SISTEMA DE SUPORTE À TOMADA DE DECISÃO EM OPERAÇÃO DE RESERVATÓRIOS PARA ALOCAÇÃO NEGOCIADA

SISTEMA DE SUPORTE À TOMADA DE DECISÃO EM OPERAÇÃO DE RESERVATÓRIOS PARA ALOCAÇÃO NEGOCIADA Daniel Antonio Camelo Cid 1 ; Francisco de Assis de Souza Filho 2 & Sandra Helena Silva Aquino 1 RESUMO A água é um recurso natural limitado e dotado de valor econômico. Sua utilização gera uma grande diversidade de demandas, e, consequentemente, conflitos quanto ao seu uso. A gestão dos recursos hídricos torna-se, então, indispensável para garantir a sua utilização e conservação, principalmente em períodos de escassez. A utilização de ferramentas que auxiliem no processo de tomada de decisão na operação de reservatórios é de grande importância na gestão dos recursos hídricos. Nesse sentido, desenvolveu-se com este trabalho simulações de operação do reservatório Orós, utilizando um software de simulação que pode auxiliar os usuários dos recursos hídricos a tomar decisões sobre a alocação negociada dos recursos disponíveis. Calculou-se a vazão regularizada para o açude Orós (9,01 m³/s) e realizaram-se simulações para diferentes cenários de vazões afluentes. Os resultados apresentam as simulações de operação para o Orós, demonstrando a evolução do comportamento deste reservatório para cada cenário proposto. ABSTRACT Water is a limited natural resource with relevant economic value. Its use creates a wide range of demands, and thus conflicts over its use. The management of water resources becomes then essential to ensure its use and conservation, especially in periods of scarcity. The use of tools that assist in the decision making process in reservoir operation is of great importance in the management of water resources In this sense, operational simulations were made at the Orós reservoir, using simulation software which can assist users of water resources to make decisions about the negotiated allocation of the available resources. We calculated the regularized flow to Orós reservoir (9.01 m³ / s) and simulations were performed for different scenarios of inflows. The results show simulations of operations for Orós, demonstrating the evolution of the behavior of this reservoir for each proposed scenario. Palavras-chaves: Gestão dos recursos hídricos. Operação de reservatório. Alocação negociada 1) Universidade Federal do Ceará. E-mail: danielcamelocid@gmail.com 2) Professor do DEHA, UFC. Av. Mister Hull, s/n. E-mail: assissouzafilho@gmail.com 1

1 INTRODUÇÃO Por ser um recurso natural limitado e dotado de valor econômico, a utilização da água gera uma grande diversidade de demandas, e consequentemente, conflitos quanto aos seus diferentes usos (abastecimento humano, agricultura, irrigação, indústria, pecuária, entre outros). O conflito é agravado, principalmente, quando este recurso é escasso, demandando uma gestão de recursos hídricos que saiba lidar com as incertezas, conflitos entre oferta e demanda, bem como com o fornecimento de informações. O processo de alocação negociada de água no Estado do Ceará é contemporâneo do surgimento da Companhia de Gerenciamento de Recursos Hídricos do Estado - COGERH, criada pela Lei nº 12.217, de 18 de novembro de 1993, tendo como uma das fundamentações legais a lei nº 11996 (24/07/92) que dispõe sobre a Política Estadual de Recursos Hídricos (Aquino, 2012). A alocação de água no Estado do Ceará é condicionada por uma significativa incerteza fruto da variabilidade climática que impacta os regimes de chuva e de vazão, evidenciando um risco operacional no sistema de gestão de recursos hídricos. No processo de gestão, existem duas formas de alocação de água no Ceará: (i) a outorga, definida como alocação a longo prazo; (ii) e a negociada, alocação a curto prazo. O mecanismo de alocação de curto prazo é definido pela Macro Alocação Anual Negociada da Água. Este se configura como um processo político, integrativo, participativo e descentralizado, que ocorre através da negociação da regra anual de operação dos reservatórios. Nesse processo, entende-se que a participação na Macro Alocação Anual Negociada da Água fortalece, legitima e oportuniza o exercício da gestão compartilhada de um bem comum escasso e vital, contribuindo para a sua sustentabilidade e a adoção de práticas de co-responsabilidade dos agentes sociais envolvidos A tomada de decisão deve incorporar diversos elementos que possam nortear o gerente (tomador da decisão) sobre qual melhor caminho escolher. Em operação de reservatórios, por exemplo, a aplicação de técnicas de simulação, utilizando séries históricas de vazões afluentes, combinada com regras de operações e o uso da equação da continuidade, indica o comportamento do reservatório sujeito a determinadas condições. (Campos, 2009). Neste campo, faz-se necessário a utilização de mecanismos que possam dar ao usuário dos recursos hídricos o suporte quanto a tomada de decisões. Essas são de fundamental importância para processo de gestão dos recursos hídricos. O sistema de informação desenvolvido e operado num ambiente sócio-técnico no âmbito das organizações sociais é elemento chave para a tomada de decisão, tendo que ser considerado três critérios inter-relacionados, a saber: relevância, legitimidade e credibilidade. 2

A diversidade de utilizações dos recursos hídricos gera a necessita dos usuários em utilizar ferramentas que possam lhe dar uma visão clara sobre a situação atual e futura da disponibilidade hídrica de uma determinada região. (TUCCI, 1998, p. 8). O objetivo deste trabalho é realizar simulações de operação de reservatório individualizado, para o reservatório Orós, utilizando um software desenvolvido por Cid (2014). Este software de simulação, foi desenvolvido em linguagem de programação MATALB. As simulações apresentadas poderão ser utilizadas pelos diversos usuários dos recursos hídricos, auxiliando-os na tomada de decisão para alocação negociada da água. 2 METODOLOGIA Para este trabalho, aplicou-se uma metodologia dividida em quatro etapas: base de dados utilizada, local de aplicação, modelo de operação de reservatório, cenário de vazões afluentes. 2.1 Base de Dados Utilizada A base de dados composta pelas vazões afluentes, acumulação atual, acumulação máxima, cota-área-volume e evaporação media mensal, do reservatório simulado, Orós, foi obtida através da divisão de estudos técnicos e projetos da COGERH. A Tabela 1 e Tabela 2 apresentam os valores de vazão média anual e evaporação media mensal utilizada nas simulações. No cálculo do modelo dos Vizinhos, as séries de preditores climáticos foram obtidas no portal WEB da NOAA (http://iridl.ldeo.columbia.edu/sources/.kaplan/.extended /.v2/.ssta/), agência federal americana voltada para a condição dos oceanos e da atmosfera. Tabela 1 - Vazão média anual do reservatório Orós 1912 17,42 1913 16,33 1914 25,69 1915 3,15 1916 10,84 1917 85,52 1918 43,83 1919 2,55 1920 9,00 1921 51,25 1922 36,51 1923 24,42 1924 85,70 1925 31,13 1926 35,57 1927 5,61 1928 6,05 1929 15,73 1930 11,71 1931 5,55 1932 1,99 1933 6,93 1934 19,20 1935 45,68 1936 9,59 1937 6,99 1938 5,24 1939 6,83 1940 23,36 1941 11,60 1942 2,04 1943 3,05 1944 3,66 1945 9,48 1946 12,69 1947 29,41 1948 15,81 1949 5,72 1950 11,95 1951 2,78 1952 3,15 1953 1,88 1954 1,54 1955 3,90 1956 7,34 1957 9,88 1958 2,79 1959 2,47 1960 8,24 1961 7,43 1962 6,29 1963 15,25 1964 45,61 1965 18,03 1966 7,10 1967 16,71 1968 15,24 1969 16,21 1970 5,91 1971 7,35 1972 4,24 1973 16,42 1974 103,50 1975 31,68 1976 11,32 1977 21,00 1978 14,15 1979 5,61 1980 10,33 1981 6,71 1982 4,12 1983 2,33 1984 5,14 1985 83,75 1986 41,81 1987 15,60 1988 11,92 1989 38,83 1990 10,23 1991 7,39 1992 8,74 1993 1,39 1994 6,80 1995 18,14 1996 23,56 1997 17,18 1998 5,25 1999 5,21 2000 13,83 2001 3,71 2002 6,94 2003 6,97 2004 35,02 2005 4,41 2006 8,36 2007 12,17 2008 28,39 2009 29,54 2010 6,70 2011 26,40 2012 8,76 FONTE: COGERH, 2013 3

Tabela 2 - Evaporação media mensal do reservatório Orós Mês JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Evaporação (mm) 179,4 127,7 101,2 101,6 130,6 163,1 214,6 259,3 271,0 270,5 252,5 238,8 FONTE: Normais Climatologicas INPE de 1961 a 1990 2.2 Local de Aplicação As simulações foram realizadas para o reservatório Orós, utilizando os cenários de vazões afluentes: vazão zero, previsão de vazões a partir do método dos Vizinhos, ano específico e todos os anos da série histórica. 2.3 Modelo de Operação de Reservatório Para o cálculo da acumulação do reservatório, utilizou-se a equação do balanço de massa hídrica. Segundo TUTTI (1998), para um reservatório, o cálculo do balanço de massa hídrica pode ser realizado através da equação 1: (1) Onde, = Volume do reservatório no período de tempo t+, onde =1 mês = Volume armazenado no início do período de tempo t; = Volume afluente ao reservatório durante o período de tempo t; = Lamina evaporada durante o período de tempo t, suposta constante ao longo do período; = Área do espelho d água no início do período t, suposta constante para intervalos de tempos pequenos; = Retiradas operacionais visando suprimento das demandas e vertimentos; = Perdas por infiltração. O volume do reservatório ao final de um período estará limitado, em seu máximo, a sua capacidade útil de acumulação e, no mínimo, ao seu volume morto ou operacional. Neste trabalho, o volume mínimo do reservatório foi considerado zero hm³ e o volume máximo igual a 1940 hm³. A definição da regra de operação dos reservatórios é o primeiro passo da alocação da água estocada. Ela tem por objetivo a definição da vazão a ser liberada para se atender a uma demanda, em função do estado atual do reservatório ou do estado do sistema de reservatórios, caso ele seja operado de forma integrado a outros. Neste trabalho, utilizou-se uma regra de operação baseada em três estágios de liberação. No primeiro estágio (1) o reservatório está com volume menor que o necessário no período para suprir o volume da vazão regularizada (R). Nesta situação libera-se o volume de água disponível no reservatório secando-o. O segundo estágio (2) há um volume do reservatório (V) suficiente para o suprimento de toda a vazão regularizada, neste caso a liberação é igual à vazão regularizada. No terceiro estágio (3) o volume do reservatório é maior que o volume máximo de conservação (caso 4

não haja comportas) o volume liberado será a vazão controlada (R) somada ao vertimento, vazão não controlada (V-Vmax). Figura 1 - Regra de operação utilizada 2.4 Cenários de Vazões Afluentes As simulações serão realizadas utilizando-se quatro cenários de vazões afluentes: vazão zero, previsão de vazões a partir do método dos Vizinhos, ano específico e todos os anos da série histórica. A diferença entre os tipos de simulações serão os dados de entrada de afluência. No cenário de Vazão Zero, são considerados que não existem vazões afluentes. Este é um cenário que indicaria uma seca na região, por exemplo. Assim, não haverá contribuições no reservatório, sendo a vazão afluente do período simulado igual à zero m³/s. A previsão de vazões pelo Método dos vizinhos utiliza o modelo de previsão de vazões, desenvolvido por Souza Filho & Lall (2003) e Souza Filho et al. (2003). Este modelo utiliza a vazão média anual do reservatório e uma série de preditores climáticos (Dipolo Atlântico e Niño 3.4) para prever probabilisticamente as vazões anuais ou sazonais afluentes a um reservatório. Neste modelo, o individuo (ano) é classificado através de reamostragem utilizando a similaridade com K indivíduos previamente agrupados de acordo com a distância euclidiana entre seus preditores e os preditores da série histórica, descrito na equação 2. (2) Onde, = Distância euclidiana entre os preditores atuais e da série histórica p = Número de preditores = Vetor 1 x p com os preditores atuais = Vetor 1 x p com os preditores da série histórica = Vetor p x 1 dos coeficientes resultado da regressão linear 5

O cenário de ano específico é utilizado quando se deseja fazer uma simulação considerando que no ano irá precipitar como precipitou em um ano específico. Considera-se, então, a série de vazões da simulação como sendo a mesma do ano selecionado. Por fim, o cenário de todos os anos propõe a visualização das possíveis acumulações do reservatório baseada na probabilidade de uma determinada chuva acontecer. Neste cenário, utilizase toda a série histórica do reservatório para o cálculo da sua acumulação. O balanço hídrico é feito considerando-se as vazões afluentes de cada ano da série e ao fim da simulação pode-se observar o comportamento das acumulações ao longo dos anos. 3 RESULTADOS Com este trabalho pôde-se realizar simulações para o reservatório Orós. Inicialmente calculou-se, utilizando o software desenvolvido por Cid (2014), o valor da vazão regularizada com 90% de garantia (Q90), igual à 9,01 m³/s. Como volume inicial do reservatório simulado, foi utilizado o valor de acumulação de outubro de 2013, Vini=1080,47 hm³ (COGERH, 2013). Os anos de 1953 e 1974 são respectivamente os anos mais seco e úmido da série histórica do açude Orós, com vazão média de 1,71 m³/s e 67,6 m³/s respectivamente. A simulação foi realizada utilizando-se estes anos com o horizonte de simulação de dois anos. O mês inicial escolhido foi julho e a Q90 foi usada como valor de retirada mensal. Os resultados são apresentados na Figura 2. A Tabela 3 mostra os valores da acumulação mensal. Figura 2 - Evolução do reservatório Orós com horizonte de dois anos para 1953 e 1974 e retirada mensal igual a Q90 6

Tabela 3- Acumulação mensal do reservatório Orós com horizonte de dois anos para 1953 e 1974 e retirada mensal igual a Q90 Reservatório: Orós - s Seco e Úmido Retirada: 9,01 m³/s Acumulação Mensal (hm³) 2014 J A S O N D 2015 J F M A M J J A S O N D 2016 J F M A M J 1953 1080,5 1031,4 988,1 934,9 887,8 839,4 800,7 761,7 729,6 710,6 691,8 668,2 637,2 598,0 556,3 514,9 475,1 438,9 403,2 373,6 352,1 368,3 392,2 372,9 1974 1080,5 1051,7 1000,1 961,5 911,0 871,7 845,1 858,7 874,6 1152,1 1304,8 1420,7 1506,8 1502,7 1447,3 1386,3 1322,1 1264,4 1220,5 1180,5 1207,7 1341,8 1376,0 1343,3 Fonte: Elaborada pelo autor Durante o ano mais seco, observa-se que mesmo durante a estação chuvosa, as retiradas são maiores que as entradas, fazendo com que haja uma diminuição contínua do volume do reservatório. Como o volume inicial do reservatório está em aproximadamente 50% do seu valor máximo, o reservatório não atinge o sua acumulação mínima durante o período da simulação. Na sequência, foram calculados os diferentes valores das vazões regularizadas, com garantia mensal de 90%, durante um intervalo fixo (janela) de 30 anos. Este cálculo representa a variação da Q90 durante toda a série histórica, calculados para uma sequência de 30 anos consecutivos, sendo o volume inicial do reservatório adotado em 50% do seu volume máximo. O resultado é apresentado na Figura 3 e na Tabela 4. Percebe-se uma diferença significativa entre os valores da Q90 calculados ao longo dos anos. Em seu valor mínimo, 6,43 m³/s e o máximo atingindo 13,69 m³/s. Uma diferença de aproximadamente 53,07%, marcando a incerteza quanto ao valor da alocação do recurso disponível. Figura 3 - Cálculo da Q90 ao longo dos anos da série histórica com janela de 30 anos para o reservatório Orós 7

Tabela 4 - Variação da Q90 ao longo da série histórica para janela de 30 anos do reservatório Orós Q90 (m³/s) Q90 (m³/s) Q90 (m³/s) Q90 (m³/s) Q90 (m³/s) 1912 13,69 1913 12,78 1914 11,83 1915 10,7 1916 10,63 1917 10,63 1918 10,63 1919 10,63 1920 10,63 1921 10,63 1922 10,33 1923 9,69 1924 9,02 1925 8,17 1926 7,71 1927 7,58 1928 7,41 1929 7,15 1930 6,49 1931 6,43 1932 6,43 1933 6,43 1934 6,43 1935 6,43 1936 6,43 1937 6,43 1938 6,43 1939 6,43 1940 6,43 1941 6,43 Fonte: Elaborada pela autor 1942 6,43 1943 6,43 1944 6,43 1945 6,43 1946 6,43 1947 6,43 1948 6,43 1949 6,43 1950 6,43 1951 6,43 1952 6,43 1953 6,43 1954 6,49 1955 7,42 1956 7,85 1957 7,91 1958 8,21 1959 8,78 1960 9,86 1961 10,08 1962 10,44 1963 11,23 1964 11,29 1965 11,12 1966 11,09 1967 11,09 1968 11,09 1969 11,09 1970 10,88 1971 10,85 1972 10,33 1973 10,29 1974 9,84 1975 9,84 1976 9,84 1977 9,84 1978 9,84 1979 9,84 1980 9,84 1981 9,84 1982 9,84 1983 9,86 A utilização da previsão sazonal de vazões na operação dos reservatórios pode tornar-se uma ferramenta importante para melhorar a utilização dos recursos hídricos disponíveis. Durante muito tempo, a alocação foi realizada considerando vazão afluente zero ao longo dos 18 meses posteriores. Esta consideração conduz, muitas vezes, a um racionamento desnecessário da água. (RIBEIRO, 2011). Como base no que foi exposto, simulou-se o reservatório Orós com as vazões afluentes ao ano Vizinhos de 2012. A simulação não foi realizada com os Vizinhos de 2013 por falta dos dados de vazões afluentes neste ano. O resultado em forma de gráfico é apresentado na Figura 4. A esquerda do gráfico observa-se os anos mais próximos, classificados em ordem crescente de menores distancias. Observam-se no gráfico as respostas hidrológicas do reservatório para cada ano simulado. Utilizou-se análise estatística dos dados para se demonstrar os quartis dos volumes acumulados de cada um dos meses da simulação. Figura 4 - Evolução do reservatório Orós com horizonte de dois anos para os 20 anos vizinhos mais próximos de 2012 e retirada mensal igual a Q90 8

A mesma simulação foi realizada, agora com os dados iniciais de vazões afluentes utilizando toda a série histórica, apresentada na Figura 5. Figura 5 - Evolução do reservatório Orós com horizonte de dois anos para toda a série histórica de vazões e retirada mensal igual a Q90 Realizou-se, ainda, a simulação para o reservatório com vazão afluente nula durante todos os anos do horizonte de simulação. Esta mostra a evolução do reservatório submetido apenas as perdas. A Figura 6 mostra o gráfico desta simulação. Figura 6 - Evolução do reservatório Orós com horizonte de dois anos para o ano seco e retirada mensal igual a Q90 9

4 CONCLUSÕES Este trabalho foi escrito com o objetivo principal de realizar simulações para o reservatório Orós, utilizando um software de simulação, que auxilie os operadores de reservatórios a tomar decisões sobre a alocação negociada dos recursos hídricos disponíveis. A vazão regularizada com 90% de garantia (Q90) para o reservatório Orós encontrada foi 9,01 m³/s. Calcularam-se, ainda, as vazões regularizadas com garantia de 90% para uma janela de 30 anos. Os resultados mostraram uma variação de, aproximadamente, 53,07% entre os possíveis valores de Q90, marcando uma incerteza quanto ao valor de escolha para a vazão regularizada. Foi realizada ainda uma simulação através da implementação do modelo dos Vizinhos, obtendo os anos mais próximos aos anos de 2012 para o reservatório Orós. BIBLIOGRAFIA AQUINO, S. H. S. Relatório síntese sobre alocação negociada de água no Estado do Ceará (Rede Clima). UFC, 2012 CID, D. A. C. Sistema de suporte à tomada de decisão em operação de reservatórios. Monografia. Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014. COMPANHIA DE GESTÃO DOS RECURSOS HÍDRICOS. Estudo de definição de estrutura e estratégia de implantação de Sistema de Suporte à Decisão da COGERH. Fortaleza, 2013. INMET - INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA. Normais Climatológicas (1961-1990). Brasília, 1992. RIBEIRO, D.C.M. Modelo de previsão de vazão aplicado ao nordeste brasileiro utilizando a informação climática para auxiliar a operação de hidrossistemas. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia Hidráulica e Ambiental) Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011. SOUZA FILHO, F. A., & LALL, U. (2003). Seasonal to interannual ensemble streamflow forecasts for Ceará, Brazil : Applications of a multivariate, semiparametric algorithm. Water Resources Research, Vol. 39, No. 11, 1307. TUCCI, C.E.M. (1998). Modelos Hidrológicos. Editora da UFRGS ABRH 650p. 10