Regularizao de vazes Adaptado de: Walter Collischonn, IPH -
UFRGS EHD023 Hidrologia II
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Objetivo: reservar gua no perodo de maior disponibilidade para
utilizar no perodo de menor disponibilidade Como? Construo de
barragens no leito do rio, resultando na criao de um lago
(reservatrio). Regularizao
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Reservatrios pequenos: pouca regularizao objetivo principal
criar uma diferena de nvel a montante e jusante para gerar energia
ou possibilitar a instalao de bombas para retirar gua do rio
Reservatrios grandes: maior capacidade de regularizao
Barragens
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Regularizao A soluo encontrada para reduzir a variabilidade
temporal da vazo a regularizao atravs da utilizao de um ou mais
reservatrios Os reservatrios tm por objetivo acumular parte das
guas disponveis nos perodos chuvosos para compensar as deficincias
nos perodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das
vazes naturais.
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Irrigao
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Abastecimento
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Gerao de energia
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Usina Hidreltrica
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vertedor casa de fora Usina Hidreltrica
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Itaipu
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Usina de Xing
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Reservatrios
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Usina Hidreltrica
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Barragem em Construo (PCH Irara, Gois)
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Um reservatrio pode ser descrito por seus nveis e volumes
caractersticos: Nvel mnimo operacional Nvel mximo operacional
Volume mximo Volume morto Volume til Reservatrios:
Caractersticas
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Volume morto nvel mnimo operacional Reservatrios:
Caractersticas
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O Volume Morto a parcela de volume do reservatrio que no est
disponvel para uso Corresponde ao volume de gua no reservatrio
quando o nvel igual ao mnimo operacional Abaixo deste nvel as
tomadas de gua para as turbinas de uma usina hidreltrica no
funcionam, seja porque comeam a engolir ar alm de gua, o que
provoca cavitao nas turbinas (diminuindo sua vida til), ou porque o
controle de vazo e presso sobre a turbina comea a ficar muito
instvel. Volume morto
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nvel mnimo operacional nvel mximo operacional Volume til
Reservatrios: Caractersticas
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O nvel mximo operacional corresponde cota mxima permitida para
operaes normais no reservatrio. Nveis superiores ao nvel mximo
operacional podem ocorrer em situaes extraordinrias, mas
comprometem a segurana da barragem. O nvel mximo operacional define
o volume mximo do reservatrio. Nvel mximo operacional
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Volume morto nvel mnimo operacional nvel mximo operacional
Volume til nvel mximo maximorum Nvel mximo maximorum
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A diferena entre o volume mximo de um reservatrio e o volume
morto o volume til, ou seja, a parcela do volume que pode ser
efetivamente utilizada para regularizao de vazo. Volume til
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Reservatrio Os reservatrios tem por objetivo acumular parte das
guas disponveis nos perodos chuvosos para compensar as deficincias
nos perodos de estiagem, exercendo um efeito regularizador das
vazes naturais. Em geral os reservatrios so formados por meio de
barragens implantadas nos cursos dgua. Suas caractersticas fsicas,
especialmente a capacidade de armazenamento, dependem das
caractersticas topogrficas do vale em que esto inseridos.
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Estreitamentos do vale rea a ser inundada depende do novo nvel
da gua (altura da barragem) Locais para construo de barragens
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130 m
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150 m
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Analisando a rea inundada para cada nvel dgua, pode se calcular
o volume do reservatrio Cota x rea x volume
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Cota: 6,5 m rea inundada: 32 ha Volume: 0,1 Hm 3
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Cota: 7 m rea inundada: 200 ha Volume: 0,7 Hm 3
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Cota: 8 m rea inundada: 815 ha Volume: 5,7 Hm 3
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Cota: 9 m rea inundada: 1.569 ha Volume: 17,6 Hm 3
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Cota: 10 m rea inundada: 3.614 ha Volume: 43,6 Hm 3
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Cota: 11 m rea inundada: 7.841 Volume: 101 Hm 3
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Cota: 12 m rea inundada: 10.198 ha Volume: 191 Hm 3
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Cota: 13 m rea inundada: 12.569 ha Volume: 305 Hm 3
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Cota: 14 m rea inundada: 14.434 ha Volume: 440 Hm 3
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Cota: 15 m rea inundada: 16.353 ha Volume: 594 Hm 3
Outras caractersticas importantes so as estruturas de sada de
gua, eclusas para navegao, escadas de peixes, tomadas de gua para
irrigao ou para abastecimento, e eventuais estruturas de
aproveitamento para lazer e recreao. Outras Caractersticas
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Os vertedores so o principal tipo de estrutura de sada de gua
Destinam-se a liberar o excesso de gua que no pode ser aproveitado
para gerao de energia eltrica, abastecimento ou irrigao Os
vertedores so dimensionados para permitir a passagem de uma cheia
rara (alto tempo de retorno) com segurana. Vertedores
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Um vertedor pode ser livre ou controlado por comportas O tipo
mais comum de vertedor apresenta um perfil de rampa, para que a gua
escoe em alta velocidade, e a jusante do vertedor construda uma
estrutura de dissipao de energia, para evitar a eroso excessiva.
Vertedores
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A vazo de um vertedor livre (no controlado por comportas)
dependente da altura da gua sobre a soleira, conforme a figura e a
equao ao lado. Q a vazo do vertedor; L o comprimento da soleira; h
a altura da lmina de gua sobre a soleira e C um coeficiente com
valores entre 1,4 e 1,8. importante destacar que a vazo tem uma
relao no linear com o nvel da gua Vazo de Vertedor
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Onde A a rea da seo transversal do orifcio; g a acelerao da
gravidade; h a altura da gua desde a superfcie at o centro do
orifcio e C um coeficiente emprico com valor prximo a 0,6.
Semelhante equao do vertedor, destaca-se que a vazo de um orifcio
tem uma relao no linear com o nvel da gua. Descarregadores de fundo
podem ser utilizados como estruturas de sada de gua de
reservatrios, especialmente para atender usos da gua existentes a
jusante. A equao de vazo de um descarregador de fundo semelhante
equao de vazo de um orifcio, apresentada abaixo: Descarregadores de
Fundo
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O volume til est diretamente relacionado capacidade de
regularizar a vazo. Se o volume til pequeno, o reservatrio no
consegue regularizar a vazo e a usina chamada a fio dgua Volume til
x Vazo mdia afluente
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Equao da continuidade Balano Hdrico de reservatrios
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Intervalo de tempo curto: cheias Intervalo de tempo longo:
dimensionamento Balano Hdrico de reservatrios
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Mtodos grficos (antigos) Simulao Dimensionamento do
reservatrio
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Equao de Balano Hdrico Simulao
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ondeerepresentam valores mdios da vazo afluente e defluente de
reservatrio ao longo do intervalo de tempo t. Eq. de Balano
Discretizada sujeita s restries 0 < S t+t < V mx ; onde V mx
o volume til do reservatrio.
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V = volume (m 3 ) I = vazo afluente ao reservatrio (m 3 /s) Q =
vazo defluente do reservatrio (m 3 /s) Q inclui vazo que atende a
demanda e vazo vertida Balano Hdrico num reservatrio Simulao em
planilha
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Q considerado igual demanda Equao de Balano Hdrico do
reservatrio pode ser aplicada recursivamente Simulao em planilha
conhecidos
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Com a equao recursiva de balano podem ocorrer duas situaes
extremas: necessrio verter gua A demanda excessiva ou o volume
insuficiente
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1.Estime um valor de V max 2.Aplique a equao abaixo para cada
ms do perodo de dados de vazo disponvel ( desejvel que a srie tenha
vrias dcadas). As perdas por evaporao (E) variam com o ms e podem
ser estimadas por dados de tanque classe A. A demanda D pode variar
com a poca do ano. A vazo vertida Q t diferente de zero apenas
quando a equao indica que o volume mximo ser superado.
Dimensionamento de reservatrio
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3.Em um ms qualquer, se S t+ t for menor que zero, a demanda D
t deve ser reduzida at que S t+ t seja igual a zero, e computada
uma falha de entendimento. 4.Calcule a probabilidade de falha
dividindo o nmero de meses com falha pelo nmero total de meses. Se
esta probabilidade for considerada inaceitvel, aumente o valor do
volume mximo Vmax e reinicie o processo. Dimensionamento de
reservatrio
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Um reservatrio com volume til de 500 hectmetros cbicos (milhes
de m 3 ) pode garantir uma vazo regularizada de 55 m 3.s -1,
considerando a seqncia de vazes de entrada da tabela abaixo?
Considere o reservatrio inicialmente cheio, a evaporao nula e que
cada ms tem 2,592 milhes de segundos. msVazo (m 3 /s) Jan60 Fev20
Mar10 Abr5 Mai12 Jun13 Jul24 Ago58 Set90 Out102 Nov120 Dez78
Exemplo
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msVazo (m 3 /s) S t (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )S t+dt (hm 3 )Q
(hm 3 ) jan60 500156143 fev20 mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58
set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 156 143 =
513 Supondo que no ser necessrio verter
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msVazo (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan60
50015614351313 fev20 500 mar10 abr5 mai12 jun13 jul24 ago58 set90
out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 156 143 = 513
Supondo que no ser necessrio verter Volume mximo excedido!
necessrio verter 13 hm 3
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msVazo (m 3 /s) VolumeI (hm 3 )D (hm 3 )VolumeQ (hm 3 ) jan60
50015614351313 fev20 500521434090 mar10 409 abr5 mai12 jun13 jul24
ago58 set90 out102 nov120 dez78 S t+dt =S t +I t -D t = 500 + 52
143 = 409 Supondo que no ser necessrio verter
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No incio do ms de agosto o volume calculado negativo, o que
rompe a restrio, portanto o reservatrio no capaz de regularizar a
vazo de 55 m 3.s -1 Ms S (hm 3 )I (hm 3 )D (hm 3 )Q (hm 3 ) Jan
50015614313 Fev 500521430 Mar 409261430 Abr 293131430 Mai 163311430
Jul 52341430 Ago -57621430
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Vazes do rio Tainhas de 1970 a 1980 Exemplo: dimensionamento de
reservatrio com simulao
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Qual a vazo que pode ser regularizada no rio Tainhas com um
reservatrio de 100 milhes de m 3 ? Exemplo: dimensionamento de
reservatrio com simulao em planilha
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Vazes afluentes do rio Tainhas
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Vazo de antendimento da demanda demanda (ou vazo
regularizada)
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Vazo vertida para V < Vmax
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Vazo total de sada
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Teste com Q = 20m 3 /s
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usando o Solver do Excel
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Qual a vazo que pode ser regularizada no rio Tainhas com um
reservatrio de 100 milhes de m 3 ? A mxima vazo regularizvel de
11,13 m3/s. Resposta
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Qual o volume necessrio para regularizar a vazo de 15 m 3
/s?
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Hidrogramas de entrada e sada
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Curvas de Permanncia natural regularizado
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Curvas de Permanncia natural regularizado Q 95 passa de ~3 para
15 m3/s
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Vazo Regularizada
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Limite terico: Q regularizada = I mdia Vazo Regularizada
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Perdas por evaporao Demandas variveis no tempo Reservatrios de
uso mltiplo Impactos ambientais Complicaes
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Um reservatrio com volume til de 500 hectmetros cbicos (milhes
de m 3 ) pode garantir uma vazo regularizada de 25 m 3.s
-1,considerando a seqncia de vazes de entrada da tabela abaixo?
Considere o reservatrio inicialmente cheio, a evaporao constante de
200 mm por ms, rea superficial e que cada ms tem 2,592 milhes de
segundos. Exerccio
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Um reservatrio com volume til de 150 hectmetros cbicos
suficiente para regularizar a vazo de 28 m 3.s -1 num rio que
apresenta a seqncia de vazes da tabela abaixo para um determinado
perodo crtico? Considere o reservatrio inicialmente cheio, 200 km 2
de rea superficial constante e que cada ms tem 2,592 milhes de
segundos. Os dados de evaporao de tanque classe A so dados na
tabela (veja capitulo 5). Exerccio
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Impacto da inundao de reas Obstrues ao fluxo (sedimentos,
peixes, nutrientes) Escada de peixes Estratificao trmica Eutrofizao
Alteraes de regime hidrolgico Trechos de vazo reduzida Rompimento
de barragens Questes ambientais em reservatrios