Regularização de Vazões

Universidade de São Paulo PHA3307 Hidrologia Aplicada Escola Politécnica Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental Regularização de Vazões Aula 13 Parte 1 Prof. Dr. Arisvaldo Méllo Prof. Dr. Joaquin Bonnecarrere

Objetivos da Aula 1. Aprender os conceitos de regularização de vazões. 2. Conhecer os níveis operacionais de um reservatório. 3. Conhecer o conceito de volume útil. 4. Conhecer algumas barragens, 5. Aprender a dimensionar o volume útil de um reservatório com o método do reservatório semi-infinito.

Regularização O que é Importância Cálculo do volume necessário (Volume Útil) para regularizar uma determinada vazão (Qreg) Dados necessários Hipóteses Uso de uma ferramenta para cálculo e análise

Propósitos de uma Regularização de Vazões Controle de Inundações Abastecimento Recreação e Paisagismo Geração de Energia Navegação Fluvial UHE Barra Bonita

Barragens do Alto Tietê e Piracicaba (parcial)

Principais Sistemas Produtores e Mananciais da RMSP 1.1 Cantareira 1 2.2 - Alto Tietê 3.3 - Rio Claro 4.4 - Rio Grande 7 2 3 5.5 Guarapiranga 6.6 - Alto Cotia 7.7 - Baixo Cotia 6 5 4

Esquema Hidráulico do Sistema Cantareira Fonte: SABESP 120 m. Consumo de energia equivalente ao da cidade de Bauru

Sistema Cantareira Fonte: SABESP

Estação Elevatória de Santa Inês Fonte: SABESP

Estação de Tratamento de Água - ETA - Guaraú Atende entre 9 a 10 milhões de consumidores Fonte: Sabesp

UHE Funil

UHE Funil Localização Finalidade Rio Paraíba do Sul, Bacia Paraíba do Sul, Município Resende (RJ) Geração de Energia Elétrica, Regularização Volume Concreto: 270000 m 3 Barragem Casa de Força Vertedor Níveis de Operação Reserv (N.A. Máx Normal) Tipo : Abóbada de concreto c/ dupla curvatura Comprimento : 385 Tipo Estrutural : Abrigada, Potência Unitária: 72 MW, Num. de Unid: 3 Tipo: Superfície e de fundo c/ controle, Comporta Segmento, Capacidade : 4400 m 3 /s NA Máx Normal Montante : 736.62 m NA Min Minimorum : 723.17 m Área : 39 km 2 ; Volume : 890 hm 3

Barragem Guarapiranga Sistema Localização Espelho d água Área de drenagem Volume de armazenamento Vazão Início da operação Guarapiranga Rio Guarapiranga, Bacia do Alto Tietê, Município de São Paulo 26,6 km2 631 km2 171.000.000 m3 13,8 m3/s 1928 (para abastecimento público)

Conceito de Regularização Sazonalidade das Vazões Vazão Regularizada

Função dos Reservatórios de Regularização (Qentr-Qreg) Dt = DV Se Qentr<Qreg= Qentr>Qreg= DV negativo positivo DV Qregularizada

Função dos Reservatórios de Regularização (Qentr-Qreg) Dt = DV Procura-se DV Se Vu é o for volume muito garantir útil pequeno, grande, a vazão regularização- parte o reservatório regulatizada do reservatório Vu seca pela e variação não fica ociosa se consegue de e volume a obra manter fica do reservatório- superdimensionada a vazão regularizada DV DV Qregularizada

Importância do Cálculo do Volume Útil O Vu está diretamente associado aos benefícios da obra O Vu influi nas dimensões da obra (custos) O Vu influi na área inundada (impactos ambientais e sociais) Nem sempre se pode contar com o Vu necessário (análise de riscos)

Definição da Altura de Barragens e Volumes Operacionais Nível Altura mínimo máximo da crista de normal maximorum da operação barragem Cota da Crista Volume Estudos Altura das de ondas sedimentos cheia, regularização, provocadas determinação (vol determinação morto), pelos condições ventos hidrogramas do e volume borda hidráulicas útil, para livre. garantias diferentes da de tomada períodos fornecimento, de de água retorno, (vol. etc... Resguardo) trânsito dos etc... hidrogramas, etc... N. Máximo Maximorum Volume de controle de cheias N. Máximo Normal Volume útil N. Mínimo Operacional Volume de resguardo Volume morto

Cálculo do Volume Útil Vazão média mensal (m3/s) 1930 1932 1934 1936 1938 1940 1942 1944 1946 1948 1950 1952 1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 Baseia-se na equação da continuidade: (Qe Qs) Dt = DV Qe = vazão de entrada no reservatório Qs = vazão de saída do reservatório DV = variação de volume do reservatório Dt = intervalo de tempo dos cálculos A análise é feita ao longo de uma serie histórica de vazões médias mensais 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Tempo (meses)

Hipóteses Dt mensal é suficientemente preciso para a maioria dos casos Dt = (365 x 24 x 60 x 60)/12= 2.628.000 s número médio de segundos em um mês A serie histórica é representativa do regime hidrológico do rio, ou seja, admite-se comportamento semelhante do rio durante a vida da obra No atual estágio da tecnologia é impossível fazer previsões a tão longo prazo Análises de risco, por exemplo: qual a probabilidade de conseguir garantir somente 90% da vazão desejada? Por quanto tempo? E as mudanças climáticas?

Cálculo do Volume Útil Técnica do Diagrama de Massas (Rippl -1883) Técnicas de Simulação Modelos de Otimização Métodos Empíricos Métodos Estatísticos UHE ITAIPU

Diagrama de Massas ou Diagrama de Rippl (1883)

volumes acumulados (m3/s.mês) Diagrama de Massas ou Diagrama de Rippl (1883) 250 B 200 Vol. Útil 150 100 50 E Diagrama de Massas ou Diagrama de Rippl (1883) 1 2 V a D C V R 0 0 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 1910 t1 t2 11 12 1911 8 tempo (meses)

Diagrama de Diferenças Totalizadas ou Diagrama de Picos Sequenciais Volumes (m3/s) 25 20 15 10 A Vol. Útil C 5 0-5 -10-15 -20-25 B Período Crítico: de A a B Período de Análise: de A a C 1910 3 5 7 9 11 1911 3 5 7 9 11 tempo (meses)

Diagrama de Diferenças Totalizadas ou Diagrama de Picos Sequenciais Forma Analítica Mês Vazão Vazão Vazão Média Soma das Diferenças 1 Q 1 d 1 = Q 1 - Q med d 1 2 Q 2 d 2 = Q 2 - Q med d 1 + d 2 3 Q 3 d 3 = Q 3 - Q med d 1 + d 2 + d 3............ N Q N d N = Q N - Q med d i ( i = 1 a N)

Diagrama de Diferenças Totalizadas para Vazões Regularizadas menor que a Média ( Forma Analítica) Qr = 10,61 m 3 /s Mês Vazão (Q-Qreg) (Q-Qreg) (m 3 /s) (m 3 /s).mês (m 3 /s).mês 0 0.00 1910 11.4 0.69 0.69 2 23.3 12.59 13.29 3 16.7 5.99 19.28 Máximo Ponto A 4 5.7-5.01 14.27 5 3.4-7.31 6.96 6 3.2-7.51-0.54 D Vol. Útil 7 5.6-5.11-5.65 8 5.1-5.61-11.26 9 6.3-4.41-15.67 Mínimo Ponto B 10 14.2 3.49-12.17 11 31.1 20.39 8.22 12 10.2-0.51 7.71 1911 27.3 16.59 24.31 > Máximo Ponto C 2 14.8 4.09 28.40 3 15.1 4.39 32.79 4 4.4-6.31 26.48 5 3.5-7.21 19.28 6 4.4-6.31 12.97 7 7-3.71 9.26 8 11.5 0.79 10.05 9 4.8-5.91 4.15 10 15.2 4.49 8.64 Departamento de Engenharia 11 9.3 Hidráulica e -1.41 Ambiental - PHA 7.23 12 17 6.29 13.53

Limitações do Diagrama de Diferenças Totalizadas Admite a série histórica como sendo uma repetição cíclica (não supõe séries mais ou menos críticas). Isto pode levar a sub ou super-dimensionamento do volume útil Não associa riscos a um volume definido Não permite variar a vazão regularizada em função do volume armazenado Não considera perdas por evaporação do reservatório Admite que o reservatório esteja cheio no início de sua operação Pode contemplar riscos, se for utilizada a técnica de geração de séries sintéticas

Método do Reservatório Semi-Infinito Conceito Básico: Reservatório com volume semi-infinito é aquele que nunca esvazia, mas que pode extravasar.

Método do Reservatório Semi-Infinito Cálculo do Volume Útil 1. Admite-se um volume útil, a priori, com um valor muito grande 2. Processa-se um balanço hídrico no reservatório para todo o período de dados da série de vazões 3. O volume armazenado ao final de cada período de cálculo é o menor entre os dois valores seguintes: 4. Volume Final = Volume Inicial + Volume Afluente Volume Efluente ou Volume Final = Volume Útil do reservatório

Método do Reservatório Semi-Infinito

Método do Reservatório Semi-Infinito 1945 1947 1949 1951 1953 1955 1957 1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 =MIN($B$7;B7+(C14-$B$5)*$B$6) =($B$7- D14) =IF(E14=0;0;F13+1) Volumes emprestados de um "reservatório semi infinito" para garantir Qreg Eixo X: col A Eixo Y: col D =IF(F14=0;0;MAX(G13;E14)) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Método do Reservatório Semi-Infinito Volumes emprestados de um "reservatório semi infinito" para garantir Qreg Eixo X: col A Eixo Y: col D 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Vu= 85,2 hm3

Volumes (m 3 ) Método do Reservatório Semi-Infinito 2.5E+08 Cálculo do Volume Útil Método do reservatório Semi-Infinito 2.0E+08 1.5E+08 1.0E+08 5.0E+07 0.0E+00 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 Volume Útil

Limitações do Método do Reservatório Semi- Infinito Pela forma clássica, não considera as perdas por evaporação do reservatório Não permite impor regras de operação (vazões regularizadas) em função do volume armazenado, pois não se conhece a princípio seu volume real

Grau de Regularização É a relação entre a vazão regularizada e a vazão média da bacia. GR = Qregularizada/Qmédia Curva de Possibilidades de Regularização É uma curva que relaciona a vazão regularizada com o volume necessário para regularizá-la É extremamente útil durante as fases de planejamento de barragens É obtida pela planilha variando-se a vazão regularizada e anotando-se o volume útil necessário

Curva de Possibilidades de Regularização Grau de Regularização ( Qreg/Qmed %) Curva de Possibilidades de Regularização 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Sem evaporação 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Volumes Úteis ( hm3)