SISTEMA COMPUTACIONAL DE OTIMIZAÇÃO EM TEMPO REAL DA OPERAÇÃO DOS MANANCIAIS DO ALTÍSSIMO IGUAÇU UTILIZANDO HEC-RAS Rubem Luiz Daru* 1 ; Rosana Colaço Gibertoni 2 ; Marcos Vinicius Andriolo 3 ; João Paulo Jankowski Saboia 4 RESUMO --- Os mananciais do Altíssimo Iguaçu, localizados a leste da capital do Estado do Paraná, são responsáveis pelo abastecimento de água da maioria da população da Região Metropolitana de Curitiba. Menos da metade da área de drenagem nas captações possuem vazões regularizadas por reservatórios. Para permitir a operação otimizada em tempo real dos mananciais do Altíssimo Iguaçu foi desenvolvido o Sistema Computacional SISCO em Castanharo et al. (2004). Este artigo apresenta a atualização deste sistema computacional permitindo uma atualização de possíveis alterações no sistema de abastecimento de água do altíssimo Iguaçu de uma maneira mais simples sem a necessidade de alteração do código fonte do programa. Para isso utilizou-se o modelo hidrodinâmico HEC-RAS criando assim um sistema computacional SISCO versão 2013 que roda em conjunto como o HEC-RAS se comunicando com este e permitindo uma facilitação no uso da ferramenta. Palavras-chave: Captação de água, otimização, modelo hidrológico e hidrodinâmico OPTIMIZATION COMPUTER SYSTEM IN REAL TIME OF OPERATION WATER SOURCES OF THE UPPER IGUAÇU RIVER USING HEC-RAS. ABSTRACT --- The water sources of the upper river Iguaçu, located east of Curitiba, are responsible for the water supply of the majority of the metropolitan region of Curitiba. Less than half of the drainage area have regularized flows by reservoirs. To allow optimal operation in realtime of water sources of the upper Iguaçu River was developed in the Computer System SISCO, Castanharo et al. (2004). This paper presents the update of this computer system allowing an update of possible changes in the water supply system of Curitiba in a more simple way without having to change the code of the program. For this we used hydrodynamic model HEC-RAS thereby creating a computer system SISCO 2013 that rotates together as the HEC-RAS. There is communication between these two programs which allows the facilitation of system use. Key-words: Supply water, optimization, hydrologic and hydrodynamic modeling 1 Pesquisador do LACTEC CEHPAR, BR-116 km 98 s/n Caixa Postal 19.067. CEP 81531-980 Curitiba. E-mail: daru@lactec.org.br 2 Pesquisadora do LACTEC CEHPAR, BR-116 km 98 s/n Caixa Postal 19.067. CEP 81531-980 Curitiba. E-mail: rosana@lactec.org.br 3 Engenheiro Civil, Msc. Curitiba. E-mail: mvandriolo@yahoo.com.br 4 Pesquisador do LACTEC CEHPAR, BR-116 km 98 s/n Caixa Postal 19.067. CEP 81531-980 Curitiba. E-mail: joao.saboia@lactec.org.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1
RIO DO MEIO INTRODUÇÃO O projeto Atualização do Sistema de Gerenciamento da Operação Hidráulica dos reservatórios Piraquara I, Piraquara II e Iraí, e das captações dos rios Iraí e Iguaçu foi desenvolvido pelo Institutos LACTEC no seu laboratório CEHPAR para a Companhia de Saneamento do Paraná SANEPAR. A finalidade foi aprimorar o modelo matemático existente (SISCO) de otimização do uso dos recursos hídricos e gerenciamento e operação hidráulica dos reservatórios Piraquara I, Piraquara II e Irai para possibilitar futuras alterações nas estruturas hidráulicas sem perder a funcionalidade do modelo. O modelo SISCO, versão 1, desenvolvido pelo LACTEC (Castanharo et al., 2004) não permitia a flexibilidade necessária no caso de alterações no sistema hidráulico como, por exemplo, inserção de novas barragens, alteração de cota de soleiras, de locais de captação entre outras. Este artigo apresenta o projeto desenvolvido com o objetivo de alterar o sistema SISCO para possibilitar alterações deste tipo. Local do estudo A Região Metropolitana de Curitiba é suprida principalmente pelos mananciais do Altíssimo Iguaçu que estão localizados a leste da cidade, nas cabeceiras do rio Iguaçu, próximos a vertente oeste da Serra do Mar. Nestes mananciais existem duas importantes captações de água: a Captação Iguaçu e a Captação do Iraí. Menos da metade da área de drenagem nestas captações possuem vazões regularizadas pelos três reservatórios existentes: Iraí, Piraquara I (Caiguava) e Piraquara II. A área drenada por estas captações são formadas pelas bacias hidrográficas dos rios do Meio; Iraizinho; Itaqui; Pequeno; Piraquara e o Irai, afluentes do rio Iguaçu. A localização destas bacias, das captações, e dos reservatórios de regularização, pode ser visualizada na figura 1, onde aparece também o reservatório em projeto no rio Pequeno. 7204000 PALMITAL RIO PALMITAL CAPTAÇÃO IRAÍ Qb = 4.200 l/s 7196000 7188000 CAP. IRAÍ IRAÍ RESERVATÓRIO DO IRAÍ V = 52 hm3 RIO IGUAÇU CANAL EXTRAVASOR DIVISOR DE BACIAS SOLEIRA RIO IRAÍ INÍCIO DO CANAL EXTRAVASOR CAP. IGUAÇU IRAIZINHO RESERVATÓRIO PIRAQUARA I V = 23 hm3 7180000 PIRAQUARA PIRAQUARA I 7172000 DETALHAMENTO NA FIGURA 2 PEQUENO ITAQUI RESERVATÓRIO EM PROJETO CAPTAÇÃO IGUAÇU Qb = 3.600 l/s LAGOAS DE REGULARIZAÇÃO NA FOZ DO RIO PEQUENO LEGENDA ESTAÇÕES FLUVIOMÉTRICAS SIFÃO CANAL DE ÁGUA LIMPA RESERVATÓRIO EM PROJETO RIO ATUBA RIO PEQUENO RIO ITAQUI COMPORTAS - BR-277 7164000 676000 684000 692000 700000 708000 Figura 1 Hidrografia da bacia do Altíssimo Iguaçu. Fonte Castanharo et al. (2004) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2
O Canal Extravasor (mostrado na figura 1) representa a duplicação da calha original do rio Iguaçu e tem a finalidade de controle de cheias. Uma soleira de concreto no início do canal extravasor garante o nível mínimo de bombeamento da captação Iraí, e o excedente de afluência neste ponto, escoa para o Canal Extravasor somando-se às contribuições dos rios Itaqui e Pequeno para alimentarem a Captação Iguaçu que apesar do nome não capta água do rio Iguaçu (a partir de meados da década passada) captando apenas do Canal extravasor. Próximo a BR-277 a montante da foz do rio Pequeno localiza-se uma estrutura de comportas, que tem por finalidade permitir a passagem de cheias e manter o nível mínimo para possibilitar a captação de água da captação Iguaçu durante as secas. Um sifão e a lagoa Corina no rio Pequeno permite transferir água de rio Pequeno para a captação Iguaçu sendo que i excedente (cheias) segue para foz do rio Pequeno. O MODELO DE PREVISÃO DE VAZÕES DE CURTO PRAZO O objetivo principal do Sistema Computacional SISCO (Castanharo et al., 2004) desenvolvido para este manancial foi estabelecer ferramentas hidrológicas que realizem a previsão de vazões na bacia incremental, e determinem, de forma otimizada, os volumes mínimos a serem vertidos nos reservatórios, para garantir vazões e níveis adequados de bombeamento nos locais das duas captações, evitando desperdícios de volumes dos reservatórios. Paralelamente ao modelo de previsão de curto prazo foi desenvolvido um modelo de previsão de vazões mensais, tanto na bacia incremental, como a montante dos reservatórios. Os resultados desta previsão são úteis tanto para antever cenários de racionamentos futuros, como para determinar a operação conjunta dos reservatórios do Iraí e do Piraquara I e II, definindo a melhor forma de deplecionamento conjunto destes três reservatórios diante dos cenários de previsão de oferta e demanda de água. Previsões de vazões de curto nas bacias incrementais (modelo de recessão crítica) Não foi possível implantar um modelo de previsão do tipo chuva-vazão, visto que as bacias hidrográficas não serem monitoradas de maneira adequada para isso. Portanto manteve-se o modelo de recessão crítica de vazões baseado na análise de depleção de hidrogramas apresentada por Raudkivi (1979) utilizado em Castanharo et al. (2004), versão 1 do SISCO. O modelo concebido para versão 1 do SISCO tem como hipótese básica a suposição de que o hidrograma inicia um trecho de deplecionamento, ou continua em deplecionamento, a partir do último instante de tempo no qual se conhece a vazão numa dada bacia. Isto é não ocorrerá mais precipitações e, portanto as vazões previstas são vazões mínimas previstas. Neste modelo foram calculados três coeficientes de depleção para cada bacia hidrográfica: Depleção do escoamento superficial surface runoff " α 1 Depleção do regime interflow α 2 Depleção do escoamento subterrâneo baseflow recession α 3 Na figura 2 apresenta-se um gráfico em escala mono-log com os parâmetros, em cada regime de depleção, para o modelo de recessão crítica aplicado na bacia do rio Pequeno. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3
ln Q Qpi α 1 0,82 Qpi α 1 = 0,01900 hora -1 α 2 = 0,00545 hora -1 α 3 = 0,00165 hora -1 α 2 0,161 Qpi Figura 2 Coeficientes de deplecionamento e tempos de depleção para a bacia do rio Pequeno A propagação de vazões nos canais principais Na versão 1 do SISCO utilizou-se o modelo hidrodinâmico CHANNEL-III (Fill, 1980) para propagação de vazões nos canais. A concepção, arranjo e características hidráulicas (canais, estruturas como vertedores, soleiras, captação, etc) estavam inseridas dentro do código fonte do programa. Qualquer alteração nestas características deveria ser feita alterando o código fonte. Para evitar este trabalho e facilitar estas alterações resolveu-se neste trabalho substituir esta parte do programa pelo modelo hidrodinâmico HEC-RAS, que permite que estas alterações sejam feitas de maneira muito fácil sem a necessidade de alteração do condigo fonte na nova versão do SISCO. Para a utilização no modelo HEC-RAS (2002) o código fonte do SISCO foi alterado para possibilitar a comunicação com o HEC-RAS e permitir a utilização deste de maneira mais automática possível com a menor intervenção possível do operador do Software. O SISCO versão 2013, cria os arquivos de entrada do HEC-RAS. O operador tem que apenas inserir alguns dados necessários na plataforma do SISCO. O SISCO chamará o HEC-RAS quando for necessário e o operador apenas roda o HEC-RAS e informa ao SISCO alguns dados para continuar a simulação. Os resultados de níveis, vazões em qualquer trecho, tempo de propagação, amortecimento dos hidrogramas vertidos podem ser vistos na saída do próprio HEC. Na plataforma do SISCO são mostrados resultados das vazões previstas para: as bacias hidrográficas, vazões defluentes das barragens, demanda nas captações, abertura das comportas sempre para o horizonte de 7 dias. Todas as estruturas, canas, cavas laterais, soleiras, captações, comportas e o reservatório de Piraquara II foram representadas no HEC-RAS inclusive as alterações ocorridas desde 2004, não inclusas na versão 1 do SISCO. Estas alterações do sistema desde 2004 foram: desativação completa da captação no rio Iguaçu. A captação com este nome agora pega água exclusivamente do canal extravasor; implantação de novo sifão de transposição entre a lagoa Corina (rio Pequeno) e o canal extravasor; implantação de um sistema By-pass na confluência dos rios Irai e Piraquara permitindo desviar as águas de qualquer um destes rios para um bota-fora com a finalidade de evitar que águas contaminadas com acidentes rodoviários cheguem nas captações; implantação da barragem Piraquara II e de novas seções transversais; alteração das características hidráulicas de soleiras e de comportas; Alterações com estas e outras que podem vir no futuro se tornaram de fácil instalação no sistema computacional SISCO versão 2013, pois são alteradas diretamente no HEC-RAS. α 3 t XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4
Os Reservatórios de Irai e Piraquara I, por serem reservatórios de cabeceira não foram inseridos no HEC e suas vazões defluentes são calculadas pelo SISCO e informadas para o HEC automaticamente. As características hidráulicas destas duas barragens podem ser alteradas quando necessário alterando arquivos "txt" com estas características. Com base nas vazões previstas para 7 dias nas bacias hidrográficas a jusante dos reservatórios, dos níveis de agua mínimos necessários nas captações e vazões previstas de captação o SISCO calcula a necessidade de retirar água dos reservatórios. Com base numa modelagem de previsão de vazões mensais e otimização o SISCO calcula qual o melhor reservatório para se retirar água a fim de minimizar o risco de déficit no futuro. Com isso o SISCO calcula as aberturas das comportas do sistema (reservatórios e captações) a fim de manter o nível nas captações entre um mínimo e um máximo preestabelecido e informa estes valores para o HEC-RAS sem interferência humana. O SISCO informa também ao HEC todos os hidrogramas previstos nas diversas bacias hidrográficas. MODELO DE PREVISÃO DE VAZÕES EM ESCALA MENSAL O dilema da operação de um sistema de reservatórios é definir como utilizar as águas dos reservatórios, para que no futuro ocorra o menor déficit possível no abastecimento, e estabelecer quando realizar racionamentos preventivos. Com este objetivo, o modelo de previsão de operação mensal desenvolvido no SISCO realiza simulações da operação dos reservatórios com discretização mensal, através de vários possíveis cenários futuros de vazões afluentes previstas. Estes prováveis cenários são produzidos por um modelo estocástico periódico auto regressivo de primeira ordem, multivariado de geração de vazões mensais, PAR-1. Os parâmetros do modelo PAR-1 foram obtidos através dos dados históricos (1900 a 1990) de vazões mensais nas estações fluviométricas de Fazendinha (rio Pequeno) e Olaria do estado (rio Irai) e podem ser consultado em Castanharo et al. (2004). Através das características dos reservatórios (curva cota x volume, curvas de descarga dos extravasores), das cotas iniciais dos reservatórios, de uma demanda prevista, o programa simula a operação do reservatório para 12000 cenários de vazões previstas pelo PAR-1 para horizontes de 5 anos. O programa compara simulações com diferentes critérios de deplecionamento dos reservatórios baseado no tempo de esvaziamento ou de enchimento total dos reservatórios. O critério de deplecionamento que gerar o menor déficit esperado de abastecimento será escolhido. Com isso é possível saber qual reservatório deplecionar caso haja necessidade. Outra finalidade da modelagem na escala mensal é a utilização dos seus resultados de déficit esperado no sistema para o horizonte de 5 anos em estudos de médio prazo para planejamento e expansão do sistema. O software SISCO versão de 2013 manteve basicamente toda a estrutura da modelagem da versão 1. O SISTEMA COMPUTACIONAL DE OPERAÇÃO EM TEMPO REAL O modelo computacional SISCO foi desenvolvido em ambiente DELPHI 7 com linguagem de programação Turbo Pascal, possui uma interface amigável ao usuário e possui três módulos: simulação hidrológica (previsão horária e mensal), banco de dados e resultados; e foi concebido XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5
para utilização em tempo real. A figura 3 apresenta a tela inicial do sistema. A previsão de vazões horárias pode ser realizada em qualquer hora do dia. Este módulo realiza ainda a modelagem hidrodinâmica alimentando os dados de entrada do HEC-RAS automaticamente e chamando este programa para a simulação. O operador apenas roda o HEC (sem alterações manuais) e informa ao SISCO algumas variáveis de saída do HEC para que o SISCO continue a simulação. O módulo de previsão mensal do SISCO é simulado automaticamente, toda vez que o mesmo detecta a mudança de mês, ou pode ser simulado a qualquer dia do mês se o operador assim desejar (desejável apenas se os níveis dos reservatórios variaram significativamente dentro do mês). O programa detecta automaticamente a necessidade de atualização do banco de dados e informa-o para o operador. Figura 3: tela do SISCO versão 2013. Os resultados da modelagem mensal são mostrados em telas do SISCO como na figura 4. A figura 4 superior apresenta a simulação mensal dos reservatórios conforme a previsão de vazões mensais mostrando os níveis e volumes dos reservatórios para um horizonte de 1 ano nos quadrantes à esquerda. No quadrante direito apresenta-se a demanda nas captações, e a oferta nas bacias incrementais, também para um ano à frente. Este gráfico permite a fácil visualização dos meses nos quais são esperados deplecionamentos nos reservatórios, equivalentes aos meses nos quais a oferta da bacia incremental é menor que a demanda. A figura 5 apresenta a análise de risco de déficit do sistema calculado através da simulação mensal. Mostra o tempo de recorrência dos déficits no abastecimento. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6
Os resultados da modelagem de curtíssimo prazo podem ser visto nas saídas do HEC-RAS e em telas do SISCO como na figura 6 onde aparecem as aberturas das comportas do sistema e as vazões previstas para as bacias hidrográficas. Figuras 4 e 5: Telas de resultados da simulação mensal da operação dos reservatórios. Figura 6: Tela dos resultados da previsão horária. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7
CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS O principal mérito do Sistema Computacional SISCO versão 2013, apresentado neste trabalho, em relação à versão anterior é a possibilidade de atualização do sistema computacional de uma maneira fácil e prática, sem a necessidade de alteração do código fonte do programa. Isto torna o software SISCO (versão 2013) mais versátil e duradouro na sua utilização. Atualizações como ampliação do sistema de captação, alteração do tipo de comportas, soleiras, alteração de seções transversais (com dados mais acurados, por exemplo) podem agora ser mais facialmente alterados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a SANEPAR (Companhia de Saneamento do estado do Paraná) que financiou este projeto. BIBLIOGRAFIA CASTANHARO, G.; DARU, R.; GIBERTONI, R.; KAVISKI, E. (2004). Desenvolvimento de um Sistema de Gerenciamento da Operação Hidráulica dos reservatórios Piraquara I, Piraquara II e Iraí, e das captações dos rios Iraí e Iguaçu. Relatório Técnico Final Volume I e II. LACTEC CEHPAR. Curitiba, Pr. FILL, H.D. (1980). Programa CHANNEL-III: Descrição do programa e manual de utilização. COPEL. Curitiba, não paginado. HEC-RAS, (2002). HEC-RAS Hydraulic referenc manual. 350 p., Davis. Hydrologic Engineering Center. USA. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8