PCH PARACAMBI
MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO
Julho de 2011
LIGHTGER 001/11
Rev.
Data
Descrição da revisão
Rev.
Data
Elaborado por
Verificado por
Autorizado por
CREA
CE
01-07-11
PC
JCM
JCM
34.040-D
AP
CE - Códigos de emissão
EP Estudo preliminar
CO Para comentários
0
Elaborado por Verificado por Autorizado por CE
AP Para aprovação
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
EF Emissão final
1/36
PCH PARACAMBI
MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO
LIGHTGER 001/11
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
1.2.
1.3.
2.
METODOLOGIA
2.1.
2.2.
2.3.
3.
Objetivos
Apresentação Geral
Desvio do Rio
Modelo Hidrodinâmico
Dados Hidrológicos Disponibilizados
Construção do Modelo
RESULTADOS
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu
Resultados da Calibração
Resultados da Simulação de Desvio Fase 2 para 3
Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 03/06/2011
Resultados da Simulação de Desvio Fase 3 para 4
4.
CONCLUSÕES
5.
REFERÊNCIAS
Foto da Capa: Rio Guandu (Fonte: Vertente Engenharia Ltda., 2011a)
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
2/36
LISTA DE QUADROS:
QUADRO 1 – Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte:
Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias
Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”)
QUADRO 2 – Etapas Construtivas da PCH Paracambi
QUADRO 3 – Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo
Hidrodinâmico para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da
UHE Pereira Passos
QUADRO 4 – Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na
Modelagem
LISTA DE FIGURAS:
FIGURA 1 – Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica &
ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos
Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”)
FIGURA 2 – Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 –
“Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da
Guarda e Guandu Mirim”)
FIGURA 3 – Dados Disponibilizados: Níveis d’Água
FIGURA 4 – Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (09 a 19/01/2011)
FIGURA 5 – Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das
Contribuições Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo
Hidrodinâmico
FIGURA 6 – Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro
Existentes ao Longo do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico
FIGURA 7 – Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca:
33848m) no Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para
a Fase 2-3 (Esquerda) e a Fase 3-4 (Direita)
FIGURA 8 – Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na
Modelagem
FIGURA 9 – Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 160m³/s e
Manning de 0,045
FIGURA 10 – Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) Manning de 0,045
FIGURA 11 – Correlação entre Níveis d’Água Simulados e Observados para o Período
de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de 0,045
FIGURA 12 – Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração
em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com
Manning = 0,045
FIGURA 13 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE
Pereira Passos Constante igual a 240 m³/s
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
3/36
FIGURA 14 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE
Pereira Passos Constante igual a 160 m³/s
FIGURA 15 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE
Pereira Passos variável passando de 120m³/s para 160m³/s e Retornando a 120m³/s
após 9 horas
FIGURA 16 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA
Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3
FIGURA 17 – Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a
Montante da Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3)
Realizada no Dia 03/06/11
FIGURA 18 – Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre
Tempo de Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT)
FIGURA 19 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE
Pereira Passos Constante igual a 220 m³/s
FIGURA 20 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE
Pereira Passos Constante igual a 160 m³/s
FIGURA 21 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE
Pereira Passos Variável Passando de 160m³/s para 220 m³/s e Retornando a 160m³/s
Após 12 Horas
FIGURA 22 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA
Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 3 para 4
FIGURA 23 – Resultados da Simulação de Níveis e Vazões em Diversas Seções de
Interesse para a Operação Recomendada para a UHE Pereira Passos durante a
Operação de Fechamento da Comporta entre as Fases 3 e 4
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
4/36
1. INTRODUÇÃO
Objetivos
1.1.
Este documento tem por objetivo apresentar os resultados encontrados com os estudos de
modelagem matemática hidrodinâmica, realizados para apoiar o processo de tomada de
decisão no que se refere ao planejamento e operação das atividades de desvio do Ribeirão das
Lajes para implantação da PCH PARACAMBI, visando atendimento das condições técnicas,
ambientais e regulatórias para este tipo de operação.
As atividades ligadas ao desvio do Ribeirão das Lajes para a construção da barragem do leito
do rio da PCH Paracambi irão envolver redução temporária das vazões liberadas para jusante
da obra, mudanças que podem impactar negativamente a operação da Estação de Tratamento
de Água da CEDAE, no rio Guandu, mais a jusante.
Como a operação da UHE Pereira Passos, sob responsabilidade da LIGHT, pode contribuir para
minimizar estes impactos, controlando as vazões liberadas para jusante, foi elaborado um
modelo matemático hidrodinâmico capaz de descrever o comportamento do estirão do Ribeirão
das Lajes desde a UHE Pereira Passos até sua confluência com o rio Santana, e do rio Guandu,
desde esta confluência até à barragem de controle de níveis d’água da ETA Guandu.
O adequado planejamento e a integrada coordenação desta atividade deverão minimizar os
possíveis impactos a jusante das obras de desvio, visando restaurar, no menor tempo possível,
a vazão defluente mínima de 120 m³/s (conforme Resolução ANA-0211/2003), ao longo da
calha do Ribeirão das Lajes até a captação da CEDAE (ETA GUANDU).
No presente estudo foram investigadas diversas regras alternativas de defluência da UHE
Pereira Passos, visando atender ao objetivo de minimizar o desconforto da operação da ETA
Guandu durante as duas principais operações de desvio (transição das fases 2-3 e 3-4). Foram
ainda caracterizadas as condições prévias necessárias para início de cada operação, dadas
pelos níveis d’água alcançados a montante da barragem.
Durante a transição das fases 3-4, quando o fluxo do Ribeirão das Lajes será totalmente
seccionado, já está programada uma paralisação para manutenção da Estação de Tratamento
de Água (ETA) GUANDU, conforme entendimentos mantidos entre LIGHTGER e CEDAE. Os
resultados encontrados na modelagem matemática justificam a necessidade dessa paralisação,
para minimização de riscos, validam os tempos de paralisação e estimam a evolução das
vazões e níveis disponíveis junto à Captação da ETA, durante a realização desses trabalhos.
Para alcançar os objetivos dos estudos propostos, o trabalho realizado cumpriu com diversas
atividades, conforme listadas abaixo.
•
Análise dos Dados e da Documentação disponibilizada.
•
Construção do Modelo Hidrodinâmico de Hidráulica Fluvial para o Trecho de Interesse.
•
Calibração e Validação dos Parâmetros do Modelo.
•
Simulação de Diversas Alternativas.
•
Análise e Compilação dos Resultados.
•
Elaboração de Apresentação e Nota Técnica com os Principais Resultados Encontrados.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
5/36
A FIGURA 1 apresenta uma vista área do local da região de Captação da ETA Guandu, próxima
a confluência do rio Guandu e os seus afluentes Queimados e Ipiranga.
FIGURA 1 – Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 –
“Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e
Guandu Mirim”)
1.2.
Apresentação Geral
A PCH Paracambi localiza-se no trecho inferior do Ribeirão das Lajes, um dos formadores do
Rio Guandu, no Estado do Rio de Janeiro. Esse curso d’água tem suas nascentes no arco
orográfico formado pelas serras de São Brás, do Itaguaçú e da Mazomba, em altitudes
superiores a 1.200 m.
Em seu alto curso encontra-se localizada a Barragem de Lajes, que controla uma bacia
hidrográfica com área de 305 km². O reservatório, de proporções avantajadas em comparação
com a dimensão da bacia hidrográfica, recebe além da contribuição natural da sua bacia a
montante, vazões transpostas do Rio Piraí, através do Túnel de Tócos.
A jusante da Barragem de Lajes, o Ribeirão das Lajes recebe as águas utilizadas na geração da
Usina Nilo Peçanha, transpostas do Rio Paraíba do Sul através do sistema de bombeamento
Santa Cecília – Vigário, denominado Desvio Paraíba – Piraí.
Imediatamente a jusante da restituição de Nilo Peçanha acha-se localizada a UHE Pereira
Passos, associada ao reservatório de Ponte Coberta, que recebe a contribuição natural de uma
área de drenagem incremental de 17 km².
Finalmente, a PCH Paracambi controla uma área intermediária da ordem de 161 km² e acha-se
distante da foz no Rio Guandu cerca de 33 km.
A região a ser estudada refere-se à bacia do rio Guandu, mais especificamente o trecho desde
o canal de fuga da UHE Pereira Passos até a Captação de água da CEDAE para a Estação de
Tratamento de Água (ETA) Guandu, correspondente a uma área de drenagem incremental da
ordem de 957,5km2.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
6/36
A FIGURA 2 apresenta esquematicamente a bacia do rio Guandu compreendo alguns dos
principais afluentes e localização dos principais pontos de interesse para o presente estudo.
FIGURA 2 – Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano
Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu
Mirim”)
O regime fluvial no local de implantação da PCH Paracambi é totalmente artificial. É
condicionado, por um lado, à operação do reservatório de Ribeirão das Lajes, que regulariza as
vazões afluentes e armazena todos os hidrogramas de cheia (nunca houve vertimento na
barragem). Por outro lado, depende da operação do sistema de transposição de vazões da
bacia do Paraíba do Sul, através das estações elevatórias de Santa Cecília e Vigário, que
alimentam a UHE Nilo Peçanha e a UHE Fontes Nova. A capacidade máxima da UEL de Vigário
é de 190 m³/s.
Assim, as vazões em trânsito no local da PCH Paracambi correspondem à soma das vazões
regularizadas pelo reservatório de Ribeirão das Lajes com as vazões bombeadas pela
Elevatória de Vigário, e mais uma pequena contribuição intermediária de uma área de 178 km².
Na maior parte do tempo, as maiores vazões são provocadas pela operação da UHE Pereira
Passos em regime de ponta, com vazão turbinada máxima de 320 m³/s. O próprio vertedouro da
UHE Pereira Passos, dimensionado para uma vazão de 350 m³/s, nunca foi acionado devido à
ocorrência de uma cheia, tendo sido operado apenas em períodos de manutenção das unidades
geradoras.
O QUADRO 1 apresenta a relação dos principais afluentes dos rios Ribeirão das Lajes –
Guandu. Nota-se que a contribuição lateral média (afluentes) até o rio da Onça é de
aproximadamente 2,48m³/s, deste até a foz do rio São Pedro é igual a 10,70m³/s e deste até a
foz do rio Queimados igual a 3,89m³/s, correspondendo, respectivamente, a 15%, 63% e 23%
da vazão afluente total no trecho de interesse (UHE Pereira Passos à Captação CEDAE).
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
7/36
QUADRO 1 – Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA,
2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da
Guarda e Guandu Mirim”)
LOCAL
Distância
Rio Guandu
(km)
UHE Pereira Passos
0
-
-
Contribuição
Lateral
Acumulada
(m³/s)
-
Ribeirão da Floresta
1.2
0
0.22
0.22
12.5
Rio Cacaria
2.8
0.081
1.31
1.53
74
Rio da Onça
5.6
0.059
0.95
2.48
54.1
Córrego dos Macacos
12.2
0.054
0.87
3.35
49.7
Rio Macaco
16.2
0.083
1.34
4.69
76.3
Valão da Areia
17.8
0.032
0.52
5.21
27.4
Rio Santana
20.7
0.378
6.09
11.3
321
Rio São Pedro
25.9
0.117
1.88
13.18
99.7
Rio Poços, Queimados e Ipiranga
44.3
0.241
3.89
17.07
Foz
66.7
-
-
-
243.2
1385
1.3.
Q7,10
Vazão Média
Afluente
Afluente
(m³/s)
(m³/s)
Área de
Drenagem
(km²)
333.8
Desvio do Rio
A sequência construtiva da barragem da PCH Paracambi foi dividida em 5 fases, que dão
origem a três operações distintas de desvio, conforme descrito no QUADRO 2. Para todas as
fases de desvio, no dimensionamento das estruturas, a vazão máxima dimensionamento das
estruturas é 350m³/s, correspondente ao engolimento máximo da UHE Pereira Passos
acrescido de 10% para considerar a contribuição da bacia incremental.
QUADRO 2 – Etapas Construtivas da PCH Paracambi
FASE
Descrição
Etapa de Desvio
Cotas de Segurança
1
Construção das obras localizadas na margem direita (Casa de Força e
Vertedouro/Adufas) mantendo-se o rio pelo leito natural e protegendo-se
a obra por ensecadeira e septos naturais a montante e jusante.
Sem desvio
Ensecadeira e Septos mont. e
jus. na El. 35,20 m
2
Desvio do rio pelos dois vãos rebaixados do vertedouro para remoção dos
septos e ensecadeira, construção das ensecadeiras e da barragem do
leito do rio. Desvio por dois blocos rebaixados do vertedouro.
1ª Etapa de Desvio
Ensec. Montante El. 37,00 m
Ensec. Jusante El. 34,60 m
3
Continuação da fase anterior (construção da barragem do leito do rio).
Desvio por apenas um bloco rebaixado do vertedouro.
2ª Etapa de Desvio
Ensec. Montante El. 40,50 m
Ensec. Jusante El. 34,60 m
4
Ainda continuação da construção da barragem do leito do rio
Desvio por um vão do vertedouro, com a ogiva já concretada.
A barragem estará praticamente concluída nessa etapa.
3ª Etapa de Desvio
Coroamento mínimo da
barragem El. 48,00 m
5
Fechamento do desvio para enchimento do reservatório.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
-
8/36
2. METODOLOGIA
Para a avaliação dos efeitos no escoamento do rio devido às atividades de desvio planejadas
para a PCH Paracambi, foi utilizado o programa HEC-RAS, versão 4.1, desenvolvido para
simulação do escoamento em regimes permanente e não-permanente em rios e canais. Por
meio deste programa pôde-se calcular os perfis de linha d’água dinâmicos, para rios de
qualquer seção transversal, associados ao deslocamento, de um hidrograma de vazões de
entrada, ao longo do trecho modelado, podendo apresentar situações de escoamento subcrítico
ou supercrítico.
O processo de modelagem começa pela análise das informações disponíveis, incluindo as
seções topobatimétricas levantadas e níveis d’água e vazões observadas. O ajuste dos
parâmetros e critérios do modelo, que será realizado durante o período de calibração, pode ser
atingido com o auxílio de informações e dados de campo. Após a construção e calibração do
modelo, torna-se possível, a custos relativamente baixos, a realização de simulações capazes
de antecipar possíveis impactos decorrentes das atividades de intervenção no curso d’água,
favorecendo, assim, a tomada de decisões que possam minimizar ou mesmo evitar esses
impactos, permitindo, ainda, a redução de custos e aumento da segurança relacionados a
atividade de desvio.
2.1.
Modelo Hidrodinâmico
2.1.1. Conceitos Gerais
As leis físicas que governam o escoamento hidrodinâmico em rios e canais são baseadas nos
princípios da conservação de massa (equação da continuidade) e da conservação do
momentum. Essas leis são expressas matematicamente em forma de equações diferenciais.
Cada trecho de rio é representado, no modelo, por duas seções transversais, uma em cada
extremidade, que devem ser representativas do curso d’água no estirão. Essas seções devem
ser locadas onde ocorrerem mudanças de declividade ou área molhada, rugosidade do canal
e/ou obstáculos localizados.
A solução da equação diferencial do escoamento depende do estabelecimento de uma condição
de contorno, que pode ser o nível d’água para a seção mais de jusante, no caso de escoamento
subcrítico, ou o nível d’água da seção mais de montante, no caso de supercrítico. Os cálculos
são processados de jusante para montante, no primeiro caso, ou em sentido oposto, no
segundo. Caso não se conheça o nível de partida, o programa pode assumir a ocorrência de
escoamento crítico ou normal na seção inicial.
Conforme já apresentado, o programa admite dois tipos de perda de carga ao longo do
escoamento: perdas por atrito, distribuídas ao longo de cada trecho, e perdas localizadas,
resultantes de transições bruscas no escoamento: Perdas por atrito e Perdas por transição.
Para a determinação das perdas de carga por atrito entre as seções, é utilizada a fórmula de
Manning para o escoamento livre, na qual o coeficiente de rugosidade “n” é função de diversos
fatores, tais como vegetação, configuração do fundo e das margens do canal, etc.
A adequada determinação dos coeficientes de Manning envolvidos nos diferentes trechos de rio
representa um dos principais fatores para a obtenção de um modelo que bem caracterize os
fenômenos hidráulicos envolvidos. Este coeficiente deve ser obtido por calibração, tendo em
vista níveis d’água observados. Uma boa calibração é essencial para a consistência dos perfis
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
9/36
de linha d’água a serem simulados nas condições futuras, para as quais não se dispõe de
mecanismo direto de aferição.
As perdas de carga localizadas ocorrem devido, em geral, à variação, mais ou menos brusca,
das condições geométricas entre duas seções consecutivas (com alterações entre áreas das
seções e, consequentemente, velocidades), que caracterizam uma contração ou expansão do
escoamento.
Maiores detalhes sobre a metodologia e os conceitos teóricos utilizados na construção do
modelo hidrodinâmico, aqui utilizado, podem ser encontradas nos manuais do Usuário e de
Referência do próprio modelo HEC-RAS 4.1.
2.1.2. Calibração
A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar coeficientes e parâmetros do modelo
hidrodinâmico de modo que as vazões e os níveis d’água simulados se ajustassem, o mais
próximo possível, aos valores observados, considerando a simulação em regime de escoamento
permanente e não-permanente.
Uma das principais dificuldades em estudos desta natureza refere-se ao número reduzido de
seções transversais normalmente levantadas, seja por razões econômicas, seja por não se ter,
no momento da programação da campanha de campo, todo o conhecimento do estirão fluvial a
ser simulado. No modelo, esta limitação pode ser superada pela interpolação entre seções
existentes, ou mesmo pela introdução de seções auxiliares que possam representar, mesmo
que de maneira aproximada, as condições de controle hidráulica existentes no trecho.
Outro fator importante no ajuste (calibração) adequado do modelo hidrodinâmico refere-se a
determinação dos coeficientes de Manning. Na modelagem hidrodinâmica, espera-se que o
aumento nos valores do coeficiente de Manning tenha os seguintes impactos no comportamento
hidráulico do sistema:
•
Aumento de níveis d’água.
•
Atenuação no pico dos hidrogramas.
•
Aumento no tempo de viagem.
•
Aumento do efeito de laço nas curvas-chave.
Resumidamente, alguns dos fatores que podem influenciar na precisão e ajuste do modelo são
listados a seguir.
•
Possíveis problemas com dados observados, decorrente da imprecisão nas medições de
níveis d’água e vazões, características do comportamento cota-vazão nas seções de
medição resultando em curvas-chave com “Laço”, ou mesmo influências dos níveis
d’água decorrente do efeito de remanso de seções a jusante.
•
Grande variabilidade dos coeficientes de Manning, podendo variar, normalmente, entre
0,025 a 0,055.
•
Baixa representatividade das seções levantadas, tornando-se necessário a introdução de
seções auxiliares para melhorar a representação dos controles hidráulicos e trechos
modelados.
•
Pouco conhecimento das contribuições laterais (Afluentes), para as quais, muitas vezes,
não se disponibiliza de dados observados.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
10/36
•
Dificuldade de representação do armazenamento lateral em várzeas e planícies de
inundação, as quais contribuem com a atenuação e o retardamento do hidrograma.
Dados Hidrológicos Disponibilizados
2.2.
No momento de levantamento das seções topobatimétricas foi realizada, também, a medição de
níveis d’água nas respectivas seções. O levantamento das novas seções realizado para o
presente estudo foi executado pela Vertente Engenharia Ltda e PCH Paracambi, entre os dias
10 a 19/01/2011, compreendendo o trecho entre a Captação da CEDAE e o eixo da PCH
Paracambi. O levantamento topobatimétricos entre a PCH e a UHE Pereira Passos, por sua
vez, aconteceu entre os dias 31/08 a 13/09/2010, realizado por sua vez para subsidiar os
estudos de remanso da usina. A FIGURA 3 apresenta, graficamente, os níveis d’água
levantados para cada um desses períodos de dados.
50
Nível d'Água Observado
45
40
Nível d'Água (m)
35
30
25
20
Trecho entre a Captação
(S-26) e PCH Paracambi :
10 a 19/1/2011
15
10
Trecho entre PCH
Paracambi e UHE P. Passos:
31/8 a 13/9/2010
5
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Distância à Captação ETA Guandu (m)
FIGURA 3 – Dados Disponibilizados: Níveis d’Água
Foram, ainda, disponibilizados informações de vazões do ribeirão das Lajes e rio Guandu, para
período coincidente do levantamento das novas seções, estas informações incluem:
•
Defluências da UHE Pereira Passos e precipitação observada, com frequência de 15-15
minutos, entre os dias 09 a 19/01/2011, disponibilizadas pela LIGHT.
•
Vazões Observadas no Posto BR 116 e níveis d’água na Captação da ETA Guandu,
com frequência horária, entre os dias 01/01 a 28/02/2011, disponibilizados pela CEDAE.
A FIGURA 4 ilustra, graficamente, as séries de dados disponibilizados de precipitação e vazões,
em intervalos de 15 minutos, e a série de vazões observadas na estação BR-116, em
frequência horária, para período comum de dados,.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
11/36
0
300
25
250
50
200
75
150
100
100
Chuva (mm)
Vazão (m³/s)
350
125
Vazão Observada no Posto BR116 (horária)
50
Vazão Defluente UHE Pereira Passos (15-15min)
150
Precipitação Acumulada (24h)
0
175
Tempo
FIGURA 4 – Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (09 a 19/01/2011)
Com base nas defluências observadas na UHE Pereira Passos, fez-se um exercício simplificado
para verificação da propagação dessas vazões até o local de instalação da estação
fluviométrica BR-116 (correspondente à seção S-19 no modelo), podendo-se, assim, realizar
uma estimativa inicial das características do escoamento hidrodinâmico no trecho estudado,
sobretudo, no que diz respeito ao tempo de viagem e contribuições dos afluentes no trecho.
Esta estimativa inicial foi realizada por tentativa e erro, tendo sido identificado como o melhor
ajuste a média móvel central de 7 horas das vazões defluentes da UHE Pereira Passos,
defasada de 8 (oito) horas e somadas a uma estimativa de contribuição lateral constante, igual
a 16m³/s, proveniente dos afluentes no trecho. O resultado desse exercício é apresentado na
FIGURA 5, onde se observa o bom ajuste entre as vazões observadas na estação fluviométrica
e as vazões defasadas, para período comum de dados.
Nota-se que a grande diferença, entre os valores observados e médios, constatada no dia 12/1,
deve-se, provavelmente, ao aumento de contribuição lateral proveniente dos afluentes,
decorrente da chuva observada no dia anterior (11/01). Lembrando que para esta análise foi
considerada uma contribuição lateral total, constante, igual a 16m³/s, concentrada em dois
diferentes pontos, próximos às confluências do ribeirão das Lajes com os rios da Onça e São
Pedro, com vazões de 3 e 13m³/s, respectivamente.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
12/36
300
0
25
250
50
75
150
100
Chuva (mm)
Vazão (m³/s)
200
100
125
Vazão Observada no Posto BR116
50
Média Móvel da Defluência a UHE P.Passos Defasada até o Posto BR116
150
Precipitação Acumulada (24h)
0
175
Tempo
FIGURA 5 – Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das Contribuições
Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo Hidrodinâmico
2.3.
Construção do Modelo
2.3.1. Topologia do Modelo
Para construção da topologia básica do sistema foi disponibilizado um conjunto de 44 seções
topobatimétricas, incluindo 18 seções oriundas do levantamento realizado na ocasião do Projeto
Básico da PCH Paracambi, utilizadas nos estudos de remanso, e mais 26 seções levantadas
recentemente (janeiro/2011) visando a realização do presente estudo.
Para o estabelecimento do modelo, as seções disponíveis foram tabuladas em pares
coordenados distância-cota, sendo cada identificada pelo estaqueamento segundo sua
distância, em metros, começando na Captação da CEDAE até próximo o canal de fuga da UHE
Pereira Passos.
A localização das seções levantadas em campo, bem como das principais estruturas
implementadas no modelo ao longo do trecho modelado, como pontes e estruturas de desvio
(vertedouro), é apresentada esquematicamente na FIGURA 6.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
13/36
Ponte Ferroviária (S-8)
Ponte RJ125 (S-5)
36
40
34
38
32
30
Elevation (m)
El evati on (m)
36
34
32
28
26
24
22
30
20
28
18
26
0
20
40
60
80
100
0
50
100
150
Station (m)
120
Station (m)
PCH Paracambi
UHE
Pereira
Passos
Ponte RJ127 (S-9)
RS=22541 Downstream (Bridge)
35
Elevation (m)
30
Ponte BR116 (SB-2)
25
20
RS=38375 Dow nstream (Bridge)
60
15
0
20
40
60
80
100
120
140
Station (m)
Elevation (m)
55
50
Ponte BR116 (S-19)
45
24
40
22
35
-100
-50
0
50
100
20
150
Station (m)
E levation (m)
18
16
14
12
10
8
6
4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Station (m)
Captação Guandu
FIGURA 6 – Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro Existentes ao Longo
do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico
Durante os trabalhos de calibração do modelo, conforme detalhado mais adiante, verificou-se, a
necessidade de introdução de seções auxiliares (fictícias), derivadas das seções disponíveis,
visando atingir uma melhor representatividade do escoamento no trecho modelado, sobretudo
nos pontos de controle hidráulico ou ao longo dos estirões de rio que não tivessem bem
representados pelas seções adjacentes disponíveis. Devido às características de entrada de
dados no modelo, foi necessária, ainda, a duplicação de seções transversais para introdução no
modelo das estruturas como pontes e barragem (vertedouro). Finalmente, para estirões com
características similares ao longo do trecho, porém apresentando poucas seções no mesmo,
optou-se pela interpolação automática das seções levantadas, a partir de ferramenta existente
no programa HEC-RAS, visando favorecer a estabilidade numérica.
A seguir, são resumidas algumas das características da topologia do modelo construído:
•
44 Seções levantadas em campo, sendo 18 seções entre UHE Pereira Passos e PCH
Paracambi (Estudos de Remanso) e 26 seções entre PCH Paracambi e Captação ETA
(Presente Estudo).
•
7 seções Auxiliares de Controle Hidráulico.
•
5 Trechos de Travessia com Ponte
•
1 Estrutura de Desvio (Vertedouro), com duas alternativas de comportas com controle de
fechamento, incluindo uma com 2 Vãos Rebaixados ou outra com 1 Vão Rebaixado e 1
Vão Com Ogiva.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
14/36
O QUADRO 3 ilustra a topologia do modelo, apresentando o nome das seções, seu
estaqueamento, distância até a Captação da CEDAE, cota de fundo mínima (talvegue), níveis
d’água observados no momento do levantamento da seção e alguma descrição/observação
pertinente sobre a seção.
QUADRO 3 – Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo Hidrodinâmico
para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da UHE Pereira Passos
Seção
S-26
S-25
S-24
S-23
S-22
S-21
S-20
Cópia S-19 Jus 3
Cópia S-19 Jus 2
PONTE
Cópia S-19 Jus 1
S-19
Cópia S-19 Mont 1
PONTE
Cópia S-19 Mont 2
Cópia S-19 Mont 3
S-18
S-17
Cópia Modif. S-16 Jus
S-16
Cópia Modif. S-15 Jus
S-15
Cópia Modif. S-14 Jus
S-14
Cópia Modif. S-13 Jus
S-13
S-12
S-11
S-10
Cópia S-9 Jus
S-9
PONTE
Cópia S-9 Mont 1
Cópia S-9 Mont 2
Cópia Modif. S-8
Cópia S-8 Jus
S-8
PONTE
Cópia S-8 Mont 1
Cópia S-8 Mont 2
Cópia Modif. S-7 Jus
S-7
Cópia Modif. S-6 Jus
S-6
Cópia S-5 Jus
S-5
PONTE
Cópia S-5 Mont
Cópia S-5 Mont Mont
Dist. à
Captação
CEDAE
0
1887
2537
3761
4818
6567
7926
9067
9077
9092
9107
9117
9127
9142
9157
9167
10453
12271
12558
12910
13463
13710
14592
14740
16150
16256
18127
19421
20582
22516
22526
22541
22556
22566
22832
24411
24421
24436
24451
24461
25441
25515
26755
26881
28590
28600
28615
28630
28640
Cota Mín.
de Fundo
(m)
3.60
-0.49
-3.89
0.20
4.12
3.01
8.36
5.96
5.96
5.96
5.96
5.96
5.96
5.96
6.37
8.59
11.62
9.75
13.06
11.73
14.97
13.46
16.24
15.74
15.34
16.00
16.20
15.97
15.97
15.97
15.97
18.53
18.53
18.53
18.53
18.53
22.15
20.39
28.10
28.10
26.72
26.72
N.A. Obs. Data e Hora do
(m)
Levantamento
11.299
11.338
11.365
11.380
11.487
11.488
11.789
19/1/11 11:55
19/1/11 12:57
19/1/11 13:45
19/1/11 14:35
19/1/11 15:44
19/1/11 16:20
19/1/11 16:45
Descrição
Montante Captação CEDAE
Jusante da Ponte BR116
Ponte BR116 (Jusante)
12.226
17/1/11 14:25
Entre Pontes da BR116
Ponte BR116 (Montante)
Montante da Ponte BR116
13.013
13.007
17/1/11 16:30
17/1/11 11:35
14.551
17/1/11 10:30
16.360
17/1/11 9:40
17.720
17/1/11 8:50
20.551
21.140
21.255
21.650
14/1/11 14:35
14/1/11 15:25
14/1/11 16:10
13/1/11 16:20
21.868
13/1/11 14:25
Auxiliar Cachoeira
Auxiliar Cachoeira
Auxiliar Cachoeira
Auxiliar Cachoeira
23.327
13/1/11 12:02
24.464
13/1/11 9:40
31.302
12/1/11 9:45
31.527
12/1/11 8:25
26.72
26.72
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
Jusante da Foz São Pedro
Jus. da Ponte RJ127
Ponte RJ127
Mont. da Ponte RJ127
Aux. Cach. e Jus. da Foz Santana
Auxiliar Ponte
Jusante da Ponte Ferroviária
Ponte Ferroviária
Montante da Ponte Ferroviária
Auxiliar Ponte
Auxiliar Cachoeira
Auxiliar Cachoeira
Mont. Cachoeira e Jus. Foz Macacos
Jusante da Ponte RJ125
Ponte RJ125
Montante da Ponte RJ125
15/36
Seção
S-4
S-3
S-2
S-1
Cópia S-1 Mont 1
VERTEDOURO
Cópia S-1 Mont 2
Cópia S-1 Mont 3
S-Q4
S-Q5
S-Q6
S-Q7
S-Q8
S-Q10
Cópia S-Q10 Mont
S-Q11
Cópia S-B2 Jus
S-B2
PONTE
Cópia S-B2 Mont 1
Cópia S-B2 Mont 2
S-M3 antiga
S-M3
S-Q13
S-M4
S-Q14
S-M5
S-M6
S-M7
S-M7 (Copia)
Dist. à
Captação
CEDAE
30199
31828
32979
33768
33808
33848
33888
33928
34535
34846
35272
36184
36500
37783
37811
38112
38330
38340
38375
38410
38420
38684
39137
39584
39959
40392
41000
41567
42508
43508
Cota Mín.
de Fundo
(m)
27.76
28.05
29.26
29.66
29.00
N.A. Obs. Data e Hora do
(m)
Levantamento
31.487
31.665
32.551
33.391
Descrição
11/1/11 14:05
11/1/11 12:20
10/1/11 14:30
10/1/11 15:30
Eixo PCH Paracambi
29.00
29.66
30.42
31.54
32.31
33.72
33.62
36.62
37.72
37.81
37.86
37.86
37.86
37.86
39.56
39.56
39.13
42.59
41.32
41.66
42.81
43.28
43.28
33.480
33.945
34.613
36.300
36.541
39.518
10/9/10 0:00
10/9/10 0:00
13/9/10 0:00
13/9/10 0:00
13/9/10 0:00
31/8/10 0:00
40.864
1/9/10 0:00
42.820
1/9/10 0:00
43.402
45.201
45.340
45.103
45.220
45.475
46.030
46.030
29/9/99 0:00
3/9/10 0:00
13/9/10 0:00
3/9/10 0:00
3/9/10 0:00
3/9/10 0:00
1/9/10 0:00
13/9/10 0:00
13/9/10 0:00
Jusante da Ponte BR116
Ponte BR116
Montante da Ponte BR116
Jusante UHE Pereira Passos
2.3.2. Modelagem das Estruturas de Desvio
A estrutura de desvio de rio, neste caso o próprio vertedouro com vãos rebaixados, em um
primeiro momento, e, posteriormente, já com uma das suas ogivas construída, também, foram
implementadas no modelo, através da utilização de componente existente especificamente para
este fim. Observa-se, ainda, que essas estruturas são dotadas de comportas, as quais podem
ser virtualmente operadas durante as simulações, aumentando, assim, o realismo da atividade
de desvio e, consequentemente, a representatividade do modelo na transição entre as
diferentes fases de desvio do rio.
A FIGURA 7 apresenta, esquematicamente, as duas condições de desvio a serem simuladas
para a transição entre as diferentes fases de desvio. A primeira ilustração representa a condição
da estrutura de desvio para o início da transição entre as Fases 2 e 3, quando um dos dois vãos
rebaixados deverá ser fechado. A segunda ilustração mostra a condição das estruturas para o
início da transição entre as Fases 3 e 4, onde se prevê o fechamento do vão rebaixado,
transferindo o desvio do rio para o vão já com a ogiva do vertedouro finalizada.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
16/36
Paracambi
Plan: Fase 2 para 3 R00 Armazena
.045
50
29/03/2011
Paracambi
.045
.045
Plan: Fase 3 para 4 R00 Armazena
.045
50
Le gend
29/03/2011
.045
.045
Le gend
Ground
Ground
Ineff
40
35
30
25
Ineff
45
Bank Sta
Elevation (m)
Elevation (m)
45
Bank Sta
40
35
30
0
50
100
150
200
25
0
50
Station (m)
100
150
200
Station (m)
FIGURA 7 – Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca: 33848m) no
Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para a Fase 2-3 (Esquerda) e
a Fase 3-4 (Direita)
2.3.3. Modelagem das Áreas de Armazenamento Lateral
Quando a vazão no rio aumenta ocorrendo um transbordamento de suas margens, com
inundação de suas planícies de inundações, o escoamento ocorre lateralmente enchendo essas
regiões de “armazenamento”. Com o aumento do nível nessas áreas de inundação, pode
ocorrer escoamento na direção de jusante, com distâncias e velocidades diferentes das
observadas no canal principal. Com a diminuição dos níveis d’água no canal principal, a água
acumulada nessas áreas de armazenamento tende a escoar das margens de volta ao canal
principal, voltando a complementar o escoamento do próprio rio.
No modelo HEC-RAS, esse escoamento transversal de inundação das margens pode ser
representado por áreas de armazenamento lateral, as quais trocam água com o escoamento
pelo canal principal.
O aumento no armazenamento lateral, em geral, resultará nos seguintes impactos no
escoamento no canal principal:
• Atenuação no pico dos hidrogramas.
• Aumento no tempo de viagem.
• Aumento no tramo final do hidrograma.
• Diminuição dos níveis d’água, porém pode ocorrer aumento dos mesmos, caso esteja-se
trocando área de escoamento por área de armazenamento.
O QUADRO 4 apresenta as principais características das áreas identificadas de
armazenamento lateral e incorporadas na modelagem do trecho estudado. Primeiramente,
essas áreas foram identificadas e suas áreas foram aferidas a partir das imagens
disponibilizadas no software GoogleEarth. Em seguida, essas áreas foram implementadas no
modelo HEC-RAS. Através do processo iterativo de calibração, foram identificas fatores de
majoração dessas áreas capazes de melhor ajustar os resultados dos modelos as condições
observadas, chegando aos valores finais apresentados, a seguir, como área de
armazenamento.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
17/36
QUADRO 4 – Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem
ID
Estaqueamento
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
A2
A3
A4
A5A
A5B
A6
A7
A8
A9
32900
30100
26800
25000
22500
20400
19300
18100
13600
10400
29 500
60 600
18 800
24 300
100 500
26 600
36 400
86 100
30 400
63 400
30
61
19
24
101
27
36
86
30
63
59
121
38
49
201
53
73
172
61
127
30.92
30.90
30.40
21.50
20.00
20.00
19.80
19.80
13.00
10.00
30.92
30.90
30.40
21.50
20.00
20.00
19.80
19.80
13.00
10.00
500
600
200
350
630
580
300
800
100
50
A FIGURA 8 apresenta a localização das regiões identificadas e utilizadas como áreas de
armazenamento lateral na presente modelagem. Estas regiões foram identificadas a partir da
análise de imagens de satélite, com ajuda do software GoogleEarth, nas quais foram
observados claramente regiões de acumulo de água, seja nas próprias margens do rio, seja por
conexões mais estreitas com o mesmo.
A3
A4
A1
A2
A5A
A6
A5B
A7
A8
A9
FIGURA 8 – Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
18/36
2.3.4. Contribuição Lateral de Afluentes
Como apresentado no item anterior, a partir de uma análise preliminar dos dados de vazões
observadas na estação fluviométrica BR-116 e das defluências observadas na UHE Pereira
Passos, foi possível a estimativa da contribuição total devido aos afluentes no trecho modelado,
para o período de calibração do modelo, em torno de 16m³/s.
Para a fase de simulações, com base nos valores médios apresentados no capítulo anterior,
considerado ainda o período do ano esperado para execução das atividades de desvio e,
sobretudo, visando uma posição mais conservadora, foi a adotado o valor de 6m³/s como
correspondente às contribuições laterais de todos os afluentes existentes ao longo do trecho
modelado. Nota-se que este valor de 6m³/s é menor que a metade da afluência média de
17,07m³/s (QUADRO 1), até o local da Captação da CEDAE.
Esta contribuição lateral foi considerada no modelo de forma concentrada, afluindo próximo ao
local da confluência com o rio São Pedro.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
19/36
3. RESULTADOS
Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu
3.1.
No presente estudo, foram analisadas algumas atividades operacionais relativas às etapas de
desvio de rio previstas para a PCH Paracambi, visando antecipar e minimizar possíveis
impactos e, ao mesmo tempo, apoiar a tomada de decisões mais eficientes. Assim, as situações
analisadas compreenderam o período de transição entre diferentes fases de desvio, quando
deverá ocorrer o fechamento de um dos vãos do vertedouro. As etapas simuladas incluiu a
transição entre as Fases 2 para 3 e Fases 3 para 4, visto que estes são momentos de maior
relevância e que geram maior preocupação para os operadores e usuários do sistema em
questão. Resumidamente, as etapas de desvios estudadas compreenderam as seguintes
atividades:
•
Transição entre as Fases 2 e 3: Fechamento de um dos dois vãos rebaixados, utilizados
para desvio de rio.
•
Transição entre as Fases 3 e 4: Fechamento do vão rebaixado e desvio de rio pelo vão
já com a ogiva construída.
A instabilidade numérica é um problema comum para modelos hidrodinâmicos de qualquer
tamanho ou complexidade. Muitos são os fatores que podem influenciar a estabilidade e a
precisão numérica. Visando minimizar os problemas decorrentes de instabilidade, porém, ao
mesmo tempo, sem perder a precisão da solução numérica, foram avaliadas diversas
configurações de parâmetros para o modelo desenvolvido para o rio Guandu. Estas avaliações
foram realizadas tanto através da aplicação de fórmulas existentes para este fim, como, por
exemplo, equação de Freads e número de Courant, ou mesmos por tentativa-e-erro na
determinação de parâmetros do modelo e de critérios de cálculo.
Alguns dos parâmetros e critérios de cálculo que resultaram nas melhores soluções numéricas
para as simulações realizadas, para o presente caso do rio Guandu, são listados a seguir:
3.2.
•
Intervalo de tempo de Cálculo: 5 minutos (Intervalo de tempo dos Dados: 15 minutos ou
1 hora).
•
Possibilidade de repartição do intervalo de Tempo (Time Slice).
•
Aquecimento do Modelo (Warm-up)
•
Interpolação entre seções a cada 1000 metros.
Resultados da Calibração
A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar os coeficientes de Manning dos diversos
trechos do estirão fluvial, de modo que os níveis d’água simulados se ajustassem, o mais
próximo possível, aos níveis observados, em regime de escoamento permanente. Outro
parâmetro ajustado durante o processo de calibração consistiu dos volumes de armazenamento
lateral ajustados proporcionalmente aos volumes inicialmente identificados através das imagens
de satélite.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
20/36
Assim, o processo de calibração visou o ajuste dos níveis simulados aos observados a partir da
simulação do modelo em regime de escoamento não-permanente, tendo sido necessário para
tanto a apropriação dos horários correspondentes ao levantamento dos níveis observados.
Finalmente, buscou-se ajustar o modelo para representar, também, as vazões observadas na
estação fluviométrica BR-116, considerando para tanto as mesmas condições de contorno do
período analisado, incluindo as mesmas defluências de montante observada na UHE Pereira
Passos para período comum de dados.
3.2.1. Calibração em Regime Permanente
Primeiramente, foram realizadas simulações com o módulo do modelo para escoamento
permanente, considerando como balizador os níveis d’água observados durante o período de
levantamento das seções transversais. Vale lembrar que esses níveis d’água foram levantados
em momentos diferentes, para condições de escoamento bastante diferenciadas, podendo a
vazão em trânsito nessas seções ter variado entre 120 a 360m³/s. De qualquer forma, buscouse uma primeira estimativa dos coeficientes de Manning, tendo esta avaliação inicial indicado
valores de Manning na faixa de 0,035 a 0,050. Esta primeira etapa possibilitou, sobretudo, uma
verificação da geometria do trecho modelado e ajuste de seções auxiliares.
A FIGURA 9 apresenta um perfil de linha d’água simulado na etapa de calibração, em regime
permanente, para uma vazão de 160m³/s, e os níveis d’água observados durante diferentes
momentos.
50
NA Observado
45
NA Simulado (n = 0,045)
40
Cota de Fundo (m)
Nível d'Água (m)
35
Q = 160m³/s
30
25
20
15
Trecho entre a Captação (S-26)
e PCH Paracambi (S-01) :
10 a 19/1/2011
10
Trecho entre PCH
Paracambi e UHE P. Passos:
31/8 a 13/9/2010
5
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Distância à Captação ETA Guandu (m)
FIGURA 9 – Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 160m³/s e Coeficiente de
Manning de 0,045
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
21/36
3.2.2. Calibração Regime Não Permanente
Após a estimativa inicial dos coeficientes de Manning a partir da calibração com regime
permanente, foram realizadas simulações em regime não-permanente, ou seja, em condições
hidrodinâmicas, utilizando como dados de entrada valores observados em campo, visando o
melhor ajuste do modelo, não só dos coeficiente de rugosidade, como também outros
parâmetros e critérios da modelagem.
Nesta etapa da calibração, foi considerado como hidrograma de entrada ao sistema o mesmo
apresentado no gráfico da FIGURA 4 (defluência a UHE Pereira Passos, entre os dias 9 e
19/01/2011). A condição de contorno de jusante foi definida como nível d’água constante, igual
ao valor observado na respectiva seção, visto que nesta região, próxima a captação da CEDAE,
existe uma estrutura de controle de níveis, a qual, ao longo do tempo, proporciona baixa
variabilidade dos mesmos.
A FIGURA 10 apresenta o perfil longitudinal entre a Captação da CEDAE e a PCH Paracambi
para o qual existem dados hidrológicos observados em frequência adequada a este tipo de
análise, tendo sido plotados os níveis simulados e observados para o mesmo instante de tempo,
premissa imprescindível na calibração e validação de modelos hidrodinâmicos.
40
Observado
Simulado (n = 0,045)
Cota de Fundo (m)
35
Nível d'Água (m)
30
Vazão Variada
n = 0,045
25
20
15
10
Trecho entre a Captação (S-26)
e PCH Paracambi (S-01) :
10 a 19/1/2011
5
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Distância à Captação ETA Guandu (m)
FIGURA 10 – Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) - Manning de 0,045
A FIGURA 11 apresenta uma correlação entre esses mesmos níveis d’água, demostrando a
adequação do modelo construído.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
22/36
35
Níveis d'Água Observados no
trecho entre as seções S-26
(Captação) e S-1 (33.768km) período de 10 a 19/1/2011
30
y = 1.0065x
R² = 0.9983
N.A. Simulado (m)
25
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
N.A. Observado (m)
FIGURA 11 – Correlação entre Níveis d’Água Simulados e Observados para o Período de Calibração
em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de 0,045
A FIGURA 12 apresenta o hidrograma de vazões simuladas contrastadas com o das vazões
observadas no local onde se encontra instalada a estação fluviométrica BR-116, para a qual
foram disponibilizados, pela CEDAE, os dados horários para o período de interesse (09 a
19/01/2011). Esta atividade priorizou, sobretudo, a representação adequada pelo modelo dos
tempos de viagens, mais do que da amplitude de picos.
Os resultados desta simulação, utilizando coeficientes de Manning igual a 0,045, foram os que
apresentaram melhor adequação as condições observadas, tanto para amplitude como em
relação ao ajuste dos tempos de viagem dos picos. Para tanto foram estimadas, ainda, os locais
e valores das áreas (volumes) de armazenamento lateral, além de outros parâmetros do
modelo, como, por exemplo, espaçamento entre seções, intervalos de cálculo e coeficientes de
estabilidade do modelo.
Ainda nesta figura, para efeitos comparativos, é apresentado o hidrograma resultante da
simulação sem considerar os armazenamentos laterais, que ficou defasado em relação ao
observado, indicando a necessidade dos armazenamentos para uma adequada representação
do comportamento hidráulico do trecho estudado.
E a chuva observada durante o período de simulação, representada no eixo secundário do
gráfico, permite explicar algumas discrepâncias entre os níveis simulados e observados,
causadas certamente pelas vazões afluentes lateralmente, resultantes dessas precipitações
(vide o ocorrido em 12/11).
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
23/36
0
10
250
20
Chuva (mm)
300
Vazão (m³/s)
30
200
40
50
150
60
70
Observação (BR116)
100
Simulação Sem Armazenamento (BR116)
Simulação Com Armazenamento (BR116)
80
90
Precipitação Acumulada em 24h (mm)
50
100
Tempo (15 minutos)
FIGURA 12 – Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração em Regime
Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com Manning = 0,045
3.3.
Resultados da Simulação de Desvio Fase 2 para 3
Na transição entre as Fases 2 e 3, o primeiro vão rebaixado é fechado, para que seja feita a
concretagem da ogiva, desviando-se as águas do Ribeirão das Lajes pelo segundo vão apenas
(também rebaixado). No momento do fechamento do primeiro vão, a vazão defluente, que era
igual à afluente, cai pela metade (mesmo nível d’água a montante, porém apenas um vão
rebaixado, em vez de dois). A diferença de vazão (afluente – defluente) promove um
enchimento parcial do reservatório, sendo paulatinamente diminuída, até que o nível d’água a
montante do vertedouro alcance a elevação necessária para que a vazão defluente seja
novamente igual à vazão afluente.
Assim, vale lembrar que para se obter condições iniciais mais favoráveis para realização do
desvio, maior deverá ser a defluência da UHE Pereira Passos, o que, em contra partida,
resultaria em maior perda de água armazenada e, assim, diminuição dos benefícios oriundos da
geração hidrelétrica do sistema de jusante.
Foram ensaiadas 3 (três) situações operativas de defluência a usina de Pereira Passos e, por
sua vez, igual a vazão de entrada no sistema modelado. A primeira simulação representa uma
condição operativa pouco factível do ponto de vista operacional de Pereira Passos, porém com
a qual não se espera nenhum impacto para a operação da ETA Guandu na região de captação.
A segunda situação operativa visa avaliar um turbinamento de Pereira Passos que pudesse ser
mantido por um período de tempo mais longo, mantendo-se o mínimo impacto nas vazões na
região de Captação da ETA. Finalmente, o terceiro cenário simulado, representa um hidrograma
de defluência variado, iniciando na vazão 120m³/s, passando para 160m³/s e retornando aos
120m³/s após 9 horas.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
24/36
Em todas as simulações realizadas, observou-se que, depois da súbita redução de vazões a
jusante da estrutura de desvio, devido ao fechamento de um dos vãos, a vazão a jusante fica
inteiramente normalizada em menos de 6 horas. Enquanto isso, o nível d’água a montante da
barragem da PCH Paracambi não se eleva mais do que 2,56m, atingindo a cota máxima de
35,50 m.
Nota-se, ainda, que a onda “negativa”, gerada pela queda de vazão a jusante da estrutura de
desvio da PCH Paracambi, se propaga pelo ribeirão das Lajes e rio Guandu, se recuperando
rapidamente, conforme pode ser verificado no hidrograma simulada no local da captação da
ETA Guandu. Verificou-se que para os 3 cenários operativos considerados não foi observada
vazão inferior à mínima necessária para operação adequada do sistema de Captação, que é
122m³/s.
A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas
variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do
vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH
Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de
Captação da ETA Guandu.
250
40
200
35
150
30
100
50
25
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
0
Nível d'Água (m)
Vazão (m³/s)
A FIGURA 13 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas influenciadas pela
atividade de desvio do rio para a PCH Paracambi, para o primeiro cenário operativo com
defluência a UHE Pereira Passos constante igual a 240m³/s. Esta simulação demostra que o
efeito do fechamento de um dos vãos rebaixados praticamente não deverá ser percebido no
local de captação da ETA Guandu. Nessa Figura e nas seguintes, as linhas cheias referem-se a
vazões enquanto que as linhas tracejadas correspondem aos níveis d’água.
20
15
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 13 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos
Constante igual a 240 m³/s
A FIGURA 14 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para o segundo cenário
operativo simulado, considerando uma defluência a Pereira Passos constante e igual a 160m³/s.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
25/36
250
40
200
35
150
30
100
50
25
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
33848 - Vão com Ogiva
33768 - Jus. PCH Paracambi (S-1)
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
0 - Captação CEDAE (S-0)
33928 - N.A. Mont. Barragem
0
Nível d'Água (m)
Vazão (m³/s)
Esta situação ainda indica condições hidrológicas bastante positivas do ponto de vista
operacional das vazões na região de Captação da ETA Guandu.
20
15
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 14 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos
Constante igual a 160 m³/s
Na FIGURA 15 é apresentada a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para a terceira
condição operacional de defluência a Pereira Passos variável, considerando um hidrograma
iniciando com vazão de 120 m³/s, subindo para 160m³/s e retornando ao patamar de 120m³/s,
após 9 horas. Esta operação visa minimizar a utilização dos volumes armazenados em Ponte
Coberta, sem comprometer a operacionalidade da Captação da ETA Guandu, visto que a vazão
em trânsito neste último local poderá ser mantida sempre acima do patamar mínimo de
122m³/s.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
26/36
40
200
35
150
30
100
50
25
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
33848 - Vão com Ogiva
33768 - Jus. PCH Paracambi
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
0 - Captação CEDAE (S-0)
33928 - N.A. Mont. Barragem
0
Nível d'Água (m)
Vazão (m³/s)
250
20
15
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 15 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos
variável passando de 120m³/s para 160m³/s e Retornando a 120m³/s após 9 horas
Finalmente, a FIGURA 16 apresenta uma comparação dos hidrogramas simulados na seção
próxima à Captação da ETA Guandu, resultante das três condições operacionais simuladas
para a transição entre as Fases 2 e 3 de desvio.
300
250
Vazão (m³/s)
200
150
100
Captação CEDAE (Q afluente = variada = 120-160-120m³/s)
50
Captação CEDAE (Qafluente = constante = 160m³/s)
Captação CEDAE (Q afluente = constante = 240m³/s)
0
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 16 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu
Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
27/36
3.4.
Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 03/06/2011
A partir dos resultados encontrados com as correspondentes simulações foi possível elaborar
um plano operativo de defluência da UHE Pereira Passos, visando evitar vazões menores que
122m³/s na região de captação da ETA Guandu, durante a transição entre as Fases 2 e 3 de
desvio do rio.
No dia 03/06/2011, foi realizado de fato o fechamento de um dos vãos rebaixados
concretizando, assim, mais essa fase de desvio do rio.
Visando uma validação do modelo hidrodinâmico já calibrado para o trecho, foram coletados e
analisados o conjunto de dados referente a este período.
A FIGURA 17 apresenta uma comparação das vazões observadas e simuladas para o local de
instalação da estação fluviométrica junto à estação da BR116, localizada a montante da região
de Captação da ETA. Nota-se que a onda negativa observada, resultante do fechamento de uns
dos vãos, chega à seção da BR116 com tempo de viagem e amplitude compatível com os
valores simulados.
Estes resultados ratificam os resultados encontrados com o modelo hidrodinâmico construído e
calibrado para o trecho estudado, aumentando a sua confiabilidade e permitindo, assim, seu uso
para a avaliação e determinação de cenários operativos mais adequados para a transição entre
as Fases 3 e 4, tanto do que diz respeito a otimização dos recursos hídricos e energéticos,
quando para minimização dos impactos nas vazões na região de captação da ETA Guandu.
33.0
180
170
32.9
140
130
120
Qobs BR116 (CEDAE)
110
Qcalc BR116 (HecRas)
N.A. a Jusante do Eixo da Usina
Desvio Fase 3 (dia 3 às 16:40)
Vazão (m³/s)
32.9
150
100
32.8
32.8
Leitura de Régua (m)
160
32.7
32.7
Tempo (15 Minutos)
FIGURA 17 – Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a Montante da
Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3) Realizada no Dia 03/06/11
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
28/36
Resultados da Simulação de Desvio Fase 3 para 4
3.5.
Na transição da Fase 3 para a Fase 4 do desvio, quando o segundo vão rebaixado é fechado
para que o escoamento passe sobre o primeiro vão, já concretado, o fluxo para jusante é
totalmente interrompido até que o NA de montante alcance a cota 39,00m, correspondente à
soleira do vertedouro. A partir desse momento, a vazão defluente vai aumentando
gradativamente, na medida em que o nível do reservatório sobe, até que seja alcançada a carga
suficiente para que a vazão vertida por um vão (aquele cuja ogiva já havia sido concretada)
iguale a vazão afluente.
Todavia, a completa interrupção do fluxo para jusante, mesmo que por um prazo curto, de cerca
de algumas dezenas de minutos, deve ser considerada um impacto relevante, merecedor de
todo o esforço possível para sua ampla compreensão, favorecendo assim tomada de possíveis
ações mitigadoras.
Deve-se ter em mente que uma operação adequada da UHE Pereira Passos, aproveitando a
elevada capacidade de engolimento de suas turbinas e a existência de um reservatório de
regularização (Ponte Coberta), pode proporcionar condições para a minimização dos impactos a
jusante decorrentes da passagem da Fase 3 para 4 do desvio do rio, sem comprometer
demasiadamente a capacidade de armazenamento dos reservatórios de montante e a geração
energética.
Se o fechamento da comporta do vão rebaixado do vertedouro for precedido pelo
estabelecimento de um regime permanente de escoamento, com vazões mais elevadas,
proporcionadas pela operação da UHE Pereira Passos, pode-se conseguir condições mais
favoráveis para a realização da operação de transição das fases 3-4 pelos seguintes motivos:
•
Para uma vazão mais elevada, o volume de reservatório da PCH Paracambi
remanescente entre o nível d’água inicial e a crista do vertedouro diminui, porque é
necessária uma carga maior para a passagem de uma vazão maior pelo vão rebaixado.
•
Pelo mesmo motivo, o volume que fica armazenado na calha do Ribeirão das Lajes e do
próprio Rio Guandu, no trecho entre a barragem e a captação da CEDAE, fica maior,
atenuando os efeitos negativos da operação, pois, para que a vazão se “anule” nas
proximidades da captação da CEDAE, seria preciso “esvaziar” toda a calha a montante,
e isso levaria algum tempo.
A FIGURA 18 apresenta duas curvas de capacidade de regularização do reservatório de Ponte
Coberta (UHE Pereira Passos), informando o período em que determinada vazão defluente
pode ser mantida, esgotando-se a capacidade útil do reservatório e mantendo constante a
vazão defluente. Nota-se que o turbinamento máximo da usina, em torno de 320m³/s, poderia
ser mantido por um período de no máximo 8 horas, quando de uma afluência igual ou superior a
180m³/s.
A partir da análise da FIGURA 18 e de posse do modelo construído e calibrado para o trecho
em estudo, torna-se possível o ensaio e a avaliação de diferentes cenários e regras operativas
para a etapa de desvio entre as Fases 3 e 4. Este procedimento visou minimizar os impactos no
local da captação da ETA Guandu, no que diz respeito à redução das vazões em trânsito,
evitando porém a utilização excessiva de recursos armazenados no reservatório de Ponte
Coberta.
Após diversas simulações prévias com o modelo, identificou-se a vazão de 220m³/s como sendo
a mais factível operacionalmente para Pereira Passos, com a qual se poderia garantir a vazão
mínima operativa da Captação da ETA Guandu, em aproximadamente 120m³/s. Por outro lado,
a manutenção do turbinamento em 160m³/s, apesar de ser uma vazão que pode ser mantida
por longos períodos de tempo, nas condições de desvio do rio poderia vir a comprometer a
operação da ETA Guandu. Neste sentido, buscou-se encontrar um cenário operativo “ótimo”, o
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
29/36
qual fosse factível do ponto de vista operacional para a Usina de Pereira Passos, porém que
resultasse no mínimo impacto a operação de Captação da ETA Guandu.
Após novas simulações, chegou-se a um cenário ótimo para operação da UHE pereira Passos
durante a atividade de desvio entre as Fases 3 e 4. Para ilustração dos resultados encontrados,
foram ensaiados 3 (três) situações hidrológicas com diferentes hidrogramas de entrada ao
sistema (ou seja, defluência de Pereira Passos). A primeira simulação representa a condição de
defluência de Pereira Passos constante com 220m³/s. Na segunda, considerou-se uma
condição hidrológica com vazão também constante igual a 160m³/s. E, finalmente, foi simulado
um hidrograma variável, considerando inicialmente uma vazão de 160m³/s, passando para o
patamar de 220m³/s poucas horas antes de iniciado o desvio, mantendo-se esta vazão também
por algumas horas após o mesmo.
UHE Pereira Passos - Vazão Defluente x Tempo
70
65
NA inicial
= 86,50 m (100% VU)
NA final
= 82,50 m (
0% VU)
60
55
50
45
Horas
40
35
30
25
20
15
10
5
0
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
vazão (m³/s)
Q Afluente = 180 m³/s
Q Afluente = 150 m³/s
FIGURA 18 – Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre Tempo de
Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT)
A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas
variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do
vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH
Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de
Captação da ETA Guandu.
A FIGURA 19 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas e influenciadas pelas
atividades de desvio entre as Fases 3 e 4, para a primeira condição operativa simulada de
defluência da Pereira Passos, considerou um hidrograma de turbinamento (afluente ao sistema)
constante com vazão de 220m³/s. Nota-se que, embora o prazo necessário para a normalização
da situação a jusante (retorno da vazão ao patamar de 220m³/s) seja relativamente alto
(superior a 24 horas), a vazão de 120 m³/s já é atendida cerca de 4,6 horas após o início do
desvio. Na região de Captação da ETA, a vazão mínima esperada resultante desta operação
seria da ordem de 124m³/s. Enquanto isso, o nível d’água final, a montante da estrutura de
desvio da PCH Paracambi, resultou na cota 45,2 m, representando uma elevação de 8,4 m.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
30/36
350
50
45
300
40
35
200
30
150
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
100
25
33848 - Vão com Ogiva
32979 - Jus. PCH Paracambi
Nível d'Água (m)
Vazão (m³/s)
250
20
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
50
0 - Captação CEDAE (S-0)
15
33928 - N.A. Mont. Barragem
0
10
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 19 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos
Constante igual a 220 m³/s
A FIGURA 20 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas decorrentes da atividade de desvio
do rio entre as Fases 3 e 4, para uma situação operativa de defluência de Pereira Passos
constante igual a 160m³/s. Esta situação representa uma condição operacional bastante
confortável do ponto de vista da Usina de Pereira Passos, porém para a qual se espera uma
redução das vazões na região da Captação bem inferior aos 120m³/s, ou seja abaixo do
patamar acordado para adequada operação da Captação da ETA Guandu, chegando a 85m³/s.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
31/36
300
250
50
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
33848 - Vão com Ogiva
32979 - Jus. PCH Paracambi (S-2)
45
40
Vazão (m³/s)
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
200
0 - Captação CEDAE (S-0)
33928 - N.A. Mont. Barragem
35
30
150
25
Nível d'Água (m)
350
100
20
50
15
0
10
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 20 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos
Constante igual a 160 m³/s
Da mesma forma que para a transição anterior, para as atividade de desvio que compreenderão
a transição entre as Fases 3 e 4, quanto menor a afluência no local do barramento da PCH,
mais desfavorável deverá se realizar as atividades de desvio, pois a recuperação das vazões
afluentes deverá ocorrer de forma mais lenta.
Por outro, deve-se ter em mente que a operação contínua com o engolimento máximo da UHE
Pereira Passos, visando manter a vazão afluente a PCH Paracambi em 320m³/s, em condições
hidrológicas mais favoráveis, não é factível por longo período de tempo, devido às restrições de
volume de regularização disponível no reservatório de Ponte Coberta, podendo este fato ainda
repercutir de forma negativa na geração energética em momentos de maior demanda.
A FIGURA 21 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para a condição operativa
“ótima”, onde se buscou minimizar a utilização dos recursos armazenados em Ponte Coberta,
esperando assim, menor impacto na geração energética do sistema, porém também sem
comprometer significativamente os níveis de vazão necessários para a operação da Captação
da ETA Guandu. Assim, esta condição considera a utilização de um hidrograma defluente a
Pereira Passos inicialmente igual a 160 m³/s, passando para 220m³/s e retornando para
160m³/s após aproximadamente 12 horas, sendo que o fechamento das comportas ocorre 7
horas após a elevação da vazão ao patamar de 220m³/s. Observa-se que esta operação poderá
manter as vazões afluentes na Captação da CEDAE no limite operacional, em torno dos
120m³/s.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
32/36
350
50
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
300
45
33848 - Vão com Ogiva
Vazão (m³/s)
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
0 - Captação CEDAE (S-0)
33928 - N.A. Mont. Barragem
200
40
35
30
25
150
20
Nível d'Água (m)
32979 - Jus. PCH Paracambi
250
100
15
50
10
0
5
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 21 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos
Variável Passando de 160m³/s para 220 m³/s e Retornando a 160m³/s Após 12 Horas
Finalmente, a FIGURA 22 compara os hidrogramas, na região de Captação da ETA Guandu,
resultantes da simulação das 3 situações operativas de defluência a Pereira Passos simuladas
para a etapa de transição entre as Fases 3 e 4 de desvio do rio da PCH Paracambi.
250
Vazão (m³/s)
200
150
Limite Operacional
Mínimo da ETA = 122m³/s
100
50
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)
0
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 22 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu
Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 3 para 4
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
33/36
4. CONCLUSÕES
O Ribeirão das Lajes a jusante da UHE Pereira Passos apresenta seu regime hidrológico
natural totalmente alterado devido à operação do Complexo de Lajes. Recebe, além das vazões
naturais, contribuições decorrentes da transposição de vazões do Rio Piraí através do Túnel de
Tócos, bem como dos rios Piraí e Paraíba do Sul pelas Usinas Elevatórias Santa Cecília e
Vigário.
A afluência ao reservatório da PCH Paracambi, completamente regularizada, é formada pela
vazão efluente da UHE Pereira Passos e pela contribuição hidrológica incremental entre essas
duas usinas, cuja área é de 161 km².
Uma operação adequada da UHE Pereira Passos, aproveitando a elevada capacidade de
engolimento de suas turbinas e a existência de um reservatório de regularização (Ponte
Coberta), pode proporcionar condições para a minimização dos impactos a jusante decorrentes
das atividades de desvio do ribeirão das Lajes, para a PCH Paracambi, sobretudo no que tange
a transição entre as Fases 3 e 4, quando se espera uma interrupção total das vazões, mesmo
que por algumas dezenas de minutos.
No presente estudo, foram analisadas algumas atividades operacionais previstas para as etapas
de desvio de rio para a PCH Paracambi, visando antecipar e minimizar possíveis impactos e, ao
mesmo tempo, apoiar a tomada de decisões mais eficientes.
Assim, as situações analisadas compreenderam as atividades de fechamento de alguma das
estruturas de desvio, correspondente à transição entre as Fases 2 para 3 e de 3 para 4, visto
que estes são momentos de maior relevância e que geram maior preocupação para os
operadores e usuários do sistema em questão. Resumidamente, as etapas de desvios
estudadas compreenderam as seguintes atividades:
•
Transição entre as Fases 2 e 3: Fechamento de um dos dois vãos rebaixados, utilizados
para desvio de rio, com redução imediata das vazões liberadas a jusante da barragem e
recuperação gradual.
•
Transição entre as Fases 3 e 4: Fechamento do vão rebaixado e desvio de rio pelo outro
vão, já com a ogiva construída, com interrupção temporária do fluxo para jusante e
recuperação gradual.
Para a determinação dos níveis d’água associados a cada etapa de desvio do rio, bem como
visando a compreensão da propagação das vazões ao longo do trecho, foram estabelecidos
modelos matemáticos do escoamento nas diversas condições da obra, com auxílio do programa
computacional HEC-RAS, versão 4.1.
Foi realizada a validação do modelo a partir da avaliação os resultados simulados com dados
observados referente a etapa de desvio da Fase 2 para 3, realizada no dia 03/06/2011.
Os resultados dessas simulações, em ambas as etapas consideradas acima, não indicaram
problemas para a região de captação da ETA Guandu, no que tange a vazão mínima necessária
para sua operação. Apesar da interrupção total do escoamento logo a jusante das estruturas de
desvio, na passagem da fase 3 para a fase 4 do desvio, os impactos nos níveis de vazão
afluente na seção de Captação são pequenos, porque a interrupção ocorre por pouco tempo e
exuste grande volume de água “armazenada” na própria calha do rio. Para que a vazão se
“anule” nas proximidades da captação da CEDAE, é preciso “esvaziar” toda a calha a montante,
e isso leva um certo tempo, conforme simulado no presente estudo.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
34/36
O processo de enchimento do reservatório da PCH Paracambi se confunde com as etapas de
desvio, porque na Fase 4 o rio está desviado por apenas um vão já concretado do vertedouro,
ou seja, o nível d’água a montante já está acima da el. 39,00 m. A partir desse ponto, o
enchimento do reservatório passa a ser feito de forma totalmente controlada (no tempo que for
necessário), porque as vazões defluentes podem ser reguladas pela abertura das comportas.
Assim, foram identificados hidrogramas defluentes que poderão ser operados pela UHE Pereira
Passos, visando atingir os objetivos esperados.
Para a condição mais critica, ou seja, transição entre as fases 3 e 4, recomenda-se um
hidrograma começando na vazão de 160m³/s, passando para um patamar de 220m³/s, e
retornando a 160m³/s após 12 horas.
A condição ótima de operação a ser mantida durante a etapa de desvio entre as Fases 3 e 4
deve considerar a utilização de um hidrograma, de defluência a UHE Pereira Passos,
inicialmente igual a 160 m³/s, com aumento para o valor de 220m³/s, podendo o fechamento do
vão rebaixado ocorrer após aproximadamente 7 horas do início da defluência igual a 220m³/s.
Em seguida, após aproximadamente 5 horas do fechamento do vão rebaixado, as vazões
defluentes de Pereira Passos podem retornar ao patamar inicial de 160m³/s. Esta operação
resultaria em uma vazão mínima junto a Captação da ordem de 120m³/s, conforme pode ser
observado na FIGURA 23.
300
Vazão (m³/s)
250
50
43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)
33848 - Vão Rebaixado
33848 - Vão com Ogiva
32979 - Jus. PCH Paracambi
5 horas
9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)
0 - Captação CEDAE (S-0)
33928 - N.A. Mont. Barragem
200
45
40
35
30
25
150
20
Nível d'Água (m)
Fechamento da Comporta
350
100
7horas antes
Qdeflu ≥ 220m³/s
50
20h antes do Fechamento,
Qdeflu UHE PP ≥ 160m³/s
15
Tempo de recuperação da vazão em 120m³/s = 4,6h.
Elevação do N.A. a montante da barragem = 44,1m
Vazão Mínima na Captação ETA = 120m³/s
0
10
5
Tempo Simulação (5 minutos)
FIGURA 23 – Resultados da Simulação de Níveis e Vazões em Diversas Seções de Interesse para a
Operação Recomendada para a UHE Pereira Passos durante a Operação de Fechamento da
Comporta entre as Fases 3 e 4
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
35/36
5. REFERÊNCIAS
1.
SPEC, 2010a. Projeto Básico Consolidado da PCH Paracambi. Belo Horizonte.
2.
SPEC, 2010b. PCH Paracambi – Critérios de Projeto. Documento (N.º ST-801-E-NOG10-001). Belo Horizonte.
3.
SPEC, 2010c. PCH Paracambi – Memória De Cálculo – Dimensionamento Hidráulico das
Estruturas (ST-801-E-CL-G27-0001). Belo Horizonte.
4.
Vertente Engenharia Ltda., 2011a. Ribeirão das lajes e Rio Guandu - Levantamentos
Topográficos - Seções Topobatimétricas - Memorial Técnico Descritivo. (MTD-PAR-01).
5.
Vertente Engenharia Ltda., 2011b. PCH Paracambi - Trechos Identificados Com Pontos
Erosivos - Ribeirão Das Lajes e Rio Guandu, RJ - Relatório Técnico Fotográfico (RFPAR-01).
6.
LIGHTGER, 2011. PCH PCH Paracambi – Planejamento das Etapas de Desvio do
Ribeirão das Lajes - Plano De Trabalho.
7.
U.S. Army Corps of Engineers, 2010. Hydrologic Engineering Center. River Analysis
System (HEC-RAS) User’s Manual, Version 4.1.
8.
U.S. Army Corps of Engineers, 2010. Hydrologic Engineering Center. River Analysis
System (HEC-RAS) Hydraulic Reference Manual, Version 4.1.
9.
Sondotécnica-ANA, 2006. Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias
Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim.
PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11
36/36