Operação de uma central mini-hídrica tendo em conta a ... · Este estudo investiga os efeitos da...

Operação de uma central mini-hídrica tendo em conta a

disponibilidade de habitat a jusante

Isabel Maria Franco Pragana

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientadores

Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro

Doutora Isabel Maria Bento de Matos Boavida

Júri

Presidente: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira

Orientador: Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro

Vogais: Professor Doutor António Bento Franco

Doutor Paulo José de Lemos Branco

Janeiro 2015

i

Agradecimentos

Esta dissertação constitui o produto final de muita dedicação e empenho ao longo de 5 anos de

formação. Este percurso não seria possível sem o contributo de muitas pessoas que me apoiaram.

Nesta secção, passo a citar o meu agradecimento àqueles que me ajudaram a concluir esta etapa

final, e aos demais que estiveram sempre presentes.

Ao Professor Doutor António Pinheiro, o principal promotor desta dissertação, por todo o

conhecimento transmitido, pela excelente orientação deste trabalho, bem como pela disponibilidade

apresentada ao longo deste ano.

À Doutora Isabel Boavida, um sincero obrigada por todo o apoio, por todos os esclarecimentos, por

todas as horas dispensadas e pelas suas palavras que sempre transmitiram força e persistência.

À Hidrocentrais, S.A., que proporcionou a execução do levantamento topográfico e o acesso a

documentos essenciais para a realização desta dissertação.

Ao Professor Doutor Rui Cortes, pelo apoio prestado na pesca eléctrica no rio Bestança, por todo o

seu contributo na realização das regras fuzzy e pela disponibilidade e acolhimento demostrados por si

e pela sua equipa de trabalho.

Aos meus pais, que constituem o suporte da minha vida. À minha mãe por todas as palavras sábias,

por todo o carinho e por todo o apoio que deu na concretização deste percurso académico. Ao meu

pai, pelos conselhos prestados, pela orientação do meu percurso académico e por me proporcionar

acesso aos melhores conhecimentos.

À minha irmã, Ana, por todo a força, apoio, conselhos, carinhos e pelo seu sorriso.

Ao Filipe, por estar sempre presente com a sua alegria contagiante, que me fez sorrir em momentos

mais difíceis.

A todos os meus amigos, pela preocupação e carinho.

Ao David, por todo o seu amor, compreensão, amizade, pelo apoio e força transmitida e pela sua

dedicação.

iii

Resumo

O hydropeaking é o um dos principais factores de alteração do regime hidrológico e das condições

ecológicas do rio. Deriva da operação de um aproveitamento hidroeléctrico, em que são efectuados

turbinamentos com caudal elevado durante o período de maior consumo de energia. A intensidade,

frequência e duração deste evento provoca condições de stress para diferentes estágios de vida das

espécies piscícolas, afectando o sucesso das populações. Como forma de mitigação, podem ser

desenvolvidas medidas operacionais e estruturais. Geralmente, as medidas estruturais são preferidas

em detrimento das operacionais, devido às perdas de energia associadas, que podem colocar em

causa a viabilidade económica da central hidroeléctrica. O conhecimento do efeito ambiental das

medidas operacionais e dos custos inerentes é fundamental para seleccionar medidas que possam

integrar os dois aspectos.

Este estudo investiga os efeitos da operação de uma mini-hídrica no habitat da Salmo trutta,

considerando diversos cenários. Para efectuar a modelação hidrodinâmica bidimensional do

escoamento, no troço da ribeira de Carvalhosa, situado imediatamente a jusante da central

hidroeléctrica de Ermida, foi utilizado o modelo computacional River2D. A simulação do habitat foi

desenvolvida com recurso ao Casimir Fish 2D aplicando conjuntos e regras fuzzy desenvolvidas para

juvenis e adultos.

Através da definição de cenários de operação da central tendo em conta os períodos tarifários de

produção de energia, foi possível aferir a influência do funcionamento da central no habitat disponível

para a espécie-alvo, bem como as perdas de receita associadas aos cenários de produção. Os

resultados constituem recomendações para a operação ecohidráulica da central tendo em conta as

perdas de receita e os ganhos de habitat.

Palavras-chave: hydropeaking, modelação de habitat 2D, WUA, lógica fuzzy, Salmo trutta, operação

da central hidroeléctrica.

v

Abstract

Hydropeaking is seen as one of the major river impacts, affecting the natural flow regime and the

biotic integrity. This occurs due to hydropower plant operation when high discharges are made at a

daily regular basis during high electricity consumption periods, severely affecting the aquatic

ecosystem. The intensity, frequency and duration of hydropeaking events often place an intolerable

stress on fish over all life-stages. To contradict this tendency, either structural or operational mitigation

measures have been proposed. Usually, structural measures are selected over the others due to the

economic impacts on the electricity producer, which may turn unfeasible the electricity production.

Therefore, understanding the impacts of operational measures over the economics of electricity

production is paramount in order to select solutions that fit both interests.

The present study investigates the effects of a mini-hydropower plant in the fish habitat of brown trout

considering different operational scenarios. Thus, the computational model River2D was applied to the

river reach immediately downstream of the Ermida hydropower plant in the Carvalhosa stream, to

obtain the 2D hydrodynamic features of different discharges. The fuzzy sets and rules were developed

for juvenile and adult life-stages of trout and habitat simulations were carried out in the Casimir Fish

2D.

Accordingly different operational scenarios were developed considering the habitat availability results

and the power production periods according to the cost of the electricity. How the operation of

hydropower plant was influencing the habitat suitability, as well as the earning losses related with the

production scenarios was taken into consideration. Results from this study will assist water managers

to adapt hydropeaking regimes in order to reduce ecological impact without neglecting energy revenue

losses.

Keywords: hydropeaking, 2D habitat modeling, WUA, fuzzy logic, brown trout, hydropower plant

operation.

vii

Índice

1 Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1 Enquadramento ....................................................................................................................... 1

1.2 Objectivos ................................................................................................................................ 2

1.3 Estrutura da dissertação .......................................................................................................... 3

2 Síntese de conhecimentos ............................................................................................................... 5

2.1 Considerações prévias ............................................................................................................ 5

2.2 Caudal ecológico e enquadramento legislativo ....................................................................... 5

2.3 Metodologias para a determinação do caudal ecológico ........................................................ 6

2.4 Instream Flow Incremental Methodology (IFIM) ...................................................................... 7

2.4.1 Considerações gerais .......................................................................................................... 7

2.4.2 Unidades de habitat ............................................................................................................. 8

2.5 Hydropeaking........................................................................................................................... 9

2.5.1 Energia hidroeléctrica .......................................................................................................... 9

2.5.2 Caracterização do hydropeaking ....................................................................................... 10

2.6 Modelação hidrodinâmica ...................................................................................................... 15

2.7 Modelação do habitat ............................................................................................................ 17

3 Metodologia de estudo ................................................................................................................... 21

3.1 Considerações prévias .......................................................................................................... 21

3.2 River2D .................................................................................................................................. 21

3.3 Casimir Fish 2D e lógica fuzzy .............................................................................................. 23

3.4 Fluxograma dos procedimentos adoptados no caso de estudo ............................................ 24

4 Caso de estudo- Aproveitamento hidroeléctrico de Ermida .......................................................... 27

4.1 Enquadramento da área de estudo ....................................................................................... 27

4.2 Estudo hidrológico ................................................................................................................. 32

4.3 Caracterização do troço ........................................................................................................ 35

4.4 Caracterização das espécies e estágios de vida .................................................................. 36

4.5 Modelação hidrodinâmica ...................................................................................................... 37

4.5.1 Trabalho de campo ............................................................................................................ 37

4.5.2 Obtenção da curva de vazão ............................................................................................. 39

4.5.3 Obtenção do ficheiro hidrodinâmico .................................................................................. 41

4.5.4 Simulações ........................................................................................................................ 48

4.6 Modelação do habitat ............................................................................................................ 50

4.6.1 Trabalho de campo ............................................................................................................ 50

4.6.2 Conjuntos e regras fuzzy ................................................................................................... 52

4.6.3 Casimir Fish 2D ................................................................................................................. 54

4.7 Simulação da operação da central hidroeléctrica ................................................................. 60

4.7.1 Considerações iniciais ....................................................................................................... 60

viii

4.7.2 Remuneração da energia produzida em centrais hidroeléctricas ..................................... 60

4.7.3 Cenários de operação da central ...................................................................................... 62

4.7.4 Simulação hidrodinâmica dos cenários de operação da central ....................................... 67

4.7.5 Indicadores de hydropeaking ............................................................................................ 71

5 Resultados ..................................................................................................................................... 75

5.1 Variação do habitat em função da receita perdida ................................................................ 75

5.2 Condições de stress em função da receita perdida .............................................................. 79

5.3 Variação da percentagem de WUA ao longo do dia ............................................................. 81

5.4 Variação do número de horas de caudal turbinado no período de vazio ............................. 85

5.5 Disponibilidade de habitat ..................................................................................................... 86

6 Considerações finais e recomendações ........................................................................................ 89

6.1 Considerações finais ............................................................................................................. 89

6.2 Recomendações .................................................................................................................... 91

Referências bibliográficas ..................................................................................................................... 93

Anexos .......................................................................................................................................................i

Anexo A - Simulação em HEC-RAS ......................................................................................................i

Anexo B - Cálculo da rugosidade efectiva ............................................................................................v

Anexo C - Dados recolhidos durante a pesca eléctrica e regras fuzzy ............................................... vi

Anexo D - Decreto-lei n.º 225/2007 de 31 de Maio ........................................................................... viii

Anexo E - Esquema dos vários cenários estabelecidos para todos os caudais afluentes ................ xii

Anexo F - Disponibilidade de habitat para as Salmo truttas adultas para os caudais médios diários

afluentes de 20% e 40% Qmod ........................................................................................................ xvii

ix

Índice de tabelas

Tabela 1: Classificação de mesohabitats (adaptado de Bain e Stevenson, 1999). ................................ 9

Tabela 2: Indicadores de hydropeaking e os respectivos parâmetros avaliados (adaptado de

Charmasson e Zinke, 2011). ................................................................................................................. 11

Tabela 3: Parâmetros abióticos e bióticos (adaptado de Charmasson e Zinke, 2011). ....................... 12

Tabela 4: Principais objectivos das medidas de mitigação relacionadas com o hydropeaking

(adaptado de Bratrich e Truffer, 2001). ................................................................................................. 13

Tabela 5: Aspectos a considerar num modelo numérico de previsão das características do

escoamento (adaptado de Tonina e Jorde, 2013). ............................................................................... 16

Tabela 6: Caracterização do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida. .............................................. 31

Tabela 7: Valor do escoamento anual médio na bacia hidrográfica. .................................................... 33

Tabela 8: Características da estação hidrométrica de Fragas da Torre (adaptado de Portela, 2013). 34

Tabela 9: Caudal para cada secção transversal e caudal total. ........................................................... 40

Tabela 10: Características da malha executada no R2D_Mesh. .......................................................... 43

Tabela 11: Diferença entre a cota da superfície livre medida e simuladas para rugosidades diferentes.

............................................................................................................................................................... 45

Tabela 12: Valor dos caudais simulados com a respectiva cota da superfície livre a jusante. ............ 49

Tabela 13: Classes de substrato do conjunto fuzzy (adaptado de Schneider, 2010). .......................... 52

Tabela 14: Regras fuzzy estabelecidas para a truta adulta e juvenil correspondente à classe 8 de

substrato. ............................................................................................................................................... 54

Tabela 15: Significado das parcelas da fórmula de remuneração (equação 4.3) das centrais

renováveis. ............................................................................................................................................ 61

Tabela 16: Parâmetros utilizados para o cálculo da remuneração da energia. .................................... 62

Tabela 17: Horas de ponta, cheia e vazio para as centrais hídricas. ................................................... 62

Tabela 18: Cenários de operação da central hidroeléctrica: percentagens de produção de energia

mensal em relação à produção média anual; valor da remuneração mensal (VRDm); redução da

remuneração ao considerar um cenário alternativo; valor do caudal e volume afluente; caudal no troço

da ribeira para os três períodos considerados. ..................................................................................... 64

Tabela 19: Classes de influência do hydropeaking no rio para os respectivos indicadores (adaptado

Harby et al., 2013). ................................................................................................................................ 72

Tabela 20: Rácio de caudais máximo e mínimo para os cenários considerados. ................................ 72

Tabela 21: Variação da área molhada desde o caudal máximo até ao mínimo. .................................. 73

Tabela 22: Percentagens de WUA para os cenários de operação considerados. ............................... 75

Tabela 23: Cenários propostos para o estudo da duração do caudal turbinado no período de vazio. 85

xi

Índice de Figuras

Figura 1: Evolução da produção de energia por fontes renováveis, o ano de 2013 e de 2014 são

estatísticas de carácter provisórias (DGEG, 2014). ................................................................................ 1

Figura 2: Produção de energia eléctrica por fontes renováveis ao longo do último ano, com início em

Setembro de 2013 até Agosto de 2014 (DGEG, 2014). ......................................................................... 2

Figura 3: Representação da velocidade (u), tensão de arrastamento (τ) e profundidade (h) nos

modelos 1D, 2D e 3D respectivamente (adaptado de Tonina e Jorde, 2013). ..................................... 17

Figura 4: Curvas de preferência de habitat para as variáveis velocidade, profundidade e substrato.

Exemplos. .............................................................................................................................................. 18

Figura 5: Conjunto fuzzy para a velocidade, com funções de associação triangulares (i.e. High) e

trapezoidais (i.e. Low e Medium) (adaptado de Noack et al., 2013). .................................................... 23

Figura 6: Processo de inferência, ilustrando o cálculo do DOF de duas regras A e B, com duas

variáveis físicas e o cálculo do HSI através do centro de gravidade (adaptado de Noack et al., 2013).

............................................................................................................................................................... 25

Figura 7: Sistematização dos procedimentos adoptados no desenvolvimento do caso de estudo. ..... 26

Figura 8: Localização do troço em estudo, da ribeira de Carvalhosa, do rio Vidoeiro, do açude e da

central do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida. ............................................................................ 28

Figura 9: Aproveitamento hidroeléctrico de Ermida (imagem cedida por Hidrocentrais, S.A.). ............ 29

Figura 10: Açude e descarregador de cheias do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida. ............... 29

Figura 11: Edifício da Central hidroeléctrica (imagem cedida por Hidrocentrais, S.A.). ....................... 30

Figura 12: Turbina Pelton: a) esquema ilustrativo; b) fotografia da turbina (imagens cedidas por

Hidrocentrais, S.A.). .............................................................................................................................. 30

Figura 13: Bacia hidrográfica da ribeira de Carvalhosa e do rio Vidoeiro: a) delimitação dos seus

limites, e b) representação de todos os cursos de água classificados com a respectiva ordem de

acordo com o critério de Strahler. ......................................................................................................... 32

Figura 14: Representação da bacia hidrográfica no mapa de isolinhas do escoamento. .................... 33

Figura 15: Localização da estação hidrométrica e do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida. ........ 34

Figura 16: Curvas de duração anual do caudal médio diário na estação de Fragas da Torre, à

esquerda e na secção de restituição da central, à direita. .................................................................... 34

Figura 17: Troço em estudo e zona de restituição da central. .............................................................. 35

Figura 18: Representação do material do leito: a) blocos de grandes dimensões; b) calhou rolado. .. 35

Figura 19: Representação dos vários mesohabitats existentes na ribeira de Carvalhosa: a) cascata; b)

rápido; c) pool; d) run. ........................................................................................................................... 36

Figura 20: Salmo trutta capturado no rio Paiva. .................................................................................... 36

Figura 21: Representação de alguns trabalhos de campo e do caudal do rio nos dois levantamentos

topográfico: a) levantamento topográfico com estação total e mira; b) medição das velocidades com o

molinete ultrasónico; c) caudal do rio no dia 29 de Março; d) caudal do rio no dia 4 de Junho. .......... 38

xii

Figura 22: Caracterização da rugosidade do leito do rio: a) pedras na ordem dos 50 a 100 mm; b)

blocos com dimensões superiores a 100 mm; c) rocha com dimensões superiores a 1 m; d) laje de

pedra a constituir o leito do rio. ............................................................................................................. 39

Figura 23: Secções transversais medidas em campo. ......................................................................... 40

Figura 24: Curva de vazão da secção nº2. ........................................................................................... 41

Figura 25: Densidade de pontos utilizada na edição da topografia. ..................................................... 42

Figura 26: Linhas de quebra em redor das rochas. .............................................................................. 42

Figura 27: Modelo digital do terreno em 3D. ......................................................................................... 43

Figura 28: Secções transversais com a representação da cota da superfície livre e simulada: a)

secção transversal n.º 2 (jusante); b) secção transversal n.º 3; c) secção transversal n.º 4; d) secção

transversal n.º 5 e e) secção transversal n.º 6. ..................................................................................... 46

Figura 29: Valores da velocidade perpendiculares à secção transversal obtidos por simulação e

medidos em campo: a) secção transversal n.º 2 (jusante); b) secção transversal n.º 3; c) secção

transversal n.º 4; d) secção transversal n.º 5 e e) secção transversal n.º 6. ........................................ 47

Figura 30: Secção transversal n.º 6 com a representação dos perfis de velocidade para uma

rugosidade de 0,50, 0,90 e 1,00 m. ....................................................................................................... 48

Figura 31: Representação vectorial do escoamento para um caudal de 0,47 m3/s, com especial

atenção na zona de cascata. ................................................................................................................ 49

Figura 32: Rio Bestança. Trecho onde foi efectuada a pesca eléctrica (a imagem da esquerda foi

cedida pelo Professor Rui Cortes). ....................................................................................................... 50

Figura 33: Pesca eléctrica: trabalhos efectuados e equipamento utilizado: a) aparelho utilizado para

transmitir corrente eléctrica à água; b) rede para capturar os peixes; c) recipiente de plástico onde são

mantidos os peixes capturados; d) medição da velocidade e profundida com o molinete, e) medição e

classificação dos peixes capturados. .................................................................................................... 51

Figura 34: Conjuntos fuzzy utilizados na modelação do habitat. .......................................................... 53

Figura 35: Curvas de WUA em função do caudal: a) truta adulta; b) truta juvenil. ............................... 55

Figura 36: Curvas de duração do habitat: a) truta adulta; b) truta juvenil. ............................................ 55

Figura 37: Percentagem de área com o mesmo SI em função do caudal: a) truta adulta; b) truta juvenil.

............................................................................................................................................................... 56

Figura 38: Velocidades, profundidades e distribuição do SI no troço em estudo para o caudal de 0,47

m3/s: a) velocidade b) profundidade e c) distribuição de SI para as trutas adultas, à esquerda e juvenis,

à direita. ................................................................................................................................................. 57



à direita. ................................................................................................................................................. 58



à direita. ................................................................................................................................................. 59

Figura 41: Bacia hidrográfica com a divisão da bacia do aproveitamento. ........................................... 60

Figura 42: Esquema dos cenários estabelecidos para um caudal afluente de 10% Qmod. ................ 65

xiii

Figura 43: Variação do caudal no troço em estudo, ao longo do dia, para os caudais médios diários

afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648. .......................................... 66

Figura 44: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de um

caudal afluente de 20% Qmod. ............................................................................................................. 68

Figura 45: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de um

caudal afluente de 40% Qmod. ............................................................................................................. 70

Figura 46: Variação do habitat em relação ao cenário principal em função da receita perdida para os

caudais médios diários afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os

cenários são identificados a partir do nº que consta da Tabela 22). .................................................... 78

Figura 47: Condições de stress em função da receita perdida para os caudais médios diários

afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os cenários são

identificados a partir do nº que consta da Tabela 22). .......................................................................... 80

Figura 48: Variação da percentagem de WUA ao longo do dia, à esquerda para os juvenis e à direita,

para os adultos (linhas a tracejado), para os caudais médios diários afluentes (m3/s): a) 0,108; b)

0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648. ......................................................................................... 82

Figura 49: Integral da curva de WUA (m2.dia) em função da receita perdida para os caudais médios

diário afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os cenários são

identificados a partir do nº que consta da Tabela 22). .......................................................................... 84

Figura 50: Variação das condições de habitat com o aumento das horas de vazio em função da

receita perdida. ...................................................................................................................................... 85

Figura 51: Disponibilidade de habitat das trutas juvenis para três cenários com um caudal afluente de

20% Qmod. ............................................................................................................................................ 87

Figura 52: Disponibilidade de habitat das trutas juvenis para três cenários com um caudal afluente de

40% Qmod. ............................................................................................................................................ 88

xv

Abreviaturas

APA Agência Portuguesa do Ambiente

Casimir Computer aided simulation system for instream flow requirements

DSI Depth Suitability Index

ETRS European Terrestrial Reference System

HHS Hydraulic Habitat Suitability

HSC Habitat Suitability Curves

HSI Habitat Suitability Index

IFIM Instream Flow Incremental Methodology

INAG Instituto Nacional da Água

PHABSIM Physical Habitat Simulation

p.p. Período de ponta

p.v. Período de vazio

SI Suitability Index

SSI Substrate Suitability Index

UNIPEDE União Internacional de Produtores e Distribuidores de Energia Eléctrica

VSI Velocity Suitability Index

WUA Weighted Usable Area

Terminologia anglo-saxónica

Drifting Arrastamento de peixes para jusante devido ao aumento de velocidade do

escoamento

Hydropeaking Variações rápidas de caudal decorrentes do funcionamento de uma central

hidroeléctrica, que provocam regimes transitórios no trecho a jusante, alterando de

forma significativa as condições de escoamento nesse trecho ao longo do tempo

Stranding Aprisionamento de peixes em depressões do leito quando o caudal diminui

significativamente

1

1 Introdução

1.1 Enquadramento

A energia eléctrica produzida por fontes de energia renováveis resulta do aproveitamento de recursos

naturais, tais como, a água, o sol, o vento, as ondas, entre outros. Estas fontes são abundantes e o

seu aproveitamento, quando realizado de acordo com as práticas adequadas, reduz a poluição e a

emissão de gases com efeito de estufa. No caso da produção hidroeléctrica, há a assinalar como

principais inconvenientes a quebra de conectividade longitudinal nos cursos de água e a redução dos

habitats de muitas espécies piscícolas.

A produção de energia derivada de fontes renováveis em 2013 comparada com a produção em 2014

até ao mês de Agosto sofreu um aumento total de cerca de 6%, o qual teve origem essencialmente

no aumento da produção de energia hídrica (7%) e da contribuição da energia fotovoltaica (23%)

(Figura 1). A evolução da produção de energia por fontes renováveis ao longo do último ano, com

início em Setembro de 2013 até Agosto de 2014, está representada na Figura 2. Os meses de maior

produção de energia hídrica corresponderam aos meses mais pluviosos de Janeiro, Fevereiro, Março

e Abril, com produções acima de 2250 GWh (DGEG, 2014).

Figura 1: Evolução da produção de energia por fontes renováveis, o ano de 2013 e de 2014 são estatísticas de

carácter provisórias (DGEG, 2014).

2

Figura 2: Produção de energia eléctrica por fontes renováveis ao longo do último ano, com início em Setembro

de 2013 até Agosto de 2014 (DGEG, 2014).

Em Portugal continental, a região do Norte, que inclui as bacias hidrográficas do rio Lima, Cávado e

Douro, é responsável por mais de 50% da produção de energia hídrica. No entanto, com o recente

reforço de potência na central do Alqueva, a bacia hidrográfica do rio Guadiana é a que apresenta a

maior taxa média de crescimento de produção de energia hídrica (DGEG, 2014).

No âmbito da Estratégia Europa 2020, uma das cinco prioridades estabelecidas pelo Conselho

Europeu de Março de 2010, em termos de Política Energética é o aumento de 20% da quota de

energias renováveis na produção de energia e o aumento de 20% na eficiência energética,

conciliando a redução das emissões dos gases com efeito de estufa (DGEG, 2014).

Derivada da produção de energia hídrica, a jusante das centrais hidroeléctricas ocorrem perturbações

no normal regime de escoamento dos rios, sucedendo-se rápidas flutuações de caudal, designadas

na terminologia anglo-saxónica por hydropeaking. Esta designação será a adoptada neste estudo,

visto ser a mais compacta e divulgada. As perturbações no escoamento provocam alterações nas

condições de habitat das espécies que dependem deste ecossistema. Assim a presente dissertação

contribuirá para o desenvolvimento de uma metodologia de análise de medidas operacionais com

vista a mitigar os efeitos deste regime de exploração das centrais.

1.2 Objectivo

A presente dissertação tem como objectivo principal a definição de cenários para a operação de uma

central mini-hídrica tendo em conta a disponibilidade de habitat a jusante. Desta forma, realizou-se o

estudo hidrológico da ribeira que constituiu o caso de estudo, bem como a modelação hidrodinâmica

do escoamento em 2D, precedida de um trabalho de campo, em que se efectuaram todas as

medições necessários para a correcta realização da mesma. No sentido de aferir a disponibilidade de

habitat foi realizada uma modelação com recurso à lógica fuzzy. Por fim, para responder ao objectivo

principal foram definidos e avaliados diversos cenários de operação tendo em conta as condições de

habitat e os custos económicos dos mesmos.

3

1.3 Estrutura da dissertação

O presente documento encontra-se organizado em 6 capítulos. No primeiro, de introdução,

apresenta-se um breve contexto do tema desenvolvido e são especificados os objectivos a que a

dissertação pretende responder. No capítulo 2, síntese de conhecimentos, realiza-se a descrição e a

contextualização de conceitos como: caudal ecológico, metodologias para a obtenção do mesmo,

metodologia IFIM, hydropeaking, modelação hidrodinâmica e de habitat. No terceiro capítulo são

abordadas as metodologias adoptadas, fazendo referência aos modelos computacionais utilizados:

River2D e Casimir Fish 2D. O caso de estudo é abordado no capítulo 4, onde se realiza um breve

enquadramento e descrição das características da ribeira de Carvalhosa e do aproveitamento

hidroeléctrico de Ermida. Assim como as descrições de todos os procedimentos adoptados para a

execução da modelação hidrodinâmica do escoamento, da modelação de habitat e da definição de

cenários de operação da central. No capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados. Por fim,

no capítulo 6 encontram-se as considerações finais, bem como as perspectivas de desenvolvimento

futuras nesta linha de investigação.

5

2 Síntese de conhecimentos

2.1 Considerações prévias

O capítulo inicia-se com o enquadramento legislativo referente ao caudal ecológico, seguindo-se a

apresentação sumária de metodologias para a sua determinação. De entre estas, dá-se relevo à

Instream Flow Incremental Methodology (IFIM), bem como à descrição dos diferentes tipos de habitat

a considerar.

São efectuadas algumas considerações acerca do funcionamento das centrais hidroeléctricas em

regime de hydropeaking, do qual decorrem variações rápidas de caudal que alteram de forma

significativa as condições de escoamento no trecho do rio a jusante ao longo do tempo. São

apresentados os parâmetros caracterizadores deste regime e algumas medidas de mitigação.

No âmbito da modelação hidrodinâmica e do habitat, são descritos diversos modelos e apresentadas

as suas principais características.

2.2 Caudal ecológico e enquadramento legislativo

Os caudais ecológicos podem ser definidos como um conjunto de caudais mínimos necessários num

curso de água, de forma a assegurar a conservação e manutenção dos ecossistemas aquáticos

naturais, a produção de espécies com interesse desportivo ou comercial e a conservação e

manutenção dos ecossistemas ripícolas (Lei n.º 7/2008, de 1 de Fevereiro).

A necessidade de prever caudais ecológicos resulta de intervenções efectuadas nos rios que alteram

o regime hidrológico natural e consequentemente os ecossistemas.

A primeira base legal referente à protecção e conservação do meio ambiente, no planeamento,

administração e utilização do domínio hídrico, constituiu a Lei de Bases do Ambiente (Lei n.º 11/87,

de 7 de Abril) e o Decreto-Lei n.º 70/90, de 2 de Março. No entanto, a primeira referência à

obrigatoriedade do estabelecimento de caudais ecológicos, surgiu no Decreto-Lei n.º 46/94, de 22 de

Fevereiro, em que estabelecia o regime da utilização do domínio hídrico, quer público quer privado,

sob a jurisdição da Agência Portuguesa do Ambiente (APA), antigo Instituto Nacional da Água (INAG).

Actualmente, em vigor, a Lei n.º 58/2005, de 29 de Dezembro, aprovou a Lei da Água, transpondo

para a ordem jurídica nacional a Directiva n.º 2000/60/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de

23 de Outubro, revogando o anteriormente descrito e estabelecendo as bases e o quadro institucional

para a gestão sustentável das águas.

6

Neste âmbito, com a aprovação do Decreto-Lei n.º 226-A/2007, de 31 de Maio, juntamente com a

Portaria n.º 1450/2007, de 12 de Novembro, é explicitada a obrigatoriedade da determinação de

regimes de caudais ecológicos para diferentes utilizações, nomeadamente, na captação de água e

infraestruturas hidráulicas. No caso de captação de água, para produção de energia, além dos

caudais ecológicos, existe a obrigatoriedade da determinação de caudais reservados, que

correspondem aos caudais necessários para assegurar as utilizações existentes e previstas, na área

de influência do aproveitamento hidroeléctrico.

Em relação às infraestruturas hidráulicas a Lei n.º 7/2008, de 1 de Fevereiro, Lei da pesca nas águas

interiores, define a obrigatoriedade para os proprietários ou utilizadores das mesmas, da manutenção

de um regime de exploração e caudal ecológico, adequando o regime de variação à manutenção do

ciclo de vida das espécies aquícolas e da integridade do ecossistema aquático.

O regime de caudais ecológicos a adoptar, em cada situação específica, deve procurar a mitigação

de alterações que ocorram na estrutura e composição dos ecossistemas aquáticos e dos habitats

envolvidos, de forma a manter a integridade biológica dos ecossistemas.

2.3 Metodologias para a determinação do caudal ecológico

Actualmente existem mais de duzentas metodologias diferentes, passíveis de serem adoptadas, para

a determinação dos caudais ecológicos, também habitualmente designados por caudais ambientais

(Arthington et al., 2003).

Segundo Tharme (2003) existem quatro tipos de métodos para a determinação dos caudais

ecológicos (hidrológicos, hidráulicos, de simulação de habitat e holísticos), que são descritos nos

parágrafos que se seguem.

Os métodos hidrológicos baseiam-se na análise de séries de caudais, a nível mensal ou diário, para

períodos de tempo significativos e representativos de regimes hidrológicos naturais, ou seja, sem

alterações importantes no regime de escoamento (Tharme, 2003). Este método não permite a análise

das alterações do habitat ou da resposta biológica em consequência de alterações no regime

hidrológico. Por isso, a sua aplicação é recomendada na fase de planeamento do desenvolvimento

dos recursos hídricos ou em situações onde se pretendem definir metas preliminares de caudais

(Hipólito e Vaz, 2011).

Um dos métodos hidrológicos mais usados nos Estados Unidos é o de Tennant ou de Montana,

desenvolvido através de um grande número de observações de campo nesse país, que possibilitaram

estabelecer relações entre o caudal, o estado do rio e o habitat para os peixes. O caudal ecológico é

determinado com base em percentagens do caudal médio anual em função das condições do rio que

se pretendem manter (Hipólito e Vaz, 2011).

7

Os métodos hidráulicos ocupam-se da determinação da relação entre o caudal e determinadas

características hidráulicas, como a velocidade, a profundidade e o perímetro molhado. Estas

características hidráulicas são medidas em secções transversais dos cursos de água, afectados pela

variação de caudal com consequências para as espécies-alvo (Arthington et al., 2003).

Nos métodos hidráulicos os caudais ecológicos são determinados com base em curvas de variação,

que relacionam o caudal escoado com características hidráulicas. Encontrado o ponto de inflexão da

curva de variação, para caudais abaixo do mesmo, existem perdas significativas na qualidade do

habitat (Tharme, 2003). Dos métodos com mais aplicação em Portugal, refere-se o método do

perímetro molhado, que relaciona o caudal escoado com o perímetro molhado, assumindo uma

relação directa entre o perímetro molhado e a disponibilidade de habitat, sem atender às preferências

das espécies ao longo do seu estágio de vida.

Os métodos de simulação de habitat são os mais avançados para a determinação da relação entre o

caudal e o habitat. A determinação do caudal ecológico baseia-se em relações entre o caudal e as

variáveis hidráulicas, mas com consideração das preferências de habitat para as espécies alvo.

Assim a recomendação dos caudais mínimos, tem em conta dados hidrológicos, hidráulicos e

biológicos, em que o caudal ecológico é o valor mais alto de um conjunto de caudais mínimos

calculados para cada espécie (Bovee, 1982). Um exemplo destes métodos é a Instream Flow

Incremental Methodology (IFIM), descrito em pormenor no ponto 2.4.

Por fim, os métodos holísticos têm como objectivo, metodologias de cálculo dos caudais ambientais

que satisfaçam e conservem não só as espécies-alvo mas também o ecossistema do rio (Arthington

et al., 2003). As componentes do ecossistema do rio consideradas incluem: a geomorfologia, o

microhabitat, qualidade da água, vegetação ripária e aquática, macroinvertebados, peixes e outros

vertebrados que dependam do ecossistema. Cada componente, referida anteriormente, é avaliada

com um conjunto de técnicas específicas que serão incorporadas nas recomendações de caudal

ecológico. Um exemplo destas técnicas é o Building Blocks Methodology (BBM) (Tharme e King,

1998).

No presente estudo aplicou-se um método de simulação de habitat que se descreve resumidamente

na alínea seguinte.

2.4 Instream Flow Incremental Methodology (IFIM)

2.4.1 Considerações gerais

A IFIM foi concebida pela Cooperative Instream Flow Service Group dos US Fish and Wildlife Service

(USFWS) no Colorado. É uma metodologia de análise que pretende avaliar as consequências de

diferentes medidas ao nível dos recursos hídricos no habitat de diversas espécies, combinando para

tal, dados hidráulicos e biológicos (Bovee, 1982).

8

A variável de decisão concebida pela IFIM é a weighted usable area (WUA), isto é, a área de habitat

disponível para as espécies piscícolas, sendo estimadas as alterações nesta área, em função das

alterações no regime hidrológico do curso de água. Esta variável pode ter em conta o estágio de vida

de cada espécie (alevim, juvenil ou adulto) ou uma actividade em particular (desova, alimentação ou

repouso) (Stalnaker et al., 1995).

A IFIM recorre a critérios de preferência de habitat de uma espécie para estimar as variações que

decorrem no habitat em função de alterações do caudal. As variáveis envolvidas nas preferências de

habitat são a velocidade, a profundidade, o substrato e a cobertura.

Assim o WUA é determinada combinando os dados obtidos pelos modelos hidráulicos (velocidade e

profundidade), características do substrato e/ou cobertura e dados de preferência de habitat. Quando

a análise é efectuada para uma gama de caudais, o resultado são curvas de WUA em função do

caudal para diferentes espécies-alvo, em que o ponto máximo dessa superfície, corresponde ao valor

do caudal a partir do qual ocorre perda de habitat para a espécie em questão.

Actualmente existem diversos softwares desenvolvidos para efectuar os cálculos necessários à

aplicação da metodologia IFIM, um exemplo destes softwares é o Casimir (Computer aided simulation

system for instream flow requirements) que será alvo de aplicação no presente estudo.

2.4.2 Unidades de habitat

Na IFIM os dados de preferência de habitat referem-se a três escalas diferentes, nomeadamente

macrohabitat, mesohabitat e microhabitat. A combinação destas escalas dá origem ao habitat total

disponível para os organismos.

A área de estudo referente ao macrohabitat pode ser estratificada em diferentes níveis, desde a bacia

hidrográfica até ao segmento de um curso de água (Bovee et al., 1998). As preferências de

macrohabitat referem-se a parâmetros que variam longitudinalmente ao longo de um curso de água,

como por exemplo: o caudal, a temperatura, a qualidade da água e a morfologia do canal.

O mesohabitat consiste numa área do rio com características iguais de declive, forma e estrutura do

canal (Bovee, 1997). A extensão longitudinal deve ser da mesma ordem de grandeza da largura do

canal. Actualmente existem numerosas classificações para os mesohabitats, na Tabela 1 referem-se

algumas segundo Bain e Stevenson (1999).

O microhabitat apresenta uma dimensão inferior à largura do canal e refere-se a zonas com

características homogéneas de profundidade, velocidade, substrato e cobertura (Stalnaker et

al.,1995). As preferências de microhabitat estão associadas a determinadas actividades das

espécies-alvo, como por exemplo a desova.

9

A unidade de habitat principal utilizada na IFIM é o segmento do curso de água, que pode ser

subdividido em troços representativos com um comprimento dez a quinze vezes a largura do canal. O

regime de caudais no segmento em estudo deve ser homogéneo, ou seja, o caudal à entrada é

semelhante ao caudal à saída (±10%), e a geomorfologia do leito (declive, sinuosidade e geologia)

deve ser consistente dentro das fronteiras do troço considerado (Bovee,1997). O troço representativo

deve conter a variabilidade de mesohabitats e microhabitats existentes no segmento.

Tabela 1: Classificação de mesohabitats (adaptado de Bain e Stevenson, 1999).

Tipo de habitat* Macroturbulência Velocidade Substrato Declive Outros

Cascade (Cascata) Elevada (grande emulsão de ar na

água) Elevada

Rocha resistente ou acumulação

de seixo >7%

Perfil longitudinal com sequência de degraus; regime rápido

Rapid (Rápido) Considerável

(emulsão de ar na água)

Alta > 0,5 m/s Material grosseiro exposto

4-7% Perfil longitudinal plano; regime

rápido

Riffle Moderada Moderada: 0,2

a 0,5 m/s

Cascalho e seixo (parcialmente ou totalmente

submersos)

< 4% Perfil transversal convexo; pequenas profundidades

Run Inexistente Moderada: 0,2

a 0,5 m/s Cascalho e seixo Baixo

Perfil longitudinal plano; maiores profundidades do que no riffle:

aproximadamente regime uniforme

Glides Inexistente Moderada a

baixa: <0,2 m/s Cascalho e areia 0-1%

Usualmente na transição entre pool e riffle; sem obstruções do

escoamento; pequenas profundidades

Pool Inexistente Não

significativa Material fino -

Perfil transversal concavo; mais profundas e largas do que os habitat que as precedem ou

antecedem

* Os tipos de habitat apresentam-se na terminologia anglo-saxónica e, quando o termo existe em português, apresenta-se entre parêntesis

2.5 Hydropeaking

2.5.1 Energia hidroeléctrica

A produção de energia hídrica consiste no aproveitamento da potência do escoamento,

transformando-a em energia mecânica (rotação do grupo turbina-gerador) e subsequentemente em

energia eléctrica por indução electromagnética. Nesta produção distinguem-se dois tipos de centrais,

as mini-hídricas que possuem potências instaladas até 10 MW e as grandes centrais hidroeléctricas

com potências superiores a este valor. De notar que 10 MW é o valor de referência em Portugal e

Espanha para estabelecer tal diferenciação.

Para além da potência instalada, outra característica que distingue os aproveitamentos hidroeléctricos,

é a capacidade de regularização do caudal. A maioria das mini-hídricas são a fio de água e as

grandes centrais estão associadas à construção de barragens, em que as albufeiras são

10

responsáveis pelo armazenamento de água e consequentemente por regularizações intra- e inter-

anuais.

Segundo a União Internacional dos Produtores e Distribuidores de Energia Eléctrica (UNIPEDE)

(Castro, 2008), as mini-hídricas podem ser classificadas como centrais:

micro P < 0,5 MW

mini 0,5 ≤ P < 2,0 MW

pequena 2,0 ≤ P ≤ 10 MW

Em relação à altura de queda bruta, as mini-hídricas podem ser de queda baixa entre os 2 a 20 m,

queda média com 20 a 150 m e ainda queda alta quando excede os 150 m (Castro, 2008).

As centrais hidroeléctricas podem ser utilizadas como centrais de ponta, visto que os grupos

turbina-gerador conseguem uma resposta quase instantânea respondendo aos picos de consumo de

energia. O mesmo não acontece com centrais térmicas que possuem uma grande inércia no seu

funcionamento.

2.5.2 Caracterização do hydropeaking

2.5.2.1 Considerações prévias

O hydropeaking é o um dos principais factores de alteração do regime hidrológico dos rios, bem como

de alterações nas condições ecológicas do mesmo. As variações rápidas de caudal provocam

regimes variáveis a jusante das centrais, alterando desta forma o regime do escoamento do rio

(Person et. al., 2013). Esta alteração do escoamento tem carácter permanente, o que não acontece

numa cheia que ocorre sazonalmente (Schneider, 2012). Outra diferença apontada entre estes dois

eventos é o facto de o hydropeaking ocorrer regularmente e com frequência alta, em que o aumento

do caudal ocorre num curto espaço de tempo sem que exista percepção por parte das espécies do

aumento do nível da água ou de alterações químicas da mesma, como seria expectável numa cheia

(Limnex, 2004; Baumann e Klaus, 2003, citado por Person, 2013).

Segundo Jones (2013), os rios afectados pelo hydropeaking, podem ser analisados considerando a

existência de dois rios num só, um rio com caudal baixo e outro com caudal elevado, decorrentes do

funcionamento intermitente da central hidroeléctrica. Estes rios apresentam características bastante

diferentes a nível hidrodinâmico, de tal forma que muitas espécies não conseguem sobreviver às

variações extremas de caudal. Neste contexto, surge o conceito de ecopeaking, em que se foca a

necessidade de uma gestão adequada das centrais hidroeléctricas e se procura conciliar a produção

de energia com os valores ecológicos do trecho a jusante da central.

As flutuações rápidas de caudais, decorrentes do hydropeaking, podem ser descritas em termos de

magnitude, duração e frequência. As consequências são diversas, quer ao nível de parâmetros

11

físicos (altura de escoamento, velocidade, morfologia do rio e temperatura da água), quer ao nível

dos parâmetros bióticos (redução da variabilidade das espécies, da biomassa, da diversidade e

composição das populações) (Moog, 1993).

2.5.2.2 Parâmetros relacionados com o escoamento

Para caracterizar o evento de hydropeaking podem ser definidos parâmetros relacionados com o

escoamento, que permitem quantificar as variações de caudal e de altura de escoamento, em termos

de magnitude dos caudais máximos e de tempo de ocorrência do evento.

Na Tabela 2 apresentam-se alguns parâmetros que caracterizam o hydropeaking, tais como:

o rácio de caudais (quociente entre o caudal máximo e mínimo);

a taxa de variação da área molhada (quociente entre a variação da área molhada, desde o

caudal mínimo até ao máximo, e o tempo de ocorrência);

a taxa de variação da altura do escoamento (quociente entre a diferença de alturas de

escoamento e tempo em que ocorrem);

a duração de um evento ou de um ciclo (tempo que decorre entre o instante de ocorrência do

caudal máximo e do caudal mínimo);

a frequência do evento (tempo que decorre entre o instante de ocorrência de dois caudais

mínimos sucessivos).

Tabela 2: Indicadores de hydropeaking e os respectivos parâmetros avaliados (adaptado de Charmasson e Zinke,

2011).

Parâmetro avaliado Indicador de hydropeaking

Caudal máximo (Qmáx)

Caudal mínimo (Qmin)

Rácio de caudais (Qmáx/Qmin)

Taxa de variação da área molhada (ΔA/Δt)

Taxa de variação da altura de escoamento (Δh/Δt)

Instantes de ocorrência do Qmáx e do Qmin Duração do evento (tQmáx-tQmin)

Frequência de ocorrência de caudais mínimos

2.5.2.3 Parâmetros abióticos e bióticos

A definição de parâmetros abióticos e bióticos surge com a necessidade de quantificar a interacção

entre o rio, o meio ambiente e a vida dos organismos presentes neste ecossistema. Tais parâmetros

descrevem o efeito das variações do escoamento no habitat físico e na actividade dos organismos

aquáticos.

12

Os parâmetros abióticos estão relacionados com as características físicas e químicas do rio,

nomeadamente com a morfologia, o caudal e a qualidade da água. Os bióticos referem-se à estrutura,

comportamento e actividade das espécies que constituem o ecossistema (Tabela 3).

Em relação aos indicadores bióticos existem inúmeras possibilidades a considerar. Na Tabela 3

salientam-se alguns propostos por Baumann e Klaus (2003) que resultaram de avaliações de

impactos do hydropeaking em mais de 200 casos. É de salientar que algumas funções bióticas são

indicadas na terminologia anglo-saxónica, por ser o termo mais comum e compacto, como por

exemplo: drifting, isto é, o arrastamento de peixes para jusante devido ao aumento de velocidade do

escoamento e stranding, que significa o aprisionamento de peixes em depressões do leito quando o

caudal diminui significativamente.

Tabela 3: Parâmetros abióticos e bióticos (adaptado de Charmasson e Zinke, 2011).

Parâmetros abióticos Parâmetros bióticos

Morfologia do rio Caudal Qualidade da água Estrutura biótica Função biótica

- Profundidade - Largura e comprimento - Área molhada - Distribuição granulométrica

- Turbulência - Tensão tangencial de arrastamento

- Temperatura - Turbidez - Concentração de oxigénio e nutrientes

- Biomassa - Frequência / densidade de espécies - Composição e diversidade de espécies

- Drifting - Stranding - Comportamento e actividade das espécies

2.5.2.4 Medidas de mitigação

A preocupação pelas alterações nos rios e nos seus ecossistemas induzidas por flutuações de caudal

provocadas pelo hydropeaking tem vindo a aumentar (Charmasson e Zinke, 2011) na comunidade

científica.

As medidas de mitigação dos impactos causados pelo hydropeaking estão relacionadas com o

regime hidrológico, com a qualidade da água, a conectividade do rio, a preservação da vegetação

ripária e planícies de inundação, sustentabilidade das comunidades piscícolas e de macro

invertebrados e preservação da paisagem (Tabela 4) (Bratrich e Truffer, 2001).

Os rios que são afectados pelo hydropeaking têm características muito diversas, desde os rios de

montanha, normalmente estreitos e com margens inclinadas situados no norte do País, até aos rios

mediterrâneos fundamentalmente largos e planos situados no centro. Desta forma, as medidas de

mitigação devem ser adaptadas consoante as características do rio e dependem do objectivo

ecológico que se pretende alcançar. Por exemplo, num caso em que se pretende reduzir o risco de

stranding, a preocupação será aumentar o período de variação do caudal, de forma a existir tempo

suficiente para que a comunidade piscícola possa deslocar-se para o centro do canal.

13

Tabela 4: Principais objectivos das medidas de mitigação relacionadas com o hydropeaking (adaptado de

Bratrich e Truffer, 2001).

Tópicos de mitigação

Objectivos das medidas de mitigação

Regime

hidrológico

Amortecimento das flutuações de caudal em termos de frequência e magnitude

Evitar zonas secas nas secções transversais do escoamento, aquando da diminuição de

caudal

Qualidade da

água

Evitar efeitos na temperatura

Garantir concentrações de oxigénio dissolvido adequadas

Conectividade

do rio

Limitar a área molhada de forma a evitar a separação do escoamento do curso de água

principal, evitando o stranding da fauna piscícola

Margens do rio

e planícies

inundáveis

Preservar as planícies inundáveis

Assegurar o crescimento da vegetação ripária

Assegurar a estabilidade das margens do rio

Habitat piscícola Sustentabilidade do habitat conservando locais de desova e habitats juvenis

Macro

invertebrados Sustentabilidade das comunidades

Paisagem Preservar a diversidade do habitat

Preservar a função recreativa

As medidas de mitigação com o objectivo de atenuar os efeitos do hydropeaking podem ser medidas

operacionais ou estruturais, nos parágrafos seguintes procede-se à descrição de algumas dessas

medidas.

As medidas de operação estão relacionadas com a gestão da central hidroeléctrica. O mais desejável

seria aumentar ou diminuir o caudal muito lentamente, de forma a permitir que os organismos se

possam deslocar para zonas de abrigo. Contudo estas medidas estão limitadas às possibilidades

técnicas de manobra das turbinas (Harby et al., 2013). As medidas mais comuns passam pela

diminuição dos caudais máximos turbinados, pela diminuição da taxa de variação do caudal e pelo

controlo do caudal mínimo em períodos críticos (Charmasson e Zinke, 2011).

Para além das medidas enunciadas anteriormente, Clarke et al. (2008) propôs ainda que o aumento

do caudal reproduzisse as características de uma pequena cheia. Desta forma a variação do caudal

no tempo deve ser ajustada ao comportamento diurno das espécies-alvo e o caudal mínimo deve ser

garantido para a sustentabilidade do ecossistema.

Harby et al. (2013) apresentam diversas medidas de operação que atendem ao risco de stranding, as

quais são enumeradas de seguida:

14

i. Após um período longo com caudais elevados, o risco de stranding aumenta

significativamente. Desta forma, as fortes reduções do caudal devem ser precedidas de

variações suaves de menor amplitude;

ii. A diminuição do caudal deve ser efectuado depois do anoitecer, especialmente no Inverno,

em que as espécies estão menos activas durante o dia, permanecendo escondidas no

substrato;

iii. A taxa de redução da altura do escoamento dever ser inferior a 13 cm/h de forma a evitar o

stranding de espécies salmonídeas juvenis. Porém, mesmo assim, ainda poderá ocorrer

stranding em locais com velocidades elevadas, substrato grosseiro com elevados espaços

intersticiais e com declives das margens inferiores a 5%.

As medidas estruturais envolvem a construção de estruturas hidráulicas ou a modificação das

características do rio e das margens inundáveis. Muitas vezes são construídas estruturas artificiais

dentro do rio, tais como açudes ou estruturas deflectoras, concebidas para manterem a

biodiversidade que acabam por contribuir também para o atraso e redução da magnitude das

variações no nível de água (Harby et al., 2013).

As bacias de retenção ou pequenos reservatórios, construídos a jusante da zona de restituição das

centrais, são um exemplo de medidas estruturais que têm como objectivo reduzir a variações de

caudal e altura de água. Estas estruturas requerem ligação directa ao rio e tem alguns impactos no

meio ambiente. Os custos devem ser ponderados em função dos benefícios. Para evitar a existência

de zonas que tenham uma variação extrema da altura de água, isto é, podem estar totalmente secas

ou submersas, pode recorrer-se à distribuição do material do leito do rio ou à construção de açudes e

deflectores amovíveis (Harby et al., 2013).

A introdução de canais laterais e o uso das margens inundáveis possibilitam zonas de abrigo para as

espécies em situações de caudais elevados (Schwartz e Herricks, 2005; Ribi et al., 2009). Nesta

situação é necessário garantir a conectividade lateral do desvio e do curso de água principal durante

o caudal mínimo, para evitar o aparecimento de piscinas e o risco de stranding das espécies.

Algumas das medidas estruturais enunciadas estão dependentes das alterações geomorfológicas dos

rios, como por exemplo devido à sedimentação e erosão, podendo levar à destruição ou remoção da

estrutura. Estas medidas estão associadas a custos iniciais mais elevados devido à necessidade da

construção de estruturas.

2.5.2.5 Eficiência das medidas e monitorização

Existem diversas razões apontadas para justificar a falta de eficiência das medidas estruturais de

mitigação, das quais se destacam as seguintes: o esquema de reabilitação adoptado pode não ser o

adequado em termos de design e escala para o local correspondente, a qualidade da água pode

15

afectar a biodiversidade das espécies impedindo-as de usufruir das medidas propostas e a duração

dos programas de monitorização ser curta, não havendo possibilidade de proceder a melhorias nos

sistemas (Pretty et al., 2003).

Um dos maiores problemas das medidas estruturais é o facto de serem planeadas com recurso a

programas de simulação numérica, cálculos teóricos e experiências em laboratório, sendo difícil

prever a eficácia das mesmas no terreno (Charmasson e Zinke, 2011).

As medidas de mitigação devem ser constantemente submetidas a um estudo de avaliação para

determinar os efeitos benéficos e poder melhorar o desempenho das mesmas, sendo necessário

implementar programas de monitorização mais extensos.

2.5.2.6 Considerações sobre análise benefício custo das medidas de

mitigação

A análise de benefício custo tem vindo a ser conduzida no sentido de comparar as medidas

operacionais com as estruturais. Quando as medidas operacionais são adoptadas, para além das

perdas económicas que são induzidas, existem perdas de energia que terão de ser garantidas por

outras centrais. Estas são razões que tornam as medidas operacionais menos atractivas e viáveis

quando aplicadas isoladamente, a situação desejável passa pela combinação destas com as

estruturais (Gostner e Lucarelli, 2011).

As medidas que impliquem a construção de estruturas têm custos iniciais significativos, embora

sejam sempre mais aceitáveis do que os custos associadas às perdas de energia derivadas das

medidas operacionais. Caso se proceda a medidas de restauração do rio, os custos diminuem

significativamente assim como a durabilidade das mesmas, tipicamente são dimensionadas para um

período máximo de 20 anos (Frissell e Nawa, 1992).

2.6 Modelação hidrodinâmica

A modelação hidrodinâmica pretende prever a velocidade, a altura de água e a tensão de

arrastamento para determinados inputs, tais como a topografia, rugosidade, condições de fronteira,

entre outros.

A escolha do método para caracterizar as propriedades do escoamento depende de vários factores

como: o processo que se pretende modelar e os objectivos delineados, a escala temporal e espacial,

assim como a sua resolução. Os aspectos a considerar num modelo numérico de simulação para

escoamentos em canais com superfície livre encontram-se resumidos na Tabela 5.

16

Tabela 5: Aspectos a considerar num modelo numérico de previsão das características do escoamento

(adaptado de Tonina e Jorde, 2013).

Definição do problema

1. Escala temporal e espacial 2. Resolução espacial 3. Dados disponíveis e fiabilidade dos mesmos

Reconhecimento de campo

Modelo numérico Equações de continuidade, da quantidade de movimento e conservação de energia

1. Modelos 3, 2 e 1 D 2. Condições iniciais e de fronteira

Dados: topografia, caudal, velocidade e altura da água.

Discretização 1ª ordem, 2ª ordem, montante, jusante

1. Diferenças finitas, aproximação das equações na forma diferencial 2. Elementos finitos e volume finito, aproximação das equações na forma integral

Malha Qualidade, densidade, resolução e suavidade

1. Estruturada 2. Não estruturada

Técnica numérica 1. Acoplamento de valores de pressão e velocidade e parâmetros de relaxamento

Simulação 1. Independência da malha, calibração e validação 2. Análise de sensibilidade

Resultados 1. Previsão das características de escoamento para o caudal pretendido 2. Definir diferentes cenários

Os modelos numéricos abordados são modelos hidráulicos que se baseiam nas equações da

conservação da massa e da quantidade de movimento, nomeadamente a três, duas e uma dimensão

(3, 2 e 1D).

Os modelos 3D representam as características do escoamento em três direcções: longitudinal,

transversal e vertical. A sua utilização em ecohidráulica não é frequente e é limitada a simulações em

regime permanente, devido à necessidade de elevada capacidade computacional. Estes modelos têm

vindo a ser aplicados para definir campos de velocidade de forma a estudar o comportamento dos

peixes, a sua alimentação, o arrastamento de espécies ou drifting e a reabilitação de habitats e

estruturas bióticas como os abrigos para peixes (Tonina e Jorde, 2013).

As principais vantagens destes modelos consistem no facto de preverem as distribuições das

variáveis físicas em todas as direcções e considerarem a distribuição de pressões não hidrostática

(Shen e Diplas, 2008). Contudo nos escoamentos em rios a distribuição dos parâmetros na vertical é

pouco preponderante, visto que são caracterizados por declives baixos, variações graduais da

morfologia e baixas profundidades (Tonina e Jorde, 2013), pelo que os modelos bidimensionais são

mais adequados.

Os modelos 2D permitem variações das propriedades do escoamento temporais e espaciais na

direcção longitudinal e transversal, a diferentes escalas ecológicas. Estes modelos requerem

levantamentos topográficos detalhados com a recolha de um elevado número de pontos que

traduzam com melhor fiabilidade a topografia real. Nestes modelos o leito do rio é discretizado numa

malha de elementos finitos e em cada ponto obtêm-se o valor da profundidade e duas componentes

17

de velocidade, considerando uma distribuição hidrostática de pressões (Boavida, 2007). Estes

modelos são preponderantes em estudos onde a conhecimento da distribuição da velocidade no

plano horizontal e da profundidade é importante, como é o caso da avaliação do habitat de espécies

aquáticas.

Por último, os modelos unidimensionais consideram que, em cada secção transversal a velocidade é

igual em todos os pontos e que a superfície livre do escoamento é horizontal. No estudo de habitats a

modelação unidimensional baseia-se na escolha de secções transversais ao longo do curso de água

onde são medidas as variáveis velocidade, profundidade e substrato. Na Figura 3 ilustram-se as

variáveis consideradas em cada modelo.

Figura 3: Representação da velocidade (u), tensão de arrastamento (τ) e profundidade (h) nos modelos 1D, 2D e

3D respectivamente (adaptado de Tonina e Jorde, 2013).

2.7 Modelação do habitat

Os modelos de simulação de habitat têm vindo a ser utilizados de forma a prever e quantificar os

impactos ecológicos que derivam de alterações das propriedades físicas dos ecossistemas.

Um dos primeiros modelos físicos de habitat utilizados foi o Physical Habitat Simulation System

(PHABSIM) uma componente da IFIM desenvolvida na década de 70 no Norte da América (Bovee,

1982). Os modelos de habitat passaram a ser uma ferramenta utilizada na modelação e gestão dos

rios nos anos 80, sendo amplamente utilizados nos dias de hoje.

A classificação do habitat qualitativamente e quantitativamente depende da definição de índices que

relacionam as condições bióticas e abióticas. O indicador mais usado para descrever a resposta

biológica a determinadas condições físicas é o índice de adequação de habitat (HSI, Habitat

Suitability Index). Este índice toma valores de 0 a 1 que correspondem, respectivamente, à mínima e

máxima adequação da espécie-alvo a determinadas variáveis físicas (Frissell et al., 1986).

A relação entre as respostas biológicas e os factores abióticos podem ser determinadas com recurso

a diferentes técnicas, nomeadamente recorrendo a funções de preferência univariadas, também

designadas por curvas de preferência de habitat (HSC, Habitat Suitability Curves), que definem as

preferências (HSI) da espécie-alvo em relação à velocidade do escoamento, à profundidade e ao

substrato (Figura 4).

18

Figura 4: Curvas de preferência de habitat para as variáveis velocidade, profundidade e substrato. Exemplos.

Da relação entre os valores de HSI e as características hidráulicas do curso de água (velocidade,

profundidade e/ou substrato e cobertura) surge o WUA e HHS (Hydraulic Habitat Suitability), que

podem ser obtidos como função do caudal (equações 2.1 e 2.2). O HHS resulta do quociente entre o

WUA e a área molhada, resultando num parâmetro adimensional, que varia de 0 a 1, o que torna

mais fácil a comparação de valores entre diferentes locais de estudo (Stalnaker et al.,1995).

WUA = ∑ Ai × HSIi = f (Q)

i

n=1

(2.1)

HHS =WUA

á𝑟𝑒𝑎 𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑎= f (Q) (2.2)

em que Ai representa a área.

O HSI para um determinado valor de velocidade, profundidade e substrato pode calcular-se através

do produto, da média aritmética ou da média geométrica dos valores de VSI (Velocity Suitability

Index), DSI (Depth Suitability Index) e SSI (Substrate Suitability Index).

As expressões referentes ao produto, média aritmética e geométrica estão representadas nas

equações 2.3, 2.4 e 2.5 respectivamente.

HSI𝑝 = VSI x DSI x SSI (2.3)

HSI𝑎 =VSI + DSI + SSI

3 (2.4)

HSI𝑔 = √VSI x DSI x SSI3

(2.5)

19

O método do produto pressupõe que as espécies piscícolas seleccionam cada variável

independentemente das outras. Este método produz os menores valores de habitat quando

comparado com os outros, visto que a inadequabilidade de habitat de uma variável não pode ser

compensada por boas condições de habitat de outra variável. Na média geométrica existe

compensação de adequabilidade, atribuindo a mesma importância às três variáveis, tanto este

método como o do produto podem fornecer um resultado de habitat nulo sempre que uma

adequabilidade seja nula. Por último, a média aritmética considera que as condições favoráveis de

habitat podem compensar as menos favoráveis (Boavida et al., 2014).

A metodologia baseada nas curvas de preferência possui algumas limitações, nomeadamente o facto

de considerar independência entre os factores abióticos e a limitação na utilização destas curvas em

diferentes segmentos de estudo, devido à especificidade inerente à realização das mesmas. Desta

forma, surgiram outras metodologias, como a lógica fuzzy, na terminologia anglo-saxónico, ou lógica

difusa, em que as preferências de habitat podem ser definidas qualitativamente através do

conhecimento de ictiólogos. A lógica fuzzy é constituída por conjuntos e regras fuzzy. A principal

vantagem desta metodologia é o facto de permitir uma análise qualitativa sem ensaios de campo

(Noack et al., 2013) permitindo também considerar efeitos multivariados sem assumir independência

de variáveis de entrada.

A teoria dos conjuntos fuzzy, desenvolvida por Zadeh (1965), permite que os sistemas estejam em

estados intermédios, o que é uma vantagem para a modelação ecológica visto que as mudanças não

são bruscas mas sim graduais (Salski, 1992). Esta lógica é abordada com mais pormenor no

capítulo 3 no âmbito do programa Casimir Fish 2D.

21

3 Metodologia de estudo

3.1 Considerações prévias

O modelo numérico utilizado para a simulação hidrodinâmica bidimensional do escoamento no troço

em estudo foi o River2D. Para a determinação do habitat disponível, recorreu-se ao Casimir Fish 2D.

Neste capítulo encontram-se descritos resumidamente os princípios incorporados por cada um destes

modelos e o fluxograma dos procedimentos adoptados no desenvolvimento do caso de estudo.

3.2 River2D

A modelação hidrodinâmica, representada no capítulo 4, foi executada através do modelo numérico

River2D, desenvolvido na Universidade de Alberta pelo Departamento de Engenharia Civil em

colaboração com o Freshwater Institute, o Midcontinent Ecological Science Center da U.S. Geological

Survey e a Fisheries Division do Governo de Alberta (Steffler e Blackburn, 2002).

O River2D é um modelo bidimensional, de elementos finitos. O modelo de habitat por este

considerado é o PHABSIM que utiliza curvas de preferência de habitat (Steffler e Blackburn, 2002). O

modelo encontra-se divido em quatro subprogramas: o R2D_Bed onde se procede à edição da

topografia do leito; o R2D_Mesh para o estabelecimento de uma malha triangular de elementos finitos

sobre a topografia; o River2D que efectua a modelação hidrodinâmica fornecendo como output

valores de velocidade e profundidade em cada nó da malha; o R2D_Ice que considera situações em

que o rio está coberto de gelo, o qual não será utilizado neste estudo.

A modelação hidrodinâmica do River2D é baseada na forma conservativa das equações de Sant

Venant, nomeadamente nas equações de conservação da massa (3.1) e quantidade de movimento

na direcção x e y, (3.2) e (3.3) respectivamente.

𝜕𝐻

𝜕𝑡+

𝜕𝑞𝑥

𝜕𝑥+

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑦= 0

(3.1)

em que H é a altura de escoamento; qx (3.1.1) e qy (3.1.2) são os caudais específicos nas

direcções x e y, respectivamente, sendo

𝑞𝑥 = 𝐻𝑈 (3.1.1)

𝑞𝑦 = 𝐻𝑉 (3.1.2)

em que U e V são as velocidades médias em profundidade segundo x e y

𝜕𝑞𝑥

𝜕𝑡+

𝜕

𝜕𝑥(𝑈𝑞𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝑉𝑞𝑥) +

𝑔

2

𝜕

𝜕𝑥𝐻2 = 𝑔𝐻(𝑖𝑜𝑥 − 𝑖𝑓𝑥) +

1

𝜌(

𝜕

𝜕𝑥(𝐻𝜏𝑥𝑥)) +

1

𝜌(

𝜕

𝜕𝑦(𝐻𝜏𝑥𝑦))

(3.2)

22

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑡+

𝜕

𝜕𝑥(𝑈𝑞𝑦) +

𝜕

𝜕𝑦(𝑉𝑞𝑦) +

𝑔

2

𝜕

𝜕𝑦𝐻2 = 𝑔𝐻(𝑖𝑜𝑦 − 𝑖𝑓𝑦) +

1

𝜌(

𝜕

𝜕𝑥(𝐻𝜏𝑦𝑥)) +

1

𝜌(

𝜕

𝜕𝑦(𝐻𝜏𝑦𝑦))

(3.3)

em que g é a aceleração gravítica; 𝜌 é a massa volúmica da água; 𝑖𝑜𝑥 e 𝑖𝑜𝑦 são os declives do leito

na direcção x e y, respectivamente; 𝑖𝑓𝑥 e 𝑖𝑓𝑦 são os declives da linha de energia segundo x e y

respectivamente e 𝜏𝑥𝑥, 𝜏𝑦𝑦 e 𝜏𝑥𝑦 são as tensões exercidas nos planos xx, yy e xy, respectivamente.

Para determinar a profundidade e os caudais nas direcções longitudinal e transversal, o River2D

utiliza estas equações juntamente com o método implícito de Petrov-Galerkin. Para o cálculo da

velocidade o modelo procede à divisão dos caudais específicos pela profundidade (Steffler e

Blackburn, 2002).

O modelo hidrodinâmico tem por base os seguintes pressupostos: a distribuição de pressões é

hidrostática, a velocidade na direcção vertical é constante e são desprezáveis as forças de Coriolis e

a acção do vento sobre as massas de água.

A relação entre o declive da linha de energia e a tensão de arrastamento está representada na

equação (3.4).

𝑖𝑓𝑥 =𝜏𝑏𝑥

𝜌𝑔𝐻=

√𝑈2 + 𝑉2

𝑔𝐻𝐶𝑠2

𝑈 (3.4)

em que 𝜏𝑏𝑥 é a tensão de arrastamento no fundo e Cs é o coeficiente de Chézy (3.5).

𝐶𝑠 = 5,75 log (12𝐻

𝑘𝑠

) (3.5)

em que 𝑘𝑠 é a rugosidade efectiva.

A rugosidade efectiva relaciona-se com o coefeciente de Manning (n) através da expressão (3.6).

𝑘𝑠 = 12𝐻

𝑒𝑚 ; 𝑚 =

𝐻1/6

2,5 𝑛√𝑔

(3.6)

O modelo considera a rugosidade efectiva como parâmetro de cálculo da resistência ao escoamento.

Num escoamento turbulento bidimensional e uniforme a tensão tangencial resulta da soma de duas

componentes, uma referente à tensão tangencial devido à viscosidade dinâmica e outra devido às

flutuações turbulentas da velocidade designada anteriormente por 𝜏𝑥𝑦 (3.7).

𝜏𝑥𝑦 = 𝜈𝑡 (𝜕𝑈

𝜕𝑦+

𝜕𝑉

𝜕𝑥)

(3.7)

em que 𝜈𝑡 é o coeficiente de viscosidade turbulenta.

23

3.3 Casimir Fish 2D e lógica fuzzy

A determinação do habitat disponível foi simulada através do Casimir (Computer aided simulation

model for instream flow regulation), que foi desenvolvido em 1990 pelo Instituto de Engenharia

Hidráulica da Universidade de Stuttgart (Schneider, 2010).

O Casimir incorpora vários submodelos nomeadamente o Casimir Fish 2D que permite importar

resultados de modelos hidrodinâmicos bidimensionais e utilizá-los no cálculo do habitat disponível

com base nos modelos de habitat que o integram. São exemplos de outros modelos o Casimir

Benthos direccionado para as espécies bentónicas, o Casimir Vegetation que permite simular a

distribuição espacial da vegetação nas planícies inundáveis, o Casimir Hydropower desenvolvido com

o intuito de estudar os efeitos económicos da produção de energia hidroeléctrica, e por último o

modelo mais recente o Casimir GIS para modelar situações especiais de constante mudança.

A modelação de habitat através do Casimir pode ser realizada através de curvas de preferência de

habitat ou com recurso à lógica fuzzy, que se apresenta explicada resumidamente nos parágrafos

que se seguem.

Na lógica fuzzy a variável de habitat é dividida em várias funções de associação ou na terminologia

anglo-saxónica membership functions, das quais são caracterizadas qualitativamente como High,

Medium e Low (H, M e L) e tomam a forma triangular ou trapezoidal. O conjunto destas três variáveis

para cada parâmetro físico é designado por conjunto fuzzy (Figura 5).

Para cada variável (profundidade, velocidade ou substrato), é estipulado um intervalo de valores de

ocorrência da mesma. No processo de "fuzzificação" (fuzzification) a este domínio de valores da

variável são atribuídos graus de associação às funções H, M e L. O grau de associação toma valores

entre 0 e 1. De notar que os valores de ocorrência da variável podem pertencer simultaneamente a

duas funções (L e M ou M e H) com graus de associação diferentes ou no limite iguais e com o valor

de 0,5.

Figura 5: Conjunto fuzzy para a velocidade, com funções de associação triangulares (i.e. High) e trapezoidais (i.e.

Low e Medium) (adaptado de Noack et al., 2013).

24

Após ter definido os conjuntos fuzzy é necessário estabelecer a relação entre os parâmetros físicos e

bióticos, que é concretizada através das regras fuzzy. Uma regra fuzzy consiste em vários

argumentos contemplados numa premissa, que descreve o ambiente em termos de profundidade,

velocidade e substrato, e numa consequência que traduz o HSI para as condições descritas na

premissa. Um exemplo de uma regra fuzzy possível é "Se a profundidade for High e a velocidade

High, Então HSI é Low".

No processo de inferência, o programa percorre todos os conjuntos de regras e determina o grau de

preenchimento (DOF, degree of fulfilment) de cada uma, seleccionando para tal o menor valor do

grau de associação das variáveis físicas. O grau de preenchimento indica uma gama de valores do

HSI, para uma determinada regra.

O processo de atribuir um único valor de HSI aos conjuntos de DOF que resultam do processo de

inferência, designa-se de "desfuzzificação" (desfuzzification). O método utilizado no Casimir é o

cálculo do centro de gravidade das áreas que derivam do DOF (Figura 6) (Noack et al., 2013).

A abordagem fuzzy no programa Casimir pode ser calibrada de diferentes formas, nomeadamente

por alteração da abordagem numérica com diferentes processos de inferência, modificação das

regras fuzzy ou mudança dos conjuntos fuzzy dos parâmetros físicos. A primeira forma de calibração

não produz efeitos significativos nos resultados finais. A opção mais comum é alterar os conjuntos

fuzzy, sendo que a mudança de regras só é efectuada após comum acordo com vários ictiólogos

(Noack et al., 2013).

3.4 Fluxograma dos procedimentos adoptados no caso de estudo

No sentido de sistematizar os procedimentos adoptados na realização do caso de estudo (capítulo 4),

elaborou-se o fluxograma representado na Figura 7. Indicam-se os principais tópicos desenvolvidos

(estudo hidrológico, modelação hidrodinâmica e do habitat e simulação da operação da central

hidroeléctrica), os dados necessários para a sua concretização (inputs), bem como os resultados

(outputs) conseguidos através desses procedimentos. Pretende-se ainda, que este fluxograma possa

constituir um guia de desenvolvimento de trabalhos futuros nesta área.

No capítulo que se segue são descritos detalhadamente os procedimentos apresentados neste

fluxograma.

25

Figura 6: Processo de inferência, ilustrando o cálculo do DOF de duas regras A e B, com duas variáveis físicas e o cálculo do HSI através do centro de gravidade (adaptado

de Noack et al., 2013).

26

Figura 7: Sistematização dos procedimentos adoptados no desenvolvimento do caso de estudo.

27

4 Caso de estudo- Aproveitamento hidroeléctrico de Ermida

4.1 Enquadramento da área de estudo

A ribeira da Carvalhosa é um afluente do rio Paiva, nasce na serra de Montemuro, no lugar de

Aguilhões e desagua no rio Vidoeiro na Quinta do Marado, junto à ponte de Ermida, em Castro Daire.

O aproveitamento hidroeléctrico de Ermida, com início de exploração em Maio de 1993, localiza-se a

cerca de 3 km a norte de Castro Daire, no rio Vidoeiro, também designado de Pombeiro. Este nasce

na aldeia de Mezio, concelho de Castro Daire, serra de Montemuro, e desagua na margem direita do

rio Paiva, junte à ponte da Ermida. O aproveitamento hidroeléctrico tem uma bacia com 28,8 km2

e

um caudal específico de 37,5 l/s.km2. Na Figura 8 apresenta-se um esquema representativo da

localização do troço em estudo, da ribeira de Carvalhosa, do rio Vidoeiro, do açude e da central do

aproveitamento hidroeléctrico de Ermida.

O aproveitamento foi dimensionado considerando que os caudais naturais excediam a capacidade

máxima de turbinamento em 45 dias. Assim, de acordo com a curva de duração média anual dos

caudais médios diários, cerca de 70% da água disponível pode ser aproveitada para a produção de

energia. A albufeira permite o armazenamento do caudal para posteriormente ser turbinado nas horas

de ponta diária, onde o tarifário da energia é mais elevado.

O aproveitamento é constituído por um açude em betão armado, que integra um descarregador

controlado por uma comporta de charneira, uma tomada de água, uma descarga de fundo, uma

câmara de sedimentação, uma conduta forçada e ainda pela central hidroeléctrica (Figura 9).

28

Figura 8: Localização do troço em estudo, da ribeira de Carvalhosa, do rio Vidoeiro, do açude e da central do

aproveitamento hidroeléctrico de Ermida.

29

Figura 9: Aproveitamento hidroeléctrico de Ermida (imagem cedida por Hidrocentrais, S.A.).

O açude, com 64 m de comprimento e NPA de 723,00 m, cria um armazenamento de 48 000 m3. O

descarregador de cheias, com 18 m de comprimento, está equipado com uma comporta de charneira

de 2,25 m de altura, sendo a cota da crista da soleira descarregadora de 720,75 m (Figura 10).

Figura 10: Açude e descarregador de cheias do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida.

De forma a proteger a conduta e a turbina foi projectada, a jusante da tomada de água, uma câmara

de sedimentação para partículas até 0,25 mm de diâmetro. A limpeza desta só é possível após

interrupção da operação da central.

A conduta forçada é constituída por tubos de aço de diâmetro interior a 1100 mm com uma extensão

total de 3900 m e desnível de 394,80 m, localizada na margem esquerda do rio Vidoeiro. A tubagem

tem protecção anticorrosiva no interior e exterior e está enterrada em vala.

30

A central hidroeléctrica é uma estrutura de betão armado, com a sala das máquinas no nível inferior e

a sala de comando no nível superior. Na sala das máquinas está instalada uma turbina Pelton, com

três injectores, de eixo vertical e um gerador síncrono. Na subestação a tensão é elevada para 60 kV,

necessária para a ligação à rede eléctrica nacional (Figura 11).

Figura 11: Edifício da Central hidroeléctrica (imagem cedida por Hidrocentrais, S.A.).

A turbina Pelton tem uma velocidade de 750 r.p.m e o gerador síncrono uma potência nominal de

8,47 kVA. Na Figura 12 apresenta-se o esquema da turbina onde se pode observar que a cota da

calagem é de 327,75 m e a cota na zona de restituição de 326,70 m.

a)

Figura 12: Turbina Pelton: a) esquema ilustrativo; b) fotografia da turbina (imagens cedidas por Hidrocentrais,

S.A.).

31

b)

Figura 12-Continuação: Turbina Pelton: a) esquema ilustrativo; b) fotografia da turbina (imagens cedidas por

Hidrocentrais, S.A.).

As características do aproveitamento hidroeléctrico em estudo apresentam-se na Tabela 6.

Tabela 6: Caracterização do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida.

Características gerais

Área da bacia 28,8 km2

Precipitação média 2112 mm

Escoamento 1,08 m3/s

Volume anual escoado 34,06 hm3

Caudal de projecto 2,35 m3/s

Queda Bruta 394,80 m

Queda útil 380,59 m

Potência máxima 7,7 MW

Produção média anual 19,88 GWh

Caudal ecológico 28 l/s

Conduta Forçada Comprimento 3900 m

Diâmetro interior 1100 mm

Turbina Velocidade 750 rpm

Gerador Síncrono Potência nominal 8,47 kVA

Tensão nominal 6 kV

Transformador 6/60 kV

Albufeira

Volume útil 48.000 m3

NPA 723,00 m

Altura útil 5,00 m

Descarregador

Comprimento 18,00 m

Cota da crista 720,75 m

Cheia 500 anos 203 m3/s

Cheia 100 anos 256 m3/s

Câmara de sedimentação Volume 450 m

3

Partícula de dimensionamento 0,25 mm

Linha de interligação Tensão 60 kV

Comprimento 21,00 km

32

4.2 Estudo hidrológico

A bacia hidrográfica da ribeira de Carvalhosa tem uma área de 47,67 km2

e perímetro de 31,24 km.

Esta bacia foi desenhada a partir da carta militar da folha 14 da escala 1:100.000, utilizando o ArcGis

(Figura 13 a)). A georreferenciação da carta teve por base o sistema de coordenadas ETRS 1989

Portugal TM06, utilizando para tal, cinco marcos geodésicos nomeadamente: Seculca, Sirigo, Serra

Alta, Belgão e Santo Antão.

Em relação ao sistema de drenagem, optou-se por definir as ordens dos cursos de água pelo critério

de Strahler, ou também designado por Horton-Strahler, por ser o mais usado em estudos de

morfologia fluvial (Hipólito e Vaz, 2011). Neste critério a classificação é feita de montante para jusante

sendo que a 1ª ordem corresponde a uma linha de água mais pequena que não recebe afluentes, a

junção de duas de 1ª ordem origina uma de 2ª ordem e assim sucessivamente até à zona de

referência da bacia. Assim, a ribeira de Carvalhosa é classificada como uma linha de água de 2ª

ordem (Figura 13 b)).

a) b)

Figura 13: Bacia hidrográfica da ribeira de Carvalhosa e do rio Vidoeiro: a) delimitação dos seus limites, e

b) representação de todos os cursos de água classificados com a respectiva ordem de acordo com o critério de

Strahler.

Para determinar o escoamento na bacia hidrográfica recorreu-se à regionalização de informação, que

no contexto da estimação de escoamento, consiste na transferência de informação hidrométrica de

uma bacia hidrográfica onde essa informação está disponível, para outra que não está monitorizada

(Portela, 2003).

Os modelos de regionalização têm como objectivo a obtenção de séries contínuas de escoamento em

bacias não monitorizadas. Para tal existem dois modelos disponíveis, os que são dependentes dos

modelos hidrológicos e os que são independentes. No primeiro, procede-se à transferência de

parâmetros dos modelos de precipitação-escoamento para a estimação do escoamento na bacia não

monitorizada. O segundo modelo não recorre à modelação hidrológica na bacia não monitorizada

N

33

mas sim à aplicação de modelos baseados em regressões, em relações de escala e séries temporais

(Portela, 2013).

Neste caso recorreu-se a um modelo do segundo tipo, em que a altura de escoamento anual médio

(H) é o parâmetro de regionalização, constituindo assim um factor de escala.

Para seleccionar uma estação hidrométrica, próxima da bacia da ribeira de Carvalhosa, com o valor

de escoamento anual médio semelhante foi necessário proceder a uma estimativa do escoamento na

bacia em estudo. Para tal, foi utlizado o mapa de isolinhas do escoamento, disponível no Altas do

Ambiente. A bacia hidrográfica localiza-se maioritariamente entre as isolinhas de 1000 e 1400 mm

(Figura 14). Assim, o escoamento anual médio estimado foi de 1115 mm (Tabela 7).

Figura 14: Representação da bacia hidrográfica no mapa de isolinhas do escoamento.

Tabela 7: Valor do escoamento anual médio na bacia hidrográfica.

Isolinhas do escoamento Área (km

2)

Média de H (mm)

H (mm)

800 1000 13,54 900 1115

1000 1400 34,13 1200

Com o valor da área e da estimativa do escoamento na bacia, obteve-se o caudal modular de

1,69 m3/s, através da equação 4.1.

𝑄𝑚𝑜𝑑 =𝐻 𝐴

365 × 24 × 3,6

(4.1)

em que 𝑄𝑚𝑜𝑑 representa o caudal modular (m3/s), 𝐻 é o escoamento médio anual expresso em

altura (mm) e A é a área da bacia hidrográfica (km2).

A estação hidrométrica mais próxima do local em estudo, com um escoamento anual médio próximo

do valor estimado, é a de Fragas da Torre, ilustrada na Figura 15. Apresenta um escoamento anual

médio de 997 mm e um desvio padrão de 470 mm (Portela, 2013) (Tabela 8).

N

34

Figura 15: Localização da estação hidrométrica e do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida.

Tabela 8: Características da estação hidrométrica de Fragas da Torre (adaptado de Portela, 2013).

Código da estação

Designação Bacia

hidrográfica/ curso de água

Área (km2)

Registos (nº de anos)

Escoamento anual médio

(mm)

Desvio padrão (mm)

08H/02 Fragas da

Torre Douro/ Paiva 660

1946/47 a 1995/96 (50)

997 470

Obtida a curva de duração anual do caudal médio diário para o rio Paiva e o módulo de 20,90 m3/s,

que corresponde à média dos caudais médios diários registados na estação hidrométrica de Fragas

da Torre, determinou-se a curva de duração de caudais adimensionalizada. A partir desta última foi

possível a determinação da curva de duração anual do caudal médio diário para a ribeira de

Carvalhosa, através da multiplicação dos valores da curva adimensionalizada pelo módulo

correspondente à ribeira de Carvalhosa (Figura 16).

𝑄𝐶𝑎𝑟𝑣𝑎𝑙ℎ𝑜𝑠𝑎 =𝑄𝑃𝑎𝑖𝑣𝑎

𝑄𝑚𝑜𝑑𝑃𝑎𝑖𝑣𝑎

∗ 𝑄𝑚𝑜𝑑.𝑐𝑎𝑟𝑣𝑎𝑙ℎ𝑜𝑠𝑎

Figura 16: Curvas de duração anual do caudal médio diário na estação de Fragas da Torre, à esquerda e na

secção de restituição da central, à direita.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 73 146 219 292 365

Q /

Qm

od

(-)

Duração (dias)

Rio Paiva

0

10

20

30

40

50

60

70

0 73 146 219 292 365

Q (

m3

/s)

Duração (dias)

Ribeira de Carvalhosa

Aproveitamento

hidroeléctrico de

Ermida

Estação hidrométrica

Fragas da Torre

N

35

4.3 Caracterização do troço

O troço em estudo inicia-se a cerca de 70 m a jusante da ponte da Ermida, na zona de restituição do

aproveitamento hidroeléctrico (Figura 17). Tem uma extensão de aproximadamente 100 metros e

uma largura que varia sensivelmente entre os 9 e os 12 m. O declive do rio no troço em estudo é

aproximadamente de 0,013.

Figura 17: Troço em estudo e zona de restituição da central.

O leito do rio é caracterizado pela existência de grandes blocos de pedra com diâmetros variáveis na

ordem de 1 até 3 m e calhau rolado (Figura 18).

a) b)

Figura 18: Representação do material do leito: a) blocos de grandes dimensões; b) calhou rolado.

No curso de água podem observar-se vários mesohabitats dos quais se destacam as cascatas,

rápidos, pool e run (Figura 19).

36

a) b)

c) d)

Figura 19: Representação dos vários mesohabitats existentes na ribeira de Carvalhosa: a) cascata; b) rápido; c)

pool; d) run.

4.4 Caracterização das espécies e estágios de vida

Segundo o registo de capturas do Ministério da Agricultura, Mar, Ambiente e do Ordenamento do

Território, na ribeira de Carvalhosa a espécie predominante é a Salmo trutta, mais comummente

designada por truta de rio, na sua variante potamódroma (Ribeiro et. al., 2007).

A Figura 20 representada um exemplar da Salmo trutta com tamanho inferior a 50 cm. As trutas

apresentam duas barbatanas dorsais, a primeira espinhosa e a segunda adiposa, a coloração do

dorso é pardo-esverdeado, os flancos são esverdeados ou amarelados com manchas avermelhadas

ou negras e o ventre amarelado ou branco (Ribeiro et. al., 2007).

Figura 20: Salmo trutta capturado no rio Paiva.

37

As trutas preferem rios com elevadas velocidades de corrente e águas frias, oxigenadas e pouco

profundas, nomeadamente características de mesohabitats de riffles (Ribeiro et. al., 2007).

Estas trutas desovam aos pares entre os finais de Outubro até Março. A fêmea escolhe o local de

desova e escava o abrigo, enquanto o macho defende e protege a fêmea de outros machos. Os ovos

das trutas são cobertos por uma camada de 3 a 30 cm de areia e a profundidade do abrigo é

aproximadamente da ordem de grandeza do tamanho da progenitora. Os abrigos com profundidades

consideráveis evitam o arrastamento dos ovos pelas correntes fortes, mas em contrapartida a taxa de

oxigenação é menor (Kottelat e Freyhof, 2007).

Os substratos com granulometria superiores a 75 mm são os escolhidos para abrigo destas espécies,

assim como zonas com vegetação ripícola relevante e raízes (Ribeiro et. al., 2007).

As trutas juvenis alimentam-se essencialmente de invertebrados bentónicos e as adultas alimentam-

se de pequenos peixes, crustáceos e insectos (Kottelat e Freyhof, 2007).

4.5 Modelação hidrodinâmica

4.5.1 Trabalho de campo

A primeira saída de campo ocorreu no dia 27 de Fevereiro e teve como objectivo o reconhecimento

do troço da ribeira, bem como do aproveitamento hidroeléctrico.

O levantamento topográfico foi realizado em duas etapas, a primeira no dia 29 de Março e a segunda

no dia 4 de Junho. Simultaneamente com o primeiro levantamento topográfico, foram medidas as

velocidades nas secções transversais ao escoamento com um molinete ultrasónico, FP101 Global

Flow Probe da Global Water (Figura 21).

38

a) b)

c) d)

Figura 21: Representação de alguns trabalhos de campo e do caudal do rio nos dois levantamentos topográfico:

a) levantamento topográfico com estação total e mira; b) medição das velocidades com o molinete ultrasónico; c)

caudal do rio no dia 29 de Março; d) caudal do rio no dia 4 de Junho.

O substrato do rio foi avaliado por inspecção visual, tendo-se observado pedras, blocos, rochas e

zonas de laje (Figura 22).

39

a) b)

c) d)

Figura 22: Caracterização da rugosidade do leito do rio: a) pedras na ordem dos 50 a 100 mm; b) blocos com

dimensões superiores a 100 mm; c) rocha com dimensões superiores a 1 m; d) laje de pedra a constituir o leito

do rio.

4.5.2 Obtenção da curva de vazão

As condições de fronteira necessárias para o modelo são o caudal na secção de entrada e a altura de

escoamento na secção de saída. Para tal foi necessário definir a curva de vazão para simular caudais

diferentes do medido em campo.

O cálculo do caudal nas secções transversais ao escoamento pode ser obtido pelo somatório das

sucessivas áreas multiplicadas pelo valor da velocidade medido em cada secção, através da equação

(4.2).

𝑄𝑖 = ∑ 𝐴𝑖 𝑣𝑖

𝑛

𝑖=1

(4.2)

em que Ai representa as várias áreas que constituem uma secção transversal e vi corresponde ao

valor medido da velocidade.

40

Na Tabela 9 apresenta-se o valor do caudal para cada secção transversal ao escoamento, bem como

o valor total do caudal no dia do levantamento topográfico, que se obteve através da média dos vários

caudais.

Tabela 9: Caudal para cada secção transversal e caudal total.

Secção Transversal 2 (jusante) 3 4 5 6 (montante)

Média

Caudal (m3/s) 0,37 0,34 0,58 0,44 0,61

0,47

De notar que no campo foram definidas seis secções transversais representadas na Figura 23. A

secção 1, devido à irregularidade da mesma e à incerteza na determinação do caudal foi eliminada

para efeitos de cálculo do mesmo.

Figura 23: Secções transversais medidas em campo.

A curva de vazão foi obtida através da simulação unidimensional do escoamento, utilizando o

HEC-RAS. Para tal, calculou-se a curva de regolfo do escoamento tendo como secção de controlo a

secção 1 e o regime de escoamento lento ao longo do rio.

A simulação do escoamento em HEC-RAS pressupõe que as secções transversais são rectas e

perpendiculares à direcção do escoamento. Devido à forma e à existência de várias direcções de

escoamento, verificadas na seção 1, procedeu-se à linearização da mesma para a introdução desta

no programa. Os resultados da simulação do escoamento encontram-se no anexo A.

Utilizou-se um coeficiente de Strickler de 14 m1/3

/s, referido por Lencastre (1991), como valor normal

para cursos de água sinuosos com zonas profundas, baixios, rápidos, contracções, muitas pedras,

secções de funcionamento mais lento e vegetação.

41

Após a simulação para vários caudais, determinou-se a curva de vazão para a secção n.º 2, por

ajustamento de uma função logarítmica (Figura 24). A escolha da secção n.º 2 para secção de saída

no modelo, deveu-se a questões de simplicidade em simular as condições de fronteira no River2D.

Figura 24: Curva de vazão da secção nº2.

4.5.3 Obtenção do ficheiro hidrodinâmico

4.5.3.1 Edição da topografia

Os pontos do levantamento topográfico foram inseridos no R2D_Bed com um formato.txt. O valor da

rugosidade efectiva foi obtido através das equações (3.6). Para tal considerou-se a altura de

escoamento média em cada secção transversal e o coeficiente de rugosidade de Strickler utilizado na

simulação unidimensional de 14 m1/3

/s. Assim, a média da rugosidade efectiva nas secções

transversais é de aproximadamente 0,90 m, os cálculos detalhados encontram-se no anexo B.

Segundo Wu e Mao (2007), o valor da rugosidade efectiva para rios com estas características varia

de 0,50 até 1,50 m, sendo que a rugosidade efectiva escolhida se encontra dentro deste limite.

Optou-se por adicionar pontos fora do domínio, com valores de rugosidade iguais, para que os nós

localizados na fronteira exterior fossem facilmente interpolados (Figura 25).

y = 0,3123ln(x) + 317,75 R² = 0,9576

317,4

317,6

317,8

318

318,2

318,4

318,6

318,8

0 2 4 6 8 10 12

Co

ta d

a su

per

fici

e liv

re (

m)

Caudal (m3/s)

42

Figura 25: Densidade de pontos utilizada na edição da topografia.

Considerou-se a rugosidade igual em todo o leito do rio, visto que o zonamento rigoroso da mesma

era bastante difícil, apoiando esta decisão no estudo de Boavida (2007), que sugere a caracterização

da rugosidade pelo maior valor do diâmetro do material do leito do rio.

Para melhorar o tempo computacional, foram desenhadas linhas de quebra em redor de todos os

blocos rochosos representados no levantamento topográfico, evitando assim a interpolação entre

esses pontos e os que se localizam no exterior das linhas de quebra (Figura 26).

Figura 26: Linhas de quebra em redor das rochas.

43

Posteriormente procedeu-se à triangulação e, após visualização das cotas do terreno, foram inseridos

pontos de forma a representar com mais rigor o troço em questão. Para tal, foi elaborado o modelo

digital do terreno com o programa ArcGis e a respectiva representação em 3D (Figura 27).

Figura 27: Modelo digital do terreno em 3D.

O ficheiro é constituído por 1935 nós, 741 linhas de quebra que perfazem vários polígonos e

52 segmentos de fronteira.

4.5.3.2 Criação da malha de elementos finitos

Após a edição do ficheiro topográfico, criou-se uma malha de elementos finitos sobre a topografia do

leito do rio. Na Tabela 10 encontram-se as características da malha de elementos finitos, em que Q.I

(Quality Index) representa o valor do triângulo com qualidade mais baixa, traduzindo o grau de

semelhança entre os triângulos gerados pela malha de elementos finitos.

Tabela 10: Características da malha executada no R2D_Mesh.

Nós de Fronteira Espaçamento 1,0m

Nós no interior do troço Espaçamento 0,5m

Ângulo 5 ͦ

Nº de nós 7382

Nº de elementos 14114

Q.I 0,448

O ficheiro foi guardado com a extensão .cdg para posteriormente ser reconhecido no River2D. Para

tal foi necessário estimar a cota da superfície livre a montante do troço, que se considerou 323,50 m.

44

4.5.3.3 Simulação hidrodinâmica

A simulação hidrodinâmica foi executada em regime permanente, utilizando o modelo iterativo de

resolução de equações não lineares. Este modelo iterativo é aconselhado para malhas com muitos

nós em detrimento do modelo directo que requer muita memória.

O processo iterativo baseia-se no modelo de resolução de equações designado por GMRS

(Generalized Minimal Residual method), que se torna mais rápido para malhas com grande número

de nós e não requer muita memória para armazenamento de dados (Steffler e Blackburn, 2002).

Nesta opção estão inerentes três parâmetros: o primeiro equivale ao número de iterações antes do

algoritmo reiniciar; o segundo corresponde ao número máximo destas; e o terceiro define a tolerância

da solução final. Estes parâmetros estão definidos por defeito e não foram alterados, visto que

surgiram de vários testes de comparação desta solução com o método directo, os parâmetros são

respectivamente 10, 10 e 0,01 (Steffler e Blackburn, 2002).

O programa permite ainda dois modelos de avaliação da matriz Jacobiana: o modelo analítico e

numérico. Neste estudo optou-se pelo método analítico visto ser o que conduz a tempos de

simulação mais rápidos (Steffler e Blackburn, 2002).

Durante a simulação foi necessário alterar a malha diversas vezes. Este facto deveu-se a picos de

velocidade originados por vórtices em redor de obstáculos como blocos rochosos, onde o

escoamento apresentava direcções muito variáveis no espaço, impedindo que o modelo atingisse o

regime permanente. Esta situação poderia ser evitada caso o levantamento topográfico descrevesse

melhor o domínio das irregularidades em redor das pedras.

4.5.3.4 Calibração do modelo e análise de sensibilidade

A calibração tem como objectivo aproximar a simulação da realidade por alterações sucessivas da

rugosidade do leito do rio. As variáveis comparadas foram a cota da superfície livre e os perfis de

velocidade nas secções transversais em estudo.

Com uma rugosidade efectiva de 0,90 m, as diferenças entre as cotas da superfície livre medidas e

simuladas foram pouco significativas (Figura 28). Na secção mais a jusante (n.º 2) a diferença média

entre as cotas da superfície livre foi de 1,68 cm e na secção n.º 3 de 1,65 cm. Estas secções

transversais corresponderam a zonas de velocidades baixas, apresentando uma superfície livre do

escoamento recta. Nas restantes secções, n.º 4, 5 e 6, as diferenças foram de 2,43 cm, 1,87 cm e

1,91 cm, respectivamente. Nestas secções verificaram-se velocidades superiores e portanto a

superfície livre do escoamento não correspondeu a uma recta.

Os perfis de velocidade obtidos apresentaram um bom ajustamento em relação às medições

efectuadas no local, embora existam diferenças pontuais a nível numérico bem visíveis nas secções

45

transversais n.º 4, 5 e 6 (Figura 29). Para as secções mais a jusante, a n.º 2 e 3, os perfis de

velocidade simulados encontram-se bem ajustados aos valores observados, visto que junto às

margens as velocidades são próximas de zero e os máximos nos perfis localizam-se junto aos

máximos observados. Nas restantes secções existem discrepâncias numéricas que podem ser

justificadas por diversas razões:

i. Falta de precisão do levantamento topográfico, em relação à representação de todas as

pedras relevantes ao escoamento, assim como pontos em redor destas;

ii. Diferenças entre a topografia do leito do rio e a gerada pela malha de elementos finitos; como

se trata de um rio com muitos blocos rochosos esta pode ser significativa;

iii. Dificuldade de medição das velocidades em campo, na direcção perpendicular ao

escoamento, devido à variabilidade espacial do mesmo em determinadas zonas;

iv. Erros de medição associados à recolha dos parâmetros hidráulicos e consequentemente ao

cálculo do caudal;

v. Dificuldade de correspondência entre as secções transversais medidas em campo e as

simuladas;

vi. Consideração de uma rugosidade constante em todas as secções transversais e ao longo

destas;

vii. Incertezas associadas à determinação das condições de fronteira.

Através desta análise foi possível verificar que o modelo reproduzia as condições observadas no

trabalho de campo, visto que a diferença máxima entre a cota da superfície livre medida e simulada

foi cerca de 2,43 cm, valor pouco significativo neste domínio. Os perfis de velocidade, nas secções

transversais consideraram-se indicadores dos valores que seriam expectáveis.

No sentido de analisar a influência da alteração da rugosidade efectiva na simulação hidrodinâmica,

optou-se por executar a mesma para uma rugosidade efectiva de 0,50 e de 1,00 m, valores

compreendidos no intervalo proposto por Wu e Mao (2007). Os resultados obtidos das diferenças

entre as cotas da superfície livre medidas e simuladas encontram-se resumidos na Tabela 11.

Tabela 11: Diferença entre a cota da superfície livre medida e simuladas para rugosidades diferentes.

Secção Transversal

EA médio entre a cota da superfície livre observada e simulada (cm)

ks= 0,50 m ks= 0,90 m ks= 1,00 m

2 (jusante) 1,68 1,68 1,68

3 1,68 1,65 1,65

4 2,46 2,43 2,43

5 2,22 1,87 1,85

6 (montante) 2,38 1,91 1,78

46

a) b)

c) d)

e)

Figura 28: Secções transversais com a representação da cota da superfície livre e simulada: a) secção

transversal n.º 2 (jusante); b) secção transversal n.º 3; c) secção transversal n.º 4; d) secção transversal n.º 5 e e)

secção transversal n.º 6.

316,8

317,0

317,2

317,4

317,6

317,8

1 3 5 7 9 11

Co

ta (

m)

Distância à margem (m)

Leito do rio Cota medida Cota simulda

316,8

317,0

317,2

317,4

317,6

317,8

1 3 5 7 9 11

Co

ta (

m)


Leito do rio Cota medida Cota simulada

316,8

317,0

317,2

317,4

317,6

317,8

1 3 5 7 9 11

Co

ta (

m)



316,8

317,0

317,2

317,4

317,6

317,8

1 3 5 7 9

Co

ta (

m)



316,8

317,0

317,2

317,4

317,6

317,8

0 2 4 6 8

Co

ta (

m)



47

a) b)

c) d)

e)

Figura 29: Valores da velocidade perpendiculares à secção transversal obtidos por simulação e medidos em

campo: a) secção transversal n.º 2 (jusante); b) secção transversal n.º 3; c) secção transversal n.º 4; d) secção

transversal n.º 5 e e) secção transversal n.º 6.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 3 5 7 9 11

Ve

loci

dad

e (m

/s)


ks=0,90 m valores medidos

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 3 5 7 9 11

Ve

loci

dad

e (m

/s)



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 3 5 7 9 11

Ve

loci

dad

e (m

/s)



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 3 5 7 9

Ve

loci

dad

e (m

/s)



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 2 4 6 8

Ve

loci

dad

e (m

/s)


ks= 0,90 m valores medidos

48

A simulação com valores de rugosidade de 0,50 m conduziu a um aumento das diferenças entre as

cotas de superfície livre simuladas e medidas em relação à mesma com um valor de 0,90 m (Tabela

11). Tal facto deveu-se à descida da superfície livre, como seria expectável. O valor máximo desta

diferença média foi cerca de 5 mm e ocorreu para a secção mais a montante. No caso em que a

rugosidade efectiva aumentou de 0,90 para 1,00 m, as diferenças são praticamente inexistentes.

Em relação à variação dos perfis de velocidade em função do parâmetro da rugosidade efectiva,

representa-se na Figura 30, os resultados obtidos para a secção transversal mais a montante (n.º 6).

Nesta verifica-se uma variação mais acentuada para uma rugosidade de 0,50 m, afastando-se em

geral dos valores observados. Os perfis correspondentes a rugosidades de 0,90 e 1,00 m são

praticamente coincidentes.

Figura 30: Secção transversal n.º 6 com a representação dos perfis de velocidade para uma rugosidade de 0,50,

0,90 e 1,00 m.

4.5.4 Simulações

As simulações hidrodinâmicas efectuadas para o regime natural, ou seja, na ausência da central

hidroeléctrica, foram realizadas para caudais crescentes desde o caudal de 0,47 m3/s (caudal

observado em campo) até um caudal de 12 m3/s. O valor superior deste intervalo foi definido tendo

em conta a curva de duração média anual do caudal médio diário, observando que o caudal de

12 m3/s é excedido, num ano, em apenas 7 dias, e portanto com uma frequência de ocorrência muito

curta.

O intervalo de caudais escolhido foi mais pormenorizado nos caudais mais baixos, visto estes serem

de maior interesse a nível de habitat. Na Tabela 12 apresenta-se os valores de caudal e a

correspondente cota da superfície livre a jusante, obtida através da curva de vazão representada em

4.5.2.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 2 4 6 8

Ve

loci

dad

e (m

/s)


ks=0,50 m ks=0,90 m


49

Tabela 12: Valor dos caudais simulados com a respectiva cota da superfície livre a jusante.

O resultado da simulação bidimensional do escoamento para um caudal de 0,47 m3/s, com a

representação da velocidade do escoamento por via vectorial, encontra-se na Figura 31.

Figura 31: Representação vectorial do escoamento para um caudal de 0,47 m3/s, com especial atenção na zona

de cascata.

Caudal

(m3/s)0,47 0,80 1,00 1,20 1,60 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 5,00 6,00 7,00 12,00

Cota de

jusante (m)317,51 317,68 317,75 317,81 317,90 317,97 318,04 318,09 318,14 318,18 318,25 318,31 318,36 318,53

50

4.6 Modelação do habitat

4.6.1 Trabalho de campo

As amostragens de truta para definir as preferências de habitat e consequentemente as regras e

conjuntos fuzzy, foram recolhidas no dia 15 de Julho num troço do rio Bestança em Cinfães, na aldeia

de Covelas. O troço em estudo dista, aproximadamente, 30 km da ribeira de Carvalhosa e localiza-se

junto à ponte de Covelas (Figura 8). O rio Bestança nasce na serra de Montemuro e desagua no rio

Douro e o troço em questão tem características semelhantes à ribeira de Carvalhosa como ilustra a

Figura 32, apresentando-se num estado muito pouco perturbado.

Figura 32: Rio Bestança. Trecho onde foi efectuada a pesca eléctrica (a imagem da esquerda foi cedida pelo

Professor Rui Cortes).

O método de captura utilizado para a recolha das amostras foi a pesca eléctrica. Nesta é transmitida

uma corrente eléctrica de baixa voltagem, cerca de 250 V, à água através de um aparelho cujo

modelo utilizado foi Hans Grassl Gmbh Fischereibedarf Elektrofischereigeräte (Figura 33 a)). Com um

auxilio de uma rede os peixes atordoados são capturados e mantidos num recipiente com água

(Figura 33 b) e c)). A pesca é efectuada de jusante para montante num percurso em “zigzag”

constante para garantir a máxima cobertura dos diferentes habitats do rio (Boavida et al., 2010). Em

cada ponto de captura foram medidas duas variáveis hidráulicas, a velocidade e profundidade, com

um molinete que utiliza um sensor electromagnético de velocidade, de tipo semelhante ao Flo-Mate

modelo 2000. A haste do molinete é graduada permitindo a medição da profundidade (Figura 33 d)).

Por fim os peixes capturados são medidos através de uma estrutura de madeira equipada com uma

régua e devolvidos ao rio (Figura 33 e)).

51

a) b)

c) d)

e)

Figura 33: Pesca eléctrica: trabalhos efectuados e equipamento utilizado: a) aparelho utilizado para transmitir

corrente eléctrica à água; b) rede para capturar os peixes; c) recipiente de plástico onde são mantidos os peixes

capturados; d) medição da velocidade e profundida com o molinete, e) medição e classificação dos peixes

capturados.

No total foram identificadas 47 trutas, das quais 31 adultas e 16 juvenis. A velocidade nos locais de

recolha das amostras varia de 0,04 a 1,40 m/s aproximadamente, em relação à profundidade os

52

valores estão compreendidos entre 15 e 80 cm. No anexo C é possível consultar os dados relativos

às amostras recolhidas.

O trabalho de campo no rio Bestança teve o apoio e supervisão do Professor Rui Manuel Cortes da

UTAD (Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro) e da sua equipa de trabalho.

4.6.2 Conjuntos e regras fuzzy

Os conjuntos fuzzy foram elaborados pela Doutora Isabel Boavida, tendo em conta o domínio das

variáveis velocidade e profundidade observados em campo (Figura 34).

A função de associação Low (baixo) para a velocidade está compreendida entre 0,00 e 0,30 m/s, em

profundidade entre 0 e 30 cm e o substrato entre as classes 4 e 6. A função Medium (médio) varia

entre 0,00 até 1,50 m/s de velocidade, 0 a 80 cm de profundidade e classes de substrato entre 5 e 7.

A função High (alto) está definida entre 0,50 até 2,50 m/s, para profundidades entre 50 a 80 cm e

substratos das classes 7 à 9.

O conjunto respectivo à velocidade tem uma função Very High que é limitada inferiormente pela

velocidade de cruzeiro, suportada pelas Salmo truttas que varia de 0,50 até 2,00 m/s, optando-se por

adoptar 1,50 m/s, valor indicativo para reprodutores (Larinier, 1992). A esta função de associação

corresponde um HSI Low devido à dificuldade destas resistirem a velocidades tão elevadas.

As classes de substrato do conjunto fuzzy, representado na Figura 34, são de Otto e Reh (1999),

citados por Schneider et al. (2010) e correspondem ao descrito na Tabela 13.

Tabela 13: Classes de substrato do conjunto fuzzy (adaptado de Schneider, 2010).

Código Descrição do

substrato Dimensões (mm)

0 Matéria orgânica -

1 Vasa -

2 Areia < 2

3 Gravilha 2 a 6

4 Cascalho pequeno 6 a 20

5 Cascalho grande 20 a 60

6 Pequenas pedras 60 a 120

7 Grandes pedras 120 a 200

8 Blocos >200

9 Rocha -

53

Figura 34: Conjuntos fuzzy utilizados na modelação do habitat.

54

As regras fuzzy foram realizadas para os estágios de vida adulto e juvenil pela Doutora Isabel

Boavida e revistas pelo Professor Doutor Rui Manuel Cortes, que apresenta uma vasta experiência

no estudo desta espécie nos rios do norte de Portugal. Das 60 regras elaboradas foram utilizadas 12,

que se representam na Tabela 14, visto que para este estudo foi considerado existir apenas uma

classe de substrato, nomeadamente a classe 8 que corresponde à existência de blocos. A totalidade

das regras fuzzy encontram-se no anexo C.

Tabela 14: Regras fuzzy estabelecidas para a truta adulta e juvenil correspondente à classe 8 de substrato.

Adulto Juvenil

Velocidade Profundidade Substrato HSI

L L H M M

L M H M M

L H H H L

M L H L H

M M H M M

M H H M L

H L H L L

H M H M M

H H H M L

VH L H L L

VH M H L L

VH H H L L

4.6.3 Casimir Fish 2D

A modelação do habitat realizada no Casimir Fish 2D teve como inputs os dados da modelação

hidrodinâmica do River2D, para os caudais simulados, os conjuntos e regras fuzzy e por fim o valor

de rugosidade do leito constante correspondente à classe 8 (blocos).

As curvas WUA representam o habitat disponível, em termos de área, em função do caudal. Para

ambos os estágios de vida da truta, verificou-se um aumento do WUA até um ponto de inflexão, a

partir do qual ocorreu um decréscimo, mais acentuado nas trutas juvenis. O caudal que permitiu um

máximo WUA para as trutas adultas foi de 5,00 m3/s, Figura 35 a), e para as juvenis a gama de

caudais que maximizou a disponibilidade de habitat foi 0,47 m3/s a 1,00 m

3/s (Figura 35 b)).

55

a) b)

Figura 35: Curvas de WUA em função do caudal: a) truta adulta; b) truta juvenil.

A curva de duração do habitat para cada estágio de vida apresenta-se na Figura 36. Esta pretende

ilustrar a frequência de ocorrência de uma determinada área útil ponderada ao longo de um ano.

a) b)

Figura 36: Curvas de duração do habitat: a) truta adulta; b) truta juvenil.

Na Figura 37, que ilustra a percentagem de área com o mesmo índice de adequabilidade (SI-

Suitability Index) em função do caudal, verificou-se a existência de condições óptimas de habitat para

as trutas adultas em toda gama de caudais estudados, traduzida pela percentagem de área com SI

de 0,9 a 1, que decresce de 9% para um caudal de cerca de 0,50 m3/s até 5% para caudais elevados.

O SI predominante para este estágio é de 0,5 a 0,6, em que as percentagens variam de 72 % para

caudais baixos até cerca de 50% para caudais de 12 m3/s, demostrando a existência de condições

adequadas para o habitat das trutas adultas até caudais elevados. Para as juvenis verifica-se que a

percentagem de área correspondente às condições óptimas de habitat varia de 8 a 2% para caudais

elevados, um pouco inferior às verificadas nas adultas. Em relação aos valores mais baixos de SI,

cerca de 0 a 0,1, podemos concluir que a partir de um caudal de cerca de 3,50 m3/s, mais de metade

da área não possui condições para a existência das trutas no estágio de vida juvenil.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

WU

A (

m2)

Caudal (m3/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

WU

A (

m2)

Caudal (m3/s)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 73 146 219 292 365

WU

A (

m2)

Duração (dias)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 73 146 219 292 365

WU

A (

m2)

Duração (dias)

56

Figura 37: Percentagem de área com o mesmo SI em função do caudal: a) truta adulta; b) truta juvenil.

O Casimir Fish 2D também permite a visualização da distribuição do SI no troço em estudo.

Na Figura 38, estão representados os índices de adequabilidade para as trutas adultas e juvenis para

o caudal de 0,47 m3/s. As trutas adultas tem preferências por zonas profundas entre 50 cm e 1,30 m

com velocidades até 0,30 m/s. Para este caudal, verificou-se a inexistência de condições para a truta

em zonas com velocidades superiores 0,50 m/s com profundidades baixas até 30 cm, como é

exemplo a zona de cascata. Nas restantes zonas o índice de adequabilidade é de 0,50.

Em relação aos juvenis, não se verificam condições para a existência destas em todas as áreas que

tenham profundidade acima dos 50 cm, bem como zonas com profundidades inferiores a 30 cm e

velocidades superiores a 0,50 m/s, nomeadamente na cascata. Os índices de adequabilidade de 0.9

a 1 encontram-se em zonas com velocidades entre os 0,20 m/s e os 0,60 m/s com profundidades

inferiores a 30 cm.

57

Para um caudal de 0,80 m3/s a disponibilidade de habitat aumenta em ambos os estágios de vida da

truta, sendo que para a adulta, a área com índice de adequabilidade de 0,9 a 1 diminuiu, mantendo-

se as preferências descritas para um caudal de 0,47 m3/s. Na truta juvenil, para este caudal, ocorre

um máximo da WUA, verificando-se condições óptimas de habitat em zonas de velocidades

intermédias com profundidades inferiores a 30 cm, como se verificou para o caudal de 0,47 m3/s

(Figura 39).

a) b)

c)

Figura 38: Velocidades, profundidades e distribuição do SI no troço em estudo para o caudal de 0,47 m3/s: a)

velocidade b) profundidade e c) distribuição de SI para as trutas adultas, à esquerda e juvenis, à direita.

58

a) b)

c)



No sentido de ilustrar a adequabilidade de habitat para caudais mais elevados apresenta-se a Figura

40, referente a um caudal de 5 m3/s. No caso da truta adulta, observa-se o máximo de WUA. As

zonas de condições óptimas correspondem a velocidades até 0,30 m/s com profundidades até 1,60 m.

Cerca de 62% da área corresponde a um índice de adequabilidade de 0,50. As trutas juvenis para

caudais muito elevados refugiam-se em zonas pouco profundas até cerca 30 cm com velocidades

intermédias a baixas, nomeadamente junto às margens, podendo estas também beneficiarem do

abrigo que algumas rochas proporcionam. De notar que para a truta juvenil mais de metade da área

do troço não possui condições para a existências destas, traduzida pelo SI nulo.

59

a) b)

c)



Com esta análise e tendo em conta que os indivíduos mais jovens são mais susceptíveis a condições

adversas de habitat, o estudo da operação da central será centrado neste estágio de vida, sendo que

serão testadas as soluções propostas também para o estágio adulto.

60

4.7 Simulação da operação da central hidroeléctrica

4.7.1 Considerações iniciais

A central do aproveitamento hidroeléctrico de Ermida, descrita na alínea 4.1, tem uma produção anual

média de 19,88 GWh, uma potência máxima de 7,7 MW, uma queda útil de 380,59 m e um

rendimento de 0,88. O caudal ecológico estipulado é 28 l/s, correspondendo a 2,6% do caudal

modular do aproveitamento hidroeléctrico.

O açude do aproveitamento hidroeléctrico encontra-se a uma distância de aproximadamente 3 km do

troço em estudo. Assim o caudal ecológico libertado para o rio, será acrescido pela contribuição do

escoamento na bacia própria, representada a azul na Figura 41. Este acréscimo de caudal foi

contabilizado através do quociente entre os caudais modulares da bacia própria e do aproveitamento

hidroeléctrico, respectivamente 0,61 m3/s e 1,08 m

3/s.

Figura 41: Bacia hidrográfica com a divisão da bacia do aproveitamento.

4.7.2 Remuneração da energia produzida em centrais hidroeléctricas

O Decreto-Lei n.º 225/2007 de 31 de Maio define a fórmula de remuneração pelo fornecimento da

electricidade entregue à rede, das centrais renováveis licenciadas ao abrigo dos Decreto- Lei

n.º 189/88, de 27 de Maio e 312/2001 de 10 de Dezembro.

A fórmula em causa representa-se na equação (4.3) estando o significado das respectivas parcelas

enumerado na Tabela 15.

𝑉𝑅𝐷𝑚 = 𝐾𝑀𝐻𝑂𝑚 𝑥 [𝑃𝐹(𝑉𝑅𝐷)𝑚 + 𝑃𝑉(𝑉𝑅𝐷)𝑚 + 𝑃𝐴(𝑉𝑅𝐷)𝑚 𝑥 𝑍] 𝑥 [𝐼𝑃𝐶𝑚−1

𝐼𝑃𝐶𝑟𝑒𝑓] 𝑥 [

1

1 − 𝐿𝐸𝑉] (4.3)

61

Tabela 15: Significado das parcelas da fórmula de remuneração (equação 4.3) das centrais renováveis.

𝑽𝑹𝑫𝒎 Remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m

𝑲𝑴𝑯𝑶𝒎 Coeficiente que traduz os valores de 𝑃𝐹(𝑉𝑅𝐷)𝑚, de 𝑃𝑉(𝑉𝑅𝐷)𝑚 e de 𝑃𝐴(𝑉𝑅𝐷)𝑚 em função do posto horário em que a electricidade tenha sido fornecida

𝑷𝑭(𝑽𝑹𝑫)𝒎 Parcela fixa de remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m

𝑷𝑽(𝑽𝑹𝑫)𝒎 Parcela variável de remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m

𝑷𝑨(𝑽𝑹𝑫)𝒎 Parcela ambiental de remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m

𝑰𝑷𝑪𝒎−𝟏 Índice de preços no consumidor, sem habitação, no continente, referente ao mês m-1

𝒁 Coeficiente adimensional que traduz as características especificas do recurso endógeno e da tecnologia utilizada na instalação licenciada

𝑰𝑷𝑪𝒓𝒆𝒇 Índice de preços no consumidor, sem habitação, no continente, referente ao mês anterior ao início do fornecimento de electricidade à rede pela central renovável

𝑳𝑬𝑽 Perdas nas redes de transporte e distribuição, evitadas pela central renovável.

Através da consulta da Decreto-Lei n.º 225/2007 de 31 de Maio, que consta no anexo D do presente

documento, é possível conhecer as expressões de cálculo para cada parcela indicada na Tabela 15.

Os índices considerados no cálculo da remuneração encontram-se descritos na Tabela 16.

A modulação tarifária traduzida pelo coeficiente KMHOm é obrigatória para as centrais hídricas. O

cálculo deste coeficiente depende essencialmente de dois factores: o KMHOpc que representa a

modulação correspondente às horas de ponta e de cheia (1,15) e o KMHOv referente à modulação

nas horas de vazio (0,80).

O cálculo da parcela fixa de remuneração (PF(VRD)m) depende de vários factores, dos quais se

destacam: o índice PF(U)ref que corresponde à mensualização do custo unitário de investimento nos

novos meios de produção (5,44 €/kWh) e o POTdec que é a potência da central declarada pelo

produtor no acto de licenciamento em kWh (7700 kWh).

O cálculo da parcela variável de remuneração (PV(VRD)m) depende do índice PV(U)ref que

corresponde ao custo de operação e manutenção que seriam necessários à exploração de novos

meios de produção (0,036 €/kWh).

A parcela ambiental de remuneração (PA(VRD)m) depende do ECE(U)ref que corresponde à

valorização unitária do dióxido de carbono que seria emitido pelos novos meios de produção (0,00002

€/g) e do CCRref que é o montante unitário das emissões de dióxido de carbono da central de

referência (370 g/kWh).

As perdas de energia nas redes de transporte e distribuição são contabilizadas através do parâmetro

LEV que toma o valor de 0,015 para centrais com potência superior a 5 MW. O coeficiente Z que

traduz as características do recurso endógeno e da tecnologia utilizada na instalação licenciada é de

4,5 para centrais com potência até 10 MW.

62

Tabela 16: Parâmetros utilizados para o cálculo da remuneração da energia.

KMHOpc 1,15

KMHOv 0,80

PF (U) ref [€/KWh] 5,44

POTdec [KW] 7700

PV (U) ref [€/KWh] 0,036

ECE (U) ref [€/g] 0,00002

CCRref [g/KWh] 370

LEV (Potência> 5MW) 0,015

Z (POTdec até 10MW) 4,5

IPCref 1

IPCm-1 1

Na alínea 7 do Decreto-Lei n.º 225/2007 de 31 de Maio (anexo D), são especificadas as horas de

ponta e de vazio segundo as quais as centrais hídricas se regulam. No período de hora legal de

Inverno, as horas de ponta e cheia ocorrem entre as 8h e as 22h, perfazendo um total de 14 h por dia.

As restantes 10 h, no período da 0 e 8h e 22 até às 24h, são horas de vazio. No Verão o intervalo das

horas de ponta é das 9 às 23h e as restantes horas perfazem o período de vazio (Tabela 17).

Tabela 17: Horas de ponta, cheia e vazio para as centrais hídricas.

Horas de ponta e cheia Horas de vazio

Inverno 8 h – 22 h 0 h- 8 h / 22 h – 24 h

Verão 9 h – 23 h 0 h- 9 h / 23 h – 24 h

4.7.3 Cenários de operação da central

Na definição de cenários da operação da central foi necessário adoptar algumas hipóteses

simplificativas, tais como:

i. Assumiu-se regularização diária no aproveitamento, o que implica que o volume afluente

médio diário seja igual ao volume turbinado, não existindo armazenamento de água de um

dia para outro;

ii. O rendimento da turbina mantêm-se constante até ao caudal correspondente a 20% do

caudal máximo, o que não se afasta da realidade, visto que a turbina é Pelton de três

injectores;

iii. O volume afluente médio diário mantêm-se constante durante um mês;

iv. O caudal turbinado no período de ponta é sempre superior ou, no limite, igual ao

correspondente no período de vazio;

v. As horas de ponta e de vazio correspondem ao período de Inverno;

vi. As variações de caudal turbinado são efectuadas em apenas alguns minutos, podendo ser

consideradas instantâneas para efeitos de cálculo da energia produzida;

63

vii. As reduções de caudal são efectuados após o anoitecer de forma a evitar o risco de stranding,

visto que no Inverno as trutas apresentam menor mobilidade durante o dia escondem-se no

substrato;

viii. As condições de stress correspondem a valores inferiores a 80% do WUA máximo. Segundo

Capra et. al. (1995), os nascimentos são fortemente afectados, se na altura de desova as

trutas forem submetidas a condições inferiores a este limite por mais de 20 dias.

Consideraram-se caudais médios diários afluentes ao açude do aproveitamento hidroeléctrico entre

10 e 60% do caudal modular (Qmod).

Estabelecidos os caudais médios diários afluentes, que perfazem um total de seis cenários principais,

foram definidas alternativas a estes, tendo como objectivo a diminuição do caudal máximo turbinado e

o controlo de um caudal mínimo em períodos críticos.

Na Tabela 18 apresentam-se os cenários principais, a cinzento, e as respectivas alternativas.

Da Tabela 18 constam as percentagens de produção de energia mensal em relação à produção

média anual, o valor da remuneração mensal da energia (VRDm), a redução desta remuneração ao

considerar um cenário alternativo, bem como o valor do caudal e volume afluente e ainda o caudal no

troço da ribeira para os três períodos considerados: ponta (p.p.), vazio (p.v.) e sem caudal turbinado.

As primeiras alternativas aos cenários principais foram elaboradas tendo em vista a repartição do

caudal turbinado pelo maior número de horas de ponta, produzindo-se a mesma energia porque o

rendimento da turbina é constante para a gama de caudais considerados. Assim estas alternativas

apresentam remuneração idêntica à do correspondente cenário principal.

As outras opções apresentadas têm reduções na receita em relação cenário principal correspondente,

visto que existe caudal turbinado no período de vazio cuja remuneração é inferior ao período de ponta.

Os caudais turbinados no período de vazio correspondem ao mínimo de 0,47, 0,60 e 0,70 m3/s

durante 1 h.

Na Figura 42 apresenta-se um esquema de cada cenário estabelecido para o caudal afluente de

10% Qmod. Por exemplo, para o cenário principal, o caudal no troço em estudo é de 2,01 m3/s,

durante 1 h no período de ponta. Este caudal foi obtido através da soma do escoamento gerado na

bacia hidrográfica compreendida entre as secções do açude e da central, com o caudal ecológico de

0,028 m3/s e com o caudal turbinado de 1,92 m

3/s. O escoamento é obtido pela multiplicação do

caudal afluente pelo quociente entre os caudais modulares de 0,61 m3/s e de 1,08 m

3/s, nas duas

secções referidas. No anexo E representam-se os esquemas para os outros caudais afluentes

considerados.

A variação do caudal ao longo do dia para os cenários estabelecidos está representada na Figura 43.

A primeira redução de caudal ocorre às 19 h. Todas as outras reduções ocorrem após essa hora. No

64

período de vazio, considera-se que a central funcionará das 22 às 23 h, tendo em consideração que

durante a noite as trutas estão mais activas.

Tabela 18: Cenários de operação da central hidroeléctrica: percentagens de produção de energia

mensal em relação à produção média anual; valor da remuneração mensal (VRDm); redução da

remuneração ao considerar um cenário alternativo; valor do caudal e volume afluente; caudal no troço

da ribeira para os três períodos considerados.

Cenário de operação da central

Energia mensal

produzida em relação

à produção

média anual (%)

VRDm [€]

Redução VRDm

[€]

Q m.d. afluente

[% Qmod]

Q m.d. afluente [m3/s]

V afluente [103 m3]

Q ponta [m3/s]

Q vazio [m3/s]

Q não turbinável*

[m3/s]

p.p. (1,92 x 1h) 0,95 15.341 - 10 0,108 9,3 2,01 - 0,09

p.p. (0,48 x 4h) 0,95 15.341 0 10 0,108 9,3 0,57 - 0,09

p.p. (0,48 x 3h) + p.v. (0,47 x 1h) 0,95 14.198 1.143 10 0,108 9,3 0,57 0,56 0,09

p.p. (0,66 x 2h) + p.v. (0,60 x 1h) 0,95 13.882 1.459 10 0,108 9,3 0,75 0,69 0,09

p.p. (1,22 x 1h) + p.v. (0,70 x 1h) 0,95 13.639 1.702 10 0,108 9,3 1,31 0,79 0,09

p.p. (2,26 x 2h) 2,23 36.341 - 20 0,216 18,7 2,41 - 0,15

p.p. ( 0,50 x 9h) 2,23 36.341 0 20 0,216 18,7 0,65 - 0,15

p.p. (0,51 x 8h) + p.v. (0,47 x 1h) 2,23 35.191 1.150 20 0,216 18,7 0,66 0,62 0,15

p.p. (0,65 x 6h) + p.v. ( 0,60 x 1h) 2,23 34.872 1.468 20 0,216 18,7 0,80 0,75 0,15

p.p. (0,76 x 5h) + p.v. ( 0,70 x 1h) 2,23 34.628 1.713 20 0,216 18,7 0,91 0,85 0,15

p.p. (1,78 x 4h) 3,51 57.468 - 30 0,324 28,0 1,99 - 0,21

p.p. (0,51 x 14h) 3,51 57.468 0 30 0,324 28,0 0,72 - 0,21

p.p. (0,47 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 3,51 56.311 1.157 30 0,324 28,0 0,68 0,68 0,21

p.p. (0,65 x 10h) + p.v. (0,60 x 1h) 3,51 55.991 1.477 30 0,324 28,0 0,86 0,81 0,21

p.p. (0,71 x 9h) + p.v. (0,70 x 1h) 3,51 55.745 1.723 30 0,324 28,0 0,92 0,91 0,21

p.p. (1,94 x 5h) 4,79 78.919 - 40 0,432 37,3 2,21 - 0,27

p.p. (0,69 x 14h) 4,79 78.919 0 40 0,432 37,3 0,96 - 0,27

p.p. (0,66 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 4,79 77.755 1.164 40 0,432 37,3 0,93 0,74 0,27

p.p. (0,65 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 4,79 77.433 1.486 40 0,432 37,3 0,92 0,87 0,27

p.p. (0,75 x 12h) + p.v. (0,70 x 1h) 4,79 77.185 1.734 40 0,432 37,3 1,02 0,97 0,27

p.p. (2,05 x 6h) 6,08 100.628 - 50 0,540 46,7 2,38 - 0,33

p.p. (0,88 x 14h) 6,08 100.628 0 50 0,540 46,7 1,21 - 0,33

p.p. (0,85 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 6,08 99.457 1.171 50 0,540 46,7 1,18 0,80 0,33

p.p. (0,84 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 6,08 99.133 1.495 50 0,540 46,7 1,17 0,93 0,33

p.p. (0,83 x 14h) + p.v. (0,70 x 1h) 6,08 98.884 1.745 50 0,540 46,7 1,16 1,03 0,33

p.p. (2,13 x 7h) 7,36 122.595 - 60 0,648 56,0 2,52 - 0,39

p.p. (1,06 x 14h) 7,36 122.595 0 60 0,648 56,0 1,46 - 0,39

p.p. (1,03 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 7,36 121.417 1.179 60 0,648 56,0 1,42 0,86 0,39

p.p. (1,02 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 7,36 121.091 1.505 60 0,648 56,0 1,41 0,99 0,39

p.p. (1,01 x 14h) + p.v. (0,70 x 1h) 7,36 120.840 1.755 60 0,648 56,0 1,41 1,09 0,39

*Valor que resulta da soma do caudal ecológico com o caudal resultante da bacia própria da central.

Nos gráficos representados na Figura 43 a) e b), que correspondem a caudais afluentes de 10 e

20% Qmod, respectivamente, é notória a existência de dois períodos de aumento de caudal e,

consequentemente, de decréscimo de caudal, espaçados de 3 h. Para os restantes caudais afluentes,

sempre que a central funciona durante todo o período de ponta, o caudal turbinado nas horas de

vazio sucede-se ao do período de ponta sem qualquer interrupção de turbinamento, proporcionando

uma variação mais gradual no caudal do troço do rio.

65

Figura 42: Esquema dos cenários estabelecidos para um caudal afluente de 10% Qmod.

1

3

2

1 Açude

2 Circuito hidráulico

3 Troço do rio entre o

açude e a zona de

restituição

66

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 43: Variação do caudal no troço em estudo, ao longo do dia, para os caudais médios diários afluentes

(m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)

Dia (horas)

p.p. 1.92 m3/s p.p. 0.48 m3/s

p.p. 0.48 m3/s; p.v. 0.47 m3/s p.p. 0.66 m3/s; p.v. 0.60 m3/s

p.p. 1.22 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)

Dia (horas)

p.p. 2.26 m3/s p.p. 0.50 m3/s

p.p.0.51 m3/s; p.v. 0.47 m3/s p.p. 0.65 m3/s; p.v. 0.60 m3/s

p.p. 0.76 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)

Dia (horas) p.p. 1.78m3/s p.p. 0.51 m3/s


p.p. 0.71 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)

Dia (horas)

p.p. 1.94m3/s p.p. 0.69 m3/s

p.p. 0.66 m3/s; p.v. 0.47 m3/s p.p. 0.65 m3/s; p.v 0.60 m3/s

p.p. 0.77 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)



p.p. 0.83 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cau

dal

(m

3/s

)

Dia (horas)

p.p. 2.13m3/s p.p. 1.06 m3/s

p.p. 1.03 m3/s; p.v. 0.47 m3/s p.p. 1.02m3/s; p.v. 0.60 m3/s

p.p. 1.01 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

67

4.7.4 Simulação hidrodinâmica dos cenários de operação da central

As simulações efectuadas corresponderam apenas a dois caudais afluentes, 20 e 40% Qmod, visto

que se considerou que a simulação de todos os caudais em apreço seria um processo exaustivo que

não traria mais-valias ao trabalho desenvolvido. Os cenários representados são: os cenários

principais, os cenários com caudal turbinado distribuído pelo maior número possível de horas de

ponta e os cenários com funcionamento da central no período de vazio com um caudal de 0,47 m3/s.

As simulações hidrodinâmicas efectuadas cumprem o princípio da conservação da massa, sendo o

caudal afluente ao troço igual ao efluente (Figura 44 e Figura 45). Para caudais até 0,96 m3/s,

verificou-se existir descontinuidade do escoamento em zonas com velocidades consideráveis, como

por exemplo no troço imediatamente a jusante da zona de restituição da central, o que certamente

não ocorrerá na realidade. Para contornar este aspecto, realizaram-se diversas simulações

eliminando a hipótese de ocorrer escoamento subterrâneo. Contudo nenhuma das tentativas

convergiu para uma solução, provavelmente devido a erros numéricos de cálculo no River2D. A sua

análise aprofundada não foi contemplada visto não ser possível o acesso ao código numérico.

Na Figura 44 e na Figura 45, as simulações com caudal não turbinável (resultante da soma do caudal

ecológico com o caudal da bacia própria) referem-se ao período em que a central não está a

funcionar. Em todos os cenários simulados este caudal existe durante algumas horas. Em relação às

simulações com um caudal total de 2,41 m3/s e 2,21 m

3/s, que correspondem ao máximo simulado

para cada caudal afluente, referem-se aos cenários de receita mais elevada. As restantes simulações

pretendem representar o escoamento durante os diferentes períodos, ponta e vazio, segundo os

cenários alternativos considerados, referidos na Tabela 18.

68

Caudal não turbinável (0,15 m

3/s)


3/s) + 2,26 m

3/s em período de ponta


3/s) + 0,50 m


Figura 44: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de um caudal

afluente de 20% Qmod.

69


3/s) + 0,51 m



3/s) + 0,47 m

3/s em período de vazio

Figura 44-Continuação: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de

um caudal afluente de 20% Qmod.

70


3/s)


3/s) + 1,94 m



3/s) + 0,69 m


Figura 45: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de um caudal

afluente de 40% Qmod.

71


3/s) + 0,66 m



3/s) + 0,47 m


Figura 45-Continuação: Valores de profundidade (m) e velocidade (m/s) para diferentes cenários, resultante de

um caudal afluente de 40% Qmod.

4.7.5 Indicadores de hydropeaking

No sentido de avaliar a influência do hydropeaking nos cenários estabelecidos, foram calculados dois

indicadores, nomeadamente o rácio de caudais e a variação da área molhada. Segundo

Harby et al. (2013), estes indicadores podem ser classificados em quatro classes de influência no rio:

muito grande, grande, média e pequena. O domínio destas classes encontra-se indicado na Tabela

19, para cada indicador considerado.

72

Tabela 19: Classes de influência do hydropeaking no rio para os respectivos indicadores (adaptado Harby et al.,

2013).

Indicador

Classes de influência

Muito Grande

Grande Média Pequena

Rácio de caudais (Qmáx/ Qmin)

>5 3 - 5 1.5 - 3 <1.5

Variação da área molhada (%)

>20 10 - 20 5 - 10 <5

A variação de caudal foi considerada através do rácio entre o caudal máximo e mínimo, para os

cenários considerados (Tabela 20). Até um caudal afluente de 50% Qmod, para os cenários principais,

a influência do hydropeaking no rio é considerada muito grande, visto que os rácios são superiores a

5. Todos os cenários alternativos conduzem a diminuições deste indicador. Aqueles que apresentam

rácios entre 3 e 5, o hydropeaking tem uma influência grande no rio e naqueles em o rácio de

variação do caudal apresenta valores inferiores a 3, a influência do hydropeaking no rio é média. De

notar que em nenhum dos cenários estipulados o hydropeaking exerce uma influência no rio pequena.

Tabela 20: Rácio de caudais máximo e mínimo para os cenários considerados.


Qmáx/ Qmin

Ponta Vazio

p.p. (1,92 x 1h) 22,57 p.p. (0,48 x 4h) 6,39

p.p. (0,48 x 3h) + p.v. (0,47 x 1h) 6,43 6,28 p.p. (0,66 x 2h) + p.v. (0,60 x 1h) 8,42 7,74 p.p. (1,22 x 1h) + p.v. (0,70 x 1h) 14,71 8,87

p.p. (2,26 x 2h) 16,05 p.p. ( 0,50 x 9h) 4,34

p.p. (0,51 x 8h) + p.v. (0,47 x 1h) 4,37 4,13 p.p. (0,65 x 6h) + p.v. ( 0,60 x 1h) 5,35 4,99 p.p. (0,76 x 5h) + p.v. ( 0,70 x 1h) 6,09 5,66

p.p. (1,78 x 4h) 9,42 p.p. (0,51 x 14h) 3,40


p.p. (1,94 x 5h) 8,13 p.p. (0,69 x 14h) 3,55


p.p. (2,05 x 6h) 6,40 p.p. (0,88 x 14h) 3,70


p.p. (2,13 x 7h) 3,87 p.p. (1,06 x 14h) 3,83


73

A variação da área molhada foi calculada apenas para os cenários em que foram efectuadas as

simulações do escoamento. Através do cálculo deste parâmetro foi possível verificar que o

hydropeaking tem uma influência no rio considerada muito grande, visto que a percentagem da

mesma se mantêm acima de 20% definida no critério de influência, embora a diferença entre a área

molhada nos cenários alternativos seja consideravelmente menor (Tabela 21).

Tabela 21: Variação da área molhada desde o caudal máximo até ao mínimo.


Variação da área molhada (m2)

Variação da área molhada (%)

Ponta Vazio Ponta Vazio

p.p. (2,26 x 2h) 627,8 52,5

p.p. ( 0,50 x 9h) 313,4

35,6

p.p. (0,51 x 8h) + p.v. (0,47 x 1h) 318,0 300,6 35,9 34,6

p.p. (1,94 x 5h) 550,8 46,3

p.p. (0,69 x 14h) 343,0

34,9

p.p. (0,66 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 335,6 269,7 34,4 29,7

75

5 Resultados

5.1 Variação do habitat em função da receita perdida

A variação do habitat em função da receita perdida representam-se na Figura 46, para os caudais

médios diários afluentes considerados.

Na Tabela 22 estão numerados os cenários definidos e representadas as percentagens de WUA

obtidas para os três caudais existentes no troço em estudo: caudal no período de ponta, caudal no

vazio e caudal não turbinável.

Tabela 22: Percentagens de WUA para os cenários de operação considerados.

Nº dos cenários

Cenário de operação da central VRDm

[€]

Redução VRDm

[€]


Juvenis Adultos

WUA ponta

(%)

WUA vazio (%)

WUA não turbinável

(%)

WUA ponta

(%)

WUA vazio (%)

WUA não turbinável

(%)

1 p.p. (1,92 x 1h) 15.341 - 0,108 80,1 - 28,5 91,6 - 18,7

1.1 p.p. (0,48 x 4h) 15.341 0 0,108 99,6 - 28,5 77,8 - 18,7

1.2 p.p. (0,48 x 3h) + p.v. (0,47 x 1h) 14.198 1.143 0,108 99,6 99,5 28,5 77,9 77,7 18,7

1.3 p.p. (0,66 x 2h) + p.v. (0,60 x 1h) 13.882 1.459 0,108 99,9 99,8 28,5 80,3 79,5 18,7

1.4 p.p. (1,22 x 1h) + p.v. (0,70 x 1h) 13.639 1.702 0,108 90,3 100 28,5 86,8 80,8 18,7

2 p.p. (2,26 x 2h) 36.341 - 0,216 77,3 - 48,1 94 - 31,5

2.1 p.p. ( 0,50 x 9h) 36.341 0 0,216 99,7 - 48,1 79,0 - 31,5

2.2 p.p. (0,51 x 8h) + p.v. (0,47 x 1h) 35.191 1.150 0,216 99,7 99,7 48,1 79,0 78,5 31,5

2.3 p.p. (0,65 x 6h) + p.v. ( 0,60 x 1h) 34.872 1.468 0,216 99,9 99,9 48,1 81,0 80,3 31,5

2.4 p.p. (0,76 x 5h) + p.v. ( 0,70 x 1h) 34.628 1.713 0,216 97,6 98,9 48,1 82,5 81,6 31,5

3 p.p. (1,78 x 4h) 57.468 - 0,324 80,3 - 67,5 91,4 - 44,3

3.1 p.p. (0,51 x 14h) 57.468 0 0,324 99,8 - 67,5 79,8 - 44,3

3.2 p.p. (0,47 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 56.311 1.157 0,324 99,8 99,8 67,5 79,4 79,3 44,3

3.3 p.p. (0,65 x 10h) + p.v. (0,60 x 1h) 55.991 1.477 0,324 98,7 99,8 67,5 81,8 81,1 44,3

3.4 p.p. (0,71 x 9h) + p.v. (0,70 x 1h) 55.745 1.723 0,324 97,4 97,6 67,5 82,6 82,5 44,3

4 p.p. (1,94 x 5h) 78.919 - 0,432 78,7 - 87,1 92,8 - 57,1

4.1 p.p. (0,69 x 14h) 78.919 0 0,432 96,5 - 87,1 83,2 - 57,1

4.2 p.p. (0,66 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 77.755 1.164 0,432 97,2 99,9 87,1 82,8 80,2 57,1

4.3 p.p. (0,65 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 77.433 1.486 0,432 97,4 98,5 87,1 82,6 81,9 57,1

4.4 p.p. (0,75 x 12h) + p.v. (0,70 x 1h) 77.185 1.734 0,432 95,4 96,3 87,1 83,9 83,3 57,1

5 p.p. (2,05 x 6h) 100.628 - 0,540 77,5 - 96,7 93,8 - 65,6

5.1 p.p. (0,88 x 14h) 100.628 0 0,540 92,0 - 96,7 86,1 - 65,6

5.2 p.p. (0,85 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 99.457 1.171 0,540 92,6 99,9 96,7 85,7 81,0 65,6

5.3 p.p. (0,84 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 99.133 1.495 0,540 92,8 97,2 96,7 85,6 82,8 65,6

5.4 p.p. (0,83 x 14h) + p.v. (0,70 x 1h) 98.884 1.745 0,540 92,9 95,2 96,7 85,5 84,1 65,6

6 p.p. (2,13 x 7h) 122.595 - 0,648 76,5 - 97,9 94,6 - 70,4

6.1 p.p. (1,06 x 14h) 122.595 0 0,648 87,6 - 97,9 88,0 - 70,4

6.2 p.p. (1,03 x 14h) + p.v. (0,47 x 1h) 121.417 1.179 0,648 88,2 98,6 97,9 87,7 81,8 70,4

6.3 p.p. (1,02 x 14h) + p.v. (0,60 x 1h) 121.091 1.505 0,648 88,4 95,9 97,9 87,6 83,6 70,4

6.4 p.p. (1,01 x 14h) + p.v. (0,70 x 1h) 120.840 1.755 0,648 88,5 94,1 97,9 87,6 84,8 70,4

76

Caudal médio diário afluente de 10% Qmod (0,108 m3/s) (Figura 46 a))

No cenário principal o caudal turbinado é de 1,92 m3/s durante 1h (cenário 1). Ao optarmos pela

alternativa 1.1, em que o caudal turbinado diminui, as condições de habitat para os juvenis aumentam

20% no período de ponta, em contrapartida existe uma perda nas condições de habitat para os

adultos de 14%. No período em que a central não produz energia durante 20 h, não existe qualquer

alteração nas condições de habitat em relação ao cenário 1, visto que o valor do caudal não

turbinável mantêm-se inalterado. Esta alternativa não têm perda de receita pois não existe caudal

turbinado no vazio.

Na alternativa 1.2 as condições de habitat no período de ponta mantêm-se para os dois estágios de

vida e no período de vazio aumentam cerca de 71% para os juvenis e de 59% para os adultos, à

custa de um caudal turbinado de 0,47 m3/s, com a consequente redução de receita de 1143 €. Nas

restantes 20 h as condições mantêm-se iguais aos cenários anteriores.

Para as alternativas 1.3 e 1.4, com perdas de receita de 1459 € e 1702 € respectivamente, não

existem diferenças significativas nas condições de habitat quando comparadas com a alternativa 1.2.

Em contrapartida o período em que a central não produz energia é maior do que nos outros cenários,

sendo de 21 e 22 h respectivamente.

Caudal médio diário afluente de 20% Qmod (0,216 m3/s) (Figura 46 b))

A opção da alternativa 2.1, em detrimento do cenário principal 2, reduz substancialmente o período

em que a central não produz energia e portanto o tempo em que as condições são menos favoráveis

do ponto de vista de disponibilidade de habitat. Com alternativa 2.1 a percentagem de WUA aumenta

para os juvenis em cerca de 22% e diminui para os adultos em 15%.

Na alternativa 2.2 as condições de habitat aumentam 52% para os juvenis e 47% para os adultos no

período de vazio, com uma perda de receita de 1150 €. No período de ponta e no período sem caudal

turbinado não se verificam alterações nas condições de habitat. Nos cenários 2.3 e 2.4 os ganhos de

habitat são pouco expressivos em relação ao cenário 2.2, com o consequente aumento das perdas

de receita.

Caudal médio diário afluente de 30% Qmod (0,324 m3/s) (Figura 46 c))

Da alternativa 3.1 resulta um aumento das condições de habitat de 20% para os juvenis e uma perda

de 12% para os adultos. Nas restantes 10 h de vazio as condições mantêm-se em relação ao cenário

principal (cenário 3). Ao fornecer 1 h no vazio, com o caudal de 0,47 m3/s (alternativa 3.2) a diferença

de remuneração mensal é de 1157 €, conseguindo um aumento das condições de habitat de 32%

para os juvenis e de 35% para os adultos. Para as alternativas 3.3 e 3.4 as alterações ao nível do

habitat não são expressivas em relação ao cenário 3.2.

77

Caudais médio diário afluentes de 40%, 50 e 60% Qmod (0,432, 0,540 e 0,648 m3/s)

(Figura 46 d), e), f))

À medida que os caudais afluentes aumentam as diferenças nas condições de habitat vão sendo

menos significativas. Para um caudal de 0,432 m3/s, Figura 46 d), a opção pela alternativa 4.1, em

que a central turbina durante todo o período de ponta, induz um aumento da percentagem de WUA

de 18% para os juvenis e uma diminuição para os adultos de 10%. O mesmo acontece para caudais

afluentes de 0,540 m3/s e de 0,648 m

3/s representados na Figura 46 e) e f), em que a opção pelas

alternativas 5.1 e 6.1 induz a ganhos pouco expressivos nas condições de habitat para os juvenis.

Para estes caudais médios diários afluentes, as alternativas 4.2, 5.2 e 6.2 não apresentam vantagens

na melhoria das condições de habitat dos juvenis no período de vazio.

Análise dos resultados

As vantagens de operação ecohidráulica da central foram notórias até caudais correspondentes a

30% Qmod. Para as alternativas 1.2, 2.2 e 3.2 (caudal turbinado no vazio de 0,47 m3/s durante 1h),

ocorreram melhorias nas condições de habitat superiores a 30% para as trutas juvenis no período de

vazio, evitando assim a exposição das trutas a condições de habitat com percentagens inferiores a

50% do WUA máximo, para caudais afluentes de 0,108 m3/s e 0,216 m

3/s, e inferiores a 70% do WUA

máximo para o caudal de 0,324 m3/s, durante um maior número de horas consecutivas.

Os cenários em que o caudal turbinado no vazio aumentou de 0,47 m3/s para 0,60 m

3/s e 0,70 m

3/s,

com consequente aumento das receitas perdidas, não foram considerados vantajosos, visto que a

diferença nas condições de habitat não foram expressivas em relação aos cenários com receita

perdida de aproximadamente 1200 €.

Para caudais afluentes a partir de 40% Qmod, inclusive, não se justificou o funcionamento da central

no período de vazio para os juvenis, dado que no período sem caudal turbinado as percentagens de

WUA são superiores a 80%.

78

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 46: Variação do habitat em relação ao cenário principal em função da receita perdida para os caudais

médios diários afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os cenários são

identificados a partir do nº que consta da Tabela 22).

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1143 1459 1702

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)

Receita perdida (€)

ponta_juvenis ponta_adultos vazio_juvenis vazio_adultos

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1150 1468 1713

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)


ponta_juvenis ponta_adultos vazio_juvenis vazio_ adultos

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1157 1477 1723

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)



-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1164 1486 1734

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)



-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1171 1495 1745

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)



-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1179 1505 1755

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)



1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4

3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4

5.1 5.2 5.3 5.4 6.1 6.2 6.3 6.4

79

5.2 Condições de stress em função da receita perdida

A representação das condições de stress tem como principal objectivo a fácil visualização dos

cenários que se apresentam abaixo do limite de 80% do WUA, proposto anteriormente por Capra et.

al. (1995). Na Figura 47 estão representados os resultados para os caudais médios diários afluentes

considerados.

As condições de habitat para as trutas juvenis apresentam-se abaixo deste limite até caudais

correspondentes a 30% Qmod, no período em que só existe caudal não turbinável no rio, (Figura 47

a), b) e c)). No caso dos adultos o limite de 80% do WUA nunca é ultrapassado para os caudais

afluentes considerados. De notar que a duração do período com caudal não turbinável varia de

acordo com os cenários adoptados. Por exemplo, para um caudal afluente de 0,108 m3/s (Figura

47 a)), no cenário principal 1 a central não produz energia durante 23h, em contrapartida se se optar

pela alternativa 1.2 a duração do período diminui para 20h, reduzindo o tempo em que as espécies

estão sujeitas a condições de stress.

Os cenários em que o caudal turbinado no período de ponta é repartido pelo maior número possível

de horas (no limite durante as 14 h do período de ponta), induzem a subida do WUA para valores

superiores a este limite nos juvenis, sem perdas de receita. Em contrapartida, o WUA das trutas

adultas só ultrapassa este limite quando o caudal no troço em estudo é superior a 0,73 m3/s. Nos

cenários em que existe caudal turbinado no vazio, durante essa hora a percentagem de WUA para os

juvenis, apresenta-se acima do limite proposto para todos os caudais afluentes.

Análise dos resultados

A análise da Figura 47, permitiu verificar que até caudais afluentes de 30% Qmod as percentagens de

WUA foram inferiores a 80%, para o caudal não turbinável no troço em estudo. Para proporcionar um

aumento das condições de habitat, justificou-se o funcionamento da central durante pelo menos 1 h

no período de vazio, permitindo a subida das condições para valores superiores a este limite e muito

próximos do valor máximo de WUA.

A partir do caudal médio diário afluente de 30% Qmod, o funcionamento da central no período de

vazio não foi necessário, visto que no período sem produção de energia as condições de habitat

ultrapassaram o limite de 80% do WUA máximo.

Para caudais médios diários afluentes a partir de 30% Qmod, os cenários 4.1, 5.1 e 6.1 devem ser

adoptados, visto que permitiram um aumento das percentagens de WUA cima dos 80% para os

juvenis no período de ponta, sem perdas de receita.

80

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 47: Condições de stress em função da receita perdida para os caudais médios diários afluentes (m3/s): a)

0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os cenários são identificados a partir do nº que consta da

Tabela 22).

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1143 1459 1702

WU

A /

WU

A m

áx (

%)

Recita perdida(€)

ponta_juvenis ponta_adultos vazio_juvenis

vazio_adultos não turbinável_juvenis não turbinável_adultos

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1150 1468 1713

WU

A/

WU

A m

áx (

%)



vazio_ adultos não turbinável_juvenis não turbinável_adultos

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1157 1477 1723

WU

A/

WU

A m

áx (

%)




10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1164 1486 1734

WU

A/

WU

A m

áx (

%)




10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1171 1495 1745

WU

A/

WU

A m

áx (

%)

Receita Perdida (€)



10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0 1179 1505 1755

WU

A/

WU

A m

áx (

%)




1 1.1 1.2 1.3

1.4

2 2.1 2.2 2.3

2.4

3 3.1 3.2 3.3

3.4

4 4.1 4.2 4.3

4.4

5 5.1 5.2 5.3

5.4

6 6.1 6.2 6.3

6.4

81

5.3 Variação da percentagem de WUA ao longo do dia

As percentagens de WUA em relação ao máximo valor para cada estágio de vida variam ao longo do

dia consoante o caudal turbinado, condicionado pela operação da central. Na Figura 48 as

percentagens de WUA ao longo do dia estão representadas para cada caudal afluente considerado.

As linhas contínuas são referentes às trutas juvenis e as linhas a tracejado referem-se às adultas.

No cenário principal 1 (Figura 48 a)) representado a azul, as percentagens de WUA atingem valores

de cerca de 80% apenas durante uma hora. Nas restantes 23 h as condições estão abaixo de 50% do

WUA máximo. Com a alternativa representada a vermelho (1.1), a percentagem de WUA aumenta

para valores próximos de 100% durante 4 h, o mesmo acontece ao considerar a hipótese

representada a cinzento (1.2) em que a percentagem é a mesma durante 4 h, 3 das quais são

consecutivas e 1 h entre as 22 e as 23 h no período de vazio.

Para um caudal afluente de 0,216 m3/s e de 0,324 m

3/s (Figura 48 b) e c)) são notórios os ganhos de

habitat para os juvenis no período de ponta, para qualquer alternativa em detrimento do cenário

principal, o mesmo não acontece para os adultos visto que o caudal turbinado diminui.

As percentagens de WUA nos cenário 4, 5 e 6, durante o período de ponta, decrescem relativamente

ao período sem caudal turbinado para os juvenis (Figura 48 d), e), f)). Nas Figura 48 e) e f) pode

observar-se ainda que todas as alternativas induzem percentagens de habitat inferiores às obtidas

quando a central não produz energia.

A partir de caudais afluentes de 30% Qmod (0,324 m3/s), os ganhos de habitat entre as várias

alternativas propostas não foram significativos, o que levou a concluir que nestes casos as melhores

alternativas foram as opções 4.1, 5.1 e 6.1

Para ilustrar o contributo geral de cada cenário, foi calculado o integral da curva de WUA ao longo do

dia, obtendo assim um único valor que expressa a área habitável dia (m2.dia). Os resultados estão

representados na Figura 49.

Na Figura 49 observa-se que todas as alternativas propostas aos cenários principais induzem um

aumento da área habitável tanto para os juvenis como para os adultos. Para o caudal afluente de

0,108 m3/s (Figura 49 a)), as alternativas 1.1 e 1.2 produzem áreas habitáveis iguais, visto que têm o

mesmo número de horas com caudal turbinado, diferenciando apenas no período em que ocorrem. O

mesmo pode ser verificado para as alternativas 2.1 e 2.2 na Figura 49 b).

A área habitável para os adultos apresenta-se sempre superior à área habitável para os juvenis,

quando os caudais médios diários afluentes são superiores a 40% Qmod (Figura 49 d), e), f))

82

a)

b)

c)

Figura 48: Variação da percentagem de WUA ao longo do dia, à esquerda para os juvenis e à direita, para os

adultos (linhas a tracejado), para os caudais médios diários afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d)

0,432; e) 0,540; f) 0,648.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)

Dia (horas) p.p. 1.92 m3/s p.p. 0.48 m3/s


p.p. 1.22 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 1.22 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.76 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)

Dia (horas)

p.p. 2.26 m3/s p.p. 0.50 m3/s


p.p. 0.76 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.71 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.71 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

83

d)

e)

f)

Figura 48-Continuação: Variação da percentagem de WUA ao longo do dia, à esquerda para os juvenis e à

direita, para os adultos (linhas a tracejado), para os caudais médios diários afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c)

0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.77 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.77 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 0.83 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 1.01 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)

Dia (horas)

p.p. 2.13m3/s p.p. 1.06 m3/s


p.p. 1.01 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

WU

A /

WU

A m

áx (

%)



p.p. 1.01 m3/s; p.v. 0.70 m3/s

84

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 49: Integral da curva de WUA (m2.dia) em função da receita perdida para os caudais médios diário

afluentes (m3/s): a) 0,108; b) 0,216; c) 0,324; d) 0,432; e) 0,540; f) 0,648 (os cenários são identificados a partir do

nº que consta da Tabela 22).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1143 1459 1702

WU

A (

m2. d

ia)

Perda de receita (€)

juvenis adultos

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1150 1468 1713

WU

A (

m2. d

ia)

Receita perdida (€) juvenis adultos

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1157 1477 1723

WU

A (

m2. d

ia)


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1164 1486 1734

WU

A (

m2. d

ia)


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1171 1495 1745

WU

A (

m2. d

ia)


juvenis adultos

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 0 1179 1505 1755

WU

A (

m2. d

ia)


juvenis adultos

1 1.1 1.2 1.3

1.4

2 2.1 2.2 2.3

2.4

3 3.1 3.2 3.3

3.4

4 4.1 4.2 4.3

4.4

5 5.1 5.2 5.3

5.4

6 6.1 6.2 6.3

6.4

85

5.4 Variação do número de horas de caudal turbinado no período de vazio

Nos cenários estabelecidos anteriormente o caudal turbinado no vazio tinha uma duração de apenas

1 h, no sentido de testar a influência do aumento da duração deste caudal ilustra-se na Tabela 23, os

cenários propostos para um caudal afluente de 40% Qmod, bem como os resultados das condições

de habitat na Figura 50.

Considerou-se o caudal turbinado no vazio constante e igual a 0,47 m3/s, visto que as outras

alternativas (caudais de 0,60 e 0,70 m3/s) não conduziram a ganhos expressivos nas condições de

habitat com o consequente aumento das perdas de receita.

Esta análise demonstrou que ao considerar um cenário em que a central funcionava durante metade

do período de vazio (5h), as condições no período de ponta aumentavam cerca de 3% à custa de

uma perda de receita de 5821 €, o que corresponde a cerca de 7,5% da remuneração total

correspondente ao cenário 4 (78919 €). Esta opção conduziu a uma diminuição do número de horas

em que as trutas estão sujeitas a condições de stress, aumentando em valores pouco expressivos as

condições de habitat no período de ponta.

Tabela 23: Cenários propostos para o estudo da duração do caudal turbinado no período de vazio.

Cenário de operação da central VRDm

[€] Redução VRDm [€]


V afluente [103 m3]

Q ponta [m3/s]

Q vazio [m3/s]

Q não turbinável

[m3/s]

p.p (0,66 x 14h) + p.v. ( 0,47 x 1h) 77.755 1.164 0,432 37.3 0,93 0,74 0,27 p.p (0,63 x 14h) + p.v. ( 0,47 x 2h) 76.591 2.329 0,432 37.3 0,90 0,74 0,27 p.p (0,59 x 14h) + p.v. ( 0,47 x 3h) 75.427 3.493 0,432 37.3 0,86 0,74 0,27 p.p (0,56 x 14h) + p.v. ( 0,47 x 4h) 74.262 4.657 0,432 37.3 0,83 0,74 0,27 p.p (0,52 x 14h) + p.v. (0,47 x 5h) 73.098 5.821 0,432 37.3 0,80 0,74 0,27

Figura 50: Variação das condições de habitat com o aumento das horas de vazio em função da receita perdida.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1164 2329 3493 4657 5821

WU

A /

WU

A m

áx (

%)

Receita perdida (€) ponta_juvenis ponta_adultos vazio_juvenis

vazio_adultos não turbinável_juvenis não turbinável_adultos

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

2329 3493 4657 5821

Var

iaçã

o d

o h

abit

at (

%)


ponta_juvenis ponta_adultos

86

5.5 Disponibilidade de habitat

Através das simulações hidrodinâmicas efectuadas foi possível calcular a disponibilidade de habitat

para os caudais de 20 e 40% Qmod, nos cenários considerados. De notar que as preferências das

trutas juvenis e adultas não foram alteradas, pretendendo-se ilustrar a variação da disponibilidade de

habitat ao longo do dia consoante os diversos cenários. Na Figura 51 e Figura 52 representam-se os

resultados para o estágio de vida juvenil. Os resultados para os adultos podem ser consultados no

anexo F.

Nos cenários de receita mais lucrativa (cenário 2 e 4) observa-se a maior diferença na distribuição de

habitat das trutas ao longo do dia. Por exemplo, na Figura 51 (cenário 2), a situação de existir apenas

o caudal não turbinável no rio conduz a disponibilidade de habitat, maioritariamente com o índice de

0,50 (zonas a verde). Após o funcionamento da central, durante 2 h, estas zonas passam a ter

índices de adequabilidade de 0 (zona a cinzento). Assim quando a central não produz energia, as

trutas localizam-se precisamente em locais, que após a descarga não são favoráveis à existência das

mesmas, podendo não existir tempo suficiente para que estas se abriguem nas margens ou no

substrato, visto que as manobras de fecho das turbinas são quase instantâneas.

Nas alternativas propostas aos cenários principais (cenários 2.1 e 4.1) os caudais turbinados são

menores, proporcionando uma maior disponibilidade de áreas úteis ponderadas em comum, evitando

maiores perdas a nível do habitat. Nos cenários 2.2 e 4.2, em que existe caudal turbinado no vazio

comparado com o período de ponta, as diferenças nas condições de habitat não são significativas

garantindo assim um maior número de horas com o mesmo uso e disponibilidade de habitat.

87

Cenário 2: Caudal não turbinável (0,15 m

3/s) + 2,26 m


Cenário 2.1: Caudal não turbinável (0,15 m

3/s) + 0,50 m



3/s) + 0,51 m

3/s em período de ponta + 0,47 m


Figura 51: Disponibilidade de habitat das trutas juvenis para três cenários com um caudal afluente de 20% Qmod.

88

Cenário 4 Caudal não turbinável (0,27 m

3/s) + 1,94 m



3/s) + 0,69 m



3/s) + 0,66 m



Figura 52: Disponibilidade de habitat das trutas juvenis para três cenários com um caudal afluente de 40% Qmod.

89

6 Considerações finais e recomendações

6.1 Considerações finais

Actualmente as Salmo truttas encontram-se classificadas, de acordo com o livro vermelho, como uma

espécie criticamente em perigo (Cabral et al., 2005). As principais ameaças são a sobrepesca, a

alteração da poluição e do regime de caudais nos rios (Ribeiro et al., 2007). Desta forma torna-se

importante a gestão da operação por parte das centrais hidroeléctricas, com o objectivo de manter as

condições mínimas do habitat que possibilitem a reprodução desta espécie considerada de elevado

interesse comercial tanto para pesca desportiva como a nível gastronómico.

A presente dissertação teve como objectivo principal a simulação de cenários de operação de uma

central hidroeléctrica, tendo em vista as condições de habitat da espécie-alvo (Salmo trutta) no troço

da linha de água situado imediatamente a jusante da central. Para tal, procedeu-se à modelação

hidrodinâmica bidimensional de um troço da ribeira de Carvalhosa através do modelo numérico

River2D. A modelação do habitat foi efectuada através do Casimir Fish 2D com recurso à lógica fuzzy.

Com a interacção destas modelações foi possível calcular a disponibilidade de habitat da espécie-

alvo para os diversos cenários considerados.

A modelação hidrodinâmica do troço de linha de água com as características descritas na alínea 4.3,

revelou-se um processo moroso. A calibração do mesmo, com base na cota da superfície livre e

perfis de velocidade nas secções transversais analisadas, permitiu obter resultados próximos dos que

foram medidos, embora se tenha considerado uma rugosidade constante em toda a extensão do

troço.

A utilização dos conjuntos e regras fuzzy relativas às preferências da Salmo trutta permitiu obter

resultados satisfatórios no âmbito do uso e disponibilidade de habitat. Os conjuntos fuzzy foram

definidos com base num trabalho de campo, nomeadamente a pesca eléctrica.

A operação da central hidroeléctrica é um processo que envolve diversos condicionamentos. Neste

contexto, para efectuar a simulação da operação, foi necessário estabelecer várias hipóteses

simplificativas, as quais foram fundamentadas e explicadas na alínea 4.7.3.

A exploração ecohidráulica da central hidroeléctrica mostrou-se viável para a gama de caudais

médios diários afluentes considerados. Assim foram efectuadas diversas recomendações para a

operação ecohidráulica da central em função do caudal médio diário afluente ao açude,

contabilizando as perdas de receita inerentes a cada cenário.

Para caudais médios diários afluentes até 30% Qmod, são recomendados dois cenários. O primeiro

corresponde à repartição do caudal turbinado no período de ponta pelo maior número possível de

90

horas, proporcionando um aumento na disponibilidade de habitat apenas no período de ponta, sem

perda de receita. O segundo cenário, em que o caudal turbinado no vazio corresponde a 0,47 m3/s

durante 1h, induziu benefícios nas condições de habitat ao longo do dia, com uma perda de receita

de cerca de 1160 €, em relação aos cenários economicamente mais favoráveis.

O funcionamento da central hidroeléctrica no período de vazio, não conduziu a nenhum aumento

expressivo da disponibilidade de habitat para caudais médios diários afluentes superiores a 30%

Qmod, visto que no período sem produção de energia as percentagens de WUA foram superiores a

80%. Não se justifica assim a operação da central no período de vazio. O cenário de operação

recomendado para estes caudais médios diários afluentes, consiste na repartição do caudal pelo

maior número possível de horas de ponta, permitindo assim diminuir o caudal máximo turbinado.

As perdas de receita mensal obtidas para os cenários considerados revelaram-se pouco expressivas

quando comparadas com a receita referente à produção de energia do cenário economicamente mais

favorável, constituindo assim um incentivo para a exploração ecohidráulica da mini hídrica para os

caudais médios diários afluentes considerados.

De acordo com o estudo efectuado para um caudal médio diário afluente de 40% Qmod, o

funcionamento da central durante metade do período de vazio (5h) com caudais de 0,47 m3/s,

conduziu a um aumento das condições de habitat de apenas 3% no período ponta, à custa de uma

redução na receita de cerca de 5821 €. O funcionamento da central no vazio durante um maior

período de tempo leva a uma redução do número de horas de stress a que as trutas estão sujeitas,

embora constitua um cenário menos vantajoso do ponto de vista económico.

Os cenários com receita mais elevada apresentaram melhores condições de habitat em relação aos

cenários alternativos, para o caso das trutas adultas. Assim, não se justifica recomendar alterações

da operação da central para este estágio de vida.

As recomendações propostas anteriormente estão dependentes do estágio de vida a proteger. Assim

seria desejável conciliar tanto as medidas operacionais como medidas do tipo estrutural, como por

exemplo os abrigos laterais, para criar um equilíbrio nas condições de habitat das espécies.

A central analisada está equipada com uma turbina Pelton de 3 injectores, o que permitiu definir

cenários com caudais turbinados relativamente baixos (até 20% do caudal de projecto)

proporcionando a existência de resultados positivos em termos de disponibilidade de habitat para as

trutas juvenis com perdas de receita reduzidas. O mesmo não será possível para centrais

hidroeléctricas equipadas com turbinas de reacção, visto que o rendimento das mesmas decresce

significativamente para caudais inferiores ao máximo turbinável (e.g numa turbina Francis com um

número específico de rotações de 125 r.p.m, o rendimento decresce para valores inferiores a 0,80, a

partir de 45% do caudal máximo (Quintela, 2011)). Assim o funcionamento da central hidroeléctrica

91

com caudais turbinados relativamente inferiores ao caudal máximo, induziria perdas de energia e

consequentemente o aumento das receitas perdidas.

6.2 Recomendações

No decorrer desta dissertação foram identificados pontos que carecem de investigação.

Apresentam-se seguidamente alguns tópicos de pesquisa futura, tendo em vista o estabelecimento

de medidas operacionais de mitigação das consequências do hydropeaking relativamente à

disponibilidade de habitat.

Desenvolver um modelo que sistematize a criação de cenários de operação da central tendo

em conta os condicionamentos inerentes a este processo;

Analisar o efeito da gestão de cenários da operação para aproveitamentos hidroeléctricos

com regularização intra-anual;

Considerar centrais equipadas com uma turbina de reacção (e.g Francis);

Estudar o efeito conjunto da operação ecohidráulica da central com medidas do tipo estrutural,

como por exemplo os abrigos laterias;

Considerar a simulação hidrodinâmica em regime variável, para trechos de rio com maior

extensão, afectados pelo hydropeaking.

93

Referências bibliográficas

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i

Anexos

Anexo A - Simulação em HEC-RAS

Primeiramente foram introduzidas as secções transversais no HEC-RAS, de jusante para montante,

sendo que a secção nº 1 foi a secção de controlo do regime lento.

Figura A.1: Secções transversais introduzidas no HEC-RAS.

As condições de fronteira foram introduzidas. A secção de entrada corresponde à secção 6, para a

qual foi definido o valor do caudal de 0,47 m3/s (caudal obtido através das medições das cotas da

superfície livre). A secção de saída corresponde à 1 onde foi verificado o regime critico com uma cota

da superfície livre de 317,58 m. De seguida ilustram-se os procedimentos da simulação.

Figura A.2: Introdução do caudal na secção 6.

ii

Figura A.3: Definição das condições de fronteira, regime critico na secção 1.

Figura A.4: Regime de escoamento lento.

As secções transversais obtidas após a simulação encontram-se representadas de montante para

jusante.

a)

0 2 4 6 8 10316.8

317.0

317.2

317.4

317.6

317.8

ribeira carvalhosa Plan: Plan 16 7/22/2014

Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.0714 .0714

iii

b)

c)

d)

0 2 4 6 8 10317.2

317.4

317.6

317.8

318.0

318.2

318.4

318.6

318.8


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.0714

0 2 4 6 8 10 12316.5

317.0

317.5

318.0

318.5

319.0


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.0714

0 2 4 6 8 10 12316.5

317.0

317.5

318.0

318.5

319.0


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.0714 .0714

iv

e)

f)

Figura A.5: Representação das secções transversais do escoamento de montante a) para jusante f).

Os resultados das cotas da superfície livre simuladas e medidas encontram-se na tabela que se

segue, bem como o erro absoluto (EA).

Tabela A.1: Cotas da superfície livre medidas, simuladas e erro absoluto.

Secções transversais

Cotas da superfície livre (m) EA*(m)

Medidas Simuladas

6 (montante) 317,71 317,67 0,04

5 317,70 317,66 0,04

4 317,684 317,66 0,02

3 317,677 317,66 0,02

2 317,67 317,66 0,01

1 (jusante) 317,58 317,58 0,00

*EA é a diferença em módulo entre a cota da superfície livre medida e simulada.

Posteriormente simulou-se para vários caudais obtendo assim a altura de escoamento na secção

n.º 2 através da qual se realizou a curva de vazão.

0 2 4 6 8 10 12316.5

317.0

317.5

318.0

318.5

319.0

319.5


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.0714

0 2 4 6 8 10 12 14317.2

317.4

317.6

317.8

318.0

318.2

318.4


Station (m)

Ele

vation

(m

)

Legend

EG PF 1

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

Bank Sta

.0714

.0714 .0714

v

Anexo B - Cálculo da rugosidade efectiva

Para o cálculo da rugosidade efectiva considerou-se a média da altura de água em cada secção

transversal e com um valor de Ks de 14 m1/3

/s, determinou-se o parâmetro m e consequentemente a

rugosidade efectiva a introduzir no River2D. O valor da rugosidade efectiva considerado foi cerca de

0,90 tendo sido eliminada para o cálculo a secção 4.

Tabela B.1: Valor médio da rugosidade efectiva.

Ks ( m1/3

/s) 14 n 0,0714

Secção transversal Média h m ks (m)

2 (jusante) 0,34 1,49 0,91

3 0,37 1,52 0,98

4 0,52 1,60 1,26

5 0,31 1,47 0,85

6 (montante) 0,30 1,46 0,83

0,89

vi

Anexo C - Dados recolhidos durante a pesca eléctrica e regras fuzzy

Tabela C.1: Dados das amostras recolhidas em que J, pertente traduzir o estágio de vida juvenil e A o estágio

adulto.

Estágio de vida da Salmo trutta

Profundidade (cm) Velocidade

(m/s)

J 43 0,207

A 70 0,251

A 68 0,273

J 35 0,06

A 15 0,653

A 48 0,251

A 42 0,421

A 65 0,259

J 71 0,133

A 65 0,34

J 46 0,067

J 43 0,487

J 37 0,531

J 30 0,041

A 21 0,31

A 55 0,436

2A 63 0,34

2A 37 0,413

A 45 0,178

J 35 0,589

A 59 0,288

A 33 0,666

A 80 1,331

A 65 0,332

A 35 0,377

2A; 1J 33 0,48

A 25 0,266

J 34 0,133

J 32 0,141

A 40 0,17

A 74 0,1

J 69 0,107

2J 40 0,093

A 43 0,135

A 31 1,174

A 51 0,251

J 28 0,041

A 24 0,251

A 26 0,303

vii

Tabela C.2: Regras fuzzy.

Adulto Juvenil

Velocidade Profundidade Substrato HSI

L L VL L H L M VL H H L H VL H H M L VL H H M M VL L M M H VL L L H L VL M H H M VL M H H H VL M H

VH L VL L L VH M VL L L VH H VL L L L L L L M L M L L M L H L L H M L L L M M M L H L M H L L M H L L H M H M L L L H H L M M

VH L L L L VH M L L L VH H L L L L L M M M L M M L H L H M L L M L M M L M M M L L M H M M M H L M L L H M M H H H H M L H

VH L M L L VH M M L L VH H M L L

L L H M M L M H M M L H H H L M L H L H M M H M M M H H M L H L H L M H M H M M H H H M L

VH L H L L VH M H L L VH H H L L

L L VH L L L M VH M H L H VH M H M L VH L M M M VH M L M H VH M L H L VH L L H M VH L M H H VH L H

VH L VH L L VH M VH L L VH H VH L L

viii

Anexo D - Decreto-lei n.º 225/2007 de 31 de Maio

xii

Anexo E - Esquema dos vários cenários estabelecidos para todos os caudais

afluentes

Figura E.1: Esquema dos vários cenários estabelecidos para um caudal afluente de 20% Qmod.

1 Açude

2 Circuito hidráulico

3 Troço do rio entre o

açude e a zona de

restituição

1

2

3

xiii


xiv


xv


xvi


xvii

Anexo F - Disponibilidade de habitat para as Salmo truttas adultas para os

caudais médios diários afluentes de 20% e 40% Qmod


3/s) + 2,26 m


Cenário 2.1: Caudal não turbinável (0,15 m3/s) + 0,50 m



3/s) + 0,51 m



xviii


3/s) + 1,94 m



3/s) + 0,69 m



3/s) + 0,66 m



Figura F.1: Disponibilidade de habitat para caudais afluentes de 20% e 40% Qmod.

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