EHD023 – HIDROLOGIA II Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Benedito C. Silva Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas RESPOSTA DA BACIA HIDROGRÁFICA Hidrograma de Vazões Page 2 Tipos de escoamento na bacia • Superficial • Sub-superficial ?? • Subterrâneo Page 3 Início da chuva: - Infiltração - escoamento superficial (se a intensidade for maior do que a capacidade de infiltração) Page 4 Após algum tempo com chuva... - Infiltração - escoamento superficial - escoamento subterrâneo Camada saturada Page 5 Em alguns casos... - Infiltração escoamento superficial escoamento subterrâneo Escoamento sub-superficial Page 6 Depois da chuva... - Escoamento sub-superficial - Escoamento subterrâneo Camada saturada Page 7 Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Page 8 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Page 9 • Estiagem: apenas escoamento subterrâneo Camada saturada Page 10 • Estiagem muito longa = rio seco Rios intermitentes Camada saturada Page 11 Hidrograma O hidrograma é o gráfico que relaciona a vazão ao tempo e é resultado da interação de todos os componentes do ciclo hidrológico. Depende de: - Heterogeneidade das características físicas da bacia - Caminhos que a água percorre até o exutório Page 12 Resposta da bacia para uma chuva de curta duração 15 minutos tempo P Q tempo Page 13 Hidrograma 1 Page 14 Hidrograma 2 Page 15 Hidrograma 3 Page 16 Hidrograma 4 Page 17 Hidrograma 5 Page 18 Hidrograma 6 Page 19 Hidrograma 7 Page 20 Hidrograma 8 Page 21 Hidrograma 9 Page 22 Hidrograma 10 Page 23 Hidrograma 11 Page 24 Hidrograma 12 Page 25 Hidrograma 13 Page 26 Hidrograma 14 Page 27 Hidrograma 15 Page 28 Hidrograma 16 Page 29 Fases do hidrograma pico Superficial e Sub-superficial recessão Escoamento subterrâneo Page 30 Forma do hidrograma Bacia montanhosa Q Bacia plana tempo Page 31 Forma do hidrograma Bacia urbana Q Bacia rural tempo Obras de drenagem tornam o escoamento mais rápido Page 32 Forma da bacia X hidrograma Bacia circular Q Bacia alongada tempo Page 33 Tipo de solo x forma do hidrograma Bacia com solo raso Q Bacia com solo profundo tempo Page 34 Hidrograma - exemplo Page 35 3000 Rio São Francisco em Porto das Andorinhas 2500 Vazão (m3/s) 2000 1500 1000 500 0 9/1/91 12/1/91 3/1/92 6/1/92 9/1/92 6000 Rio São Francisco em Pirapora-Barreiro (jusante de Três Marias) 5000 Hidrograma alterado pela operação do reservatório de Três Marias 3 Vazão (m /s) 4000 3000 2000 1000 0 9/1/91 3/1/92 9/1/92 Influência do tipo de solo 800 Rio Corrente Rio Verde Grande 700 Solo profundo 600 500 3 Vazão (m /s) Áreas: 30.000 km2 400 300 200 Solo raso 100 0 1/1/77 1/1/79 1/1/81 1/1/83 1/1/85 1/1/87 Séries estacionárias As estatísticas da série (média e desvio padrão), não se alteram ao longo do tempo 12000 Vazões do rio Paraná em Concórdia (vazões anuais) 10000 Vazão (m3/s) 8000 6000 4000 2000 0 1890 39 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Alterações nas Séries Séries não-estacionárias Alterações devido ao clima Vazões do rio São Francisco 40 Alterações nas Séries Séries não-estacionárias Alterações devido ao clima 6000 Vazão m édia m ens al (m 3/s ) Vazões do rio Paraguai 5000 4000 3000 2000 1000 0 D e z/6 2 D e z/6 4 D e z/6 6 D e z/6 8 D e z/7 0 D e z/7 2 D e z/7 4 D e z/7 6 D e z/7 8 D e z/8 0 D e z/8 2 41 2500 Alterações no uso do solo Vazão (m3/s) 2000 1500 1000 500 Bacia do Rio Taquari, MS. 0 jul-69 jul-71 jul-73 jul-75 jul-77 jul-79 jul-81 jul-83 Área ocupada (1000 ha) 8000 7000 b o vino s 6000 s o ja 5000 4000 3000 2000 1000 0 1970 1975 1980 1985 1990 1994 A no Page 42 Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas ESTUDOS HIDROLÓGICOS Check List ANEEL e Diretrizes Eletrobrás Page 43 Usinas Hidrelétricas: classificação quanto a potência Classificação Potência – P (kW) Micro P < 100 Mini 100 < P < 1.000 Pequenas (PCHs) 1.000 < P < 30.000 UHEs P > 30.000 Para implantação de PCHs e UHEs os projetos devem ser submetidos e aprovados pela ANEEL Usinas abaixo de 1.000kW devem apenas notificar a ANEEL que a usina foi implantada PCHs - Potência entre 1MW e 30MW - Área inundada <= 13,0 km², atendendo a inequação: A 14,3 Pot H Onde, Área do reservatório em km² Potencia instalada em MW Queda bruta em m Page 44 Aceite dos Projetos pela ANEEL Check List para PCHs RESOLUÇÃO 343 DE OUTUBRO DE 2010 Estudos Hidrometeorológicos e Sedimentológicos Caracterização fisiográfica da bacia Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral. hidrográfica Apresentação das informações hidrometeorológicas utilizadas Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo: - séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de drenagem; - dados pluviométricos, da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão. Descrição da metodologia empregada para a obtenção da série de vazões A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá ser no local do aproveitamento apresentada de forma detalhada. A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá abranger o maior período possível Série de vazões médias mensais do(s) de dados disponíveis na bacia, contemplando, no mínimo, 30 anos de dados. aproveitamento(s) Ressalta-se que a série de vazões deverá contemplar, obrigatoriamente, até, pelo menos, dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL. Curvas de permanência Vazões extremas Deverão ser apresentadas a tabela e a curva de permanência, com intervalo de, no máximo, 5%. A metodologia utilizada deverá ser descrita detalhadamente, explicitando, por exemplo, quais as distribuições estatísticas utilizadas. Page 45 Aceite dos Projetos pela ANEEL Check List para UHEs RESOLUÇÃO 421 DE 2010 Estudos Hidrometeorológicos, Sedimentológicos e Hidráulicos Caracterização fisiográfica da bacia hidrográfica Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral, tais como área, perímetro, forma, densidade de drenagem, tempo de concentração, etc. Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo: A apresentação das informações - séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de hidrometeorológicas utilizadas drenagem; (fluviometria, pluviometria, - dados pluviométricos da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões climáticos) médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão. Deve ser apresentada ainda descrição da hidrogeologia da região. Descrição da metodologia empregada para a obtenção da A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá ser série de vazões no local do apresentada de forma detalhada, incluindo memorial de cálculo. aproveitamento A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá iniciar em 1931, estendendo-se Série de vazões médias mensais até, pelo menos, dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL. A série de do aproveitamento vazões deve ser apresentada em formato editável, preferencialmente em extensão ".xls". Curvas de permanência Vazões extremas Curva-chave do canal de fuga Deverão ser apresentadas a tabela e o gráfico associados à curva de permanência. A metodologia utilizada deve ser descrita em detalhes. Devem constar também os valores e critérios para definição da vazão de dimensionamento do vertedouro e das estruturas de desvio, observando os critérios definidos nos Manuais da Eletrobrás. Deverá ser apresentada metodologia e a curva-chave do canal de fuga confeccionada para o empreendimento em questão. Page 46 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás (www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm). Page 47 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás Quando os postos fluviométricos não possuírem o período de anos mínimo recomendado (30 anos) poderão ser utilizadas as séries de vazões naturais das usinas hidrelétricas do Sistema Interligado Nacional - SIN, disponibilizadas pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS (http://www.ons.org.br/operacao/hidrologia.aspx) Page 48 Diretrizes para Estudos Hidrológicos de Projeto de Centrais Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Eletrobrás A série de vazões médias mensais será utilizada no projeto para determinação dos estudos energéticos de definição da potencia instalada da usina e, por consequencia, no dimensionamento do grupo gerador e estruturas hidromecânicas de adução Para dimensionamento das estruturas de estravasamento (vertedouro) deverá ser estimada a vazão máxima diária para o tempo de retorno de 10.000 anos. O estudo de vazões mínimas visa determinar as vazões a serem adotadas para manutenção de ecossistemas aquáticos e usos humanos a jusante da barragem, devendo ser realizado de acordo com a legislação de recursos hídricos de cada estado Page 49 Histórico de Vazões Médias Mensais A série de vazões médias mensais gerada para o local da usina hidrelétrica deve ter o seguinte formato: Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas BANCOS DE DADOS HIDROLÓGICOS Page 51 Rede de Postos Hidrológicos As redes hidrológicas são geralmente públicas, com exceção das algumas redes telemétricas de empresas de energia Redes Federais: ANA= pluviometria e fluviometria, INMET= climatologia Redes regionais: DNOCS e antiga SUDENE Redes estaduais: entidades de recursos hídricos e de agricultura dos Estados (DAEE-SP, IGAM-MG) Poucos Estados possuem gestão de dados hidrológicos Page 52 56 57 58 59 60 Códigos? Page 62 Esquema de codificação Postos fluviométricos o 1º dígito: indica qual a bacia o 2º dígito: indica qual a sub-bacia o Demais dígitos: números sequenciais de instalação dos postos Exemplo: Page 63 HidroWeb HidroWeb HidroWeb HidroWeb HidroWeb HidroWeb HidroWeb Escolha o tipo de dado que deseja, o formato do arquivo e faça o download O Banco de dados Hidro Utilizado para trabalhar com os dados em formato Access Permite o gerenciamento da base de dados armazenada centralizadamente em um banco de dados relacional Permite a entrada de dados por parte das entidades que operam a rede de monitoramento Calcula funções hidrometeorológica básicas Vizualização de gráficos e imagens A alimentação realizada através de relatórios enviados pelas operadoras Suporta dados de inventário (rios e estações) e de séries históricas Pode ser acessado de forma local ou remota (intranet ou internet) hidroweb.ana.gov.br Permite a exportação de registros para arquivos de intercâmbio HidroWeb + Hidro Formato TXT Page 74 Formato TXT Pode ser aberto e trabalhado em: MS Excel Programas especialmente desenvolvidos Page 75 ATIVIDADE 1 1. Acessar o portal Hidroweb baixar o histórico de vazões do posto fluviométrico 61305000 (Santa Rita do Sapucaí), nos formatos ACCESS e TXT 2. Importar o arquivo ACCESS no programa HIDRO, visualizar os dados, exportar a série de vazões mensais para o formato TXT e abrir no MS Excel 3. Abrir o arquivo TXT (baixado do Hidroweb) no MS Excel e visualizar os dados Page 76 Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Determinação da Série de Vazões Page 77 ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Realizar busca por postos fluviométricos na região de estudo, que tenham área de drenagem semelhante à bacia da usina Limites normalmente adotados: postos com área entre 0,25 e 4 vezes a área de drenagem da usina Outras características a considerar: SOLOS, relevo, geologia, cobertura vegetal, regime de precipitações Baixe os arquivos de vazões e outros diponíveis, tais como: cotas, curva-chave, seções batimétricas e medições de descarga. Esses arquivos serão importante para a análise de consistência dos postos. ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via mapa da Hidroweb ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Ampliar a região de interesse, ativar os layers de hidrografia e Estações Fluviométricas Ao clicar no ponto corespondente ao posto, será aberta a janela para download dos dados Via mapa da Hidroweb ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via shapefiles ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos Como encontrar os postos? Via shapefiles Baixar os arquivos e abrir em softwares de geoprocessamento ATIVIDADE 2 1. Utilizar um software de geoprocessamento para visualizar os arquivos shapefile da bacia do rio Paraná 2. Adicione a bacia do rio Sapucaí aos layers e verifique os postos fluviométricos próximos ao posto de Santa Rita do Sapucaí Page 83 ETAPA 2: Análise regional Nessa etapa deve-se determinar uma equação de regionalização para a vazão média de longo período (Qmlt). Ou seja a vazão média de toda a série histórica. Para cada posto fluviométrico, liste o valor da área de drenagem e calcule a vazão média de longo período A vazão média pode ser calculada como a média dos valores diários, mensais ou anuais da série ETAPA 2: Análise regional Elabore uma tabela resumo: Posto Alto Araguaia I Montante do Ribeirão Babilônia Cachoeira Grande Rio do Peixe Ponte Rio Doce Fazenda Formoso Próximo Costa Rica Itiquira Código Período Área de Drenagem (km²) 24050000 24070000 24100000 24196000 60895000 60930000 63001000 66520000 1964-2007 1997-2007 1963-1991 2000-2007 1967-2007 1979-2007 1993-1998 1971-2006 2440 1848 4504 1613 1277 1189 1280 2872 Outras colunas podem ser adicionadas, como: - Vazão média específica (Área/Qmlt) - Distância do posto ao local da usina - Extensão da série - Relação entre áreas de drenagem QMLT (m³/s) 50.87 34.48 89.66 31.77 26.23 27.93 27.51 60.94 ETAPA 2: Análise regional Determine a equação de regionalização da vazão média 100 y = 0.0197x + 1.803 R2 = 0.9904 90 80 70 Vazão [m³/s] 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 Área [km²] 4000 5000 ETAPA 2: Análise regional Postos fora da tendência devem ser eliminados 600 500 3 Q (m /s) 400 300 200 Q = 0,1861.Ad0,7181 R2 = 0,8979 100 0 0 10000 20000 30000 40000 2 Ad (km ) 50000 60000 70000 ETAPA 2: Análise regional 600 500 Q (m3/s) 400 300 200 Q = 0,1861.Ad0,7181 R2 = 0,8979 100 0 0 10000 20000 30000 40000 2 Ad (km ) 50000 60000 ETAPA 2: Estimativa da vazão média da usina A vazão média de longo período para o local da usina pode ser calculada usando a equação de regionalização obtida, substituindo o respectivo valor de área Esse valor de vazão pode ser utilizado para comparação com a vazão média obtida para a série de vazões transposta ATIVIDADE 3 Suponha que estejam sendo realizados estudos para uma implantação de uma usina, em um local com área de drenagem de 540 km2 Foram selecionados os seguintes postos fluviométricos na região: Nome Código Rio Município Latitude São Martinho 84598000 Rio Capivari São Martinho 28 10'00''S 84598002 Rio Capivari São Martinho 28 09'56''S 84600000 Rio Capivari Armazém 28 15'38''S 84551000 Rio Pequeno Grão Pará 28 12'44''S Rio Braço do Norte Rio Braço do Norte Santa Rosa de Lima 28 01'59''S Anitápolis 27 59'45''S São MartinhoJusante (PCD) Armazém Capivari Rio Pequeno Santa Rosa de Lima Divisa de Anitápolis 84520010 84520000 Ad 2 [km ] Qmlt 3 [m /s] Qesp 2 [l/s/km ] o 619 21,2 34.2488 o 620 17,2 27.7419 o 770 19,4 25.1948 o 379 12,1 31.9261 o 676 21,1 31.2130 o 380 10,7 28.1579 Longitude o 48 58'00'O' o 48 58'18''O o 49 00'53''O o 49 11'46''O o 49 07'07''O o 49 06'57''O Determine a equação de regionalização da vazão média estime a vazão média de longo período para o local da usina ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência O posto fluviométrico a ser utilizado como referência deve ser escolhido, preferencialmente, no mesmo rio da usina, respeitada a relação entre áreas menor do que 4 O posto deve ser possuir a série mais extensa possível e com baixo número de falhas Sua vazão média deve seguir a tendência regional A curva-chave do posto deve ser estável e com pouca extrapolação Faça uma análise do quadro resumo e observe os hidrogramas de vazões mensais ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência Posto com curva-chave estável ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência Posto com curva-chave instável ETAPA 4: Preenchimento de falhas Na grande maioria dos casos o posto de referência apresenta falhas em alguns meses da série ou necessita que a série seja estendida O preenchimento deve ser realizado utilizando dados de um outro posto, através de uma equação de regressão A equação de regressão é obtida plotando-se um gráfico de regressão entre as séries de vazões mensais Outras formas de preenchimento: modelos chuvavazão, modelos estocásticos, valores médios ETAPA 4: Preenchimento de falhas Gráfico de Correlação entre séries de vazões mensais Boa correlação: R2 ≥ 0,7 ATIVIDADE 4 Utilizando os dados dos postos da Atividade 3, admita que o posto Armazém Capivari (84600000) tenha sido escolhido para ser o posto de referência Verifique a correlação entre o posto de referência e os demais postos disponíveis Preencha os meses falhos na série do posto de referência e estenda a série para que se inicie em jan/1943 e termine em dez/2007 Plote o hidrograma da série transposta e verifique o comportamento dos dados ETAPA 5: Transposição da série de vazões A série de vazões do posto de referência são transpostas para o local da usina através da seguinte relação Qu sin a Au sin a QP . AP Qusina, Ausina – Vazão mensal e área de drenagem do local sem dados QP, AP – Vazão mensal e área de drenagem do posto de referência O cálculo é realizado para todos os meses da série do posto de referência ETAPA 6: Formatação da série A última etapa consiste em formatar a série de valores mensais para apresentação no relatório do projeto O valores preenchidos devem ser destacados na tabela ATIVIDADE 5 Transponha a série do posto de referência para o local da usina, utilizando a relação de áreas Calcule a média de longo período da série e compare com o valor obtido pela regionalização (Atividade 3) Hidrologia para Projeto de Usinas Hidrelétricas Curva de Permanência das Vazões Page 100 Curva de Permanência das Vazões A curva de permanência, ou duração, é obtida da freqüência de ocorrência das vazões ou níveis de uma determinada bacia Essa curva retrata a parcela do tempo que uma determinada vazão é igualada ou superada durante o período analisado A curva de permanência permite analisar a regularização natural do rio Em projetos de hidrelétricas pode ser utilizada para determinação da potência a ser instalada e para definição de vazões mínimas residuais Curva de Permanência 35 30 15 10 5 Trecho inferior 20 Trecho superior Vazão [m³/s] 25 Trecho médio 0 0 10 20 30 40 50 60 Permanência [%] 70 80 90 100 Curva de Permanência 35 30 Exemplo: A vazão de 5 m3/s possui probabilidade de 60% (Q60) de ser igualada ou superada, ou Vazão [m³/s] 25 em 60% do tempo ocorrem vazões maiores ou iguais a 5 m3/s 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Permanência [%] 70 80 90 100 Curva de Permanência Vazões mensais 35 30 Vazões diárias Vazão [m³/s] 25 90 80 Vazão [m³/s] 70 20 15 60 10 50 5 40 0 0 30 10 20 30 40 50 60 Permanência [%] 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Permanência [%] 70 80 90 100 70 80 90 100 Curva de Permanência Rio com regularização normal 35 30 Vazão [m³/s] 25 Rio com alta regularização natural 20 15 10 100 90 5 80 0 Vazão (m³/s) 70 0 60 10 20 50 40 30 60 Permanência [%] 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Permanência (%) 70 80 90 100 70 80 90 100 Construção da Curva Como distribuição de probabilidades No Excel, disponha os dados em uma única coluna e ordene os valores em ordem decrescente Em uma coluna ao lado, insira os valores da ordem (i) de cada valor (1,2,3, …, n) Para cada valor, determine a probabilidade acumulada pela relação i/(n+1) Faça o gráfico vazão por probabilidade Construção da Curva Como distribuição de probabilidades ANO 1933 1934 Média JAN 546,00 60,30 303,15 FEV 485,00 56,10 270,55 MAR 278,00 80,20 179,10 ABR 160,00 51,90 105,95 MAIO 106,00 33,00 69,50 JUN 80,60 29,80 55,20 JUL 67,60 23,80 45,70 AGO 56,10 21,00 38,55 SET 52,40 23,70 38,05 600 ORDEM 500 400 Vazão [m3/s] OUT 108,00 53,90 80,95 300 200 100 0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% Duração [%] 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 NOV 144,00 230,00 187,00 DEZ 108,00 539,00 323,50 MÉDIA 182,64 100,23 141,43 VAZÃO PROBABILIDADE m 3/s i/(n+1) 546 0,04 539 0,08 485 0,12 278 0,16 230 0,20 160 0,24 144 0,28 108 0,32 108 0,36 106 0,40 80,6 0,44 80,2 0,48 67,6 0,52 60,3 0,56 56,1 0,60 56,1 0,64 53,9 0,68 52,4 0,72 51,9 0,76 33 0,80 29,8 0,84 23,8 0,88 23,7 0,92 21 0,96 Construção da Curva Usando a ferramenta PERCENTIL do Excel E uma coluna, insira valores de duração entre 0 e 1 (Ex.: 0,00; 0,05; 0,10; 0,15; …; 1,00) Para cada valor de duração, calcule a vazão correspondente usando a função =PERCENTIL(MATRIZ;1-D) MATRIZ é o conjunto de células onde está a série de dados e D a duração (0 a 1) Faça o gráfico vazão por probabilidade ATIVIDADE 6 Construa a curva de permanência da série de vazões médias mensais geradas na Atividade 5