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Regularizao de vazes Adaptado de: Walter Collischonn, IPH - UFRGS EHD023 Hidrologia II

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Objetivo: reservar gua no perodo de maior disponibilidade para utilizar no perodo de menor disponibilidade Como? Construo de barragens no leito do rio, resultando na criao de um lago (reservatrio). Regularizao

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Reservatrios pequenos: pouca regularizao objetivo principal criar uma diferena de nvel a montante e jusante para gerar energia ou possibilitar a instalao de bombas para retirar gua do rio Reservatrios grandes: maior capacidade de regularizao Barragens

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Regularizao A soluo encontrada para reduzir a variabilidade temporal da vazo a regularizao atravs da utilizao de um ou mais reservatrios Os reservatrios tm por objetivo acumular parte das guas disponveis nos perodos chuvosos para compensar as deficincias nos perodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das vazes naturais.

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Irrigao

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Abastecimento

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Gerao de energia

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Usina Hidreltrica

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vertedor casa de fora Usina Hidreltrica

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Itaipu

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Usina de Xing

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Reservatrios

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Usina Hidreltrica

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Barragem em Construo (PCH Irara, Gois)

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Um reservatrio pode ser descrito por seus nveis e volumes caractersticos: Nvel mnimo operacional Nvel mximo operacional Volume mximo Volume morto Volume til Reservatrios: Caractersticas

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Volume morto nvel mnimo operacional Reservatrios: Caractersticas

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O Volume Morto a parcela de volume do reservatrio que no est disponvel para uso Corresponde ao volume de gua no reservatrio quando o nvel igual ao mnimo operacional Abaixo deste nvel as tomadas de gua para as turbinas de uma usina hidreltrica no funcionam, seja porque comeam a engolir ar alm de gua, o que provoca cavitao nas turbinas (diminuindo sua vida til), ou porque o controle de vazo e presso sobre a turbina comea a ficar muito instvel. Volume morto

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nvel mnimo operacional nvel mximo operacional Volume til Reservatrios: Caractersticas

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O nvel mximo operacional corresponde cota mxima permitida para operaes normais no reservatrio. Nveis superiores ao nvel mximo operacional podem ocorrer em situaes extraordinrias, mas comprometem a segurana da barragem. O nvel mximo operacional define o volume mximo do reservatrio. Nvel mximo operacional

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Volume morto nvel mnimo operacional nvel mximo operacional Volume til nvel mximo maximorum Nvel mximo maximorum

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A diferena entre o volume mximo de um reservatrio e o volume morto o volume til, ou seja, a parcela do volume que pode ser efetivamente utilizada para regularizao de vazo. Volume til

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Reservatrio Os reservatrios tem por objetivo acumular parte das guas disponveis nos perodos chuvosos para compensar as deficincias nos perodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das vazes naturais. Em geral os reservatrios so formados por meio de barragens implantadas nos cursos dgua. Suas caractersticas fsicas, especialmente a capacidade de armazenamento, dependem das caractersticas topogrficas do vale em que esto inseridos.

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Estreitamentos do vale rea a ser inundada depende do novo nvel da gua (altura da barragem) Locais para construo de barragens

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130 m

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150 m

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Analisando a rea inundada para cada nvel dgua, pode se calcular o volume do reservatrio Cota x rea x volume

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Cota: 6,5 m rea inundada: 32 ha Volume: 0,1 Hm 3

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Cota: 7 m rea inundada: 200 ha Volume: 0,7 Hm 3

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Cota: 8 m rea inundada: 815 ha Volume: 5,7 Hm 3

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Cota: 9 m rea inundada: 1.569 ha Volume: 17,6 Hm 3

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Cota: 10 m rea inundada: 3.614 ha Volume: 43,6 Hm 3

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Cota: 11 m rea inundada: 7.841 Volume: 101 Hm 3

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Cota: 12 m rea inundada: 10.198 ha Volume: 191 Hm 3

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Cota: 13 m rea inundada: 12.569 ha Volume: 305 Hm 3

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Cota: 14 m rea inundada: 14.434 ha Volume: 440 Hm 3

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Cota: 15 m rea inundada: 16.353 ha Volume: 594 Hm 3

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Relao Cota - rea - Volume

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Cota (m)rea (km 2 )Volume (hm) 772,000,00 775,000,94 780,002,398,97 785,004,7126,40 790,008,1558,16 795,0012,84110,19 800,0019,88191,30 805,0029,70314,39 810,0043,58496,50 815,0058,01749,62 820,0074,231.079,39 825,0092,291.494,88 830,00113,892.009,38 835,00139,592.642,00 840,00164,593.401,09 845,00191,444.289,81 Curva Cota - rea - Volume

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Outras caractersticas importantes so as estruturas de sada de gua, eclusas para navegao, escadas de peixes, tomadas de gua para irrigao ou para abastecimento, e eventuais estruturas de aproveitamento para lazer e recreao. Outras Caractersticas

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Os vertedores so o principal tipo de estrutura de sada de gua Destinam-se a liberar o excesso de gua que no pode ser aproveitado para gerao de energia eltrica, abastecimento ou irrigao Os vertedores so dimensionados para permitir a passagem de uma cheia rara (alto tempo de retorno) com segurana. Vertedores

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Um vertedor pode ser livre ou controlado por comportas O tipo mais comum de vertedor apresenta um perfil de rampa, para que a gua escoe em alta velocidade, e a jusante do vertedor construda uma estrutura de dissipao de energia, para evitar a eroso excessiva. Vertedores

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A vazo de um vertedor livre (no controlado por comportas) dependente da altura da gua sobre a soleira, conforme a figura e a equao ao lado. Q a vazo do vertedor; L o comprimento da soleira; h a altura da lmina de gua sobre a soleira e C um coeficiente com valores entre 1,4 e 1,8. importante destacar que a vazo tem uma relao no linear com o nvel da gua Vazo de Vertedor

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Onde A a rea da seo transversal do orifcio; g a acelerao da gravidade; h a altura da gua desde a superfcie at o centro do orifcio e C um coeficiente emprico com valor prximo a 0,6. Semelhante equao do vertedor, destaca-se que a vazo de um orifcio tem uma relao no linear com o nvel da gua. Descarregadores de fundo podem ser utilizados como estruturas de sada de gua de reservatrios, especialmente para atender usos da gua existentes a jusante. A equao de vazo de um descarregador de fundo semelhante equao de vazo de um orifcio, apresentada abaixo: Descarregadores de Fundo

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O volume til est diretamente relacionado capacidade de regularizar a vazo. Se o volume til pequeno, o reservatrio no consegue regularizar a vazo e a usina chamada a fio dgua Volume til x Vazo mdia afluente

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Equao da continuidade Balano Hdrico de reservatrios

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Intervalo de tempo curto: cheias Intervalo de tempo longo: dimensionamento Balano Hdrico de reservatrios

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Mtodos grficos (antigos) Simulao Dimensionamento do reservatrio

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Equao de Balano Hdrico Simulao

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ondeerepresentam valores mdios da vazo afluente e defluente de reservatrio ao longo do intervalo de tempo t. Eq. de Balano Discretizada sujeita s restries 0 < S t+t < V mx ; onde V mx o volume til do reservatrio.

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V = volume (m 3 ) I = vazo afluente ao reservatrio (m 3 /s) Q = vazo defluente do reservatrio (m 3 /s) Q inclui vazo que atende a demanda e vazo vertida Balano Hdrico num reservatrio Simulao em planilha

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Q considerado igual demanda Equao de Balano Hdrico do reservatrio pode ser aplicada recursivamente Simulao em planilha conhecidos

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Com a equao recursiva de balano podem ocorrer duas situaes extremas: necessrio verter gua A demanda excessiva ou o volume insuficiente

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1.Estime um valor de V max 2.Aplique a equao abaixo para cada ms do perodo de dados de vazo disponvel ( desejvel que a srie tenha vrias dcadas). As perdas por evaporao (E) variam com o ms e podem ser estimadas por dados de tanque classe A. A demanda D pode variar com a poca do ano. A vazo vertida Q t diferente de zero apenas quando a equao indica que o volume mximo ser superado. Dimensionamento de reservatrio

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3.Em um ms qualquer, se S t+ t for menor que zero, a demanda D t deve ser reduzida at que S t+ t seja igual a zero, e computada uma falha de entendimento. 4.Calcule a probabilidade de falha dividindo o nmero de meses com falha pelo nmero total de meses. Se esta probabilidade for considerada inaceitvel, aumente o valor do volume mximo Vmax e reinicie o processo. Dimensionamento de reservatrio

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Um reservatrio com volume til de 500 hectmetros cbicos (milhes de m 3 ) pode garantir uma vazo regularizada de 55 m 3.s -1, considerando a seqncia de vazes de entrada da tabela abaixo? Considere o reservatrio inicialmente cheio, a evaporao nula e que cada ms tem 2,592 milhes de segundos. msVazo (m 3 /s) Jan60 Fev20 Mar10 Abr5 Mai12 Jun13 Jul24 Ago58 Set90 Out102 Nov120 Dez78 Exemplo

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msVazo (m 3 /s) S t (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )S t+dt (hm 3 )Q (hm 3 ) jan60 500156143 fev20 mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 156 143 = 513 Supondo que no ser necessrio verter

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msVazo (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan60 50015614351313 fev20 500 mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 156 143 = 513 Supondo que no ser necessrio verter Volume mximo excedido! necessrio verter 13 hm 3

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msVazo (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan60 50015614351313 fev20 500521434090 mar10 409 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 52 143 = 409 Supondo que no ser necessrio verter

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No incio do ms de agosto o volume calculado negativo, o que rompe a restrio, portanto o reservatrio no capaz de regularizar a vazo de 55 m 3.s -1 Ms S (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )Q (hm 3 ) Jan 50015614313 Fev 500521430 Mar 409261430 Abr 293131430 Mai 163311430 Jul 52341430 Ago -57621430

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Vazes do rio Tainhas de 1970 a 1980 Exemplo: dimensionamento de reservatrio com simulao

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Qual a vazo que pode ser regularizada no rio Tainhas com um reservatrio de 100 milhes de m 3 ? Exemplo: dimensionamento de reservatrio com simulao em planilha

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Vazes afluentes do rio Tainhas

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Vazo de antendimento da demanda demanda (ou vazo regularizada)

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Vazo vertida para V < Vmax

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Vazo total de sada

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Teste com Q = 20m 3 /s

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usando o Solver do Excel

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Qual a vazo que pode ser regularizada no rio Tainhas com um reservatrio de 100 milhes de m 3 ? A mxima vazo regularizvel de 11,13 m3/s. Resposta

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Qual o volume necessrio para regularizar a vazo de 15 m 3 /s?

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Hidrogramas de entrada e sada

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Curvas de Permanncia natural regularizado

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Curvas de Permanncia natural regularizado Q 95 passa de ~3 para 15 m3/s

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Vazo Regularizada

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Limite terico: Q regularizada = I mdia Vazo Regularizada

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Perdas por evaporao Demandas variveis no tempo Reservatrios de uso mltiplo Impactos ambientais Complicaes

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Um reservatrio com volume til de 500 hectmetros cbicos (milhes de m 3 ) pode garantir uma vazo regularizada de 25 m 3.s -1,considerando a seqncia de vazes de entrada da tabela abaixo? Considere o reservatrio inicialmente cheio, a evaporao constante de 200 mm por ms, rea superficial e que cada ms tem 2,592 milhes de segundos. Exerccio

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Um reservatrio com volume til de 150 hectmetros cbicos suficiente para regularizar a vazo de 28 m 3.s -1 num rio que apresenta a seqncia de vazes da tabela abaixo para um determinado perodo crtico? Considere o reservatrio inicialmente cheio, 200 km 2 de rea superficial constante e que cada ms tem 2,592 milhes de segundos. Os dados de evaporao de tanque classe A so dados na tabela (veja capitulo 5). Exerccio

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Impacto da inundao de reas Obstrues ao fluxo (sedimentos, peixes, nutrientes) Escada de peixes Estratificao trmica Eutrofizao Alteraes de regime hidrolgico Trechos de vazo reduzida Rompimento de barragens Questes ambientais em reservatrios