operação de reservatórios carlos de oliveira galvão klécia forte de oliveira

Operação de Operação de

ReservatóriosReservatórios

Carlos de Oliveira GalvãoCarlos de Oliveira GalvãoKlécia Forte de OliveiraKlécia Forte de Oliveira

O que é operação de O que é operação de

reservatórios?reservatórios?

Operaçãode

reservatórios

O Balanço Hídrico do O Balanço Hídrico do ReservatórioReservatório

St+1 = St + Pt + Qt – Et – Rt

t é o intervalo de simulação atual e t+1 é o próximo

St é o volume armazenado

Pt é o volume de água precipitado sobre o lago

Qt é a vazão afluente

Et é o volume de água de evaporação e infiltração

Rt é o volume retirado do reservatório para consumo

Restrições: o volume máximo (ou a capacidade) K e o volume mínimo (ou o volume morto) Smin:

Smin St K

Operaçãode

reservatórios

Modelos de Simulação Modelos de Simulação

para Operação de para Operação de


Simulam computacionalmente o balanço hídrico do(s) reservatório(s), para auxiliar na tomada de decisões sobre sua operação.

Operaçãode

reservatórios

Componentes dos Modelos Componentes dos Modelos

de Simulaçãode Simulação

• Variáveis de entrada: são as quantidades hidrológicas (vazões afluentes, evaporação do lago), as demandas, os limites operacionais dos níveis do reservatório, etc.

• Variáveis de estado: variam durante a simulação, como os volumes armazenados nos reservatórios.

• Variáveis de saída: respostas da simulação, como as vazões liberadas para atendimento de uma certa demanda ou a escassez do sistema.

Operaçãode

reservatórios

Componentes dos Modelos Componentes dos Modelos

de Simulaçãode Simulação

• Parâmetros: variáveis que caracterizam o sistema, como o volume mínimo e a curva cota-área-volume do reservatório.

• Intervalo de tempo de simulação: intervalos mensais para estudos de conservação e intervalos diários para controle de cheias são os mais utilizados.

Operaçãode

reservatórios

Políticas de OperaçãoPolíticas de Operação

• Níveis e volumes metas: definidos os níveis desejados para o reservatório, o operador tenta mantê-los enquanto satisfaz as demandas. Esta política é conhecida como curva-guia.

• Curvas-guia condicionadas: as regras operacionais são função não só das curvas-guia como das previsões de vazões afluentes.Operação

dereservatórios

Políticas de OperaçãoPolíticas de Operação

• Zoneamento múltiplo de níveis: várias zonas de armazenamento são definidas e a cada uma corresponde um critério de liberação de água para consumo. Os reservatórios têm seus volumes armazenados alocados em faixas horizontais imaginárias, uma das quais é delimitada superiormente pelo nível de alerta. A política permite definir uma escala de prioridades de armazenamento para cada zona estabelecida.

Operaçãode

reservatórios

Níveis de Alerta como Níveis de Alerta como

estratégia de operação estratégia de operação

de reservatóriosde reservatórios

Cenário do Abastecimento Cenário do Abastecimento de Águade Água

• Demanda crescente

• Diminuição da disponibilidade hídrica

• Possibilidade de colapso dos sistemas

Níveis deAlertacomo

estratégiade

operaçãode

reservatórios

Balanço:

Oferta x Demanda

usuários sofram reduções mínimas de

atendimento em caso de escassez hidrológica

Manejo do SistemaManejo do Sistema


estratégiade

operaçãode

reservatórios

Solução emergencialSolução emergencial

RacionamentoRacionamentode águaNíveis de

Alertacomo

estratégiade

operaçãode

reservatórios

MotivaçãoMotivação

Racionamento:

– Início?

– Fim?

– Quanto?

– Garantia da qualidade da água


estratégiade

operaçãode

reservatórios

Nível de AlertaNível de Alerta

– quando o volume acumulado no reservatório

estiver abaixo do seu "nível ou volume de alerta",

passa-se a racionar água, atendendo apenas uma

parcela da demanda total prevista.

– o objetivo implícito no conceito de nível de alerta

é o de proporcionar ao sistema, sempre, o

atendimento de alguma demanda, evitando o

colapso total.


estratégiade

operaçãode

reservatórios


• Nível/volume do reservatório abaixo do qual

implanta-se o racionamento

• Define o início, o final e a magnitude do

racionamento

• Aumenta alcance do abastecimento


estratégiade

operaçãode

reservatórios



estratégiade

operaçãode

reservatórios

Definição de Níveis de Definição de Níveis de AlertaAlerta

Decisão final

Gerente ou Hidrólogo ResponsávelGerente ou Hidrólogo Responsável

Modelos de simulação ou

otimização

Bom conhecimento

Do comportamento hidrológico do sistema, dos procedimentos operacionais do reservatório, do comportamento dos usuários e dos modelos utilizados


estratégiade

operaçãode

reservatórios

Estabelecimento de Estabelecimento de níveis de alertaníveis de alerta

- Volume mínimo, máximo e inicial

- curva C-A-V

- séries históricas de vazões

- evaporação sobre o lago

- demandas de água atuais


estratégiade

operaçãode

reservatórios


Nível de alerta Nível de racionamento

de água

Redução do atendimento


estratégiade

operaçãode

reservatórios


Estudo de caso:Estudo de caso:o reservatórioo reservatório Gramame- Gramame-

MamuabaMamuaba

Níveis deAlerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

Conflitos de UsoConflitos de Uso

• ETA Gramame

• ETA Marés

• a montante: projetos de irrigação

• a jusante: preservação dos ecossistemas

(descargas de efluentes de indústrias)

Demandas para o SistemaDemandas para o Sistema

Usuário Demanda (l/ s)ETA Gramame 1700ETA Marés 570Manutenção do rio Gramame 300Irrigação a montante 250Total 2820

Níveis deAlerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

Cenários de demandas (l/s)Cenários de demandas (l/s)

Níveis deAlerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

Cenário ETA Gramame

ETA Marés

Rio Irrigação Total

1 1700 570 300 250 2820

2 1700 570 300 155 2730

3 1700 300 155 2160

4 1700 85 75 1860

5 1700 1700

Níveis deAlerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

SimulaçõesSimulações

Modelo HEC-3

- Zoneamento múltiplo dos níveis

- Escala de prioridades de armazenamento

para cada zona

ObjetivoObjetivo

Cenário Nível de alerta

garantia integral do atendimentoNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

Nível de Alerta via HEC-3Nível de Alerta via HEC-3

jan meses dez

50

30

10

volume

nível alerta (na) 1

nível alerta (na) 2

Figura 1 - Zoneamento e níveis de alerta obtidosa partir da simulação.

2730 l/s

2160 l/s

1860 l/sNíveis deAlerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica

jan meses dez

50

30

10

volume

na 1

na 2

Figura 2 - Zoneamento obtido por otimização:caso (A) - série completa.

2730 l/s

2160 l/s

1860 l/sNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba

jan meses dez

50

30

10

volume

na 1

na 2

Figura 3 - Zoneamento obtido por otimização:caso (B) - 3 anos secos.

2820 l/s

2160 l/s

1860 l/s 1700 l/sNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba


jan meses dez

50

30

10

volume

na 1

na 2

Figura 4 - Zoneamento obtido por otimização:caso (C) - 5 anos secos.

2730 l/s

2160 l/s

1860 l/s

1700 l/sNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba


jan meses dez

50

30

10

volume

na 1

na 2

Figura 5 - Zoneamento obtido por otimização:caso (D) - anos úmidos.

2820 l/s

2160 l/sNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba


jan meses dez

50

30

10

volume

na 1

na 2

Figura 6 - Zoneamento obtido por otimização:caso (E) - vazões médias mensais.

2820 l/s

2160 l/sNíveis de

Alerta

Estudode caso:

Gramame -Mamuaba


Planejamento da Planejamento da

OperaçãoOperação

xx

Operação em Tempo Operação em Tempo

RealReal


horizonte de planejamento – diretrizes de referência

Simulação de cenáriosSimulação de cenáriosa curto prazoa curto prazo

horizonte de gerenciamento –alternativas de decisão paraoperação em tempo real

Planejamentoda

Operaçãox

Operaçãoem

Tempo Real

Planejamentoda

Operaçãox

Operaçãoem

Tempo Real

Horizonte de Horizonte de GerenciamentoGerenciamento

• Reavaliação das diretrizes de referência

• Simulações

várias estratégias operacionais (níveis de alerta)

vários cenários hidrológicos (previsão climática e

hidrológica)

Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica

xx

Operação de Operação de


PrevisãoMeteorológica

xOperação

deReservatórios


Significativo progresso no desenvolvimento de

sistemas de previsão meteorológica de longo prazo.

Contribuem para a integração de dados a

modelagem hidrológica distribuída e os sistemas de

geoprocessamento.


Nas regiões tropicais, os mecanismos oceânicos

e atmosféricos que determinam a maior parte da

variabilidade climática interanual já estão

razoavelmente caracterizados, dando origem a

diversos métodos de previsão de longo prazo da

precipitação.


xOperação

deReservatórios


Prever o comportamento da precipitação nas

principais estações chuvosas do ano

Previsão climlimática de curto prazo,

sazonal,

da variabilidade interanual, etc


xOperação

deReservatórios


Aproveitamento da previsão meteorológica em

recursos hídricos

Dificuldades:

diferença de escalas, espacial e temporal, entre

os processos que controlam o clima no horizonte

sazonal e os processos hidrológicos relevantes

ao manejo de recursos hídricos


xOperação

deReservatórios

Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste

Regime climático das 4 sub-regiões (norte, leste e

sul do NEB e pré-Amazônia)norte-NEB

leste-NEB

pré-Amazônia

sul-NEB

Piancó


xOperação

deReservatórios

Sub-regiões climáticas do Nordeste do Brasil

(adaptada de Nobre e Molion, 1988, e Cadier, 1994).


xOperação

deReservatórios


Mecanismos de geração de precipitação

- as frentes frias e os ventos alta subtropical

- El Nino

- zona de convergência secundária

- posição da ZCIT

- variação da TSM

- gradiente de temperatura norte-sul

- etc


Previsão de precipitação sazonal

Previsão da variabilidade interanual da

precipitação na região sob várias abordagens:

- modelos univariados

- regressão múltipla e outros modelos

multivariados

- Modelos de Circulação Global (MCGs) e

- análise conceitual subjetiva de padrões das

principais variáveis atmosféricas e oceânicas


xOperação

deReservatórios


Previsão de precipitação sazonal

Uso em manejo de recursos hídricos tipo de

informação:

- Categorizados probabilísticos

não probabilísticos

- Pontuais probabilístico

não probabilísticos


xOperação

deReservatórios


Aplicação da previsão a operação de reservatórios

Pouco se utiliza previsões de vazões e/ou

volumes escoados sazonais

Prática corrente disseminar aos usuários, a partir

da pré-estação chuvosa, a previsão de precipitação


xOperação

deReservatórios

Previsão x ArmazenamentoPrevisão x Armazenamento

Métodos de previsão de precipitação: previsão

apresentada em três ou cinco categorias

Probabilidades de ocorrência para cada uma das

cinco categorias, para a próxima estação chuvosa

Incerteza associada à previsão


xOperação

deReservatórios

Previsão x ArmazenamentoPrevisão x Armazenamento

Métodos de previsão de precipitação:

Diferentes formatos de entrada nos modelos

hidrológicos

Reamostragem estatística série sintéticaPrevisão

Meteorológicax

Operaçãode

Reservatórios

Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio

PessoaPessoa

Caracterização do problema

J. PESSOACITY

ATLA

NTIC

OCE

AN

BO Q U EIRÃ ORES ERVO IR

C. G RANDE CITYACA UÃ

DAM

BR AZILAT

LANT

IC O

CEAN

S TATE O F PAR AÍBA

R IO D EJAN EIR O

BR ASÍL IA


PessoaPessoa

Armazenamento histórico no açude

0

100.000.000

200.000.000

300.000.000

400.000.000

500.000.000ja

n/9

1

jan

/92

jan

/93

jan

/94

jan

/95

jan

/96

jan

/97

jan

/98

jan

/99

jan

/00

Arm

azen

amen

to (

m3 )

Operaçãode

Reservatórios

Exemplo:EpitácioPessoa


PessoaPessoa

Retiradas de água e perdas por evaporação em

1998-2000 no açude

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Jun

/98

Ag

o/9

8

Ou

t/98

Dez

/98

Fev

/99

Ab

r/99

Jun

/99

Ag

o/9

9

Ou

t/99

Dez

/99

Fev

/00

Vo

lum

e m

ensa

l (m

ilh

ões

m3 )

irrigação

evaporação

abastecimento urbano

Operaçãode

Reservatórios



PessoaPessoa

Metodologia de análise

Identificação das práticas de gestão

Proposição de práticas sustentáveis de gestão

de recursos hídricos

Simulação, em um modelo matemático de

operação do reservatório Boqueirão, de cenários

de gestão

Operaçãode

Reservatórios



PessoaPessoa

Resultados e discussão

A ausência de uma gestão adequada da

demanda

Construção descontrolada de outros

reservatórios na bacia hidrográfica a montante

Monitoramento deficiente

Confuso contexto institucional de gestão de

recursos hídricos

Operaçãode

Reservatórios



PessoaPessoa

Práticas sustentáveis de gestão na bacia hidrográfica

Controle das demandas urbanas

Controle do uso de fertilizantes e produtos

químicos nas áreas agrícolas

Controle da ação antrópica na bacia hidrográfica

Monitoramento adequado

Criação e consolidação do Comitê da bacia

hidrográfica do reservatório

Operaçãode

Reservatórios



PessoaPessoa

Simulação Dois cenários de gestãoIndicador

Cenário I “corrente”

Cenário II “sustentáve

l”

Armazenamento mínimo (milhões m3) 44 99

Meses com redução de oferta para abastecimento urbano (%)

24 7

Redução média da oferta para abastecimento urbano (%)

33 15

Anos com redução de oferta para irrigação (%) 20 20

Oferta média para abastecimento urbano e irrigação (m3s-1)

1,8 1,2

Operaçãode

Reservatórios


0

100.000.000

200.000.000

300.000.000

400.000.000

500.000.000ja

n-0

1

jan

-03

jan

-05

jan

-07

jan

-09

jan

-11

jan

-13

jan

-15

jan

-17

jan

-19

jan

-21

Arm

azen

amen

to (

m3 )

Cenário II

Cenário I


PessoaPessoa

Simulação do armazenamento do reservatório

Operaçãode

Reservatórios


Níveis de alerta Níveis de alerta dinâmicos:dinâmicos:

representação do padrão representação do padrão dede

racionamento de água emracionamento de água em

reservatórios através de reservatórios através de regrasregras

ObjetivosObjetivos

• Ampliar o conceito de nível de alerta definindo o momento do racionamento e a quantidade

• Como: através de regras que os relacionam com o armazenamento do reservatório e a escassez futura de água Lógica Difusa

Formulação do ProblemaFormulação do Problema

• A operação do reservatório visa encontrar as liberações rt desejadas

• Restrições:– Balanço hídrico mensal:

st+1 = st + it - et - rt

– Capacidade K e vol. Morto smín

smín st K

MetodologiaMetodologia

• O momento e a quantidade do racionamento vão se relacionar através de regras com:

a) Armazenamento futuro:

St = st / s*t

b) Escassez relativa média:

Dm = Dt / n e Dt = (R*t – Rt) / R*

t

• S e Dm são transformados em valores difusos

Variáveis de DecisãoVariáveis de Decisão

• Valores difusos expressam os numéricos em expressões qualitativas

Variáveis de DecisãoVariáveis de Decisão• Regras para mudança no nível de controle

ARMAZENAMENTO

S

ESCASSEZ MÉDIA Dm

ZO P M G MG

VM GN GN MN PN ZO

MB GN MN PN ZO PP

B MN PN ZO PP MP

M PN ZO PP MP GP

N ZO PP MP GP GP

Estudo de CasoEstudo de Caso

Dados de EntradaDados de Entrada

• Evaporação

• Curva Cota-Volume

• Série de vazões mensais afluentes

• Demanda mensal

• Armazenamentos mínimo, máximo e inicial

• Armazenamentos desejados mensais

• Racionamento máximo

CenáriosCenários

Dois cenários:

• Cenário 1: sem controle da água

• Cenário 2: com restrição da demanda (racionamento)

Antes de atingir o vol. morto (situação de colapso) situação crítica: vol < 100 milhões de m3, qualidade da água comprometida

ResultadosResultadosAtendimento às demandas

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1963

1964

1965

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

Ate

ndim

ento

à d

eman

da

Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operação)

ResultadosResultadosEscassez e falhas

total média máxima

8,03 0,89 1 22,5139,7 0,27 0,5 77,16

Cenário 1 (sem operação)Cenário 2 (com operção)

CenáriosEscassez Relativa Armazenamento

mínimo (106 m3)

0 a 0,25 0,25 a 0,5 0,5 a 0,75 0,75 a 1,0

11,1 0 0 88,9 2967,1 32,9 0 0 5

Cenário 1 (sem operação)Cenário 2 (com operação)

Categorias das falhas (%) Nº. de meses com armazanamento crítico

Cenários

ResultadosResultadosArmazenamento

0

100

200

300

400

500

1963

1964

1965

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

Arm

azen

amen

to (

106 m3 )

Cenário 1 (sem operação)

Cenário 2 (com operação)

Capacidade Máx. do reservatório

ConclusõesConclusões

• É possível estender a duração do atendimento às demandas pelo reservatório, evitando-se situações de colapso, através do racionamento preventivo;

• O caráter plurianual do reservatório determina o padrão do racionamento;

• O racionamento proposto pelo modelo de Lógica Difusa é suave e gradual.

ConclusõesConclusões

• O modelo é um instrumento para a gestão dos recursos hídricos;

• Deve ser utilizado como ferramenta para o planejamento da operação do reservatório, cabendo ao gestor, em tempo real, a tomada de decisão, determinando o quanto e quando racionar.

Melhoria no Ajuste do ModeloMelhoria no Ajuste do Modelo

• Estes resultados poderiam ainda ser modificados buscando-se outros conjuntos de regras.

• O melhor conjunto seria aquele que produzisse melhores resultados de minimização de escassez relativa total, escassez relativa média mensal, escassez relativa máxima, número de meses com escassez e volume extravasado; e maximização do armazenamento mínimo.

Comentários FinaisComentários Finais

A gestão operacional, administrativa e financeira das

redes de abastecimento supridas pelo manancial

deve considerar os riscos de redução de oferta.

A representação dos gestores no Comitê da Bacia

pode assegurar a sustentabilidade da oferta de

água, assim como a representação da sociedade

civil no Comitê tenderá a pressionar os gestores

das redes a manter níveis suportáveis de perdas

físicas nos sistemas de distribuição.

Operaçãode

Reservatórios

Conclusões

Comentários FinaisComentários Finais

Os sistemas de apoio à decisão para formulação e

simulação de cenários de gestão integrada oferta-

demanda são ferramentas tecnológicas muito

úteis na tomada de decisão e resolução de

conflitos pelo Comitê da Bacia.

Operaçãode

Reservatórios

Conclusões

operação de reservatórios carlos de oliveira galvão klécia forte de oliveira

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