente: valor correspondente ao volume afluente ao reservatório, obtido pela multiplicação da vazão média afluente (da planilha Vazões), em m 3 /s, pela quantidade de segundos do mês de cálculo. 2. Demanda Desejada: valor correspondente ao volume demandado do reservatório, obtido pela multiplicação da demanda média mensal estimada (da planilha Dem, Afl, Evp) em m 3 /s, pela quantidade de segundos do mês de cálculo. 3. Volume Total Recomendado: valor da Demanda Desejada multiplicado pelo Coeficiente de demanda do usuário. 4. Volume Liberado: caso o volume útil do reservatório seja maior que o Volume Total Recomendado; caso contrário, o volume liberado será o volume útil disponível. 5. Volume Parcial 2: é o volume que tem o reservatório após o Acréscimo do Volume Afluente e a retirada do Volume Liberado.

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