hidrologia para projeto de usinas hidrelétricas benedito c. silva ehd023 – hidrologia ii

Hidrologia para Projeto de Usinas HidrelétricasBenedito C. Silva

EHD023 – HIDROLOGIA II

RESPOSTA DA BACIA HIDROGRÁFICA

Hidrograma de Vazões

Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas

• Sub-superficial ??• Superficial

• Subterrâneo

Tipos de escoamento na bacia

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

Camada saturada

Depois da chuva...

- Escoamento sub-superficial- Escoamento subterrâneo

Estiagem: apenas escoamento subterrâneo

Camada saturada

• Estiagem: apenas escoamento subterrâneo

Camada saturada

• Estiagem muito longa = rio secoRios 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

15 minutos

tempo

Q

P

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

SuperficialeSub-superficial

Escoamento subterrâneo

picoas

cenç

ão

recessão

Forma do hidrograma

tempo

Q

Bacia montanhosa

Bacia plana

Forma do hidrograma

tempo

Q

Bacia urbana

Bacia rural

Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido

Forma da bacia X hidrograma

tempo

Q

Bacia circular

Bacia alongada

Tipo de solo x forma do hidrograma

Bacia com solo raso

Bacia com solo profundo

tempo

Q

Hidrograma - exemplo

Rio São Francisco em Porto das Andorinhas

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

9/1/91 12/1/91 3/1/92 6/1/92 9/1/92

Vaz

ão (m

3 /s)

Rio São Francisco em Pirapora-Barreiro (jusante de Três Marias)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

9/1/91 3/1/92 9/1/92

Vaz

ão (m

3 /s)

Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1/1/77 1/1/79 1/1/81 1/1/83 1/1/85 1/1/87

Vaz

ão (m

3 /s)

Rio CorrenteRio Verde Grande

Solo profundo

Solo raso

Áreas: 30.000 km2

Influência do tipo de solo

39

Séries estacionáriasAs estatísticas da série (média e desvio padrão), não se alteram ao longo do tempo

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Vaz

ão (m

3/s)

Vazões do rio Paraná em Concórdia

(vazões anuais)

40

Alterações nas SériesSéries não-estacionárias

Alterações devido ao clima

Vazões do rio São Francisco

41

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Dez/62 Dez/64 Dez/66 Dez/68 Dez/70 Dez/72 Dez/74 Dez/76 Dez/78 Dez/80 Dez/82

Vazã

o m

édia

men

sal (

m3/

s)

Vazões do rio Paraguai

Alterações nas SériesSéries não-estacionárias

Alterações devido ao clima

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1970 1975 1980 1985 1990 1994

Ano

Áre

a oc

upad

a (1

000

ha) bovinos

soja

Alterações no uso do solo

0

500

1000

1500

2000

2500

jul-69 jul-71 jul-73 jul-75 jul-77 jul-79 jul-81 jul-83

Vazã

o (m

3/s)

Bacia do Rio Taquari, MS.

ESTUDOS HIDROLÓGICOS

Check List ANEEL e Diretrizes Eletrobrás


Usinas Hidrelétricas: classificação quanto a potência

ClassificaçãoPotência – P

(kW)Micro P < 100Mini 100 < P < 1.000

Pequenas (PCHs) 1.000 < P < 30.000UHEs 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

HPotA

3,14

Para implantação de PCHs e UHEs os projetos devem ser submetidos e aprovados pela ANEELUsinas abaixo de 1.000kW devem apenas notificar a ANEEL que a usina foi implantada

Aceite dos Projetos pela ANEELCheck List para PCHs

RESOLUÇÃO 343 DE OUTUBRO DE 2010

Estudos Hidrometeorológicos e SedimentológicosCaracterização 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 ANEELCheck 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)

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


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

Rede de Postos Hidrológicos

Códigos?

Esquema de codificação Postos fluviométricoso 1º dígito: indica qual a baciao 2º dígito: indica qual a sub-baciao Demais dígitos: números sequenciais de instalação dos postos

Exemplo:

HidroWeb

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 TXTPode 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


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


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 mapa da Hidroweb


Como encontrar os postos? Via shapefiles


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:Posto Código Período Área de Drenagem (km²) QMLT (m³/s)

Alto Araguaia I 24050000 1964-2007 2440 50.87Montante do Ribeirão Babilônia 24070000 1997-2007 1848 34.48Cachoeira Grande 24100000 1963-1991 4504 89.66Rio do Peixe 24196000 2000-2007 1613 31.77Ponte Rio Doce 60895000 1967-2007 1277 26.23Fazenda Formoso 60930000 1979-2007 1189 27.93Próximo Costa Rica 63001000 1993-1998 1280 27.51Itiquira 66520000 1971-2006 2872 60.94


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

y = 0.0197x + 1.803R2 = 0.9904

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1000 2000 3000 4000 5000

Área [km²]

Vaz

ão [m

³/s]


Q = 0,1861.Ad0,7181

R2 = 0,8979

0

100

200

300

400

500

600

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

Ad (km2)

Q (m

3 /s)

Postos fora da tendência devem ser eliminados


Q = 0,1861.Ad0,7181

R2 = 0,8979

0

100

200

300

400

500

600

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Ad (km2)

Q (m

3 /s)


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

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

ATIVIDADE 3

Nome Código Rio Município Latitude Longitude Ad [km2]

Qmlt [m3/s]

Qesp [l/s/km2]

São Martinho 84598000 Rio Capivari São Martinho 28o10'00''S 48o58'00'O' 619 21,2 34.2488 São Martinho-Jusante (PCD) 84598002 Rio Capivari São Martinho 28o09'56''S 48o58'18''O 620 17,2 27.7419

Armazém Capivari 84600000 Rio Capivari Armazém 28o15'38''S 49o00'53''O 770 19,4 25.1948

Rio Pequeno 84551000 Rio Pequeno Grão Pará 28o12'44''S 49o11'46''O 379 12,1 31.9261 Santa Rosa de

Lima 84520010 Rio Braço do Norte

Santa Rosa de Lima 28o01'59''S 49o07'07''O 676 21,1 31.2130

Divisa de Anitápolis 84520000 Rio Braço do

Norte Anitápolis 27o59'45''S 49o06'57''O 380 10,7 28.1579

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


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

Boa correlação: R2 ≥ 0,7

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

ATIVIDADE 4

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

sinsin . u au a P

P

AQ QA

Qusina, Ausina – Vazão mensal e área de drenagem do local sem dadosQP, AP – Vazão mensal e área de drenagem do posto de referênciaO cálculo é realizado para todos os meses da série do posto de referência

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

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)

ATIVIDADE 5

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

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência [%]

Vazã

o [m

³/s]

Trec

ho s

uper

ior

Trec

ho in

ferio

r

Trecho médio

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência [%]

Vazã

o [m

³/s]

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


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência [%]

Vazã

o [m

³/s]

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência [%]

Vazã

o [m

³/s]

Vazões diárias

Vazões mensais


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência (%)

Vazã

o (m

³/s)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Permanência [%]

Vazã

o [m

³/s]

Rio com alta regularização natural

Rio com regularização normal


Construção da CurvaComo 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

ANO JAN FEV MAR ABR MAIO JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ MÉDIA1933 546,00 485,00 278,00 160,00 106,00 80,60 67,60 56,10 52,40 108,00 144,00 108,00 182,64 1934 60,30 56,10 80,20 51,90 33,00 29,80 23,80 21,00 23,70 53,90 230,00 539,00 100,23

Média 303,15 270,55 179,10 105,95 69,50 55,20 45,70 38,55 38,05 80,95 187,00 323,50 141,43

ORDEM VAZÃO PROBABILIDADEm3/s i/(n+1)

1 546 0,042 539 0,083 485 0,124 278 0,165 230 0,206 160 0,247 144 0,288 108 0,329 108 0,3610 106 0,4011 80,6 0,4412 80,2 0,4813 67,6 0,5214 60,3 0,5615 56,1 0,6016 56,1 0,6417 53,9 0,6818 52,4 0,7219 51,9 0,7620 33 0,8021 29,8 0,8422 23,8 0,8823 23,7 0,9224 21 0,96

0

100

200

300

400

500

600

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%

Duração [%]

Vazã

o [m

3 /s]

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

Construção da Curva

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

ATIVIDADE 6

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