anÁlise da operaÇÃo de postos da rede

XIII Encontro Nacional de Engenharia de Sedimentos I Partículas nas Américas

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ANÁLISE DA OPERAÇÃO DE POSTOS DA REDE HIDROSSEDIMENTOMÉTRICA NO RIO MADEIRA NO PERÍODO DE 2015 A

2018

Nelson Pereira de Castro¹; Amanda Ronix²; Newton de Oliveira Carvalho3; Anielli Cruz4; Paulo Cesar Rocha5; Pedro Garrido Neto6; Camila da Silva Souto 7

ABSTRACT --- The water resources meet much of the demand of electrical energy generation. In

Brazil, the hydraulic sources of energy represent more than 68% of the whole sector (BRAZIL,

2017). Although it is a very important resource, few studies are made aiming to know the

dynamics of the superficial water bodies, mainly after the installation of hydroelectric

undertakings. Thus, this work focus on showing the analyses of the results of the

hydrosedimentometric campaigns accomplished in the Madeira River at two gauging stations

placed upstream and downstream the Jirau Hydroelectric Power Plant. The flow and sediment

rating curves were analyzed, as well as the sediment mass curve in relation to the water flow. The

Jirau Power Plant has an installed power of 3,750 MW, which is enough to provide electrical

energy for more than ten million residences. It is the fourth larger dam in Brazil, as regards

installed power. For the topic study, short term analyzes were considered (2015-2018), by keeping

the same members of the crew, measuring methods and equipment. The results indicate a good

correlation and soundness of the data acquired hitherto.

Palavras-chave: análise de consistência de dados, medição de sedimentos, medição de vazão. 1) Mestrando em Gestão e Regulação de Recursos Hídricos (ProfAgua- UNESP), Av. Dr. Gastão Vidigal, 2022, [email protected], (44)991448068. 2) Doutoranda UEM Química, Av. Doutor Gastão Vidigal, 2022, [email protected] 3) Consultor de Hidrossedimentologia, Rio de Janeiro, [email protected] 4) Engenheira Ambiental, Av. Doutor Gastão Vidigal,2022, [email protected], (44)3026-6844 5) Prof. Dr. Geografia UNESP Campus Presidente Prudente. R. Roberto Símonsen, 305 - Pres. Prudente - SP, [email protected], 18 3229-5300 6)Engenheiro Hidrólogo ESBR; Porto Velho –RO. [email protected]; (69) 3533-9575. 7)Engenheira Especialista ESBR; Porto Velho –RO. [email protected]; (69) 3533-9575.

mailto:[email protected]








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1. INTRODUÇÃO

O aumento da demanda por energia e água tem dispensado maiores preocupações quanto à gestão e operação dos reservatórios de centrais hidrelétricas, em especial aos sedimentos, que influenciam diretamente na gestão desses reservatórios (MIRANDA et al., 2014), mostrando a importância das medições desse material nos corpos hídricos. Segundo Carvalho et al.(2000), essa medida é feita por diversos métodos considerados diretos e indiretos, sendo isso uma função do tipo de equipamento de medida e dos demais procedimentos. O ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler (perfilador acústico de corrente por efeito Doppler) é utilizado com sucesso na hidrometria, pois favorece a medição de fluxo com certa facilidade e confiança (TERABE et al., 2005). Cunha (2001) e Carvalho, N. (2008) observaram que o advento de uma grande obra hidráulica como as barragens modificam o comportamento hidrossedimentológico do rio, podendo ter redução da carga sólida a jusante e a deposição na região a montante dos barramentos. O rio Madeira teve seu fluxo natural, modificado em prol dos empreendimentos de geração de energia elétrica. De acordo com Cunha (2001), o rio Madeira conta com uma extensão aproximada de 3.240 km e está inserido na bacia hidrográfica amazônica, tendo suas águas vindas dos Andes peruanos, bolivianos e da planície brasileira. Pode ser denominado como rio de água branca, ou seja, contém grande quantidade de sedimentos em suspensão. Sua área de drenagem tem aproximadamente 1,42x106 Km², sendo o principal tributário da margem direita da bacia Amazônica, e ainda, responsável por quase 35% (240x106 t/ano) de toda a carga de sedimentos transportada pelo rio Amazonas ao Oceano (BUARQUE, 2015). Vauchel et al. (2017) apresenta uma faixa de contribuição variando de 35-54%, de 754x106 t/ano (Martinez et al., 2009) e 12.000x 106 t/ano (Meade et al., 1985). De acordo com Carvalho (2017), os rios tributários da margem esquerda são basicamente oriundos de nascente em florestas, diferentemente da margem direita, em que alguns nascem nos Andes bolivianos e peruanos. Com isso, a maior carga de sedimentos é carreada em sua margem direita, devido à gênese do solo somado ao alto índice pluviométrico. Rocha (2010) afirma que entender as alterações hidrológicas auxilia no entendimento de processos geomórficos nos pontos de vista qualitativo e quantitativo. Além disso, concluiu que a operação de grandes barramentos pode levar à falsa percepção dos impactos causados na dinâmica fluvial por desmatamento e mau uso do solo. Diante deste contexto, este trabalho tem como objetivo apresentar a análise dos dados de descarga líquida e sólida medidos no rio Madeira após o período da cheia de 2014, coincidente com a plena operação energética da UHE Jirau. Como objetivo secundário destaca-se a validação dos métodos atualmente utilizados na operação.

2. MÉTODO

Para este trabalho foram selecionados dois postos hidrossedimentométricos com série histórica recente (2015 a 2018). O posto Jusante Rio Beni, localizado imediatamente após a confluência dos rios Beni e Mamoré e aproximadamente 300 km a montante do barramento da UHE Jirau, e o posto Porto R4, localizado cerca de 2 km a jusante do barramento, conforme figura 1. Foram analisados dados de 27 campanhas mensais de operação dos postos entre maio de 2015


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e fevereiro de 2018. Nesse período a rede hidrométrica teve a operação e manutenção realizada pela empresa Construserv.

Figura 1 – Mapa de Localização dos Postos. Fonte: Google Earth adaptado.

2.1. Operação da rede hidrossedimentométrica

Os postos hidrossedimentométricos, objetos de análise deste trabalho, tiveram a operação mensal entre os meses de maio de 2015 a fevereiro de 2018, ou seja, mensalmente foi medida a vazão líquida e coletado materiais sólidos em suspensão para análises de granulometria e concentração. Cabe destacar que os trabalhos de aquisição de dados em campo, laboratório e processamento em escritório foram realizados sempre pela mesma equipe. A medição de vazão foi obtida com o equipamento do tipo acústico, ADCP, modelo RiverRay da marca RDI. Esse equipamento utiliza o efeito Doppler, que emite uma frequência de onda sonora a uma velocidade que, ao ser refletido pelas partículas em suspensão que estão na água e no leito do rio, o comprimento da onda é modificado, sendo utilizado esse sinal de retorno para estimar o deslocamento relativo do alvo (partículas em suspensão e leito do rio) em relação à fonte, considerando-se a velocidade das partículas em suspensão a mesma do fluxo (CARVALHO, N., 2008). Para a medição de vazão, consideraram-se todos os critérios estabelecidos pela Agência Nacional de Águas (ANA), com no mínimo 4 travessias com erro menor que 5% entre elas. Um DGPS (Differential Global Positioning System) de precisão determinou a posição da embarcação garantindo sempre a medição no mesmo ponto. Além da posição, o DGPS é primordial na qualidade do dado de vazão medida, pelo fato da seção apresentar fundo móvel. Esse fundo móvel é caracterizado por um fluxo de vazão que não se pode medir com equipamentos convencionais do tipo molinete hidrométrico. Para obtenção das posições de amostragens foi o utilizado o software ConstruSedimentos IID v1.5 desenvolvido pelo Grupo Construserv, através da plotagem da curva de Lane. A Figura 2 apresenta a interface do software que calcula o local dos pontos de amostragem através da integração com os dados obtidos pelo ADCP.


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Figura 2 – Exemplo de cálculo dos pontos de amostragem através da curva de Lane.

Os amostradores utilizados foram o coletor AMS-8 para sedimentos em suspensão e Rock

Island para sedimentos do fundo, através do método de amostragem Igual Incremento de

Descarga (IID). O IID divide a seção transversal em semi-seções de igual incremento de descarga.

Após é feito a média dos valores de concentração de sedimento em suspensão (CSS) de cada semi-

seção, de modo a representar a seção por inteiro. A velocidade de trânsito é diferente para cada

vertical a ser amostrada (EDWARDS; GLYSSON, 1999; POLETO; MERTEN, 2013, AQUINO 2017).

Após a amostragem, os materiais de sedimento em suspensão foram acondicionados em

frascos plásticos previamente preparados com sulfato de cobre, os quais foram devidamente

identificados e enviados ao laboratório para posterior análise de determinação da granulometria e

concentração de sedimentos em suspensão. Os materiais de sedimentos de leito foram

acondicionados em embalagens plásticas contendo a identificação do local de amostragem e, em

seguida, enviados ao laboratório para análise de granulometria.

2.2. Curvas Chave

A curva-chave do posto Jusante do Rio Beni é a curva vigente e aprovada pela ANA, concebida durante um longo período de medições. Já a curva-chave do posto Porto R4 foi traçada experimentalmente através de correlação entre a cota observada e a vazão medida. Este posto sofre influência de remanso do reservatório da UHE Santo Antônio e por isso não se recomenda sua utilização para outros fins. Chow et. al (1998) ressalta que estas curvas-chave de vazão devem ser calibradas frequentemente. Para o rio Madeira, que tem um comportamento geomorfológico com intensa modificação, devem ser ainda maiores os cuidados na utilização de curvas-chave.

De acordo com Silva et. al. (2013), a elaboração de uma curva-chave ajustada a uma seção de monitoramento em um rio é uma tarefa que demanda tempo e esforços, uma vez que há a necessidade de se realizar várias campanhas de medição de vazões na seção de monitoramento, ao longo de um ano hidrológico, obtendo pares ordenados Cota x Vazão tanto no período de cheias como no período de estiagem. Marques (2016) diz que a relação existente em uma seção transversal do rio entre cota e vazão (curva-chave) é uma função muito complexa que envolve diversas características hidráulicas do curso d’água, e que para um melhor ajuste de acordo com as características de cada rio foram


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desenvolvidos diversos métodos de traçado e extrapolação da curva de calibragem. Para esse estudo foi utilizado o método dos mínimos quadrados, onde os ajustes dos pontos medidos são baseados em equações matemáticas tipo potência ou exponencial.

2.3. Concentração de Sedimentos e Descarga Sólida

As análises laboratoriais dos materiais em suspensão são para fins de obtenção das

granulometrias, bem como das concentrações totais de sedimentos. Para a classificação

granulométrica do material em suspensão é utilizada a tabela da American Geophysical Union

(DNAEE, 1970). As análises são realizadas de acordo com as instruções contidas em Carvalho et al

(2000) e também em Carvalho, T. (2008).

O cálculo da descarga em suspensão é feito considerando que o sedimento se movimenta com a velocidade da corrente em toda a seção transversal, ficando então igual ao produto da descarga líquida pela concentração. Considerando a questão das unidades que não são homogêneas, num mesmo sistema é necessário verificar a constante adequada. Para as determinações usuais no país, utiliza-se a seguinte equação:

Qss = 0,0864.(QL).C (1) sendo Qss [t dia-1] a descarga sólida em suspensão, QL [m³s-1] a descarga líquida, e C [mg L-1 ou ppm] a concentração média medida. A constante se refere ao fator de transformação de unidades. Essa concentração média é obtida quando é utilizado o método IID durante a amostragem e feita uma só análise da amostra composta.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Curva-chave

Para o posto Jusante Rio Beni, observa-se que os dados das medições realizadas no período de maio/2015 a fevereiro/2018 encontram-se aderentes a curva-chave estabelecida para o posto, com desvios variando entre 0.1% e 9.2%. Na Figura 3a é apresentada a curva-chave desse posto (em laranja), e os pontos (em azul) correspondem às medições realizadas no período. O Posto Porto R4 apresentou os pontos medidos mais distantes da curva-chave proposta que os pontos do posto Jusante Rio Beni. Isso provavelmente é reflexo de sua localização próxima ao barramento da UHE Jirau e ao remanso causado pela UHE Santo Antônio a jusante, que operou entre as cotas 70,5 m e 71,3 m ao longo do período observado.

A curva chave do posto Porto R4 foi elaborada exclusivamente para este trabalho pelos autores e pode ser considerada uma curva experimental, não devendo ser utilizada futuramente. Para a curva-chave experimentada no posto Porto R4, os valores dos desvios variaram entre 1% e 16%.


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Figura 3a – Curva-chave de Vazão – Jusante Rio Beni

Figura 3b – Curva-chave de Vazão – Porto R4

3.2. Descarga Líquida versus Concentração de Sedimentos em Suspensão

Quando observados os dados de descarga líquida versus concentração de sedimentos medidos no período de dezembro de 2015 a fevereiro de 2018, percebe-se que os picos de concentração se deram exatamente nos períodos em que as descargas líquidas foram maiores. Da mesma forma os valores mais baixos medidos de concentração foram observados nos períodos de estiagem, conforme apresentado nas figuras 4a e 4b.

Figura 4a –Vazão Líquida versus Concentração –

Jusante Rio Beni Figura 4b – Vazão Líquida versus Concentração –

Porto R4

O valor máximo de concentração medido no posto Jusante Rio Beni foi de 2.402 mg L-1 e no posto Porto R4, 2.384 mg L-1. Já o valor mínimo de concentração de sedimentos no posto Jusante Rio Beni foi de 92,28 mg L-1 e no posto Porto R4 foi 22,84 mg L-1. Apesar da alta correlação da concentração sedimentos em suspensão com a vazão, nem sempre esta relação é constante conforme observa Seeger et al. (2004). Outros estudos, de autores como Lenzi e Marchi (2000), Jansson (2002), e Zabaleta et al. (2007) indicam que as análises de concentração juntamente com a descarga líquida podem ajudar a entender os processos de transporte de sedimentos durante as secas e estiagem.

3.3. Descarga Sólida Suspensão Medida Versus Vazão Líquida


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O valor médio encontrado para o cálculo de descarga sólida em suspensão, obtido pela equação 1 apresentada anteriormente, foi de 17,46% menor para o posto Porto R4. As figuras 5a e 5b apresentam a relação da descarga líquida e descarga sólida em suspensão estabelecida a partir de medições realizadas no período de maio de 2015 a fevereiro de 2018. Para o posto Jusante Rio Beni a correlação apresentou um R² de 0,78, maior que o R² do posto Porto R4, calculado em 0,68. Em ambos os postos as medições do mês de fevereiro de 2018 apresentaram-se com valores expressivos.

Figura 5a – Descarga Sólida versus Descarga Líquida – Jusante Rio Beni

Figura 5b – Descarga Sólida versus Descarga Líquida– Porto R4

A Tabela 1 apresenta o comparativo entre os valores mínimos, máximos e médios medidos no período de dezembro de 2015 a fevereiro de 2018. A concentração média medida no posto Porto R4 ficou 34,77% abaixo quando comparado com o valor médio medido no posto Jusante Rio Beni. Este comportamento é esperado, pois com o barramento a velocidade do escoamento diminui e o sedimento se deposita ao longo do reservatório e nas proximidades da barragem. O valor de descarga sólida média no posto a montante foi de aproximadamente 1.39 milhões de toneladas por dia, já nos postos de jusante os valores médios indicaram 1.15 milhões de toneladas por dia. Isso pode indicar que aproximadamente 244 mil toneladas por dia são retidas devido ao barramento no rio Madeira. Porém, da mesma forma que os valores são depositados no leito do rio, eles podem também ser carreados no início do período chuvoso, que movimenta o leito com a subida do rio, devido à fácil desagregação do solo. Estes índices podem ser utilizados para corroborar estudos como previsão de vida útil em reservatórios, porém para realizar a constatação real dos efeitos da deposição de sólidos, devem-se realizar estudos de investigações geofísicas, conforme indica Souza (1998).

Tabela 1 – Resumo de dados.

Parâmetro Descarga Líquida (m³s-1) Concentração (mg L-1) Descarga Sólida Suspensão

Medida (tdia-1)

POSTO JUSANTE RIO

BENI PORTO R4

JUSANTE RIO BENI

PORTO R4 JUSANTE RIO

BENI PORTO R4

MÍNIMO 3.688 3.521 92,28 22,34 30.849,18 7.528,91

MÁXIMO 31.502 36.776 2.402 2.384 6.537.734,38 7.575.113,99

MÉDIO 15.072 16.951 767,65 500,76 1.398.712,45 1.154.480,52


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3.4. Curva de Massa de Descarga Sólida e Descarga Líquida

De posse dos dados de descarga líquida e descarga sólida em suspensão foi efetuada a elaboração gráfica da curva de massa, conforme figuras 6a e 6b. Esses gráficos apresentam em azul uma sinuosidade que podem ser facilmente interpretadas como períodos ascendentes e descendentes. A correlação para o posto Jusante Rio Beni ficou em torno de 98%; já para o posto Porto R4 a correlação foi de 96%.

Figura 6a – Curva de Massa de Descarga Sólida em

Relação a Descarga Líquida– Jusante Rio Beni Figura 6b – Curva de Massa de Descarga Sólida em

Relação a Descarga Líquida – Porto R4

4. CONCLUSÃO

Conhecer o comportamento hidrológico e sedimentológico da bacia permite analisar a degradação do solo, prever assoreamentos em reservatórios e analisar a qualidade de água para abastecimento e irrigação, por exemplo. Realizar medidas em campo para aferição de equações é fundamental para o sucesso nas análises de dados. Uma equipe de campo bem instruída com equipamentos modernos e aferidos, além da definição de uma metodologia coerente com as características locais, são fatores que sempre devem ser levados em consideração. A curva-chave de descarga líquida no posto Porto R4, mesmo estando a jusante de um barramento no rio Madeira, apresentou pouca discrepância de dados em relação à curva-chave pré-estabelecidas para medições no período (inferior a 10%). Já o posto Jusante Rio Beni tem os dados de vazão medidos bem representados pela curva-chave apresentada. Os coeficientes de correlação dos dados de descarga líquida e descarga sólida foram acima de 0.60 o que pode indicar laços na curva-chave de sedimento conforme apresentou Souto (2016). Apesar do curto período temporal analisado neste trabalho, praticamente 3 anos de operação dos postos, os dados de concentração e descarga líquida se apresentaram aderentes. O comportamento proporcional que era esperado se confirmou, e pode-se dizer que o fato do rio ter sido barrado não influencia significativamente neste parâmetro. O período inicial do ano de 2018 foi marcado pela ameaça de uma grande cheia na bacia do rio Madeira, sendo inclusive instaurada uma sala de crise, mediada pela ANA para minimizar os seus efeitos. Este fato pode ter contribuído para as descargas sólidas maiores para os dois postos estudados.


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Apesar de todos dados e análises deste trabalho serem coerentes e robustos, é prudente ressaltar que a série histórica utilizada é recente e a movimentação do leito do rio Madeira para se adaptar aos barramentos ainda está em estágio inicial. A operação de postos hidrossedimentométricos levam a bons resultados quando tomados os cuidados necessários em campo, laboratório e escritório. A utilização dos métodos descritos neste trabalho, aliados à operação criteriosa, possibilitou confiança e análises dos dados.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à UHE Jirau pela disponibilização de dados relevantes para a conclusão deste trabalho. Agradecem também a toda equipe de campo e escritório da empresa Construserv pela aquisição, tratamento e análise dos dados.

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