COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXX - SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
FOZ DO IGUAÇU – PR, 12 A 14 DE MAIO DE 2015
RESERVADO AO CBDB
SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA PARA GERENCIAMENTO DOS RECURSOS
HÍDRICOS DA BARRAGEM DO RIO SÃO BENTO
Juliano Possamai DELLA
Engenheiro Civil - Companhia Catarinense de Águas e Saneamento - CASAN
Álvaro José BACK
Engenheiro Agrônomo - Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC
1 RESUMO
A região Sul de Santa Catarina apresenta boa parte dos recursos hídricos
comprometidos pela poluição devido à mineração do carvão. A barragem do rio São
Bento foi construída com objetivo de solucionar os problemas de abastecimento de
água. Os diferentes usos de água são conflitantes e ha necessidade de ter critérios
de operação da barragem e gestão dos recursos hídricos. Assim este trabalho teve
como objetivo realizar uma simulação hidrológica com a finalidade de avaliar a
capacidade de atendimento das demandas de irrigação e abastecimento. Na
simulação do reservatório foi considerado a situação de Alerta. Constatou-se que o
reservatório da barragem do rio São Bento tem possibilidade de atender demandas
superiores as atuais.
2 ABSTRACT
The southern region of Santa Catarina has a good portion of the watershed
compromised by pollution due to coal mining. The dam of the São Bento was built in
order to resolve the problems of water supply. The different uses of water are
conflicting and there need to be criteria for dam operation and management of water
resources. Therefore this study aimed to conduct a hydrologic simulation in order to
evaluate the ability of meeting the demands of irrigation and supply. In reservoir
simulation was considered the situation of alert. It was found that the reservoir of the
dam the river Sao Bento has the potential to meet the higher current demands.
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1
3 INTRODUÇÃO
A região Sul de Santa Catarina apresenta grande parte dos recursos hídricos
comprometidos pela poluição devido à mineração do carvão. Devido a crescente
demanda pelo uso da água para abastecimento humano e o aumento de áreas
irrigadas para o cultivo do arroz combinado com a degradação dos recursos hídricos
observa-se aumento na escassez de água na região e nos conflitos pelo uso da
água. A escassez generalizada, a destruição gradual e o agravamento da poluição
dos recursos hídricos em muitas regiões do mundo, ao lado da implantação
progressiva de atividades incompatíveis, exigem o planejamento e manejo
integrados desses recursos [3].
Conforme Bravo [1] a construção e operação de reservatórios possuem como função
primordial o desenvolvimento de reservas em épocas de excesso hídrico, para uso
posterior em períodos de escassez. Entretanto, diversos fatores cooperam para
realização da análise da operação de reservatórios com múltiplos usos se tornar um
processo de difícil solução, sendo esses fatores as características estocásticas do
processo hidrológico, a quantificação e definição dos objetivos, a necessidade de um
processo sequencial de decisões bem como a complexidade do resultante de
otimização, pois não segue uma linearidade.
De acordo com a Política Nacional de Recursos Hídricos, através da Lei nº 9.433/97,
a gestão de recursos hídricos deve sempre proporcionar a estruturação do uso
múltiplo das águas e da gestão descentralizada, propiciando que os diferentes
setores usuários de recursos hídricos possam a obter equidade de direito de acesso
à água.
A barragem do rio São Bento foi construída com objetivo de solucionar os problemas
de abastecimento de água e também atender a demanda de parte da área irrigada e
auxiliar no controle de cheias. Conforme [1], a construção e operação de
reservatórios possuem como função primordial o desenvolvimento de reservas em
épocas de excesso hídrico, para uso posterior em períodos de escassez. Entretanto,
diversos fatores cooperam para realização da análise da operação de reservatórios
com múltiplos usos se tornar um processo de difícil solução, sendo esses fatores as
características estocásticas do processo hidrológico, a quantificação e definição dos
objetivos, a necessidade de um processo sequencial de decisões bem como a
complexidade do resultante de otimização, pois não segue uma linearidade.
Nos quase dez anos de operação da barragem, em vários momentos ocorreram
vertimentos evidenciando excessos água. Essa aparente abundância de água pode
sugerir aumentar a oferta de água, tanto para consumo humano como para a
irrigação. Neste período também ocorreram algumas estiagens de curta duração,
mas suficiente para haver a pressão pela oferta da água, principalmente por parte
dos rizicultores. Quando da ocorrência da maior estiagem, verificada em dezembro
de 2012, o nível mínimo da barragem atingiu praticamente o volume correspondente
a 55,36% da capacidade máxima do reservatório. Nesta ocasião a população
visualizando a diminuição da área alagada ficou apreensiva quanto à possibilidade
de falta de água. Nestas situações o gestor da barragem frequentemente é cobrado
a dar explicações. Este trabalho tem como objetivo realizar a simulação hidrológica
do reservatório da barragem do rio São Bento, Siderópolis, SC, considerando
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cenários de demandas para vazão ecológica, abastecimento da população irrigação
da cultura do arroz.
4 MATERIAL E MÉTODOS
A barragem do rio São Bento, localizada no estado brasileiro de Santa Catarina no
município de Siderópolis, está inserida na bacia hidrográfica do rio São Bento sendo
definida como uma sub-bacia da bacia hidrográfica do rio Araranguá (Figura 1).
Figura 1 - Localização barragem do rio São Bento.
Para a simulação do volume no reservatório foi gerada a série de 100 anos de dados
de vazões decendiais. Estas vazões foram obtidas pela transformação da série de
precipitações em vazão pelo modelo chuva-vazão. A série de 100 anos de dados de
precipitação foi obtida por meio do ajuste do modelo de Markov para geração de
sequências de dias secos e chuvosos e da distribuição gama para simular os valores
de chuva diária [6].
O método de Markov é bastante difundido, por ser considerado mais simples [6],
porém é um tipo especial de processo estocástico que considera que as
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3
distribuições de probabilidade para os caminhos futuros do processo, dependem
somente do estado presente, não levando em consideração como o processo
chegou ao estado atual [5].
Para que um processo estocástico seja reconhecido como markoviano a
probabilidade do processo deve estar em um dado estado, num instante qualquer no
futuro, dependendo da sequência completa de estados até o momento presente a
mesma quando dependendo apenas do estado presente [4].
O modelo de Markov por sua vez foi ajustado com base nos dados diários de
precipitação do período de 1986 a 2012, da estação pluviométrica da Agência
Nacional de Águas (ANA), com código 84800000 e coordenadas latitude 28°36’44”S
e longitude 49°33’04”W, localizada no município de Siderópolis, SC.
O modelo para estimar a vazão a partir da chuva adotado consistiu em multiplicar o
volume da precipitação por um coeficiente empírico (C), conforme:
Q  P C
(1)
O coeficiente C modelo chuva vazão foi calibrado com base nos dados do controle
hidráulico da barragem no período de 2004 a 2012.
A simulação do reservatório foi realizada em intervalo decêndial com base no
balanço hídrico dado por:
St  St 1 a  Qeco  Qi rr  Qcons  Qefl
(2)
em que: St = armazenamento no decêndio t (m³); St-1 = armazenamento no decêndio
anterior (m³); Qa = vazão afluente (m³); Qeco= vazão ecológica (m³); Q irr = vazão
para irrigação (m³); Q cons = vazão para consumo humano (m³), Qefl = vazão efluente.
Na simulação do reservatório foi considerada a vazão ecológica definida pelo órgão
ambiental e as vazões para atender a demanda de irrigação da cultura do arroz,
variando de 6.000ha a 10.000ha bem como a demanda para abastecimento da
população variando de 300.000 hab a 1.000.000 hab. Foi estabelecido como nível
de “Alerta” o volume equivalente a 25 % da capacidade do reservatório.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Constatou-se que as séries observadas e simuladas de precipitação apresentaram
valores das probabilidades de transição praticamente iguais, indicando dessa forma
que o modelo ajustado irá simular séries de chuva com sequencias de dias secos e
chuvosos semelhantes ao período observado. Da mesma forma o modelo chuvavazão ajustado foi considerado de resultado satisfatório, com pequenas diferenças
entre os valores observados e simulado no volume do reservatório (Figura 2 e Figura
3). Essas diferenças se devem em parte a distribuição não uniforme da precipitação
na bacia de contribuição.
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4
Observado
Simulado
Limite
70,000
60,000
50,000
40,000
30,000
Figura 2. Variação do volume do reservatório observado e simulado em 2004.
Observado
Simulado
Limite
65,000
60,000
55,000
50,000
45,000
40,000
35,000
30,000
Figura 3. Variação do volume do reservatório observado e simulado em 2012.
Na Figura 4 estão indicados os períodos de retorno para a condição Alerta (volume
inferior a 25% da capacidade do reservatório) em função da demanda para
abastecimento da população (habitantes) e da área irrigada com rizicultura (ha).
Observa-se que para a área irrigada de 6000 ha, a condição de Alerta somente irá
ocorrer para a população acima de 700 mil habitantes. Para a população de 800 mil
habitantes o período de retorno será de 33 anos, isto é, a condição de Alerta irá
ocorrer em média uma vez a cada 33 anos.
De forma semelhante, considerando a área irrigada de 7000 ha, a condição de
Alerta irá ocorrer para população acima de 500 mil habitantes com período de
retorno de 50 anos, enquanto que para áreas irrigadas de 8000 ha ou mais a
condição de alerta irá ocorrer para população de 300 mil habitantes. Considerando
que é fundamental preservar o abastecimento humano e a vazão ecológica, e que
dos usos da água a irrigação é a de menor prioridade, esta condição de Alerta nos
parece um bom critério para gerenciar a distribuição de água.
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5
Anos
Até esta condição pode-se atender todas as demandas, a partir deste ponto
suspender ou reduzir o volume destinado à irrigação preservando os demais usos.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Irrigação (ha)
6000
7000
8000
9000
300
400
500
600
700
800
900
1000
10000
Habitantes (x1000)
Figura 4. Período de retorno para a condição de Alerta em função da demanda para
abastecimento
da população (habitantes) e da área irrigada com rizicultura (ha).
100
6 CONCLUSÃO
O modelo para geração de série de vazões adotado embora muito simplificado
permitiu simular vazões afluentes semelhantes com as vazões obtidas do controle
hidráulico da barragem.
O reservatório mostrou que existe para a situação de alerta a possibilidade de
atender demandas superiores as atuais, e que a adoção de critérios de operação
diferenciados pode determinar o melhor uso dos recursos hídricos.
7 AGRADECIMENTOS
A Companhia Catarinense de Águas e Saneamento por disponibilizar as
informações necessárias para realização do trabalho contribuindo de forma
expressiva no desenvolvimento do mesmo e garantindo a visualização do
empreendimento em cenário nacional.
8 PALAVRAS-CHAVE
Modelo de Markov, hidrologia, barragem.
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
BRAVO, J. M. (2006) – “Otimização da operação de um reservatório para
controle de cheias com base na previsão de vazão”, 136f. Dissertação
(Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental). Universidade
Federal do Rio Grande do Sul/UFGRS - Instituto de Pesquisas Hidráulicas,
Porto Alegre;
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6
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
CASAN (MOR) (2004) - Companhia Catarinense de Águas e Saneamento.
“Programa de gerenciamento de risco da barragem São Bento. Santa
Catarina”, Relatório Técnico;
CNUMAD. (1992) – “CONFERENCIA DAS NAÇÕES UNIDAS SOBRE MEIO
AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO”, Agenda 21 – capitulo 18. Rio de Janeiro,
CNUMAD;
LEITE, P. B. C. (2008). Identificação de tipos de culturas agrícolas a partir de
seqüências de imagens multitemporais utilizando modelos de markov ocultos.
2008. 79 f. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Engenharia Elétrica do
Centro Técnico Científico da Puc-rio, Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro, Rio de Janeiro, 2008.
SILVA, T. C. M. da.; JÚNIOR, V. V. (2011) – Cadeias de Markov: Conceitos e
aplicações em modelos de difusão de informação. In: REUNIÃO ANUAL DA
SBPC, 63, 2011, Goiânia. Anais eletrônicos. São Paulo: SBPC/UFSC, 2011.
UGGIONI, A. B. (2005) – “Utilização da modelagem matemática no
planejamento ambiental no litoral sul de Santa Catarina”, 60 f. Dissertação
(Mestrado) - Universidade do Extremo Sul Catarinense, Programa de PósGraduação em Ciências Ambientais, Criciúma.
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SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA PARA GERENCIAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS
DA BARRAGEM DO RIO SÃO BENTO
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