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Estudos Hidrológicos Estudos Hidrológicos para Projeto de Usinas para Projeto de Usinas HidrelétricasHidrelétricas

Benedito C. Silva

Usinas Hidrelétricas: classificação quanto a potência

ClassificaçãoPotência – 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

H

PotA

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: hidrologia

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 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 permanênciaDeverão 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 fugaDeverá ser apresentada metodologia e a curva-chave do canal de fuga confeccionada para o empreendimento em questão.

Diretrizes da ANEEL para Estudos Hidrológicos de Projeto de PCHs

Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás, 2000.



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)



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:

Determinando a Série de Vazões

ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos

Realizar busca por postos fluviométricos na região de estudo, com área de drenagem semelhante ao local da PCH

Limites normalmente adotados: entre 0,25 e 4 vezes a área de drenagem da PCH

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.

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 a seguinte 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



Determine a equação de regionalização

y = 0.0197x + 1.803

R2 = 0.9904

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1000 2000 3000 4000 5000

Área [km²]

Vaz

ão

[m³/

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 (

m3 /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 (

m3 /s

)



ETAPA 2: Estimativa da vazão média da PCH

A vazão média de longo período para o local da PCH 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 ou para formação do fator de transposição das vazões mensais


Exemplo Suponha que estejam sendo realizados estudos para

uma implantação de uma PCH, em um local com área de drenagem de 1000 km2

Foram selecionados os seguintes postos fluviométricos na região:

Determine a equação de regionalização e estime a vazão média de longo período para o local da PCH

Posto Código Período Área [km²] QMLT [m³/s]

São Pedro do Turvo 64327000 1980-2004 720 10.66Sucuí 64345000 1969-2003 934 12.2Maracaí 64395000 1969-1979 1560 15.12Bairro São Geraldo 63650000 1967-2003 734 8.43Nova Fátima 63100000 1969-2003 1092 11.15Reginópolis 62810000 1943-2000 1881 19.01Andirá 64370000 1931-2002 5622 63.1Porto Santa Terezinha 64390000 1931-2001 3445 39.01

ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência

O posto fluviométrico a ser utilizado como referência deve ser escolhido, preferenciamente, no mesmo rio da PCH. Mas isso normalmente não ocorre

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

Analise o quadro resumo e observe os hidrogramas de vazões mensais


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 (

m3 /s

)

Rio Corrente

Rio Verde GrandeSolo profundo

Solo raso

Áreas: 30.000 km2

Características Importantes: Solos

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

Va

zão

mé

dia

me

ns

al (

m3

/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

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

Vaz

ão (

m3/

s)

Séries não-estacionárias

Vazões do rio Taquari (MT)

Vazões do rio Paraguai

Os hidrogramas devem ser analisados visualmente para identificação de alterações importantes

Verificar Mudanças na Série

ETAPA 4: Transposição da série de vazões

A série de vazões do posto de referência são transpostas para o local da PCH através da seguinte relação

P

PCHPPCH A

AQQ .

QPCH, APCH – Vazão mensal e área de drenagem do local sem dados

QP, AP – Vazão mensal e área de drenagem do posto de referência


Outra forma de transpor os dados consiste em:

Calcular a vazão média do local sem dados pela equação

Qmlt = a.Adb

As vazões do local sem dados serão dadas por

mltP

mltPCHPPCH Q

QQQ .

QmltPCH – Vazão média de longo período da PCH

QMLTP – Vazão média de longo período do posto

ETAPA 4: Transposição da série de vazões


ETAPA 5: Preenchimento de falhas

Na grande maioria dos casos os postos utilizados apresentam falhas em alguns meses da série

O preenchimento deve ser realizado utilizando dados de um outro posto, que apresente boa correlação com o posto de referência

A correlação é verificada plotando-se um gráfico de regressão entre as séries

Outras formas de preenchimento: modelos chuva-vazão, modelos estocásticos, valores médios


Gráfico de Correlação

ETAPA 5: Preenchimento de falhas


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


Curva de Permanência

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


0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Permanência [%]

Vaz

ão [

m³/

s]

Tre

cho

su

per

ior

Tre

cho

in

feri

or

Trecho médio


0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Permanência [%]

Vaz

ão [

m³/

s]

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


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Permanência [%]

Vaz

ão [

m³/

s]

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Permanência [%]

Vaz

ão [

m³/

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 90 100

Permanência (%)

Vaz

ão (

m³/

s)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Permanência [%]

Vaz

ão [

m³/

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 [%]

Va

zão

[m

3 /s]

Construção da CurvaComo distribuição de probabilidades

Construção da CurvaUsando 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

Faça o gráfico vazão por probabilidade

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