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Regularização de vazões Adaptado de: Walter Collischonn, IPH - UFRGS EHD023 Hidrologia II.

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1 Regularização de vazões Adaptado de: Walter Collischonn, IPH - UFRGS EHD023 Hidrologia II

2  Objetivo: reservar água no período de maior disponibilidade para utilizar no período de menor disponibilidade  Como? Construção de barragens no leito do rio, resultando na criação de um lago (reservatório). Regularização

3  Reservatórios pequenos:  pouca regularização  objetivo principal é criar uma diferença de nível a montante e jusante para gerar energia  ou possibilitar a instalação de bombas para retirar água do rio  Reservatórios grandes:  maior capacidade de regularização Barragens

4 Regularização A solução encontrada para reduzir a variabilidade temporal da vazão é a regularização através da utilização de um ou mais reservatórios Os reservatórios têm por objetivo acumular parte das águas disponíveis nos períodos chuvosos para compensar as deficiências nos períodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das vazões naturais.

5 Irrigação

6 Abastecimento

7 Geração de energia

8 Usina Hidrelétrica

9 vertedor casa de força Usina Hidrelétrica

10 Itaipu

11 Usina de Xingó

12 Reservatórios

13 Usina Hidrelétrica

14 Barragem em Construção (PCH Irara, Goiás)

15 Um reservatório pode ser descrito por seus níveis e volumes característicos:  Nível mínimo operacional  Nível máximo operacional  Volume máximo  Volume morto  Volume útil Reservatórios: Características

16 Volume morto nível mínimo operacional Reservatórios: Características

17 O Volume Morto é a parcela de volume do reservatório que não está disponível para uso Corresponde ao volume de água no reservatório quando o nível é igual ao mínimo operacional Abaixo deste nível as tomadas de água para as turbinas de uma usina hidrelétrica não funcionam, seja porque começam a engolir ar além de água, o que provoca cavitação nas turbinas (diminuindo sua vida útil), ou porque o controle de vazão e pressão sobre a turbina começa a ficar muito instável. Volume morto

18 nível mínimo operacional nível máximo operacional Volume útil Reservatórios: Características

19 O nível máximo operacional corresponde à cota máxima permitida para operações normais no reservatório. Níveis superiores ao nível máximo operacional podem ocorrer em situações extraordinárias, mas comprometem a segurança da barragem. O nível máximo operacional define o volume máximo do reservatório. Nível máximo operacional

20 Volume morto nível mínimo operacional nível máximo operacional Volume útil nível máximo maximorum Nível máximo maximorum

21 A diferença entre o volume máximo de um reservatório e o volume morto é o volume útil, ou seja, a parcela do volume que pode ser efetivamente utilizada para regularização de vazão. Volume útil

22 Reservatório Os reservatórios tem por objetivo acumular parte das águas disponíveis nos períodos chuvosos para compensar as deficiências nos períodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das vazões naturais. Em geral os reservatórios são formados por meio de barragens implantadas nos cursos d‘água. Suas características físicas, especialmente a capacidade de armazenamento, dependem das características topográficas do vale em que estão inseridos.

23  Estreitamentos do vale  Área a ser inundada depende do novo nível da água (altura da barragem) Locais para construção de barragens

24

25 130 m

26 150 m

27  Analisando a área inundada para cada nível d´água, pode se calcular o volume do reservatório Cota x área x volume

28 Cota: 6,5 m Área inundada: 32 ha Volume: 0,1 Hm 3

29 Cota: 7 m Área inundada: 200 ha Volume: 0,7 Hm 3

30 Cota: 8 m Área inundada: 815 ha Volume: 5,7 Hm 3

31 Cota: 9 m Área inundada: ha Volume: 17,6 Hm 3

32 Cota: 10 m Área inundada: ha Volume: 43,6 Hm 3

33 Cota: 11 m Área inundada: Volume: 101 Hm 3

34 Cota: 12 m Área inundada: ha Volume: 191 Hm 3

35 Cota: 13 m Área inundada: ha Volume: 305 Hm 3

36 Cota: 14 m Área inundada: ha Volume: 440 Hm 3

37 Cota: 15 m Área inundada: ha Volume: 594 Hm 3

38 Relação Cota - Área - Volume

39 Cota (m)Área (km 2 )Volume (hm³) 772,000,00 775,000,94 780,002,398,97 785,004,7126,40 790,008,1558,16 795,0012,84110,19 800,0019,88191,30 805,0029,70314,39 810,0043,58496,50 815,0058,01749,62 820,0074, ,39 825,0092, ,88 830,00113, ,38 835,00139, ,00 840,00164, ,09 845,00191, ,81 Curva Cota - Área - Volume

40 Outras características importantes são as estruturas de saída de água, eclusas para navegação, escadas de peixes, tomadas de água para irrigação ou para abastecimento, e eventuais estruturas de aproveitamento para lazer e recreação. Outras Características

41 Os vertedores são o principal tipo de estrutura de saída de água Destinam-se a liberar o excesso de água que não pode ser aproveitado para geração de energia elétrica, abastecimento ou irrigação Os vertedores são dimensionados para permitir a passagem de uma cheia rara (alto tempo de retorno) com segurança. Vertedores

42 Um vertedor pode ser livre ou controlado por comportas O tipo mais comum de vertedor apresenta um perfil de rampa, para que a água escoe em alta velocidade, e a jusante do vertedor é construída uma estrutura de dissipação de energia, para evitar a erosão excessiva. Vertedores

43 A vazão de um vertedor livre (não controlado por comportas) é dependente da altura da água sobre a soleira, conforme a figura e a equação ao lado. Q é a vazão do vertedor; L é o comprimento da soleira; h é a altura da lâmina de água sobre a soleira e C é um coeficiente com valores entre 1,4 e 1,8. É importante destacar que a vazão tem uma relação não linear com o nível da água Vazão de Vertedor

44 Onde A é a área da seção transversal do orifício; g é a aceleração da gravidade; h é a altura da água desde a superfície até o centro do orifício e C é um coeficiente empírico com valor próximo a 0,6. Semelhante à equação do vertedor, destaca-se que a vazão de um orifício tem uma relação não linear com o nível da água. Descarregadores de fundo podem ser utilizados como estruturas de saída de água de reservatórios, especialmente para atender usos da água existentes a jusante. A equação de vazão de um descarregador de fundo é semelhante à equação de vazão de um orifício, apresentada abaixo: Descarregadores de Fundo

45 O volume útil está diretamente relacionado à capacidade de regularizar a vazão. Se o volume útil é pequeno, o reservatório não consegue regularizar a vazão e a usina é chamada “a fio d’água” Volume útil x Vazão média afluente

46  Equação da continuidade Balanço Hídrico de reservatórios

47  Intervalo de tempo curto: cheias  Intervalo de tempo longo: dimensionamento Balanço Hídrico de reservatórios

48  Métodos gráficos (antigos)  Simulação Dimensionamento do reservatório

49  Equação de Balanço Hídrico Simulação

50 ondeerepresentam valores médios da vazão afluente e defluente de reservatório ao longo do intervalo de tempo ∆t. Eq. de Balanço Discretizada sujeita às restrições 0 < S t+∆t < V máx ; onde V máx é o volume útil do reservatório.

51 V = volume (m 3 ) I = vazão afluente ao reservatório (m 3 /s) Q = vazão defluente do reservatório (m 3 /s) Q inclui vazão que atende a demanda e vazão vertida Balanço Hídrico num reservatório Simulação em planilha

52 Q é considerado igual à demanda Equação de Balanço Hídrico do reservatório pode ser aplicada recursivamente Simulação em planilha conhecidos

53  Com a equação recursiva de balanço podem ocorrer duas situações extremas: É necessário verter água A demanda é excessiva ou o volume é insuficiente

54 1.Estime um valor de V max 2.Aplique a equação abaixo para cada mês do período de dados de vazão disponível (é desejável que a série tenha várias décadas). As perdas por evaporação (E) variam com o mês e podem ser estimadas por dados de tanque classe A. A demanda D pode variar com a época do ano. A vazão vertida Q t é diferente de zero apenas quando a equação indica que o volume máximo será superado. Dimensionamento de reservatório

55 3.Em um mês qualquer, se S t+  t for menor que zero, a demanda D t deve ser reduzida até que S t+  t seja igual a zero, e é computada uma falha de entendimento. 4.Calcule a probabilidade de falha dividindo o número de meses com falha pelo número total de meses. Se esta probabilidade for considerada inaceitável, aumente o valor do volume máximo Vmax e reinicie o processo. Dimensionamento de reservatório

56 Um reservatório com volume útil de 500 hectômetros cúbicos (milhões de m 3 ) pode garantir uma vazão regularizada de 55 m 3.s -1, considerando a seqüência de vazões de entrada da tabela abaixo? Considere o reservatório inicialmente cheio, a evaporação nula e que cada mês tem 2,592 milhões de segundos. mêsVazão (m 3 /s) Jan60 Fev20 Mar10 Abr5 Mai12 Jun13 Jul24 Ago58 Set90 Out102 Nov120 Dez78 Exemplo

57 mêsVazão (m 3 /s) S t (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )S t+dt (hm 3 )Q (hm 3 ) jan fev20 mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = – 143 = 513 Supondo que não será necessário verter

58 mêsVazão (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan fev mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = – 143 = 513 Supondo que não será necessário verter Volume máximo excedido! É necessário verter 13 hm 3

59 mêsVazão (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan fev mar abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = – 143 = 409 Supondo que não será necessário verter

60 No início do mês de agosto o volume calculado é negativo, o que rompe a restrição, portanto o reservatório não é capaz de regularizar a vazão de 55 m 3.s -1 Mês S (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )Q (hm 3 ) Jan Fev Mar Abr Mai Jul Ago

61 Vazões do rio Tainhas de 1970 a 1980 Exemplo: dimensionamento de reservatório com simulação

62 Qual é a vazão que pode ser regularizada no rio Tainhas com um reservatório de 100 milhões de m 3 ? Exemplo: dimensionamento de reservatório com simulação em planilha

63

64 Vazões afluentes do rio Tainhas

65 Vazão de antendimento da demanda demanda (ou vazão regularizada)

66 Vazão vertida para V < Vmax

67 Vazão total de saída

68

69 Teste com Q = 20m 3 /s

70

71 usando o Solver do Excel

72 Qual é a vazão que pode ser regularizada no rio Tainhas com um reservatório de 100 milhões de m 3 ? A máxima vazão regularizável é de 11,13 m3/s. Resposta

73 Qual é o volume necessário para regularizar a vazão de 15 m 3 /s?

74

75 Hidrogramas de entrada e saída

76 Curvas de Permanência natural regularizado

77 Curvas de Permanência natural regularizado Q 95 passa de ~3 para 15 m3/s

78 Vazão Regularizada

79  Limite teórico: Q regularizada = I média Vazão Regularizada

80  Perdas por evaporação  Demandas variáveis no tempo  Reservatórios de uso múltiplo  Impactos ambientais Complicações

81 Um reservatório com volume útil de 500 hectômetros cúbicos (milhões de m 3 ) pode garantir uma vazão regularizada de 25 m 3.s -1,considerando a seqüência de vazões de entrada da tabela abaixo? Considere o reservatório inicialmente cheio, a evaporação constante de 200 mm por mês, área superficial e que cada mês tem 2,592 milhões de segundos. Exercício

82 Um reservatório com volume útil de 150 hectômetros cúbicos é suficiente para regularizar a vazão de 28 m 3.s -1 num rio que apresenta a seqüência de vazões da tabela abaixo para um determinado período crítico? Considere o reservatório inicialmente cheio, 200 km 2 de área superficial constante e que cada mês tem 2,592 milhões de segundos. Os dados de evaporação de tanque classe A são dados na tabela (veja capitulo 5). Exercício

83  Impacto da inundação de áreas  Obstruções ao fluxo (sedimentos, peixes, nutrientes)  Escada de peixes  Estratificação térmica  Eutrofização  Alterações de regime hidrológico  Trechos de vazão reduzida  Rompimento de barragens Questões ambientais em reservatórios


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