PEQUENAS CENTRAIS
PEQUENAS CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS
HIDRELÉTRICAS
Aplicação ao seu desenvolvimento na América Latina e no Caribe Aplicação ao seu desenvolvimento na América Latina e no Caribe
Índice
Índice
PEQUENAS
PEQUENAS CENTRAIS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS HIDRELÉTRICAS ... 1... 1
Objetivos
Objetivos do do Módulo ... Módulo ... 11
1.
1. INTRODUÇÃO ...INTRODUÇÃO ... 2... 2
1.1
1.1 Introdução Introdução ... 2... 2 1.2
1.2 Desenvolvimento das Desenvolvimento das pequenas usinas pequenas usinas hidrelétricas. hidrelétricas. ... ... 44 1.3
1.3 Classificação das Classificação das pequenas usinas pequenas usinas hidrelétricas. hidrelétricas. ... ... 55 1.4
1.4 Potencial Potencial hidrelétrico hidrelétrico aproveitável. aproveitável. ... ... 66 1.5 Potencia instalada em pequenas usinas hidrelétricas nos países da América Latina e do Caribe 1.5 Potencia instalada em pequenas usinas hidrelétricas nos países da América Latina e do Caribe
...
... 6... 6 Resumo
Resumo ... 7... 7 2.
2. ESTUDO DO ESTUDO DO RECURSO HIDRÁULICO... RECURSO HIDRÁULICO... 88
2.1 Processo de gestação
2.1 Processo de gestação de um projeto de uma pequena usina de um projeto de uma pequena usina hidrelétrica ... hidrelétrica ... 88 2.2
2.2 Estudo prévios Estudo prévios ... ... 88 2.3
2.3 Determinação da Determinação da queda lqueda líquida íquida ... ... 4545 2.4 Potencia teórica de uma queda d’água
2.4 Potencia teórica de uma queda d’água ... 46... 46 2.5 Potencia
2.5 Potencia instalada e instalada e produção ... produção ... 4747 Resumo
Resumo ... 49... 49 3.
3. TIPOS TIPOS DE MINI DE MINI USINAS USINAS ... ... 5050
3.1
3.1 Tipos Tipos de mini de mini Usinas Hidrelétricas ...Usinas Hidrelétricas ... ... 5050 Resumo
Resumo ... 58... 58 4.
4. OBRA OBRA CIVIL ...CIVIL ... ... 5959
4.1
4.1 Introdução Introdução ... ... 5959 4.2
4.2 Açude Açude ... ... 6060 4.3
4.3 Escada Escada de de peixes peixes ... ... 6262 4.4
4.4 Tomada Tomada de de água água ... ... 6363 4.5
4.5 Canal Canal de de derivação derivação ... ... 6363 4.6
4.6 Desarenador Desarenador e e câmara câmara de de carga carga ... ... 6767 4.7
4.7 Conduto Conduto forçado forçado ... ... 6969 4.8
4.8 Edifício Edifício da da usina usina ... ... 7272 4.9
4.9 Sistema Sistema de de descarga descarga ... ... 7373 Resumo
5.
5. TURBINAS TURBINAS HIDRÁULICAS ...HIDRÁULICAS ... ... 7676
5.1
5.1 Introducción. Introducción. Descripción Descripción general general ... ... 7676 5.2
5.2 Descrição geral. Localização da Descrição geral. Localização da turbina deturbina dentre os ntre os componentes componentes principais da principais da usina usina ... ... 7777 5.3
5.3 Percurso Percurso da da água água na na turbina. turbina. Elementos Elementos fundamentais fundamentais ... ... 7979 5.4
5.4 Fundamento Fundamento hidráulicos hidráulicos teóricos teóricos ... ... 8282 5.5
5.5 Parámetros Parámetros hidráulicos hidráulicos básicos básicos de de una una turbina turbina ... ... 8484 5.6
5.6 Tipos Tipos de de turbinas turbinas hidráulicas. hidráulicas. Escolha Escolha ... ... 8585 5.7
5.7 Considerações Considerações para para sua sua escolha escolha ... ... 9191 Resumo
Resumo ... 91... 91 6.
6. EQUIPO EQUIPO ELECTROMECÁNICO ...ELECTROMECÁNICO ... ... 9292
6.1
6.1 Elemento Elemento de de fechamento fechamento e e regulação regulação ... ... 9292 6.2
6.2 Turbina Turbina Hidráulica Hidráulica ... ... 9595 6.3
6.3 Grupo Grupo óleo-hidráulico óleo-hidráulico ... ... 9595 6.4
6.4 Caixa Caixa multiplicadora multiplicadora de de Velocidade Velocidade ... ... 9696 6.5
6.5 Gerador Gerador síncrono síncrono ... ... 9999 6.6
6.6 Equipamento Equipamento elétrico elétrico geral geral ... ... 105105 6.7
6.7 Equipamentos Equipamentos auxiliares auxiliares ... ... 112112 6.8
6.8 Elementos Elementos de de regulação, regulação, controle controle e e proteção proteção ... ... 112112 Resumo
Resumo ... 115... 115 7.
7. AUTOMATIZAÇÃO AUTOMATIZAÇÃO E E CONTROLE CONTROLE ... ... 116116
7.1
7.1 Automatização Automatização e e controle controle ... ... 116116 7.2
7.2 Modos Modos de de funcionamento...funcionamento... ... 119119 Resumo
Resumo ... 121... 121 8. IMPACTO
8. IMPACTO AMBIENTAL. GESTÃO ADMINISTRATIVA AMBIENTAL. GESTÃO ADMINISTRATIVA ... ... 122122
8.1
8.1 Fases Fases de de um um estudo estudo de de impacto impacto ambiental ambiental ... ... 122122 8.2
8.2 Análises Análises do do projeto projeto ... ... 124124 8.3
8.3 Identificação Identificação e e avaliação avaliação de de impactos impactos ... ... 124124 8.4
8.4 Medidas Medidas preventivas preventivas e e corretivas corretivas ... ... 125125 8.5
8.5 Efeitos Efeitos positivos positivos do do ponto ponto de de vista vista ambiental ambiental ... ... 125125 8.6
8.6 Trâmites Trâmites Administrativos Administrativos ... ... 126126 8.7
8.7 Legislação Legislação ... ... 127127 Resumo
Resumo ... 128... 128 TEMA 9.
TEMA 9. ASPECTOS ECONÓMICOS ASPECTOS ECONÓMICOS ... ... 129129
9.1
9.1 Índice Índice de de potencia potencia ... ... 129129 9.2
9.4 Fator de capacidade ... 130
9.5 Fiabilidad y disponibilidad ... 130
9.6 Critérios para analisar a rentabilidade do investimento ... 131
9.7 Fatores a considerar no estudo econômico ... 132
9.8 Calculo de investimento de uma mini usina hidrelétrica ... 133
9.9 Exemplo de cálculo de investimento e rentabilidade econômica ... 134
9.10 Conclusões finais ... 137 Resumo ... 137 Glossário ... 138 Bibliografia ... 143 Páginas de Internet ... 145 Índice de figuras ... 146 Tabelas/Gráficos/Figuras ... 146
PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Aplicação ao seu desenvolvimento na América Latina e no CaribeObjetivos do Módulo
Pretende-se apresentar os fundamentos teóricos relativos ao estudo de um aproveitamento hidrelétrico em um determinado local, bem como revelar as diferentes tipologias de pequenas usinas hidrelétricas e seus componentes; da obra civil ao equipamento eletromecânico.
Os objetivos mais importantes deste módulo são:
Entender como se avalia o recurso hidráulico disponível em um determinado local, para determinar a queda líquida e a vazão de equipamento.
Definir a tipologia da usina hidrelétrica a ser instalada em cada local, bem como todos seus componentes relacionados com a obra civil.
Entender o funcionamento das turbinas hidráulicas, os tipos que podem ser utilizados e o processo de escolha da turbina ideal.
Definir e dimensionar o equipamento eletromecânico da usina.
Analisar os distintos modos de funcionamento e o aproveitamento de automatização.
Estudar o impacto ambiental que representa a instalação de uma pequena usina hidrelétrica.
Considerar aspectos econômicos e estudar a rentabilidade econômica.
Estudo de viabilidade de um aproveitamento hidroelétrico aplicado a uma área concreta de LAC (a resposta do exercício está na documentação anexa).
Os conteúdos dos módulos se estruturam nos seguintes temas:
1. Introdução. Estado da arte. Classificação
2. Estudo do recurso hidráulico, como aproveitamento hidroelétrico 3. Tipologias de pequenas centrais hidráulicas
4. Obra civil. Componentes
5. Turbinas hidráulicas. Fundamentos teóricos. Descrição dos elementos básicos 6. Equipamento eletromecânico
7. Automatização e Controle. Modos de funcionamento 8. Impacto ambiental. Legislação
1. INTRODUÇÃO
1.1. Introdução
Dentre as energias renováveis, a energia hidrelétrica é a principal aliada na geração limpa, autóctone e inesgotável, constituindo uma das principais fontes de eletricidade.
A energia hidráulica é a energia cinética do movimento de massas de água e a energia potencial da água disponível a uma altura determinada. Indiretamente, provém da radiação solar, no que se conhece como ciclo hidrológico (figura 1.1).
Figura 1.1 A energia hidráulica no ciclo hidrológico. Fonte: Centrais de energias renováveis. José Antonio Carta
A produção mundial anual foi de 3288 TWh em 2008 (IEA, “Informações sobre a electricidade” de 2010), equivalente a 16,3% da produção total de eletricidade global.. Em alguns países da América Latina, a fração da energia elétrica gerada com as usinas hidrelétricas alcança um alto nível: Equador 85%, Peru 79%, Brasil 78,2%, Colômbia 77%. Em outros países, a fração da energia elétrica com usinas hidrelétricas é consideravelmente menor: nos Estados Unidos, por exemplo, é somente de 10%; no Japão, 12,2%; na Espanha, 20%, na CEI, 14%, etc. Estes dados justificam-se a partir do ponto de vista de que a energia elétrica nos países é obtida principalmente através da exploração de centrais térmicas (de carvão e gás natural) e nucleares.
Em termos de produção mundial, de “Programa Mundial de Avaliação dos Recursos Hídricos” da UNESCO divulga previsões de crescimento para o ano 2010 em que se constata este maior
potencial de crescimento nos países em desenvolvimento. Na Tabela 1.1 é possível observar como a União Européia e seus países mais próximos, que em 1995 possuíam 18,5% da população mundial, somente representavam uma décima parte no ano 2010. Isso se deve ao crescimento, principalmente, da Ásia e, em menor medida, da América Latina.
Tabela 1.1 Produção de energia hidráulica no mundo. Fonte: UNESCO Localização Área de
mercado 1995 (TWh/ano) % 1995 2010 (TWh/ano) % 2010
Mundo Grandes usinas 2.265 100 3.990 100
Pequenas usinas 115 100 220 100
Total 2.380 100 4.210 100 UE+AELC Grandes usinas 401,5 17,73 443 11,10
Pequenas usinas 40 34,78 50 22,73
Total 441,5 18,55 493 11,71 CEE Grandes usinas 57,5 2,54 83 1,44
Pequenas usinas 4,5 3,91 16 7,28
Total 62 2,60 99 2,35
CIS Grandes usinas 160 7,06 388 9,72
Pequenas usinas 4 3,48 12 5,45
Total 164 6,89 400 9,50 NAFTA Grandes usinas 635 28,03 685 17,17
Pequenas usinas 18 15,65 25 11,36
Total 653 27,44 710 16,86 OCDE Zona Pacífica Grandes usinas 131 5,78 138 3,46
Pequenas usinas 0,7 0,61 3 1,36
Total 131,7 5,53 141 3,35 Zona mediterránea Grandes usinas 35,5 1,60 72 1,80
Pequenas usinas 0,5 0,43 0,7 0,32
Total 36 1,51 72,7 1,73 África Grandes usinas 65,4 2,89 147 3,68
Pequenas usinas 1,6 1,39 3 1,36
Total 67 2,81 150 3,56 Oriente Medio Grandes usinas 24,8 1,09 49 1,23
Pequenas usinas 0,2 0,17 1 0,45
Total 25 1,05 50 1,19
Asia Grandes usinas 291 12,85 1.000 25,06
Pequenas usinas 42 36,52 100 45,45
Total 333 13,99 1.100 26,13 América Latina Grandes usinas 461,5 20,37 990 24,81
Pequenas usinas 3,5 3,04 10 4,54
Total 465 19,54 1.000 23,75 UE + AELC: União Européia e Associação Européia de Livre Comércio; CEE: Europa Central e do Leste;
CEI: Comunidade de Estados Independentes; Países NAFTA: Estados Unidos, Canadá e México; OCDE Zona Pacífica: Austrália, Japão, Nova Zelândia; Zona Mediterrânea: Turquia, Chipre, Gibraltar, Malta;
Em grande escala esta fonte de energia tem um campo de expansão limitado devido a aspectos de caráter financeiros, ambientais e sociais. Em pequena escala (na maior parte dos países com uma potencia instalada menor ou igual a 10 MW), a geração hidrelétrica com pequenas usinas oferece possibilidades de crescimento, em razão da diversidade de vazões que ainda são suscetíveis de aproveitamento.
Existem inúmeras vantagens que são compartilhadas entre as pequenas e grandes usinas hidrelétricas. As vantagens gerais são:
Constitui uma fonte de energia renovável
É uma tecnologia madura, consolidada e com alto nível de confiança e rendimento. Os custos da energia gerada são praticamente independentes dos efeitos
inflacionários. Constituem uma fonte de energia autóctone e, portanto, seu aproveitamento reduz a vulnerabilidade energética do país com relação aos mercados internacionais de combustíveis fósseis.
Seus custos de operação e manutenção são relativamente baixos. Têm uma vida relativamente longa.
Possui um alto grau de disponibilidade operativa. 1.2. Desenvolvimento das pequenas usinas hidrelétricas.
A princípios do século XX ocorreu uma intensa construção de pequenas usinas hidrelétricas na América do Norte, Europa e Ásia [1]. Nos anos 1920, a energia hidrelétrica gerada constituía 40% do total produzido mundialmente pelas usinas em seu conjunto. Depois, durante um longo período (50 anos), houve uma queda na construção de pequenas usinas hidrelétricas, dando lugar às grandes usinas hidráulicas que possuíam um maior rendimento econômico. Durante a década dos 70, em muitos países desenvolvidos e em vias de desenvolvimento, devido à crise energética mundial, as usinas hidrelétricas de pequena potencia atraíram novamente a atenção com o auxílio das seguintes razões:
Brusco aumento dos preços do petróleo
Aumento dos requerimentos ecológicos durante a construção Necessidade de eletricidade nas regiões distantes e de difícil acesso
Tendência ao uso múltiplo dos recursos hidráulicos, o que reduz os investimentos na hidroenergia.
Por estas razões, em muitos países a construção de pequenas usinas recebeu um novo impulso. Assim, ampliou-se a cooperação internacional neste terreno: em 1982 foi realizada a Conferência Européia de Pequenas Usinas Hidrelétricas em Montecarlo e, em 1984, a I Conferência Internacional sobre Pequenas Usinas Hidrelétricas em Singapura. No seio da Comissão Internacional sobre Energia (IEC) fundou-se o grupo de trabalho de pequenas usinas hidrelétricas para desenvolver os requerimentos técnicos no projeto, construção e exploração. Na Espanha, em 1980, criou-se a Comissão de Pequenas Usinas hidrelétricas e uma análise de sua distribuição geográfica.
De acordo com o "Livro Branco para uma a Estratégia Comum e um Plano de Acção para as Energias Renováveis", desenvolvido em 1997 pela Comissão das Comunidades Européias, o objetivo geral fixado pela UE em pequenas usinas hidrelétricas é alcançar 14.900 MW no ano 2010.
1.3. Classificação das pequenas usinas hidrelétricas.
As pequenas usinas hidrelétricas podem ser classificadas por distintos parâmetros tais como potencia, altura de carga e regime de trabalho, dentre outros. Na grande maioria dos países toma-se como base a potencia instalada em kW ou MW (Tabela 1.2). Em alguns países consideram-se pequenas usinas hidrelétricas aquelas com um potencial de até 2.000 kW (Itália, Noruega, Suécia, Suíça) ou até 5.000 kW (Áustria, Índia, França, Canadá, Alemanha e outros). A organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento Industrial. (ONUDI) tipifica como pequenas usinas hidrelétricas as que possuam uma potencia instalada de até 5.000 kW. Em outros países, consideram esta potencia até 30.000 kW, como nos Estados Unidos e no CEI.
A Organização Latino-americana de Desenvolvimento de Energia (OLADE) considera como pequena usina as que possuem uma potencia entre 1.000 e 10.000 kW.
Esta diversidade na classificação das pequenas usinas hidrelétricas resulta dos diferentes níveis de desenvolvimento alcançados nos distintos países, das particularidades das condições naturais, dos diferentes procedimentos de reconhecimento dos projetos de aproveitamentos hidrelétricos assim como de outros fatores.
Tabela 1.2 Classificação das pequenas usinas hidrelétricas
Potencia limite instalada da central (kW)
País, organização internacional Pequena usina Mini usina Micro usina
Pins 30.000
Pins 30.000 Pins 12.000
Pins = 100
-1000 Pins 100
CEI ( antiga URSS) Estados Unidos
China e países do
sudeste da Ásia
Pins 5.000 América Latina (OLADE)
Pins 5.000 Pins 10.000 (*)
UNIDO, Áustria,
Espanha*, Índia, Canadá, França, Alemanha e outros
1.4 Potencial hidrelétrico aproveitável.
Para determinar o potencial hidrelétrico aproveitável é necessário avaliar os recursos potenciais que podem ser aproveitados em cursos pequenos, médios e grandes dos rios.
Esta classificação, de acordo com seu tamanho, pode ser feita com base em diferentes critérios: por vazão, potencia, comprimento do rio e área da bacia, dentre outros. Segundo o critério da área da bacia, os pequenos rios possuem até 5.000 km2 e os médios até 100.000km2.
Podemos distinguir três tipos de potencial hidrelétrico (figura 1.2):
Teórico (bruto): energia teórica do curso de água sem considerar perdas
De exploração: energia do curso de água que tecnicamente pode ser aproveitada considerando perdas. Mundialmente esta magnitude é avaliada em uma média de 60%. Econômico: energia do curso de água cuja utilização resulta economicamente efetiva.
Mundialmente representa 47% do potencial de exploração e 26% com relação ao teórico. O potencial hidrelétrico econômico, diferentemente do teórico e técnico, varia com relação ao tempo e utilização, dependendo das condições energéticas e econômicas.
1.5 Potencia instalada em pequenas usinas hidrelétricas nos países da América Latina e do
Caribe
Conforme o estudo Climascopio 2012, divulgado na Conferência das Nações Unidas sobre o Desenvolvimento Sustentável Rio+20 e realizado pelo Fundo Multilateral de Investimentos, a porcentagem de potencia instalada em pequenas usinas hidrelétricas em MW até 2011, nos países da América Latina e do Caribe, foi a seguinte:
Tabela 1.3 Porcentagem de potencia instalada em MW. Fonte: Climatescope Estudo de 2012 PAÍS % DE POTENCIA INSTALADA Argentina 2 Belize 39 Bolívia 18 Brasil 4 Chile 4 Colômbia 3,9 Costa Rica 10 República Dominicana 7 Equador 6 El Salvador 2 Guatemala 10 Haiti 45 Honduras 9 Jamaica 3 Nicaragua 5 Panamá 13 Perú 6
Resumo
Neste tema 1, de introdução, realizou-se uma apresentação do aproveitamento da energia hidrelétrica enfocada em pequenas usinas hidrelétricas com uma potencia média de 10 MW na maioria dos países. Analisou-se seu grau de desenvolvimento em âmbito mundial e sua classificação em micro, mini e pequenas usinas hidrelétricas. Ademais, apresentou-se também o potencial hidrelétrico aproveitável no mundo e a potencia instalada até o ano 2011 nos países da América Latina e do Caribe, de acordo com o estudo Climascopio 2012, divulgado na Conferência das Nações Unidas sobre o Desenvolvimento Sustentável Rio+20 e realizado pelo Fundo Multilateral de Investimentos ( www5.iadb.org /mif/Climatescope/2012).
2. ESTUDO DO RECURSO HIDRÁULICO
2.1 Processo de gestação de um projeto de uma pequena usina hidrelétrica
O processo de gestação de um projeto de uma pequena usina hidrelétrica pode ter várias origens. As mais frequentes são:
Projeto que faz parte de um desenvolvimento em âmbito nacional ou regional, no qual geralmente são realizados estudos prévios ou existe informação básica preliminar suficiente.
Projeto proposto por uma comunidade ou prefeitura diante da necessidade de abastecimento energético de uma população ou região.
Projeto proposto por entidades privadas para usos da energia em processos industriais ou comerciais para a venda a populações ou às redes elétricas nacionais.
São vários os recursos que a natureza disponibiliza para a realização, conservação e exploração dos aproveitamentos hidrelétricos, ainda que, por sua importância, é possível citar três:
altura da queda hidrologia
vazão sólida: elementos que a água carrega com seu movimento
Os dois primeiros permitem a execução e funcionamento do aproveitamento, enquanto o terceiro, consistente na entrada de elementos estranhos que deve ser evitada, pode resultar em problemas de índole diversa.
2.2 Estudo prévios
É necessário dispor de suficiente informação através de diversos estudos do meio físico da área ou região onde se pretende instalar a usina hidrelétrica. Isso permite conhecer com detalhes as características morfológicas, hidrológicas, socioeconômicas e de impacto ambiental para poder definir as alternativas tecnicamente e economicamente viáveis.
Na figura 2.1 se apresenta um fluxograma com os tipos de estudos a realizar. 2.2.1 Estudos da demanda
Este tipo de estudo é muito importante, principalmente quando se trata de fornecer energia elétrica a pequenas populações ou comunidades rurais isoladas da rede elétrica nacional. Utiliza-se para avaliar qual é a demanda de energia elétrica dos potenciais clientes da central e a forma do perfil de demanda diário.
2.2.2 Estudo socioeconômico
comunidades inteiras, etc. Abrange o desenvolvimento e construção da usina, bem como a manutenção, administração e operação da mesma.
2.2.3 Estudos de impacto ambiental
As obras a serem construídas e a operação da usina implicam um grande impacto ambiental, pois se inunda uma grande extensão de terra, resultando em perdas agrícolas, de flora e fauna.
Uma das barreiras mais importantes para o desenvolvimento desta tecnologia é o impacto ambiental que pode provocar. Na Tabela 2.1 estão presentes alguns destes impactos e as medidas corretoras a serem utilizadas.
Tabela 2.1 Impacto ambiental e medidas corretoras. Fonte: elaboração própria.
IMPACTO AMBIENTAL ESTRUTURAS QUE O PROVOCAM
MEDIDAS PROPOSTAS PARA REDUÇÃO
Detração de vazões (com a conseguinte perda de hábitat fluvial, que por sua vez provoca a diminuição das população de fauna piscícola, a redução da riqueza vegetal das margens, etc.)
Todas as instalações em conjunto.
Estabelecimento de uma vazão ecológica
mínima
Medidas de revegetação e integração
paisagística
Destruição de formações vegetais por ocupação das estruturas
Todas as estruturas
Medidas de revegetação e integração
paisagística
Impacto visual Todas as estruturas
Medidas de revegetação e integração
paisagística
Enterrar estruturas (canal de derivação,
câmara de carga e conduto forçado)
Construção das estruturas com tipologia
semelhante a do meio
Mortalidade de fauna piscícola Usina (pela ação da turbina)
Instalação de grades na entrada do canal Instalação de uma barreira sônica para
peixes na entrada do canal Efeito barreira ao trânsito de
fauna Açude
Instalação de uma escada para peixes
Impacto acústico Usina (turbina e geradores) Isolamento acústico da usina
2.2.4 Estudos geológicos e geotécnicos
Os estudos geológicos e geotécnicos indicam as condições e propriedades dos terrenos. Permitem obter uma boa informação sobre o subsolo. Realiza-se a localização e adequação das obras com relação à estabilidade dos terrenos. O estudos das possíveis falhas geológicas é essencial para o projeto e construção da usina, já que permite aos desenhadores ter uma ideia de quais riscos geológicos devem considerar no momento de projetar a usina.
Um estudo completo deverá obter os conhecimento da Geologia Histórica, Geomorfologia, Estratigrafia e Geologia Estrutural da área.
Disponibilidade de materiais de construção Permeabilidade dos terrenos
Estabilidade das encostas Métodos construtivos
O conflito enfrentado pelo planejador de pequenas usinas hidrelétricas consiste em ter que escolher entre:
Custo elevado dos estudos detalhados geotécnicos e hidrotécnicos para cada projeto. Elevação de custos de construção ao desenhar obras com fatores de segurança
elevados.
As falhas mais frequentes correspondem a problemas geotécnicos (40%) e hidrológicos (40%). 2.2.5 Estudos cartográficos e topográficos
A cartografia necessária é obtida através dos Institutos Cartográficos existentes nas diferentes comunidades ou regiões e permite fixar as coordenadas geográficas da área do projeto:
-
Altitude-
Latitude-
LongitudeGeralmente, quando o estudo começa as informações disponíveis são:
-
Mapas do país a escalas de 1:500.000 a 1:2.000.000-
Cartas nacionais a escalas de 1:25.000 a 1:200.000-
Fotografias aéreas a escalas de 1:10.000 a 1:60.000A partir da informação topográfica, elabora-se um perfil do comprimento do rio ( figura 2.2) que mostra, ao longo do seu curso, quais são as inclinações existentes em seu transcurso segundo a área de estudo, definindo os trechos com potenciais mais interessantes.
Com este perfil é possível conhecer fatores fundamentais: por um lado, a altura bruta da queda (Hb) em metros, isso é, a diferença de cotas entre o ponto em que se realiza a captação da água do rio e o ponto onde é devolvida a seu curso natural, depois de haver aproveitado sua energia potencial, ou energia de altura (figura 2.3).
Figura 2.3 Esquema geral de uma queda. Fonte: IDAE
Do mesmo modo, define-se a localização do canal, do conduto forçado e do lugar físico das máquinas em que será realizado o retorno das água ao seu curso natural através do canal de escoamento.
Recomendações adicionais na informação topográfica
• O local de descarga e a edificação das máquina deve cobrir pelo menos 50m ao longo do
curso e nas margens, até 5m acima do nível de captação.
• O canal necessita uma faixa não maior que 10m de cada lado do eixo. Para o desarenador a
largura do canal aumenta de 25 a 30% em um comprimento de 50m. O mesmo ocorre com a câmara de carga.
• Aoconduto de pressão é representada sobre um eixo com topografia de 10m para cada lado,
e um perfil longitudinal com suficiente detalhe para o desenho das mudanças de direção do conduto de pressão com seus apoios e bases.
A Tabela 2.2 mostra os intervalos entre as curvas de nível recomendáveis
Tabela 2.2 intervalos entre as curvas de nível. Fonte: Jairo Arcesio. Tese de Doutorado 1998
ELEMENTO INTERVALO ENTRE CURVAS (m) ESCALA Captação 0,50 1:200 Canal 2,00 1:2000 Desarenador 0,50 1:200 Câmara de Carga 0,50 1:200 Descargas 0,50 1:200 Conduto de pressão 0,50 1:100 Edifício de máquinas 0,50 1:2000 Caminhos de acesso 2,00 1:2000 Linha aérea 2,00 1:500
Por outro lado, a informação cartográfica e topográfica permite obter a superfície da bacia de drenagem em km2, chamada bacia hidrográfica ou topográfica (a) (figura 2.3.1), e que desemboca
na captação de água ou, em outras palavras, na área na qual a chuva coletada pode ser aproveitada. Pode ser definida como a superfície na qual todas as águas procedentes das precipitações produzidas (em Hm3) (b), desembocarão no rio na área de coleta de água. Equivale à drenagem
superficial desta superfície.
Uma bacia de drenagem se separa de suas vizinhas por uma linha de crista de curvas de nível (figura 2.4), cuja longitude será limitada por duas linhas de máxima inclinação.
Figura 2.4 Determinação da superfície de uma bacia
2.2.6 Estudos hidrológicos e pluviométricos
Estes estudos são os responsáveis pelo recursos hídrico disponível e determinam a vazão do projeto da usina.
Pretende responder duas perguntas:
• Qual é a vazão garantida ou projetada existente em um aproveitamento?
• Qual pode ser o valor do vazão de máxima cheia em um determinado momento? Sua
avaliação é muito importante para dimensionar corretamente as obras de proteção e evacuação de enchentes.
A determinação da quantidade de água existente em um rio em um ponto determinado está
vinculada às condições físicas de sua bacia de drenagem e às condições meteorológicas presentes na região.
Quando se dispõe de estações meteorológicas e de medições dentro da bacia de drenagem, a informação estatística que proporcionam permite determinar a curva de precipitação média, bem como a curva de vazões médias classificadas.
Se não se dispõe de estações meteorológicas e/ou pluviométricas dentro da bacia de drenagem, mas se conhecem suas características físicas, é possível avaliar a quantidade de água que pode passar por uma determinada seção de um rio interpretando a correlação destas condições.
2.2.6.1 Determinação da vazão de equipamento da usina hidrelétrica
Para a obtenção da vazão de equipamento são considerados três métodos de atuação:
• Por pluviometria
• Por estação de Medição
• Por correlação entre bacias com características, composição e proximidade semelhantes.
Os três métodos são válidos, ainda que a maior efetividade, em princípio, corresponda às estações de Medições. Contudo, sempre que possível, convém utilizar todos os métodos disponíveis devido à incerteza dos resultados, especialmente se somos conscientes de que o trabalho será realizado com base em dados passados e que se acredita que ocorrerão de forma cíclica, em distintos períodos de tempo.
2.2.6.1.1 Determinação da vazão de desenho por pluviometría
O estudo das precipitações é básico dentro de qualquer estudo hidrológico regional, para quantificar os recursos hídricos. Também é fundamental na previsão de inundações, desenho de obras públicas, estudos de erosão, etc. A precipitação é qualquer água meteórica coletada sobre a superfície da terra. Isto inclui basicamente: chuva, neve e granizo. A unidade de medida é o milímetro.
Precipitação= ET +Esc.Sup + Esc.Sub Sendo:
Esc Sup. = Escoamento superficial
Esc Sub = Escoamento subterrâneo
ET = Evapotranspiração
Denomina-se ciclo hidrológico (figura 2.5) ao movimento geral da água, ascendente em razão da evaporação e descendente, em primeiro lugar, pelas precipitações, e logo em forma de escoamento superficial e subterrâneo.
O escoamento subterrâneo é muito mais lento que o superficial. Outros conceitos fundamentais são:
• Escoamento direto: o que chega aos cursos superficiais em um período de tempo curto após
a precipitação e que normalmente envolve o escoamento superficial.
• Escoamento básico: o que alimenta os cursos superficiais na estiagem, durante os períodos
sem precipitações e que normalmente envolve o escoamento subterrâneo. Como média, na grande maioria das bacias hidrográficas:
(Precipitação) 670 mm (100%) = (ET) 480 mm (72%) + (Esc.Sup) 130 mm (19%) + (Esc.Sub) 60 mm ( 9%) A relação entre a entrada no rio e a precipitação é conhecida pelo nome de coeficiente de escoamento e seu valor varia muito dependendo de inúmeras variáveis como a área de estudo, sua vegetação, a época do ano, etc.
Quando se sabe qual é a precipitação, a área da bacia de drenagem e o coeficiente de escoamento, obtém-se o valor do curso, de acordo com a fórmula 1:
Sendo-
Q = vazão em m3/s.-
I = Intensidade da precipitação em mm/hora-
A = superfície da bacia de drenagem em km2-
C = coeficiente de escoamentoO valor do coeficiente de escoamento pode ser calculado através da fórmula 2.
Nesta o Pd =precipitação diária em mm (obtida estatisticamente para o período de retorno considerado) e P0 =limiar de escoamento em mm.
Exemplo 1. Calcular a vazão do projeto para um período de retorno de 50 anos em uma bacia com uma superfície de 12,1Km2. Comprimento do curso: 5,1 km. Quota máxima: 956 m; Quota mínima: 889 m. A precipitação diária Pd: 71mm (para o período de retorno de 50 anos). Limiar de escoamento P0: 27mm. Intensidade de precipitação de 16,2 mm/hora.
Solução: Substituindo estes dados na fórmula 1, com x= Pd/P0 = 71/27=2,60
A Vazão de drenagem da bacia aplicando a fórmula 2:
Apresentação dos dados pluviométricos
A mensuração das precipitações é realizada através das estações pluviométricas distribuídas por todos o território nacional. Por exemplo, no caso da Espanha, estas estações dependem do Instituto Nacional de Meteorologia. Os dados são fornecidos de forma mensal e anual (ano hidrológicos), conforme mostra a seguinte figura 2.6.
Figura 2.6 Precipitações mensais médias. Fonte: Departamento de Geologia da Universidade de Salamanca.
O ano hidrológico varia de acordo com o regime climático. Em muitos países, é considerado de 1 de outubro a 30 de setembro, como é o caso da Espanha.
Os gráficos utilizados em pluviometria se denominam hietogramas e expressam precipitações em função do tempo. Podem figurar a precipitação que cai, ou a intensidade de precipitação (mm/hora) (figura 2.7).
Para calcular as vazões geradas nos cursos superficiais a partir das precipitações, por exemplo, para o desenho de obras públicas, utiliza-se a curva Intensidade-Duração ( figura 2.8) que expressa a máxima intensidade de precipitação registrada em diversos intervalos de tempo.
Figura 2.8 Curva intensidade-duração. Fonte: Departamento de Geologia da Universidade de Salamanca.
É comum representar conjuntamente várias curvas de intensidade-duração para diversos períodos de retorno, ensejando uma família de curvas denominadas Intensidade-Duração-Frequência (Curvas IDF) (figura 2.9).
A frequência é o inverso do período de retorno. Ocorrendo algo a cada 50 anos, sua frequência é de 0,02.
Quando dispomos de séries pluviométricas longas (mais de 20 anos) podemos calcular a probabilidade existente de que as precipitações do próximo ano superem um valor determinado. Normalmente trabalha-se com o dado da precipitação média sobre a bacia: volume total de água coletado na bacia. Conhecido o valor da precipitação média sobre uma bacia em um período de tempo determinado (um dia, um mês, um ano) e conhecida a superfície total da bacia, é possível obter o volume de água (lâmina de água captada).
Definida a superfície da bacia hidrográfica e sabendo os dados pluviométricos da área, podemos definir os seguintes conceitos:
• Descarga (Hm
3): É o volume de água aportado pelo curso em um ponto determinado
durante um ano.
• Vazão específica (litros/s.km
2): Vazão por unidade de superfície. Representa a vazão
aportada por cada km2 de bacia. Permite comparar bacias de superfícies distintas. As áreas de montanha proporcionam mais de 20 litros/s. km2, enquanto nas partes baixas da mesma bacia somente de 4 a 5 litros/s.km2.
• Lâmina de água equivalente: obtém-se dividindo a descarga pela superfície da bacia.
Na figura 2.10 apresentam-se os dados de descarga anual coletados em um bacia, com histórico de 30 anos.
2.2.6.1.2 Por estações de Medições
Destinam-se a medir uma vazão. Na Hidrologia superficial pode ser necessário medir pequenas vazões (litros/s) de rios com muitos m3/s. A determinação das vazões deve ser realizada por seções específicas, fixas e inalteráveis no tempo, denominadas medições.
Vários países dispõem de redes de estações de Medições. Os resultados são editados pelas Confederações Hidrográficas. Por exemplo, na Espanha, estas medições são realizadas nas estações de Medições distribuídas pelas diferentes Bacias Hidrográficas espanholas dependentes do Ministério de Fomento, através do CEDEX (Centro de Estudos e Experimentação de Obras Pública) (www.hercules.cedex.es). Atualmente, depende do Ministério da Agricultura, Alimentação e Meio Ambiente, sendo que o anuário de dados de medições pode ser encontrado em www.sig.magrama.es. Na figura 2.11 apresenta-se uma bacia que dispõe de um ponto de medição de águas acima do ponto de interesse.
Figura 2.11 Bacia hidrográfica com estação de Medição. Fonte: Jairo Arcesio. Tese Doutoral 1998.
2.2.6.1.2.1
Tipos de medições
As medições podem ser:
a) Medições diretas: Com algum aparelho ou procedimento medimos diretamente a vazão. Os métodos podem ser:
a.1) Método área velocidade: Molinetes, medidores ultrassônicos, etc. a.2) Diluição com marcadores: Medição de descarga constante
b)
b) Medições indiretas ou contínuas:Medições indiretas ou contínuas: Mede-se o nível de água no curso e, a partir deste nível,Mede-se o nível de água no curso e, a partir deste nível, calcula-se a vazão. Os métodos são:
calcula-se a vazão. Os métodos são:
b.1) Estruturas hidráulicas com escalas linimétricas e linígrafos b.1) Estruturas hidráulicas com escalas linimétricas e linígrafos b.2) Método área inclinada
b.2) Método área inclinada
Descrição dos métodos por medições diretas Descrição dos métodos por medições diretas
a.1) Método área - velocidade com molinetes (figura 2.12).
a.1) Método área - velocidade com molinetes (figura 2.12). Mede-se a velocidade da água em Mede-se a velocidade da água em seções conhecidas do curso e se calcula com:
seções conhecidas do curso e se calcula com: Vazão (m
Vazão (m33/s)= Seção (m/s)= Seção (m22) x Velocidade (m/s)) x Velocidade (m/s)
•
• Divide-se a área transversal em seções não maiores que 1/15 a 1/20 da largura total daDivide-se a área transversal em seções não maiores que 1/15 a 1/20 da largura total da
seção seção
•
• Em cada vertical, dentre as várias em que se divide a seção, medem-se velocidades aEm cada vertical, dentre as várias em que se divide a seção, medem-se velocidades a
diferentes profundidades com molinetes e determina-se a velocidade média em cada seção. diferentes profundidades com molinetes e determina-se a velocidade média em cada seção. O molinete envia por cada volta um impulso elétrico que é registrado em um contador. O molinete envia por cada volta um impulso elétrico que é registrado em um contador. Dispõe de uma curva que correlaciona o número medido de impulsos com a velocidade da Dispõe de uma curva que correlaciona o número medido de impulsos com a velocidade da corrente que se deseja medir. Isto permite obter o perfil vertical da velocidade da água em corrente que se deseja medir. Isto permite obter o perfil vertical da velocidade da água em cada seção.
cada seção.
•
• Calcula-se a vazão correspondente em cCalcula-se a vazão correspondente em cada seção, conhecendo-se sua área.ada seção, conhecendo-se sua área. •
• A Vazão total será a soma de todas as vazões obtidas em cada seção ou área.A Vazão total será a soma de todas as vazões obtidas em cada seção ou área.
Moinho de hélice Moinho de hélice
Figura 2.12 Método área - velocidade com molinetes.
Figura 2.12 Método área - velocidade com molinetes.
a.2) Diluição com marcadores. Medições químicas. a.2) Diluição com marcadores. Medições químicas.
Esta técnica é utilizada em correntes muito largas, em rios caudalosos ou em rios de montanha. Esta técnica é utilizada em correntes muito largas, em rios caudalosos ou em rios de montanha. Baseia-se em aplicar uma substância de concentração conhecida no curso que se dilui na corrente, Baseia-se em aplicar uma substância de concentração conhecida no curso que se dilui na corrente, tomando-se amostras a jusante. Quanto maior for a vazão, mais diluídas estarão as amostras tomando-se amostras a jusante. Quanto maior for a vazão, mais diluídas estarão as amostras analisadas.
analisadas.
É importante destacar que para aplicar este método parte-se do pressuposto de que a vazão é É importante destacar que para aplicar este método parte-se do pressuposto de que a vazão é permanente e os marcadores possuem as seguintes propriedades:
permanente e os marcadores possuem as seguintes propriedades:
•
• Não devem ser absorvidos pelos sedimentos ou vegetação, nem devem reagirNão devem ser absorvidos pelos sedimentos ou vegetação, nem devem reagir
quimicamente. quimicamente.
•
• Não devem ser tóxicos.Não devem ser tóxicos. •
• Devem ser facilmente detectáveis em pequeñas concentrações.Devem ser facilmente detectáveis em pequeñas concentrações.
São 3 os tipos de marcadores: São 3 os tipos de marcadores:
•
• Químicos: desta classe são o sal comum e o dicromato de sódioQuímicos: desta classe são o sal comum e o dicromato de sódio •
• Fluorescentes: como a rodamina.Fluorescentes: como a rodamina. •
• Materiais radioativos: os mais usados são o iodo 132, bromo 82, sódio.Materiais radioativos: os mais usados são o iodo 132, bromo 82, sódio.
O sal comum pode ser
O sal comum pode ser detectado com uma margem de erro de 1% detectado com uma margem de erro de 1% para concentrações de 10 ppm. Opara concentrações de 10 ppm. O dicromato de sódio pode ser detectado em concentrações de 0,2 ppm e os marcadores dicromato de sódio pode ser detectado em concentrações de 0,2 ppm e os marcadores fluorescentes com concentrações de 1/1000. Os marcadores radioativos são detectados em fluorescentes com concentrações de 1/1000. Os marcadores radioativos são detectados em contrações muito baixas (1/1014). No entanto, sua utilização requer pessoal muito especializado. contrações muito baixas (1/1014). No entanto, sua utilização requer pessoal muito especializado. As medições químicas podem ser:
As medições químicas podem ser:
Medições de descarga constante (figura 2.13).Medições de descarga constante (figura 2.13). Injeta-se um marcador em uma Injeta-se um marcador em uma determinadadeterminada seção em uma vazão constante, com uma concentração de marcador C1. Realizando-se um seção em uma vazão constante, com uma concentração de marcador C1. Realizando-se um balanço de massa do marcador entre o ponto 1 e o ponto 2, supondo-se que a corrente leva balanço de massa do marcador entre o ponto 1 e o ponto 2, supondo-se que a corrente leva uma concentração de marcador de C0, tem-se:
uma concentração de marcador de C0, tem-se:
Q C
Mas como C0
Mas como C0
≅≅
0 0 , , q q CC11 = (Q+q) C = (Q+q) C22 e como Q+qe como Q+q≅≅
Q, logo Q, logo Q = q (CQ = q (C11/C/C22))
Figura 2.13 Aforo de vertido constante. Fuente Dpto.
Figura 2.13 Aforo de vertido constante. Fuente Dpto. Geología. Univ. SalamancaGeología. Univ. Salamanca
Exemplo
Exemplo: Uma solução de sal comum com uma concentração de Co = 200 g/l foi aplicada em um rio: Uma solução de sal comum com uma concentração de Co = 200 g/l foi aplicada em um rio com uma vazão constante de q= 25 l /s. O rio tinha uma concentração inicial de sal de C1 =10 ppm = com uma vazão constante de q= 25 l /s. O rio tinha uma concentração inicial de sal de C1 =10 ppm = 0,01 g/l. A jusante, mediu-se uma concentração de C2 = 45 ppm = 0,045 g/l.
0,01 g/l. A jusante, mediu-se uma concentração de C2 = 45 ppm = 0,045 g/l. Aplicando a equação anterior, tem-se que Q=113,6 m
Aplicando a equação anterior, tem-se que Q=113,6 m33/s/s
Medições de descarga única ou de integração (figura 2.14).Medições de descarga única ou de integração (figura 2.14). Em uma seção 1 de um rio,Em uma seção 1 de um rio, adiciona-se um pequeno volume de marcador (V
adiciona-se um pequeno volume de marcador (V11) com uma concentração alta C) com uma concentração alta C11. Existindo. Existindo
no rio uma concentração C
no rio uma concentração C00, o perfil de concentrações se comporta com o tempo assim:, o perfil de concentrações se comporta com o tempo assim:
Figura 2.14
Figura 2.14Medição de descarga única.Medição de descarga única.
A continuação, tem-se: A continuação, tem-se:
Donde Q es el caudal que se desea conocer, resolviendo la ecuación para Q se tiene:
Q=
Descrição dos métodos por medições indiretas.
b.1) Estruturas hidráulicas com escalas linimétricas e linígrafos
• Escalas linimétricas: São escalas graduadas em centímetros presas ao solo. Todos os dias
coleta-se o valor máximo e mínimo alcançado.
• Linígrafo: Aparelho que mede o nível da água através de uma boia. O valor é registrado de
forma contínua.
escalas que indicam o canal real hidrograma gráfico disco conversor de h1 em Q leitura do totalizador volumétrica
• Estruturas hidráulicas: São estruturas de controle fixas e inalteradas (conhecidas como
vertedouros) em que a partir da medida do nível da água é possível estimar a vazão .
Estes vertedouros podem ser:
-
de parede fina para vazões menores que 0,5 m3/s.-
de parede grossa para vazões maioresPodem ser construídos com seções de triangulares, retangulares ou trapezoidais.
Pode-se estabelecer uma relação H-Q direta com o linígrafo e, a partir desta, pode-se obter um hidrograma de Q-t.
Os vertedouros de parede fina (figura 2.15) estão formados por uma placa com uma borda muito fina. Este tipo de estruturas utiliza-se como dispositivo de medição em canais de pequenas dimensões.
O ponto ou aresta mais baixa de um vertedouro é conhecido como crista (w), enquanto o desnível existente entre a superfície livre da água, a montante do vertedouro, e sua crista, são conhecidos coma carga hidráulica (H ou h).
A equação do vertedouro com seção retangular é:
Q= C.L.H3/2 (m3/s)
Na qual C = coeficiente de contração do vertedouro, L = largura do vertedouro e H = altura da água. Dependendo da forma, a equação pode ser distinta:
TIPO DE VERTEDEURO Equação RETANGULAR Q=C.l.H3/2
TRIANGULAR Q=C.H5/2
TRAPEZOIDAL Q= C.L.H3/2
Figura 2.15 Vertedouro de parede fina: a) seção retangular, b) seção triangular e c) seção trapezoidal. Fonte: SOTELO ÁVILA; Gilberto. Hidráulica General.
w H=0.05 H=0.10 H=0.20 H=0.40 H=0.60 H=0.80 H=1.00 0.5 2.316 2.285 2.272 2.266 2.263 2.262 2.262 1.0 2.082 2.051 2.037 2.030 2.027 2.026 2.025 2.0 1.964 1.933 1.919 1.912 1.909 1908 1907
B) Vertedouros de parede grossa
Os vertedouros de parede grossa são utilizados para medir grandes vazões (figura 2.16). A vazão sobre a parede possui linhas de correntes paralelas, de modo que existe uma distribuição de pressões hidrostáticas.
O valor da vazão pode ser calculado com a seguinte fórmula:
Sendo:
C = coeficiente de descarga b = comprimento do vertedouro
ε1 = coeficiente que depende da relação (e/h) h = altura da água
Figura 2.16 Vertedouro de parede grossa e construção de um vertedouro em forma de V. Fonte: SOTELO ÁVILA, Gilberto. Hidráulica General. p. 267.
b.2) Método área-inclinada
Pode-se fazer uma estimativa aproximada do curso determinando as propriedades geométricas de duas seções diferentes, separadas por uma distância L e pelo coeficiente de rugosidade no curso.
Figura 2.17 Método área-inclinada
Aplicando a equação de Bernoulli tem-se:
Na qual:
h = (Y+Z) e Hf são as perdas de energia que podem ocorrer usando a fórmula de Manning V = velocidade em m/s
Rh = raio hidráulico em m
Sf = inclinação da linha de energia A = área da seção transversal em m2 n = coeficiente de rugosidade de Manning
2.2.6.1.3 Determinação da vazão de equipamento por correlação de bacias
Em alguns casso pode ocorrer que não existam Estações de Pluviometria ou de medição na área em que será implantado o aproveitamento (figura 2.18), nem mesmo em todo o curso do rio, somente em áreas adjacentes com alguma estação que possa proporcionar os dados. Nesse caso, se as condições de vegetação, orientação das chuvas dominantes, morfologia, encostas, distância, etc., são adequadas, podem ser utilizados seus dados e aplicados à área a ser estudada. O coeficiente de aplicação a ser utilizada costuma ser o da relação entre as superfícies da bacia.
Figura 2.18 Correlação entre bacias. Divisórias de águas: topográficas (em laranja), direção do escoamento nas ladeiras (azul escuro) e rede de drenagem principal (azul celeste). Fonte: Instituto Cartográfico de Valencia.
Para os estudos de viabilidade e avaliação de vazões, recomenda-se avaliar as seguintes características:
• Área da bacia (A) (km2). A área da bacia está definida pelo espaço delimitado pela curva do
perímetro ou linha da crista das curvas de nível.
• Comprimento do curso principal (L) (km), perímetro (P) (km) e largura (W) (km). O
comprimento L da bacia está definido pelo comprimento do curso principal, sendo a distância equivalente percorrida pelo rio entre o ponto de descarga a jusante e o ponto situado na maior distância topográfica a montante.
Comprimento do canal principal
A largura é definida como a relação entre a área (A) e o comprimento da bacia (L).
• Fator de forma. É a relação entre a área da bacia e o quadrado da longitude de seu curso
principal. A forma da bacia determina seu conduto forçadomento hidrológico e influi diretamente no modo de escoamento.
• Fato de compacidade. É um índice comparativo com a forma da bacia de drenagem
(perímetro e área da bacia).
• Extensão superficial da bacia. É o mais importante entre bacias. É a área circunscrita pelo
“divortium-aquarum” ou linha divisória da bacia que influi diretamente nos resultados de
- Bacia com estação de medição
-
Bacia sem estação de medição• Extensão superficial média. É a relação entre a área total da bacia e a dupla longitude do
curso maior.
• Elevação média da bacia. Dentre os fatores que modificam as características hidrológicas de
uma região encontra-se a altura sobre o nível do mar.
• Inclinação média do curso (j). Pode-se obter da informação topográfica. É a relação
existente entre o gradiente de altitude da bacia e seu comprimento.
j = h/l, sendo que h = gradiente de altitude em km e L = comprimento da bacia em km.
• Inclinação média da bacia (J). Calcula-se como média ponderada das inclinações de todas as
superfícies elementares da bacia nas quais a linha de máxima inclinação se mantém constante; é um índice da velocidade média de escoamento e, portanto, do seu poder para arrastar ou poder erosivo.
Na qual: Li = Comprimento de cada curva de nível (km) E = Equidistância das curvas de nível (km) A = superfície da bacia (km2)
2.2.6.2 Conclusões: utilização de um método ou outro
O método mais direto e fiável é utilizar os dados oferecidos pelas Estações de Medições, já que os valores obtidos são vazões em m3/s.
Atualmente, todas as obras realizadas nos rios implicam a realização de uma Estação de Medição, determinada pela Administração do Estado e que se encontra em bom estado, realizando medições fiáveis.
Para que um estudo hidrológico tenha validade, é preciso dispor de dados fiáveis de um período não menor do que 25 anos.
As Estações Pluviométricas, por seu próprio método de funcionamento, não estão relacionadas com o sistema das Estações de Medição. O fornecimento de dados mensais, o coeficiente de escoamento, etc., faz com que os dados obtidos se revistam de notável incerteza.
O sistema da correlação de bacias, sobretudo quando os dados a correlacionar são de precipitações, possui uma escassa fiabilidade.
De todos os modos, como já se indicou anteriormente, um estudo hidrológico é um estudo que prevê o que ocorrerá no futuro em função do que ocorreu nos anos passados. Isso indica que os anos abrangidos pelo estudo deverão ser suficientes para que possam abarcar um ciclo de umidade-seca completo pois, do contrário, as surpresas e principalmente as consequências poderiam ser muito importantes.
2.2.6.3 Determinação da vazão de equipamento
Define-se coma vazão de equipamento de um aproveitamento hidrelétrico aquela que fornece a maior quantidade de energia, considerando uma série de condicionantes como:
• a vazão ecológica.
• o Vazão mínima que pode ser admitida pela turbina, o Vazão mínima técnica • o tipo de aproveitamento
• a disponibilidade ou não de uma represa reguladora, etc.
O estudo aqui realizado está baseado em um aproveitamento com água fluente, no qual não existe capacidade de regulação e as turbinas somente podem turbinar as vazões circulantes pelo rio.
2.2.6.3.1 Vazão ecológica
Os aproveitamentos hidrelétricos coletam a água em um ponto determinado do rio e a restituem ao curso natural em outro, situado a jusante e a uma distância, que pode ser considerável, do anterior. Isto ocorre sobretudo nos aproveitamentos hidrelétricos do tipo fluentes com canal de derivação (figura 2.19).
A área do rio assim definida deve dispor de vazões mínimas capazes de manter o funcionamento do ecossistema fluvial em todos seus níveis ( figura 2.20), o que é possível ver nos gráficos que relacionam a Largura Ponderada Útil (LPU) com a vazão circulante pelo curso Q em cada um dos cursos considerados.
Figura 2.20 Ecossistema fluvial. Fonte: CONAMA (Congresso Nacional de Meio Ambiente - ETSI Montes).
A LPU total do curso, para uma vazão e etapa de vida concretos, determina-se como a soma das LPUs correspondentes a cada seção transversal do curso que representam com relação ao total. Uma vez calculadas as LPUs para diferentes vazões e etapas de vida, obtém-se curvas que servem para estabelecer o regime de vazões de manutenção ou servidão.
2.2.6.3.2 Métodos de modelagem do hábitat
Os métodos de modelagem da idoneidade do hábitat baseiam-se na simulação hidráulica, acoplada ao uso de curvas de preferência do hábitat físico para a espécie ou espécies objetivo, obtendo-se curvas que relacionem o hábitat potencial útil com a vazão nos cursos escolhidos.
Uma das metodologias mais utilizadas é a IFIM (Instream Flow Incremental Methodology), que analisa as diferentes condições hidráulicas produzidas em um curso com a variação das vazões circulantes, relacionando também as preferências das espécies escolhidas através do uso de curvas, obtendo finalmente uma relação entre a vazão circulante e o hábitat disponível para a espécie. Na figura 2.21 apresenta-se em que consiste esta metodologia
Figura 2.21 Metodologia IFIM
Dentre as vazões ecológicas podem-se destacar os seguintes:
• Vazão mínima absoluta: É a vazão capaz de suportar tanto a vida macro-invertebrada, como
a piscícola e, portanto, deverá ser capaz de, pelo menos, gerar uma LPU igual a um metro ou a 10% da largura total do curso em cada seção (o que possuir maior número). Como largura média será considerada a correspondente ao nível de seção plena ou bankfull.
Para sua obtenção se utilizam as curvas LPU / vazão para cada transecção (técnica de observação e coleta de dados que estabelece uma rede de referências fixas) segundo o exposto na figura 2.22.
Figura 2.22 Escolha da vazão ecológica. Curvas LPU/vazão. Descrição de uma transecção. Fonte: CONAMA (Congresso Nacional de Meio Ambiente - ETSI Montes).
• Vazão mínima de estiagem: É possível reforçar o critério do mínimo absoluto com a
exigência de que a LPU seja maior do que 30% da largura média do curso, já que uma redução maior e permanente afetaria a ecologia de inúmeras espécies adaptadas a um rio de dimensão determinada. Esta vazão indicará o mínimo necessário na época de estiagem.
• Vazão mínima ideal: Outro critério para determinar a vazão ecológica mínima é encontrar a
menor vazão a partir da qual a inclinação da curva LPU / Q diminui sensivelmente e, possivelmente, na qual maiores vazões não aumentariam apreciavelmente o hábitat útil.
• Vazão aconselhável: O conceito das vazões ecológicas aconselháveis nasce da observação
do fato de que algumas vazões baixas, que originam escassez de peixes, não possuem interesse do ponto de vista da pesca esportiva ou da manutenção de populações piscícolas. Assim, considera-se que, sempre que possível, devem circular pelos cursos vazões aconselháveis capazes de manter uma biomassa ou produção piscícola em função dos fins perseguidos.
2.2.6.3.3 Normas ambientais
Atualmente existem normas ambientais em distintos países que indicam as vazões mínimas existentes em função da vazão presente em 347 dias do ano (obtida da curva de vazões classificadas).
Pode-se estabelecer que a vazão ecológica, em litros/segundo, deverá ser igual ou superior ao maior valor obtido nas três formulas seguintes:
2.2.6.3.4 Vazão mínima técnica
As turbinas obtém seu rendimento ideal para vazões circulantes compreendidas entre seu valor nominal e seu mínimo técnico. A primeira coincide com a do equipamento, isso é, aquela que fornece a máxima energia, enquanto a segunda depende do fabricantes da turbina e do seu tipo. A Vazão mínima técnica é diretamente proporcional à vazão de equipamento (Qe) com um fator de proporcionalidade K que depende do tipo de turbina
:
Q min = K. Q e
TIPO DE TURBINA FACTOR K
PELTON 0,10
FRANCIS 0,40
KAPLAN 0,25
SEMIKAPLAN 0,40
2.2.6.3.5 Tratamento estatístico dos dados da medição
Conforme comentou-se no ponto 2.2.6.2, o método mais direto e fiável é utilizar os dados oferecidos pelas Estações de Medição e, a partir destes, realizar:
Análise da série histórica
• A partir dos dados iniciais, realiza-se uma análise da descarga (Hm3) das estações de
medição mais próxima da implantação da central (devem ter mais de 30 anos de dados de vazões médias diárias).
Classificação dos anos tipo
• Em todo estudo teórico ou com dados reais, é preciso obter uma série anual ou grande o
• Com esta série, realiza-se uma distribuição estatística que tipifica os anos em função da
descarga registrada (figura 2.23). Obtém-se um ano natural mais próximo à média, ao qual se denominará ano centralizado.
Figura 2.23 Curva de classificação dos anos hidrológicos. Fonte: IDAE
2.2.6.3.5.1 Curva de duração da vazão ou curva de vazões médias classificadas
É um procedimento gráfico para analisar a frequência dos dados de vazões e representa a frequência acumulada das vazões médias diárias ou mensais, indicando a porcentagem de tempo durante o qual as vazões se igualam ou superam um determinado valor.
Quando se dispõe de n dados de vazões, o tratamento estatístico encaminha-se a avaliar a
probabilidade de que se apresente no futuro uma vazão maior ou menor do que um determinado valor, ou avaliar qual vazão superará uma determinada % dos anos, para considerar a probabilidade de que ocorram enchentes ou secas.
Deve-se ordenar os dados disponíveis do menor ao maior, desconsiderando sua ordem cronológica, e calcular para cada um a probabilidade (frequência relativa) de que a vazão ou descarga alcance este valor.
As curvas de duração de vazões fornecem informação sobre a porcentagem de tempo relativa a uma vazão de um rio superior ou inferior a um determinado valor, mas não refletem a distribuição ou sequência deste período, nem o momento do ano em que se produz, o que pode ser de grande importância para as espécies aquáticas.
A inclinação da curva depende do tipo de dados disponíveis (ver figura 2.24). Vazões diários produzem uma curva mais inclinada do que uma calculada com vazões mensais.
- A forma e inclinação destas curvas refletem a capacidade de regulação da bacia hidrográfica ou a regulação artificial por reservatórios.
Figura 2.24 Curvas de duração de vazões
Quando se desenha um papel logarítmico, a curva se transforma em uma reta. - Se a reta está muito inclinada, indica vazões variáveis.
- Se a inclinação é pequena, indica respostas lentas à chuva e variações pequenas da vazão. As curvas de duração são utilizadas para a avaliação do potencial hidráulico de um rio, para estudos de controle de inundações, no desenho de sistemas de drenagem, para calcular a carga de sedimentos e para comparar bacias hidrográficas.
Através desta curva, definem-se também as seguintes vazões características ( figura 2.25):
-
Vazão de máxima cheia ou de inundação (QM): vazão de mais de 10 dias ao ano-
Vazão de seca: vazão que ultrapassa 355 por ano-
Vazão média anual: Valores médios das 12 vazões médias mensais (para cada ano)-
Vazão mínima provável ou de estiagem: é a vazão que a corrente deve fornecer durante todo o ano, com uma probabilidade de excedência próxima a 100%-
Vazão ecológica (Qsf): aquela que deve ser deixada no curso normal do rio. Inclui a vazão necessária para outros usos. A Vazão ecológica é fixada pelo Organismo da Bacia. Quando não existe uma estimação prévia, pode ser considerada como 20% da Vazão média interanual.-
Vazão mínima técnica (Qmt): é aquela diretamente proporcional à vazão de equipamento, com um fator de proporcionalidade K que depende do tipo de turbina.Figura 2.25 Curva de vazões médias classificadas. Fonte: IDAE
EXEMPLO 1. Procedimento para obter a curva de vazões médias diárias classificadas
A seguir se descreverá o procedimento para a obtenção da curva de vazões médias diárias classificadas.
De um determinado rio, dispõe-se dos dados de vazões médias diárias obtidas para cada dia e em cada mês, durante 20 anos, conforme consta na Tabela 2.3. Estes dados foram obtidos através de uma estação de medição
Tabela 2.3 Dados de vazões médias diárias
Ordenando os valores da vazão do menor ao maior, desconsiderando a ordem cronológica de surgimento e descontando 20% da vazão ecológica para todo o ano, ficariam ordenados da forma apresentada na Tabela 2.4: Vazão (Q) (m3/s) Q – Qsf (m3/s) Nº de vezes que o valor se repete Dias
acumulados Dias / ano
Horas disponíveis de cada vazão (h) Energia (kWh /ano) 0 0 0 0 365 0 0,0 5 4 7 7 358 168 48519,5 8,95 7,16 4 11 354 96 49628,5 9,5 7,6 12 23 342 288 158034,9 10,25 8,2 3 26 339 72 42627,8 11 8,8 1 27 338 24 15249,0 11,75 9,4 3 30 335 72 48866,0 12,5 10 5 35 330 120 86641,9 13,35 10,68 5 40 325 120 92533,6 14,2 11,36 3 43 322 72 59055,1 15,05 12,04 6 49 316 144 125180,2 15,9 12,72 13 62 303 312 286542,2 16,75 13,4 13 75 290 312 301860,4 17,6 14,08 4 79 286 96 97593,5 18,45 14,76 4 83 282 96 102306,8 19,3 15,44 10 93 272 240 267550,2 20,15 16,12 1 94 271 24 27933,4 21 16,8 9 103 262 216 262005,2 22,7 18,16 5 108 257 120 157341,7 25,25 20,2 12 120 245 288 420040,0
Vazão (Q) (m3/s) Q – Qsf (m3/s) Nº de vezes que o valor se repete Dias
acumulados Dias / ano
Horas disponíveis de cada vazão (h) Energia (kWh /ano) 33,75 27 2 136 229 48 93573,3 34,6 27,68 2 138 227 48 95929,9 36,3 29,04 24 162 203 576 1207719,1 38 30,4 37 199 166 888 1949096,6 39,9 31,92 5 204 161 120 276561,0 42,75 34,2 12 216 149 288 711156,9 45,6 36,48 5 221 144 120 316069,7 47,5 38 16 237 128 384 1053565,7 49,4 39,52 1 238 127 24 68481,8 52,25 41,8 8 246 119 192 579461,2 53,2 42,56 1 247 118 24 73749,6 55,1 44,08 9 256 109 216 687451,7 57 45,6 14 270 95 336 1106244,0 59 47,2 2 272 93 48 163579,9 62 49,6 6 278 87 144 515692,7 67 53,6 5 283 82 120 464400,7 72,5 58 3 286 79 72 301513,9 75,8 60,64 2 288 77 48 210158,6 78 62,4 7 295 70 168 756903,8 80,2 64,16 2 297 68 48 222357,8 84,6 67,68 1 298 67 24 117278,5 86,8 69,44 1 299 66 24 120328,3 89 71,2 7 306 59 168 863646,7 94,75 75,8 1 307 58 24 131349,2 100,5 80,4 4 311 54 96 557280,8 102,9 82,32 2 313 52 48 285294,5 112 89,6 1 314 51 24 155262,3 117,6 94,08 1 315 50 24 163025,4 118 94,4 1 316 49 24 163579,9 118,88 95,104 1 317 48 24 164799,9 125,25 100,2 9 326 39 216 1562673,7 127,8 102,24 1 327 38 24 177165,4 131,62 105,296 5 332 33 120 912304,8 138 110,4 4 336 29 96 765221,4 144,5 115,6 2 338 27 48 400632,2 151 120,8 3 341 24 72 627980,6 164 131,2 3 344 21 72 682045,2 185 148 2 346 19 48 512920,2 192 153,6 1 347 18 24 266164,0 213,75 171 1 348 17 24 296315,4 221 176,8 3 351 14 72 919097,5
Tabela 2.4 Tabela de vazões ordenadas da menor à maior e energia
O valor da energia elétrica ou produção em kWh/ano para cada valor de vazão da tabela 2.4 foi calculado segundo a fórmula:
E = 9,81. Hn . (Q-Qsf) . h .e ( kWh/año)
Sendo:
h = horas de disponibilidade de cada valor de vazão por ano
e = eficiência global da usina (turbina + gerador elétrico + transformador) = 92%
Q-Qsf = Vazão média diária menos a vazão ecológica em m3/s.
Representando graficamente os valores da vazão em função dos dias do ano em que é maior ou igual a este valor, obteremos a curva de vazões médias diárias classificadas (figura 2.26):
Figura 2.26 Curva de vazões médias classificadas
Según esta curva, el caudal máximo o de crecida es de 221 m3/s, donde corta la curva con el eje de abscisas y el caudal medio anual es de 50,58 m3/s.
2.2.6.3.6 Determinação da vazão de equipamento
A Vazão de equipamento Q e será escolhida de modo que o volume turbinado seja máximo, isso é, a
área fechada entre os pontos A, B, C, D e E seja máxima, de acordo com a figura 2.25. Para determinar o valor ideal, pode-se utilizar os seguintes métodos:
MÉTODO 1
Uma vez descontada a vazão ecológica (Q sf ) na curva de vazões médias classificadas, escolhe-se a
vazão de equipamento (Q e) no intervalo da curva compreendido entre o Q 80 e o Q 100, sendo o Q 80 a vazão que circula pelo rio durante 80 dias por ano e o Q 100a que circula durante 100 dias por ano.
A Vazão de equipamento estaria entre valores aproximados de 45 a 58 m3/s na curva de vazão, reduzindo-se a vazão ecológica.
MÉTODO 2
Este método para a obtenção da vazão de equipamento (Q e) está baseado em fazer funcionar a
central o maior número de dias a sua potencia nominal. A partir de cada valor de vazão, vazão ecológica ou de servidão (Q sf ) e Vazão mínima técnica (Q mt), que dependerá do tipo de turbina escolhida, obtém-se a energia elétrica correspondente.
Observando os valores obtidos no Exemplo 1, o valor da vazão Q = 38 m3/s repete-se 37 dias por ano, e obtém-se um valor de energia de 1949096,6 kWh/año (descontando-se 20% da vazão ecológica). Este é, portanto, o valor ideal.
De forma gráfica, pode-se observar também esta conclusão (figura 2.28):
Figura 2.28 Gráfico da energia em função da vazão Flujo = 38 m3/seg
