Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas

Apresentação em tema: "Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas"— Transcrição da apresentação:

1 Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas
EHD023 – HIDROLOGIA II Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Benedito C. Silva 1

2 RESPOSTA DA BACIA HIDROGRÁFICA Hidrograma de Vazões
Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas RESPOSTA DA BACIA HIDROGRÁFICA Hidrograma de Vazões

3 Tipos de escoamento na bacia
Superficial Sub-superficial ?? Subterrâneo

4 Início da chuva: - Infiltração
- escoamento superficial (se a intensidade for maior do que a capacidade de infiltração)

5 Após algum tempo com chuva...
- Infiltração escoamento superficial escoamento subterrâneo Camada saturada

6 Em alguns casos... - Infiltração escoamento superficial
escoamento subterrâneo - Escoamento sub-superficial

7 - Escoamento sub-superficial - Escoamento subterrâneo
Depois da chuva... - Escoamento sub-superficial - Escoamento subterrâneo Camada saturada

8 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada

9 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada

10 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo
Camada saturada

11 Estiagem muito longa = rio seco Rios intermitentes
Camada saturada

12 Hidrograma O hidrograma é o gráfico que relaciona a vazão ao tempo e é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico. Depende de: - Heterogeneidade das características físicas da bacia - Caminhos que a água percorre até o exutório

13 Resposta da bacia para uma chuva de curta duração
tempo 15 minutos P Q tempo

14 Hidrograma 1

15 Hidrograma 2

16 Hidrograma 3

17 Hidrograma 4

18 Hidrograma 5

19 Hidrograma 6

20 Hidrograma 7

21 Hidrograma 8

22 Hidrograma 9

23 Hidrograma 10

24 Hidrograma 11

25 Hidrograma 12

26 Hidrograma 13

27 Hidrograma 14

28 Hidrograma 15

29 Hidrograma 16

30 Fases do hidrograma pico ascenção recessão Superficial e
Sub-superficial pico ascenção recessão Escoamento subterrâneo

31 Forma do hidrograma Bacia montanhosa Q Bacia plana tempo

32 Forma do hidrograma Q tempo
Bacia urbana Q Bacia rural tempo Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido

33 Forma da bacia X hidrograma
Bacia circular Q Bacia alongada tempo

34 Tipo de solo x forma do hidrograma
Bacia com solo raso Q Bacia com solo profundo tempo

35 Hidrograma - exemplo

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37 Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias

38 Influência do tipo de solo
Solo profundo Áreas: km2 Solo raso

39 Séries estacionárias As estatísticas da série (média e desvio padrão), não se alteram ao longo do tempo Vazões do rio Paraná em Concórdia (vazões anuais)

40 Séries não-estacionárias
Alterações nas Séries Séries não-estacionárias Alterações devido ao clima Vazões do rio São Francisco

41 Séries não-estacionárias
Alterações nas Séries Séries não-estacionárias Alterações devido ao clima Vazões do rio Paraguai

42 Alterações no uso do solo
Bacia do Rio Taquari, MS.

43 ESTUDOS HIDROLÓGICOS Check List ANEEL e Diretrizes Eletrobrás
Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas ESTUDOS HIDROLÓGICOS Check List ANEEL e Diretrizes Eletrobrás

44 Usinas Hidrelétricas: classificação quanto a potência
Potência – P (kW) Micro P < 100 Mini 100 < P < 1.000 Pequenas (PCHs) 1.000 < P < UHEs P > PCHs - Potência entre 1MW e 30MW - Área inundada <= 13,0 km², atendendo a inequação: Onde, Área do reservatório em km² Potencia instalada em MW Queda bruta em m Para implantação de PCHs e UHEs os projetos devem ser submetidos e aprovados pela ANEEL Usinas abaixo de 1.000kW devem apenas notificar a ANEEL que a usina foi implantada

45 Aceite dos Projetos pela ANEEL Check List para PCHs
RESOLUÇÃO 343 DE OUTUBRO DE 2010 Estudos Hidrometeorológicos e Sedimentológicos Caracterização fisiográfica da bacia hidrográfica Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral. Apresentação das informações hidrometeorológicas utilizadas Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo: - séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de drenagem; - dados pluviométricos, da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão. Descrição da metodologia empregada para a obtenção da série de vazões no local do aproveitamento A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá ser apresentada de forma detalhada. Série de vazões médias mensais do(s) aproveitamento(s) A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá abranger o maior período possível de dados disponíveis na bacia, contemplando, no mínimo, 30 anos de dados. Ressalta-se que a série de vazões deverá contemplar, obrigatoriamente, até, pelo menos, dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL. Curvas de permanência Deverão ser apresentadas a tabela e a curva de permanência, com intervalo de, no máximo, 5%. Vazões extremas A metodologia utilizada deverá ser descrita detalhadamente, explicitando, por exemplo, quais as distribuições estatísticas utilizadas.

46 Aceite dos Projetos pela ANEEL Check List para UHEs
RESOLUÇÃO 421 DE 2010 Estudos Hidrometeorológicos, Sedimentológicos e Hidráulicos Caracterização fisiográfica da bacia hidrográfica Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral, tais como área, perímetro, forma, densidade de drenagem, tempo de concentração, etc. A apresentação das informações hidrometeorológicas utilizadas (fluviometria, pluviometria, climáticos) Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo: - séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de drenagem; - dados pluviométricos da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão. Deve ser apresentada ainda descrição da hidrogeologia da região. Descrição da metodologia empregada para a obtenção da série de vazões no local do aproveitamento A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá ser apresentada de forma detalhada, incluindo memorial de cálculo. Série de vazões médias mensais do aproveitamento A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá iniciar em 1931, estendendo-se até, pelo menos, dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL. A série de vazões deve ser apresentada em formato editável, preferencialmente em extensão ".xls". Curvas de permanência Deverão ser apresentadas a tabela e o gráfico associados à curva de permanência. Vazões extremas A metodologia utilizada deve ser descrita em detalhes. Devem constar também os valores e critérios para definição da vazão de dimensionamento do vertedouro e das estruturas de desvio, observando os critérios definidos nos Manuais da Eletrobrás. Curva-chave do canal de fuga Deverá ser apresentada metodologia e a curva-chave do canal de fuga confeccionada para o empreendimento em questão.

47 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás (

48 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás Quando os postos fluviométricos não possuírem o período de anos mínimo recomendado (30 anos) poderão ser utilizadas as séries de vazões naturais das usinas hidrelétricas do Sistema Interligado Nacional - SIN, disponibilizadas pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS (

49 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás A série de vazões médias mensais será utilizada no projeto para determinação dos estudos energéticos de definição da potencia instalada da usina e, por consequencia, no dimensionamento do grupo gerador e estruturas hidromecânicas de adução Para dimensionamento das estruturas de estravasamento (vertedouro) deverá ser estimada a vazão máxima diária para o tempo de retorno de anos. O estudo de vazões mínimas visa determinar as vazões a serem adotadas para manutenção de ecossistemas aquáticos e usos humanos a jusante da barragem, devendo ser realizado de acordo com a legislação de recursos hídricos de cada estado

50 Histórico de Vazões Médias Mensais
A série de vazões médias mensais gerada para o local da usina hidrelétrica deve ter o seguinte formato:

51 BANCOS DE DADOS HIDROLÓGICOS
Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas BANCOS DE DADOS HIDROLÓGICOS

52 Rede de Postos Hidrológicos
As redes hidrológicas são geralmente públicas, com exceção das algumas redes telemétricas de empresas de energia Redes Federais: ANA= pluviometria e fluviometria, INMET= climatologia Redes regionais: DNOCS e antiga SUDENE Redes estaduais: entidades de recursos hídricos e de agricultura dos Estados (DAEE-SP, IGAM-MG) Poucos Estados possuem gestão de dados hidrológicos

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62 Códigos?

63 Esquema de codificação
Postos fluviométricos 1º dígito: indica qual a bacia 2º dígito: indica qual a sub-bacia Demais dígitos: números sequenciais de instalação dos postos Exemplo:

64 HidroWeb

65 HidroWeb

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67 HidroWeb

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71 HidroWeb Escolha o tipo de dado que deseja, o formato do arquivo e faça o download

72 O Banco de dados Hidro Utilizado para trabalhar com os dados em formato Access Permite o gerenciamento da base de dados armazenada centralizadamente em um banco de dados relacional Permite a entrada de dados por parte das entidades que operam a rede de monitoramento Calcula funções hidrometeorológica básicas Vizualização de gráficos e imagens A alimentação realizada através de relatórios enviados pelas operadoras Suporta dados de inventário (rios e estações) e de séries históricas Pode ser acessado de forma local ou remota (intranet ou internet) hidroweb.ana.gov.br Permite a exportação de registros para arquivos de intercâmbio

73 HidroWeb + Hidro

74 Formato TXT

75 Formato TXT Pode ser aberto e trabalhado em: MS Excel
Programas especialmente desenvolvidos

76 ATIVIDADE 1 1. Acessar o portal Hidroweb baixar o histórico de vazões do posto fluviométrico (Santa Rita do Sapucaí), nos formatos ACCESS e TXT 2. Importar o arquivo ACCESS no programa HIDRO, visualizar os dados, exportar a série de vazões mensais para o formato TXT e abrir no MS Excel 3. Abrir o arquivo TXT (baixado do Hidroweb) no MS Excel e visualizar os dados

77 Determinação da Série de Vazões
Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Determinação da Série de Vazões

78 ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos
Realizar busca por postos fluviométricos na região de estudo, que tenham área de drenagem semelhante à bacia da usina Limites normalmente adotados: postos com área entre 0,25 e 4 vezes a área de drenagem da usina Outras características a considerar: SOLOS, relevo, geologia, cobertura vegetal, regime de precipitações Baixe os arquivos de vazões e outros diponíveis, tais como: cotas, curva-chave, seções batimétricas e medições de descarga. Esses arquivos serão importante para a análise de consistência dos postos.

79 Como encontrar os postos? Via mapa da Hidroweb
ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via mapa da Hidroweb

80 Como encontrar os postos? Via mapa da Hidroweb
ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via mapa da Hidroweb Ampliar a região de interesse, ativar os layers de hidrografia e Estações Fluviométricas Ao clicar no ponto corespondente ao posto, será aberta a janela para download dos dados

81 Como encontrar os postos? Via shapefiles
ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via shapefiles

82 Baixar os arquivos e abrir em softwares de geoprocessamento
ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via shapefiles Baixar os arquivos e abrir em softwares de geoprocessamento

83 ATIVIDADE 2 1. Utilizar um software de geoprocessamento para visualizar os arquivos shapefile da bacia do rio Paraná 2. Adicione a bacia do rio Sapucaí aos layers e verifique os postos fluviométricos próximos ao posto de Santa Rita do Sapucaí

84 ETAPA 2: Análise regional
Nessa etapa deve-se determinar uma equação de regionalização para a vazão média de longo período (Qmlt). Ou seja a vazão média de toda a série histórica. Para cada posto fluviométrico, liste o valor da área de drenagem e calcule a vazão média de longo período A vazão média pode ser calculada como a média dos valores diários, mensais ou anuais da série

85 Elabore uma tabela resumo:
ETAPA 2: Análise regional Elabore uma tabela resumo: Outras colunas podem ser adicionadas, como: - Vazão média específica (Área/Qmlt) - Distância do posto ao local da usina - Extensão da série - Relação entre áreas de drenagem

86 Determine a equação de regionalização da vazão média
ETAPA 2: Análise regional Determine a equação de regionalização da vazão média

87 ETAPA 2: Análise regional
Postos fora da tendência devem ser eliminados

88 ETAPA 2: Análise regional

89 ETAPA 2: Estimativa da vazão média da usina
A vazão média de longo período para o local da usina pode ser calculada usando a equação de regionalização obtida, substituindo o respectivo valor de área Esse valor de vazão pode ser utilizado para comparação com a vazão média obtida para a série de vazões transposta

90 ATIVIDADE 3 Suponha que estejam sendo realizados estudos para uma implantação de uma usina, em um local com área de drenagem de 540 km2 Foram selecionados os seguintes postos fluviométricos na região: Determine a equação de regionalização da vazão média estime a vazão média de longo período para o local da usina

91 Sua vazão média deve seguir a tendência regional
ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência O posto fluviométrico a ser utilizado como referência deve ser escolhido, preferencialmente, no mesmo rio da usina, respeitada a relação entre áreas menor do que 4 O posto deve ser possuir a série mais extensa possível e com baixo número de falhas Sua vazão média deve seguir a tendência regional A curva-chave do posto deve ser estável e com pouca extrapolação Faça uma análise do quadro resumo e observe os hidrogramas de vazões mensais

92 Posto com curva-chave estável
ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência Posto com curva-chave estável

93 Posto com curva-chave instável
ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência Posto com curva-chave instável

94 ETAPA 4: Preenchimento de falhas
Na grande maioria dos casos o posto de referência apresenta falhas em alguns meses da série ou necessita que a série seja estendida O preenchimento deve ser realizado utilizando dados de um outro posto, através de uma equação de regressão A equação de regressão é obtida plotando-se um gráfico de regressão entre as séries de vazões mensais Outras formas de preenchimento: modelos chuva- vazão, modelos estocásticos, valores médios

95 Gráfico de Correlação entre séries de vazões mensais
ETAPA 4: Preenchimento de falhas Gráfico de Correlação entre séries de vazões mensais Boa correlação: R2 ≥ 0,7

96 ATIVIDADE 4 Utilizando os dados dos postos da Atividade 3, admita que o posto Armazém Capivari ( ) tenha sido escolhido para ser o posto de referência Verifique a correlação entre o posto de referência e os demais postos disponíveis Preencha os meses falhos na série do posto de referência e estenda a série para que se inicie em jan/1943 e termine em dez/2007 Plote o hidrograma da série transposta e verifique o comportamento dos dados

97 ETAPA 5: Transposição da série de vazões
A série de vazões do posto de referência são transpostas para o local da usina através da seguinte relação Qusina, Ausina – Vazão mensal e área de drenagem do local sem dados QP, AP – Vazão mensal e área de drenagem do posto de referência O cálculo é realizado para todos os meses da série do posto de referência

98 O valores preenchidos devem ser destacados na tabela
ETAPA 6: Formatação da série A última etapa consiste em formatar a série de valores mensais para apresentação no relatório do projeto O valores preenchidos devem ser destacados na tabela

99 ATIVIDADE 5 Transponha a série do posto de referência para o local da usina, utilizando a relação de áreas Calcule a média de longo período da série e compare com o valor obtido pela regionalização (Atividade 3)

100 Curva de Permanência das Vazões
Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Curva de Permanência das Vazões

101 Curva de Permanência das Vazões
A curva de permanência, ou duração, é obtida da freqüência de ocorrência das vazões ou níveis de uma determinada bacia Essa curva retrata a parcela do tempo que uma determinada vazão é igualada ou superada durante o período analisado A curva de permanência permite analisar a regularização natural do rio Em projetos de hidrelétricas pode ser utilizada para determinação da potência a ser instalada e para definição de vazões mínimas residuais

102 Curva de Permanência Trecho superior Trecho inferior Trecho médio

103 Curva de Permanência Exemplo: A vazão de 5 m3/s possui probabilidade de 60% (Q60) de ser igualada ou superada, ou em 60% do tempo ocorrem vazões maiores ou iguais a 5 m3/s

104 Curva de Permanência Vazões mensais Vazões diárias

105 Curva de Permanência Rio com regularização normal
Rio com alta regularização natural

106 Construção da Curva Como distribuição de probabilidades
No Excel, disponha os dados em uma única coluna e ordene os valores em ordem decrescente Em uma coluna ao lado, insira os valores da ordem (i) de cada valor (1,2,3, …, n) Para cada valor, determine a probabilidade acumulada pela relação i/(n+1) Faça o gráfico vazão por probabilidade

107 Construção da Curva Como distribuição de probabilidades

108 Construção da Curva Usando a ferramenta PERCENTIL do Excel
E uma coluna, insira valores de duração entre 0 e 1 (Ex.: 0,00; 0,05; 0,10; 0,15; …; 1,00) Para cada valor de duração, calcule a vazão correspondente usando a função =PERCENTIL(MATRIZ;1-D) MATRIZ é o conjunto de células onde está a série de dados e D a duração (0 a 1) Faça o gráfico vazão por probabilidade

109 ATIVIDADE 6 Construa a curva de permanência da série de vazões médias mensais geradas na Atividade 5