pchparacambi modelagem hidrodinâmica · equação da continuidade (conservação da massa)...

PCHPCH ParacambiParacambi

Modelagem HidrodinâmicaModelagem Hidrodinâmica

VIII Simpósio Brasileiro sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas

01 a 04/05/2012

PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica

Antecedentes e Objetivos

Atividades de desvio do rio da PCH Paracambi: Redução temporário das vazões do Ribeirão das Lajes a jusante da obra.

Potencial impacto na captação da ETA Guandu.

VIII Simpósio Brasileiro de Pequenas e Médias Centrais HidrelétricasPorto Alegre de 01 a 04 de Maio de 2012

Potencial impacto na captação da ETA Guandu. Abastecimento de praticamente toda região Metropolitana do Rio de Janeiro com uma produção superior a 40m³/s.

Desenvolvimento dos Estudos de Modelagem:Recomendação das regras de defluência da UHE Pereira Passos (localizada a montante da PCH Paracambi) durante o desvio, considerando as limitações quanto ao volume disponível para esta operação (perdas energéticas).


Localização Trecho

UHE Pereira Passos


Fonte: PLANO ESTRATÉGICO DE RECURSOS HÍDRICOS DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS DOS RIOS GUANDU, DA GUARDA E GUANDU MIRIM (Sondotécnica & ANA, 2006)

PCH Paracambi

ETA Guandú

Posto Fluv.


Localização ETA Guandú

01/09/2009Região da Captação da ETA Guandu


10/04/2009

Fonte: PLANO ESTRATÉGICO DE RECURSOS HÍDRICOS DAS BACIAS

HIDROGRÁFICAS DOS RIOS GUANDU, DA GUARDA E GUANDU MIRIM

(Sondotécnica & ANA, 2006)

SEÇÃO B-B

EL. 33,54

EL. 35,80

SE


Introdução

Desvio do Rio – FASE 2 (2 vãos Rebaixados)


FLU

XO

B

B

BARRAGEM MD

FONTE: LIGHTGER, 2011 – “PCH PARACAMBI – LIGHTGER S/A - PLANEJAMENTO DAS ETAPAS DE DESVIO DO RIBEIRÃO DAS LAJES – Plano d e Trabalho”

FASE-3 (Esta fase se inicia com o posic. Das comportas ensec. De montante e jusante no vão 2):Rio desviado para bloco rebaixado do Vertedouro vão-1 (Corte B-B) Condições:•Ensecadeira incoporporada de montante na EL. 41,00m e a de jusante na EL 35,00m•Posicionamento das comp. ensecadeiras de montante e jusante no vão 2•Área reservatório já licenciada e liberada para enchimento.Serviços a serem executados no vão 2:• Concretagem da ogiva

SEÇÃO B-B

EL. 33,54

EL. 39,79

VÃO-1


Introdução

Desvio do Rio – FASE 3 (1 Vão Fechado)


FLU

XO

B

B

C

C

• Concretagem da ogiva•Montagem e comissionamento da comporta segmento

SEÇÃO C-C

EL. 33,54

EL. 39,79VÃO-2 Execução

das Ogivas e montagem das

comportas

FONTE: LIGHTGER, 2011 – “PCH PARACAMBI – LIGHTGER S/A - PLANEJAMENTO DAS ETAPAS DE DESVIO DO RIBEIRÃO DAS LAJES – Plano d e Trabalho”


Modelagem Fluvial

Questões a serem consideradas no processo de modela gem.

Vazões

Níveis d’Água

Condição da Calha a

Jusante

Armazenamento

Contribuições Laterais

Ponte e outras Estruturas


Vazões Afluentes

Armazenamento Lateral

Representatividade das Seções Transversais

Níveis de Jusante

Operação das Comportas

Outros Fatores:- Intervalo de tempo de cálculo.- Distância entre seções.- Parâmetros de estabilidade numérica.- Qualidade dos dados.

Cachoeiras e Corredeira


Modelo HEC-RAS

Modelo Matemático Hidrodinâmico:Hec-Ras (Versão 4.1) do U.S. Army Corps of Engineers

Leis Físicas que regem o escoamento:Equação da Continuidade (Conservação da Massa)

Equação do Momentum (2ª lei de Newton: F = dM/dt = m.dv/dt = m.a)


Volume de Controle


Modelagem – Localização Pontes

0 20 40 60 80 100 12026

28

30

32

34

36

38

40

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ponte RJ125 (S-5) Ponte Ferroviária (S-8)

0 50 100 15018

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

44 Seções(43,5km)


PCH Paracambi

Captação Guandu

UHEPereira Passos

-100 -50 0 50 100 15035

40

45

50

55

60RS=38375 Dow nstream (Bridge)

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ponte BR116 (SB-2)

Ponte RJ127 (S-9)

0 20 40 60 80 100 120 14015

20

25

30

35RS=22541 Dow nstream (Bridge)

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

0 20 40 60 80 100 120 140 1604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ponte BR116 (S-19)

0 50 100 150 20025

30

35

40

45

50

Paracambi Plan: Fase 2 para 3 R00 Armazena 29/03/2011

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Ground

Ineff

Bank Sta

.045 .045 .045

45

50

Nível d'Água Observado


Calibração

Nível d’Água em Diversas SeçõesResponsável: PCH PARACAMBI e Vertente Engenharia Ltda.Data: coincidente com o horário de levantamento das seções topobat.

Dados Hidrológicos Disponibilizados


0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

Nív

el d

'Águ

a (

m)

Distância à Captação ETA Guandu (m)

Trecho entre a Captação (S-26) e PCH Paracambi :

10 a 19/1/2011

Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos:

31/8 a 13/9/2010


Calibração

Vazão Defluente a UHE Pereira Passos e PrecipitaçãoResponsável: LIGHTFrequência: 15 minutosPeríodo : 9/1/2011 a 19/01/2011

Vazão Observada no Posto BR 116 e N.A. na Captação ETA GuanduResponsável: CEDAE

Dados Hidrológicos Disponibilizados


Responsável: CEDAEFrequência: horáriaPeríodo : 1/1/2011 a 28/02/2011

0

25

50

75

100

125

150

1750

50

100

150

200

250

300

350

40 552 40 553 40 554 40 555 40 556 40 557 40 558 40 559 40 560 40 561 40 562 40 563

Ch

uva

(m

m)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 minutos)

Vazão Observada no Posto BR116

Vazão Defluente UHE PP

Precipitação Acumulada 24h

19/1/119/1/11 11/1/11 13/1/11 15/1/11 17/1/11


Calibração

Possíveis Problemas com Dados ObservadosImprecisão nas Medições de Níveis d’Água, Vazões e Horários.

Curva-Chave com “Laço”.

Efeitos de Remanso.

Coeficiente de Manning Variação = 0,020 a 0,055.


Variação = 0,020 a 0,055.

Fatores para Estabilidade NuméricaCoeficientes de Estabilidade do Trecho Fluvial e das Estruturas

Tempo de aquecimento (warm up) e Número de Iterações

Representatividade das Seções LevantadasSeções auxiliares para representação dos controles hidráulicos.

Contribuições Laterais (Afluentes).

Armazenamento Lateral (Várzeas)Responsável pela atenuação e retardamento do hidrograma.


Calibração

Impactos no Aumento de Armazenamento Lateral:Atenuação no pico dos hidrogramas.

Aumento no tempo de viagem.

Aumento no tramo final do hidrograma.

Armazenamentos Laterais (Várzeas e Planícies de Inu ndação)


Níveis d’água podem aumentar ou diminuir, dependendo se esta se trocando área de escoamento por de armazenamento.


Calibração

Armazenamentos Laterais (Várzeas)Exemplo das Regiões com Potencial de Armazenamento



Calibração

Armazenamentos Laterais (Várzeas)Localização das Regiões com Potencial de Armazenamento Lateral

A1A2

A3

A4

A5AA6


A5B

A6

A7

A8

A9

IDEstaqueamento

da Estrutura Lateral (m)

Área (m²)

Área Levantada (10³.m²)

Área de Armazenamento

(10³.m²)

Elev. Mín da Área

(m)

Elev. Soleira Lateral

(m)

Comprimento Conexão com

Canal (m)

A1 32900 29 500 30 59 30.92 30.92 500

A2 30100 60 600 61 121 30.90 30.90 600

A3 26800 18 800 19 38 30.40 30.40 200

A4 25000 24 300 24 49 21.50 21.50 350

A5A 22500 100 500 101 201 20.00 20.00 630

A5B 20400 26 600 27 53 20.00 20.00 580

A6 19300 36 400 36 73 19.80 19.80 300

A7 18100 86 100 86 172 19.80 19.80 800

A8 13600 30 400 30 61 13.00 13.00 100

A9 10400 63 400 63 127 10.00 10.00 50

48

50


Resultados

Verificação da Curva Cota-Volume do ReservatórioProjeto Básico x Hec-Ras

35

40

45

50

Ele

vatio

n (

m)

S-M

3 A

ntig

a

S-M

7 C

opi

a (C

ana

l de

Fu

ga -

...


30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Co

ta (m

)

Volume (10³.m³)

Levantado (P.B.)

Hec-Ras

34000 36000 38000 40000 42000 44000

30

Main Channel Distance (m)

S-0

1...

S-Q

4

S-Q

5

S-Q

6

S-Q

7

S-Q

8

S-Q

10

S-Q

11S

-B2

Jus

S-M

3 A

ntig

a

S-M

3

S-Q

13

S-M

4

S-Q

14

S-M

5

S-M

6

S-M

7

S-M

7 C

opi

a (C

ana

l de

Fu

ga -

...


Resultados Calibração

Escoamento PermanentePerfil de Calibração: Q = 160m³/s + Afluentes

n = 0,03535

40

45

50

Nív

el d

'Águ

a (m

)

NA Observado

NA Simulado (n = 0,045)

Cota de Fundo (m)


0

5

10

15

20

25

30

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Distância à Captação ETA Guandu (m)

Trecho entre a Captação (S-26) e PCH Paracambi (S-01) :

10 a 19/1/2011

Q = 160m³/s

Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos:

31/8 a 13/9/2010


Calibração - Resultados

Escoamento Não PermanentePerfil de Níveis para Vazão Defluente a UHE Pereira Passos (15-15 minutos)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

100

150

200

250

300

350

Ch

uva

(m

m)

Co

ta (

m)

Vazão


80

90

1000

50

0 96 192 288 384 480 576 672 768 864 960 1 056

Tempo (15 minutos)

Vazão

Precipitação

Precipitação Acumulada 24h

19/1/119/1/11 11/1/11 13/1/11 15/1/11 17/1/11

0

50

100

150

200

250

300

350

0 96 192 288 384 480 576 672 768 864 960 1056

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 minutos)

43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7) 33768 - Eixo PCH Paracambi (S-1) 28630 - Mont. da RJ125 (Cópia S-5)

24461 - Mont. da Ferroviária (Cópia S-8) 9157 - Mont. da BR116 (Cópia S-19) 0 - Captação CEDAE (S-0)


Resultados CalibraçãoEscoamento Permanente (Modelo Hidrodinâmico)

Vazões Simuladas: Defluência UHE Pereira Passos + Afluentes (16m³/s)


Ponte BR116 Eixo PCH Parac. UHE Per.Passos.



Escoamento Não PermanenteVazões Observadas x Simuladas na Estação Jusante da Ponte BR116

0

50

100200

220

240

260

Ch

uva

24

Ho

ras

(mm

)


150

200

250

30060

80

100

120

140

160

180

Ch

uva

24

Ho

ras

(mm

)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 minutos)

Observação (Estação BR116)

Simulação (Manning = 0,035)



Precipitação Acumulada (24h)



Comparação do Modelo Sem e Com Armazenamento Latera l Vazões Observadas x Simuladas na Estação Jusante da Ponte BR116

0

50

100200

220

240

260

Ch

uva

24

Ho

ras

(mm

)


150

200

250

30060

80

100

120

140

160

180

Ch

uva

24

Ho

ras

(mm

)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 minutos)

Observação (Estação BR116)

Simulação (COM Armazenamento Lateral)

Simulação (SEM Aramazenamento Lateral)

Precipitação Acumulada (24h)

45

50

Paracambi Plan: Fase 2 para 3 - Q320 R00 28/03/2011

Legend

WS 11JAN2011 2350

WS 09JAN2011 0010

Ground

.045 .045 .045


Simulação - Resultados

FASE 2 para 3Vazão Defluente a UHE Pereira Passos

Fechamento Comporta de Um dos Vãos Rebaixados


0 50 100 150 200 25025

30

35

40

45

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ground

Ineff

Bank Sta

35

40

200

250



FASE 2 para 3Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = 240m³/s

Fechamento da Comporta de Um dos Vãos Rebaixados

N.A. Máx. a montante da barragem = 37,22m


15

20

25

30

0

50

100

150

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo Simulação (5 minutos)

43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)

33848 - Vão Rebaixado 1

33848 - Vão Rebaixado 2

33768 - Jus. PCH Paracambi

9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)

0 - Captação CEDAE (S-0)

33928 - N.A. Mont. Barragem


35

40

200

250



FASE 2 para 3Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = 160m³/s




15

20

25

30

0

50

100

150

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)



33848 - Vão Rebaixado

33848 - Vão com Ogiva

33768 - Jus. PCH Paracambi (S-1)




35

40

200

250



FASE 2 para 3Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = 120-160-120m³/s




15

20

25

30

0

50

100

150

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)









250

300



FASE 2 para 3Comparação dos Hidrogramas na Captação Decorrente de Diferentes

Defluências a UHE Pereira Passos para Operação de Desvio


0

50

100

150

200

Vaz

ão (

m³/

s)


Captação CEDAE (Q afluente = variada = 120-160-120m³/s)

Captação CEDAE (Qafluente = constante = 160m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 240m³/s)

32.9

32.9

33.0

150

160

170

180

Leit

ura

de

Ré

gua

(m)

Vaz

ão (

m³/

s)


Resultados Fase 2 para 3

Verificação das Vazões Observadas no Posto BR116


32.7

32.7

32.8

32.8

100

110

120

130

140

Leit

ura

de

Ré

gua

(m)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 Minutos)

Qobs BR116 (CEDAE)

Qcalc BR116 (HecRas)

N.A. a Jusante do Eixo da Usina Des

vio

Fas

e 3

(d

ia3

às 1

6:4

0)



FASE 3 para 4Fechamento Comporta do Vão Rebaixado

50

Paracambi Plan: Fase 3 - Q300 R00 opens 04/03/2011

Legend

WS 10JAN2011 0005

WS 09JAN2011 0010

.035 .035 .035


0 50 100 150 20025

30

35

40

45

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ground

Ineff

Bank Sta

40

45

50

250

300

350



FASE 3 para 4Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = constante = 220m³/s

Fechamento Comporta do Vão Rebaixado

Tempo de recuperação da vazão em 120m³/s = 4,6 h.Elevação do N.A. a montante da barragem = 45,2mVazão Mínima na Captação ETA = 124m³/s


10

15

20

25

30

35

0

50

100

150

200

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)









Vazão Mínima na Captação ETA = 124m³/s

40

45

50

250

300

350




32979 - Jus. PCH Paracambi (S-2)




FASE 3 para 4Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = constante = 160m³/s



10

15

20

25

30

35

0

50

100

150

200

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)





Tempo de recuperação da vazão em 120m³/s = 8,2 h.Elevação do N.A. a montante da barragem = 44,1mVazão Mínima na Captação ETA = 85m³/s

40

45

50

250

300

350








FASE 3 para 4Vazão Defluente a UHE Pereira Passos = 160-220-160m³/s



5

10

15

20

25

30

35

0

50

100

150

200

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)





Tempo de recuperação da vazão em 120m³/s = 4,6h.Elevação do N.A. a montante da barragem = 44,1mVazão Mínima na Captação ETA = 120m³/s

200

250



FASE 3 para 4 (n = 0,045) Comparação dos Hidrogramas na Captação Decorrente de Diferentes

Defluências a UHE Pereira Passos para Operação de Desvio


0

50

100

150

Vaz

ão (

m³/

s)


Captação CEDAE (Q afluente variada = 160-220-160 m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 160 m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 220 m³/s)

Limite OperacionalMínimo da ETA = 122m³/s



FASE 3 para 4 (Qdeflu = 160-220-160m³/s)

Comportamento Hidrodinâmico das Vazões


Ponte BR116 Eixo PCH Parac. UHE Per.Passos.Captação ETA

Lim

ite M

ínim

o 12

2m³/

s


Simulação - ResultadosFASE 3 para 4 (Fechamento Comporta do Vão Rebaixado )

Extensão a Jusante dos Impactos Causados pela Opera ção de desvio

5

6

7

8

100

120

140

160

Tem

po

(h

ora

s)

Vaz

ão (

m³/

s)

Vazão Mínima na Seção

Tempo (em horas) Q < 120m³/s

Tempo (em horas) Q <22m³/s


0

1

2

3

4

5

0

20

40

60

80

100

0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000

Tem

po

(h

ora

s)

Vaz

ão (

m³/

s)

Distância a Jusante do Eixo da Barragem (m)

Cap

taçã

o E

TA G

uan

du

Po

sto

Flu

v. (

BR

11

6)

S-1

4

Po

nte

Fer

rovi

ária S-

10

Po

nte

RJ

12

5

40

50 Legend

WS 10JAN2011 0005

WS 11JAN2011 2350

Crit 10JAN2011 0005

Crit 11JAN2011 2350

Ground

Guanfu Guandu



FASE 3 para 4

Perfis de Nível d’Água Simulados


0 10000 20000 30000 40000

0

10

20

30

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ground

S-2

5S

-24

S-2

3

S-2

2

S-2

1

S-2

0

Cóp

ia S

-19

Jus

3A

9S

-18

S-1

7S

-16

S-1

5

Cóp

ia M

odif.

S-1

4 Ju

s

Cóp

ia M

odif.

S-1

3 Ju

s

A7

S-1

2 (J

us. d

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6S

-11

S-1

0

A5A

Cóp

ia S

-9 J

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Cóp

ia S

-8 J

us

Cóp

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odif.

S-7

Jus

Cóp

ia M

odif.

S-6

Jus

A3

Cóp

ia S

-5 J

usA

2S

-04

S-0

3

S-0

2S

-01

= S

-Q3

(Eix

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CH

Par

acam

bi)

S-Q

4S

-Q6

S-Q

7

S-Q

10C

ópia

S-B

2 M

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Mon

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R11

6)

S-M

3S

-M4

S-M

5

S-M

7

S-M

7 C

opia

(C

anal

de

Fug

a -

UH

E P

P)

35

40

45

50

250

300

350

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)






0 - Captação CEDAE (S-0)4h 3h

250m³/s

220m³/s


Simulação - ResultadosFASE 3 para 4 (Fechamento Comporta do Vão Rebaixado )Proposta para Regra de Defluente a UHE Pereira Passos: Q = 160-220-250-220-160m³/s


5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Vaz

ão (

m³/

s)


33928 - N.A. Mont. BarragemFe

cham

ento

Tempo até cota 39,0m = 0,9 hTempo da cota 39,0 a 43,0m = 2,8 h

5horas7horas

20h antes do Fechamento, Qdeflu UHE PP = 160m³/s

160m³/s

200

250

300

Vaz

ão (

m³/

s)


Valores Simulados x ObservadosFASE 3 para 4 (Fechamento Comporta do Vão Rebaixado )Proposta para Regra de Defluente a UHE Pereira Passos: Q = 160-220-250-220-160m³/s


0

50

100

150

Vaz

ão (

m³/

s)


43508 - Canal de Fuga UHE PP



32979 - Vazão a Jus. PCH Paracambi (Simulada)

9157 - Vazão Posto BR-116 (Simulada)

9157 - Vazão Posto BR-116 (Observada)


Valores Simulados x ObservadosFASE 3 para 4 (Fechamento Comporta do Vão Rebaixado )Proposta para Regra de Defluente a UHE Pereira Passos: Q = 160-220-250-220-160m³/s

40

42

44

46

Nív

el d

'Águ

a (m

)

33928 - N.A. Mont. Barragem Calc.

33570 - N.A. Jusant. Barragem Calc.

33928 - N.A. Mont. Barragem Observ.

33570 - N.A. Jusant. Barragem Observ.

Níveis d’Água


30

32

34

36

38

40

Nív

el d

'Águ

a (m

)


Níveis d’Água na Região da

Barragem


Execução do FechamentoFASE 3 para 4 (Fechamento da Comporta do Vão Rebaix ado: dia 20/9/2011)


FONTE: Site da PCH Paracambi: http://www.pchparacambi.com.br/

pchparacambi modelagem hidrodinâmica · equação da continuidade (conservação da massa)...

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