Operação de
Reservatórios
Carlos de Oliveira Galvão
Klécia Forte de Oliveira
O que é operação de
reservatórios?
Operação
de
reservatórios
O Balanço Hídrico do Reservatório
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
Operação
de
reservatórios
Restrições: o volume máximo (ou a capacidade) K e o
volume mínimo (ou o volume morto) Smin:
Smin  St  K
Modelos de Simulação para
Operação de Reservatórios
Simulam computacionalmente o balanço hídrico
do(s) reservatório(s), para auxiliar na tomada de
decisões sobre sua operação.
Operação
de
reservatórios
Componentes dos Modelos de
Simulação
• Variáveis de entrada: são as quantidades
hidrológicas (vazões afluentes, evaporação do
lago), as demandas, os limites operacionais dos
níveis do reservatório, etc.
Operação
de
reservatórios
• 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.
Componentes dos Modelos de
Simulação
• Parâmetros: variáveis que caracterizam o sistema,
como o volume mínimo e a curva cota-área-volume
do reservatório.
Operação
de
reservatórios
• Intervalo de tempo de simulação: intervalos
mensais para estudos de conservação e intervalos
diários para controle de cheias são os mais
utilizados.
Políticas 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.
Operação
de
reservatórios
• Curvas-guia
condicionadas:
as
regras
operacionais são função não só das curvas-guia
como das previsões de vazões afluentes.
Políticas de Operação
Operação
de
reservatórios
• 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.
Níveis de Alerta como
estratégia de operação de
reservatórios
Cenário do Abastecimento de
Água
• Demanda crescente
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
• Diminuição da disponibilidade hídrica
• Possibilidade de colapso dos sistemas
Manejo do Sistema
Balanço:
Oferta x Demanda
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
usuários sofram reduções mínimas de
atendimento em caso de escassez hidrológica
Solução emergencial
Racionamento
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
de água
Motivação
Racionamento:
– Início?
– Fim?
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
– Quanto?
– Garantia da qualidade da água
Nível 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.
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
– 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.
Nível de Alerta
• Nível/volume do reservatório abaixo do qual
implanta-se o racionamento
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
• Define o início, o final e a magnitude do
racionamento
• Aumenta alcance do abastecimento
Nível de Alerta
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
Definição de Níveis de Alerta
Decisão final
Gerente ou Hidrólogo Responsável
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
Bom conhecimento
Do comportamento hidrológico do
sistema, dos procedimentos
operacionais do reservatório, do
comportamento dos usuários e dos
modelos utilizados
Modelos de
simulação ou
otimização
Estabelecimento de níveis de
alerta
- Volume mínimo, máximo e inicial
- curva C-A-V
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
- séries históricas de vazões
- evaporação sobre o lago
- demandas de água atuais
Nível de Alerta
Nível de alerta
Níveis de
Alerta
como
estratégia
de
operação
de
reservatórios
Nível de racionamento
de água
Redução do atendimento
Nível de Alerta
Estudo de caso:
o reservatório Gramame-Mamuaba
Conflitos de Uso
• ETA Gramame
• ETA Marés
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
• a montante: projetos de irrigação
• a jusante: preservação dos ecossistemas
(descargas de efluentes de indústrias)
Demandas para o Sistema
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
Usuário
ETA Gramame
ETA Marés
Manutenção do rio Gramame
Irrigação a montante
Total
Demanda (l/s)
1700
570
300
250
2820
Cenários de demandas (l/s)
Cenário
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
ETA
ETA
Gramame 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
Simulações
Modelo HEC-3
- Zoneamento múltiplo dos níveis
- Escala de prioridades de armazenamento
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
para cada zona
Objetivo
Cenário
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
Nível de alerta
garantia integral do atendimento
Nível de Alerta via HEC-3
volume
50
2730 l/s
2160 l/s
30
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
nível alerta (na) 1
nível alerta (na) 2
1860 l/s
10
jan
meses
dez
Figura 1 - Zoneamento e níveis de alert a obt idos
a partir da simulação.
Nível de Alerta via Programação
Dinâmica
2730 l/s
volume
50
2160 l/s
30
na 1
na 2
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
10
1860 l/s
jan
meses
dez
Figura 2 - Zoneament o obtido por otimização:
caso (A) - série completa.
Nível de Alerta via Programação
Dinâmica
volume
50
2820 l/s
2160 l/s
na 1
30
na 2
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
10
1700 l/s
1860 l/s
jan
meses
dez
Figura 3 - Zoneamento obt ido por otimização
caso (B) - 3 anos secos.
Nível de Alerta via Programação
Dinâmica
2730 l/s
volume
50
2160 l/s
30
na 1
na 2
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
1860 l/s
10
1700 l/s
jan
meses
dez
Figura 4 - Zoneament o obtido por otimização:
caso (C) - 5 anos secos.
Nível de Alerta via Programação
Dinâmica
volume
50
2820 l/s
30
na 1
na 2
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
10
2160 l/s
jan
meses
dez
Figura 5 - Zoneament o obtido por otimização:
caso (D) - anos úmidos.
Nível de Alerta via Programação
Dinâmica
volume
50
2820 l/s
30
na 1
na 2
Níveis de
Alerta
Estudo
de caso:
Gramame Mamuaba
10
2160 l/s
jan
meses
dez
Figura 6 - Zoneament o obtido por otimização:
caso (E) - vazões médias mensais.
Planejamento da Operação
x
Operação em Tempo Real
Nível de Alerta
horizonte de planejamento –
diretrizes de referência
Planejamento
da
Operação
x
Operação
em
Tempo Real
Simulação de cenários
a curto prazo
horizonte de gerenciamento –
alternativas de decisão para
operação em tempo real
Horizonte de Gerenciamento
• Reavaliação das diretrizes de referência
• Simulações
 várias estratégias operacionais (níveis de alerta)
Planejamento
da
Operação
x
Operação
em
Tempo Real
 vários cenários hidrológicos (previsão climática e
hidrológica)
Previsão Meteorológica
x
Operação de Reservatórios
Previsão Meteorológica
 Significativo progresso no desenvolvimento de
sistemas de previsão meteorológica de longo prazo.
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 Contribuem para a integração de dados a
modelagem hidrológica distribuída e os sistemas de
geoprocessamento.
Previsão Meteorológica
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 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.
Previsão Meteorológica
 Prever o comportamento da precipitação nas
principais estações chuvosas do ano
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
Previsão climática de curto prazo,
sazonal,
da variabilidade interanual, etc
Previsão Meteorológica
 Aproveitamento da previsão meteorológica em
recursos hídricos
 Dificuldades:
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
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
Previsão Climática no Nordeste
Regime climático das 4 sub-regiões (norte, leste e
sul do NEB e pré-Amazônia)
norte-NEB
Piancó
pré-Amazônia
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
leste-NEB
sul-NEB
Sub-regiões climáticas do Nordeste do Brasil
(adaptada de Nobre e Molion, 1988, e Cadier, 1994).
Previsão Climática no Nordeste
Mecanismos de geração de precipitação
- as frentes frias e os ventos alta subtropical
- El Nino
- zona de convergência secundária
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
- posição da ZCIT
- variação da TSM
- gradiente de temperatura norte-sul
- etc
Previsão Climática no Nordeste
Previsão de precipitação sazonal
 Previsão
da
variabilidade
interanual
precipitação na região sob várias abordagens:
da
- modelos univariados
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
- regressão
múltipla
multivariados
e
outros
modelos
- Modelos de Circulação Global (MCGs) e
- análise conceitual subjetiva de padrões das
principais variáveis atmosféricas e oceânicas
Previsão Climática no Nordeste
Previsão de precipitação sazonal
 Uso em manejo de recursos hídricos  tipo de
informação:
- Categorizados  probabilísticos
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 não probabilísticos
- Pontuais  probabilístico
 não probabilísticos
Previsão Climática no Nordeste
Previsão de precipitação sazonal
 Uso em manejo de recursos hídricos  tipo de
informação:
- Categorizados  probabilísticos
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 não probabilísticos
- Pontuais  probabilístico
 não probabilísticos
Previsão Climática no Nordeste
Aplicação da previsão a operação de reservatórios
Previsão
Meteorológica
x
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
Previsão x Armazenamento
 Métodos de previsão de precipitação: previsão
apresentada em três ou cinco categorias
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 Probabilidades de ocorrência para cada uma das
cinco categorias, para a próxima estação chuvosa
 Incerteza associada à previsão
Previsão x Armazenamento
Métodos de previsão de precipitação:
 Diferentes formatos de entrada nos modelos
hidrológicos
Previsão
Meteorológica
x
Operação
de
Reservatórios
 Reamostragem estatística  série sintética
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Caracterização do problema
RIO DE
JANEIRO
C. GRANDE CITY
BOQUEIRÃO
RESERVOIR
ACAUÃ
DAM
J. PESSOA
CITY
ATLANTIC OCEAN
BRASÍLIA
PA
RIV RAÍB
ER A
BRAZIL
ATLANTIC OCEAN
STATE OF PARAÍBA
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Armazenamento histórico no açude
300.000.000
200.000.000
100.000.000
jan/00
jan/99
jan/98
jan/97
jan/96
jan/95
jan/94
jan/93
0
jan/92
Exemplo:
Epitácio
Pessoa
400.000.000
jan/91
Operação
de
Reservatórios
Armazenamento (m 3)
500.000.000
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Retiradas de água e perdas por evaporação em
1998-2000 no açude
abastecimento urbano
2,0
evaporação
1,5
irrigação
1,0
0,5
Fev/00
Dez/99
Out/99
Ago/99
Jun/99
Abr/99
Fev/99
Dez/98
Out/98
0,0
Ago/98
Exemplo:
Epitácio
Pessoa
2,5
Jun/98
Operação
de
Reservatórios
Volume mensal (milhões m
3
)
3,0
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Metodologia de análise
Operação
de
Reservatórios
Exemplo:
Epitácio
Pessoa

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
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Resultados e discussão
Operação
de
Reservatórios
Exemplo:
Epitácio
Pessoa

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
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Práticas sustentáveis de gestão na bacia hidrográfica
Operação
de
Reservatórios
Exemplo:
Epitácio
Pessoa

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
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Simulação  Dois cenários de gestão
Cenário I
“corrente”
Cenário II
“sustentáv
el”
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
Indicador
Operação
de
Reservatórios
Exemplo:
Epitácio
Pessoa
Exemplo:
Reservatório Epitácio Pessoa
Simulação do armazenamento do reservatório
500.000.000
300.000.000
200.000.000
100.000.000
Cenário I
jan-21
jan-19
jan-17
jan-15
jan-13
jan-11
jan-09
jan-07
jan-05
0
jan-03
Exemplo:
Epitácio
Pessoa
400.000.000
jan-01
Operação
de
Reservatórios
Armazenamento (m 3)
Cenário II
Níveis de alerta dinâmicos:
representação do padrão de
racionamento de água em
reservatórios através de regras
Objetivos
• 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 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
Metodologia
•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 Decisão
• Valores difusos expressam os
numéricos em expressões qualitativas
Variáveis 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 Caso
Dados de Entrada
• Evaporação
• Curva Cota-Volume
• Série de vazões mensais afluentes
• Demanda mensal
• Armazenamentos mínimo, máximo e inicial
• Armazenamentos desejados mensais
• Racionamento máximo
Cenários
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
Resultados
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
Atendimento à demanda
Atendimento às demandas
C e n á rio 1 (s e m o p e ra ç ã o )
C e n á rio 2 (c o m o p e ra ç ã o )
Resultados
Escassez e falhas
Cenários
Cenário 1 (sem operação)
Cenário 2 (com operção)
Cenários
Cenário 1 (sem operação)
Cenário 2 (com operação)
total
Escassez Relativa
média
máxima
mínimo (10 m )
8,03
39,7
0,89
0,27
1
0,5
22,51
77,16
Armazenamento
Categorias das falhas (%)
0 a 0,25 0,25 a 0,5 0,5 a 0,75 0,75 a 1,0
11,1
67,1
0
32,9
0
0
88,9
0
6
3
Nº. de meses com
armazanamento crítico
29
5
Resultados
500
6
3
A rma ze na me nto (1 0 m )
Armazenamento
400
300
200
100
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
0
C e n á r io 1 ( s e m o p e r a ç ã o )
C e n á r io 2 ( c o m o p e r a ç ã o )
C a p a c id a d e M á x. d o r e s e r v a t ó r io
Conclusões
•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.
Conclusões
• 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 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 Finais
A gestão operacional, administrativa e financeira das
redes de abastecimento supridas pelo manancial
deve considerar os riscos de redução de oferta.
Operação
de
Reservatórios
Conclusões
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.
Comentários 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.
Operação
de
Reservatórios
Conclusões