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Regularização de vazões

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Apresentação em tema: "Regularização de vazões"— Transcrição da apresentação:

1 Regularização de vazões
Capítulo 06b EHD023 Hidrologia II Regularização de vazões Prof. Benedito C Silva IRN/UNIFEI

2 Regularização 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).

3 Barragens Reservatórios pequenos: Reservatórios grandes:
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

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 Capítulo 06b Usina Hidrelétrica

9 Usina Hidrelétrica casa de força vertedor

10 Itaipu

11 Usina de Xingó

12 Reservatórios

13 Usina Hidrelétrica

14 Barragem em Construção (PCH Irara, Goiás)

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

16 Reservatórios: Características
Volume morto nível mínimo operacional

17 Volume morto 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.

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

19 Nível máximo operacional
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 maximorum corresponde ao nível alcançado pela cheia para a qual o vertedor foi dimensionado (normalmente a cheia de anos).

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

21 Volume útil A diferença entre o volume máximo operacional 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.

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

24 Local da barragem

25 NA max:130 m

26 NA max:150 m

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

28 Cota: 6,5 m Área inundada: 32 ha Volume: 0,1 Hm3

29 Cota: 7 m Área inundada: 200 ha Volume: 0,7 Hm3

30 Cota: 8 m Área inundada: 815 ha Volume: 5,7 Hm3

31 Cota: 9 m Área inundada: ha Volume: 17,6 Hm3

32 Cota: 10 m Área inundada: ha Volume: 43,6 Hm3

33 Cota: 11 m Área inundada: 7.841 Volume: 101 Hm3

34 Cota: 12 m Área inundada: ha Volume: 191 Hm3

35 Cota: 13 m Área inundada: ha Volume: 305 Hm3

36 Cota: 14 m Área inundada: ha Volume: 440 Hm3

37 Cota: 15 m Área inundada: ha Volume: 594 Hm3

38 Relação Cota - Área - Volume

39 Curva Cota - Área - Volume
Cota (m) Área (km2) Volume (hm³) 772,00 0,00 775,00 0,94 780,00 2,39 8,97 785,00 4,71 26,40 790,00 8,15 58,16 795,00 12,84 110,19 800,00 19,88 191,30 805,00 29,70 314,39 810,00 43,58 496,50 815,00 58,01 749,62 820,00 74,23 1.079,39 825,00 92,29 1.494,88 830,00 113,89 2.009,38 835,00 139,59 2.642,00 840,00 164,59 3.401,09 845,00 191,44 4.289,81

40 Questões ambientais em reservatórios
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

41 Outras Características
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.

42 Vertedores 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.

43 Vertedores 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.

44 Vazão de Vertedor 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

45 Descarregadores de Fundo
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: 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.

46 Volume útil x Vazão média afluente
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”

47 Balanço Hídrico de reservatórios
Equação da continuidade

48 Balanço Hídrico de reservatórios
Intervalo de tempo curto: cheias Intervalo de tempo longo: dimensionamento

49 Dimensionamento do reservatório
Métodos gráficos (antigos) Simulação

50 Simulação Equação de Balanço Hídrico

51 Eq. de Balanço Discretizada
onde e representam valores médios da vazão afluente e defluente de reservatório ao longo do intervalo de tempo ∆t e S é o volume armazenado. sujeita às restrições 0 < St+∆t < Vmáx; onde Vmáx é o volume útil do reservatório.

52 Simulação em planilha Balanço Hídrico num reservatório
S = volume armazenado (m3) I = vazão afluente ao reservatório (m3/s) Q = vazão defluente do reservatório (m3/s) Q inclui vazão que atende a demanda, vazão vertida e evaporação

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

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

55 Dimensionamento de reservatório
Estime um valor de Vmax 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 Qd pode variar com a época do ano. A vazão vertida Qv é diferente de zero apenas quando a equação indica que o volume máximo será superado.

56 Dimensionamento de reservatório
Em um mês qualquer, se St+t for menor que Vmin, a demanda Qd deve ser reduzida até que St+t seja igual a Vmin, e é computada uma falha de entendimento. 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.

57 Exemplo mês Vazão (m3/s) Jan 60 Fev 20 Mar 10 Abr 5 Mai 12 Jun 13 Jul 24 Ago 58 Set 90 Out 102 Nov 120 Dez 78 Um reservatório com volume útil de 500 hectômetros cúbicos (milhões de m3) pode garantir uma vazão regularizada de 55 m3.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 30 dias.

58 Exemplo Supondo que não será necessário verter
Reservatório cheio no início Exemplo mês Vazão (m3/s) St (hm3) I (hm3) Qd (hm3) St+dt (hm3) Qv (hm3) jan 60 500 156 143 fev 20 mar 10 abr 5 mai 12 jun 13 jul 24 ago 58 set 90 out 102 nov 120 dez 78 Supondo que não será necessário verter St+dt=St+It-Qdt = – 143 = 513

59 Supondo que não será necessário verter Volume máximo excedido!
mês Vazão (m3/s) Volume I (hm3) Qd (hm3) St+dt (hm3) Qv (hm3) jan 60 500 156 143 513 13 fev 20 mar 10 abr 5 mai 12 jun jul 24 ago 58 set 90 out 102 nov 120 dez 78 Supondo que não será necessário verter Volume máximo excedido! É necessário verter 13 hm3 St+dt=St+It-Qdt = – 143 = 513

60 Supondo que não será necessário verter
mês Vazão (m3/s) Volume I (hm3) Qd (hm3) St+dt (hm3) Qv (hm3) jan 60 500 156 143 513 13 fev 20 52 409 mar 10 abr 5 mai 12 jun jul 24 ago 58 set 90 out 102 nov 120 dez 78 Supondo que não será necessário verter St+dt=St+It-Qdt = – 143 = 409

61 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 m3.s-1 Mês S (hm3) I (hm3) Qd (hm3) Qv (hm3) Jan 500 156 143 13 Fev 52 Mar 409 26 Abr 293 Mai 163 31 Jul 34 Ago -57 62

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

63 Exemplo: dimensionamento de reservatório com simulação em planilha
Qual é a vazão que pode ser regularizada no rio Tainhas com um reservatório de 100 milhões de m3?

64

65 Vazões afluentes do rio Tainhas

66 (ou vazão regularizada) Vazão de antendimento da demanda

67 Vazão vertida para V < Vmax

68 Vazão total de saída

69

70 Teste com Q = 20m3/s

71

72 usando o Solver do Excel

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

74 Qual é o volume necessário para regularizar a vazão de 15 m3/s?

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76 Hidrogramas de entrada e saída

77 Curvas de Permanência regularizado natural

78 Curvas de Permanência Q95 passa de ~3 para 15 m3/s regularizado
natural Q95 passa de ~3 para 15 m3/s

79 Vazão Regularizada

80 Vazão Regularizada Limite teórico: Q regularizada = I média
A máxima vazão constante regularizável é a vazão média de longo período, supondo um reservatório com volume máximo ilimitado e sem perdas por evaporação

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

82 Exercício 1 Um reservatório com volume útil de 500 hectômetros cúbicos (milhões de m3) pode garantir uma vazão regularizada de 25 m3.s-1,considerando a sequência de vazões de entrada da tabela abaixo? Considere o reservatório inicialmente cheio, a evaporação constante de 200 mm por mês, área superficial de 100km2 e que cada mês tem 30 dias.

83 Exercício 2 Um reservatório com volume máximo de 150 hectômetros cúbicos é suficiente para regularizar a vazão de 28 m3.s-1 num rio que apresenta a seqüência de vazões da tabela abaixo para um determinado período crítico? Considere o reservatório inicialmente cheio, 200 km2 de área superficial constante e que cada mês tem 30 dias. Os dados de evaporação de tanque classe A são dados na tabela abaixo.

84 Exercício 3 Considere um reservatório com volume máximo de 500 hm3, cujas vazões afluentes em um período de 2 anos estão listadas na tabela a seguir. Determine qual a máxima vazão constante que pode ser regularizada, considerando uma lâmina de evaporação mensal de 160mm. A área inundada do reservatório quando está completamente cheio (S = Smáx) é de 100km2. Considere que há uma relação linear entre e área e volume, que o reservatório está cheio no início do primeiro mês e que o volume morto é zero.

85 Exercício 3


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