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

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

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

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

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

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

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

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada

Estiagem muito longa = rio seco Rios intermitentes Camada saturada

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

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

Hidrograma 1

Hidrograma 2

Hidrograma 3

Hidrograma 4

Hidrograma 5

Hidrograma 6

Hidrograma 7

Hidrograma 8

Hidrograma 9

Hidrograma 10

Hidrograma 11

Hidrograma 12

Hidrograma 13

Hidrograma 14

Hidrograma 15

Hidrograma 16

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

Forma do hidrograma Bacia montanhosa Q Bacia plana tempo

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

Forma da bacia X hidrograma Bacia circular Q Bacia alongada tempo

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

Hidrograma - exemplo

Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias

Influência do tipo de solo Solo profundo Áreas: 30.000 km2 Solo raso

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)

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

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

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

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

Usinas Hidrelétricas: classificação quanto a potência Potência – P (kW) Micro P < 100 Mini 100 < P < 1.000 Pequenas (PCHs) 1.000 < P < 30.000 UHEs P > 30.000 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

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.

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.

Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás (www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm).

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 (http://www.ons.org.br/operacao/hidrologia.aspx)

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 10.000 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

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

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

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

Códigos?

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:

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

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

HidroWeb + Hidro

Formato TXT

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

ATIVIDADE 1 1. Acessar o portal Hidroweb baixar o histórico de vazões do posto fluviométrico 61305000 (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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ETAPA 2: Análise regional

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

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

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

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

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

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

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

ATIVIDADE 4 Utilizando os dados dos postos da Atividade 3, admita que o posto Armazém Capivari (84600000) 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

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

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

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)

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

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

Curva de Permanência Trecho superior Trecho inferior Trecho médio

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

Curva de Permanência Vazões mensais Vazões diárias

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

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

Construção da Curva Como distribuição de probabilidades

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

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