ESTUDO HIDROLÓGICO DA BACIA DO RIO QUITÉRIA PARA ... · DE UMA CENTRAL DE GERAÇÃO HIDRELÉTRICA ... do projeto da barragem que irá compor ... metodologia utilizada nesse processo

Trabalho Inscrito na Categoria de Artigo Completo ISBN 978-85-68242-51-3

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EIXO TEMÁTICO: ( ) Arquitetura Bioclimática, Conforto Térmico e Eficiência Energética (X) Bacias Hidrográficas, Planejamento e Gestão dos Recursos Hídricos ( ) Biodiversidade e Unidades de Conservação ( ) Campo, Agronegócio e as Práticas Sustentáveis ( ) Clima, Ambiente e Saúde ( ) Desastres, Riscos Ambientais e a Resiliência Urbana ( ) Educação Ambiental e Práticas Ambientais ( ) Ética e o Direito Ambiental ( ) Geotecnologias Aplicadas à Análise Ambiental ( ) Novas Tecnologias e as Construções Sustentáveis ( ) Patrimônio Histórico, Turismo e o Desenvolvimento Local ( ) Saúde Pública e o Controle de Vetores ( ) Saúde, Saneamento e Ambiente ( ) Segurança e Saúde do Trabalhador ( ) Urbanismo Ecológico e Infraestrutura Verde

ESTUDO HIDROLÓGICO DA BACIA DO RIO QUITÉRIA PARA DETERMINAÇÃO DA VAZÃO DE DIMENSIONAMENTO DOS VERTEDORES

DE UMA CENTRAL DE GERAÇÃO HIDRELÉTRICA (CGH)

HYDROLOGICAL STUDY OF THE QUITÉRIA RIVER BASIN FOR DETERMINATION OF THE DIMENSION FLOW OF THE GRINDERS OF A HYDROELECTRIC GENERATION CENTER

(CGH)

ESTUDIO DE CUENCA HIDROLOGICA QUITERIA PARA LA DETERMINACIÓN DEL

CALIBRADO FLOW GENERACIÓN DE CENTRAL AN ALIVIADEROS DAM (CGH)

Larissa Maria de Souza Barbosa Mestranda em Engenharia Civil, UNESP, Brasil

[email protected]

Milton Dall’Aglio Sobrinho

Professor Doutor, UNESP, Brasil [email protected]

Daniela Rodrigues Ribeiro

Graduanda em Engenharia Civil, UNESP, Brasil [email protected]


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RESUMO O Brasil é um país extremamente rico em recursos hídricos e como tal, seu desenvolvimento social, econômico e ambiental depende fundamentalmente da utilização racional destes recursos - principalmente para gerar energia, suprir as necessidades de consumo humano e industrial de água, permitir culturas irrigadas e a navegação fluvial onde é possível. Tendo em vista que a exploração dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica para fins de geração de energia requer avaliar todos os possíveis usos de água nessa bacia, é indispensável que os estudos hidrológicos e os levantamentos cartográficos da bacia sejam realizados com nível de detalhe que confira a eles a qualidade necessária. O presente estudo faz uma revisão bibliográfica sobre os aspectos hidrológicos de um projeto de barragem. A partir desse levantamento, foram desenvolvidas as principais análises hidrológicas para elaboração do projeto da barragem que irá compor uma Central de Geração Hidrelétrica, localizada no Mato Grosso do Sul. O trabalho contemplou a caracterização fisiográfica da bacia (área de drenagem, forma da bacia, declividade do rio, tempo de concentração), a hidrometeorologia e as medições fluviométricas da bacia. Com os dados obtidos foi possível calcular as vazões extremas, fundamentais para o dimensionamento dos vertedores. PALAVRAS-CHAVE: Barragem. Aspectos hidrológicos. Central de Geração Hidrelétrica.

ABSTRACT Brazil is an extremely rich country in water resources and as such its social, economic and environmental development fundamentally depends on the rational use of these resources mainly to generate energy, meet the needs of human and industrial water consumption, allow irrigated crops and river navigation where it is possible. Considering that the exploitation of water resources in a river basin for power generation purposes requires assessing all possible uses of water in this basin, it is essential that hydrological studies and basin surveys be carried out in a level of detail that will give them the necessary quality. The present study makes a bibliographical review on the hydrological aspects of a dam project. From this survey, the main hydrological analyzes were developed for the elaboration of the dam project that will comprise a Hydropower Generation Plant, located in Mato Grosso do Sul. The work covered the physiographic characterization of the basin (drainage area, basin shape, river slope, time of concentration), hydrometeorology and fluviometric measurements of the basin. With the obtained data it was possible to calculate the extreme flows, fundamental for the dimensioning of the pourers. KEY WORDS: Dam. Hydrological aspects. Hydroelectric Generation Plant.

RESUMEN Brasil es un extremadamente rico en recursos hídricos y como tal su desarrollo social, económico y ambiental depende fundamentalmente de uso racional de estos recursos principalmente para generar energía, satisfacer las necesidades de consumo de agua humano e industrial, permitiendo que los cultivos de regadío y navegación en aguas siempre que sea posible. Considerando que la explotación de los recursos hídricos en uma cuenca com fines de generación de energia requiere la evaluación de todos los usos posibles del agua en esta cuenca, es essencial que los estudios hidrológicos y encuestas sobre descripción de la cuenca se llevan a cabo con el nível de detalhe que da ellos la calidad necesaria. Este estudio es una revisión bibliográfica sobre los aspectos hidrológicos de um proyecto de la presa. A partir de estos estudios, hemos desarrollado el principal análisis hidrológico para preparar el proyecto de la presa que va a componer uma central hidroeléctrica, ubicada en el Mato Grosso do Sul. El trabajo incluyó las características fisiográficas de la cuenca (área de drenaje, forma de cuenco, pendiente de la río, tiempo de concentración), hidrometerologia y mediciones calibradas de la cuenca. Con los datos obtenidos fue posible calcular el flujo extrema, fundamental para el diseño de aliviaderos. PALABRAS CLAVE: Presa. Aspectos hidrológicos. Generación central hidroeléctrica.


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1 INTRODUÇÃO

Atualmente a produção de energia no Brasil tem origem hídrica, fóssil, eólica, nuclear, solar e

de biomassa. Segundo a ANEEL (2017), o Brasil possui no total 4.628 empreendimentos em

operação, totalizando 151.529.387 kW de potência instalada e está prevista para os próximos

anos uma adição de 25.080.688 kW na capacidade de geração do país, proveniente dos 211

empreendimentos atualmente em construção e mais 632 empreendimentos com construção

não iniciada.

Embora seja dependente do petróleo como fonte de energia, o Brasil possui umas das matrizes

energéticas mais renováveis do mundo (entre os países industrializados). Cerca de 67% da

energia brasileira tem como origem fontes renováveis (hidráulica, eólica e solar), sendo a

energia hídrica responsável por atender, sozinha, cerca de 62% da demanda do país (ANEEL,

2017).

Mediante a importância da construção de barragens para o cenário nacional e a complexidade

desse tipo de construção, que em geral envolve diversas áreas da engenharia, este trabalho

visa mostrar os principais passos do estudo hidrológico da bacia do Rio Quitéria, para

determinação da vazão de dimensionamento dos vertedores de uma Central de Geração

Hidrelétrica (CGH).

2 OBJETIVO

Elaborar um estudo hidrológico da bacia do Rio Quitéria, visando o aproveitamento do

potencial energético para uma Central de Geração Hidrelétrica (CGH).

3 METODOLOGIA

O Rio Quitéria é um curso d’água do estado do Mato Grosso do Sul e serve de limite de

município ente Paranaíba e Inocência, desaguando no Rio Paraná a montante da Usina

Hidrelétrica de Ilha Solteira. O ponto de referência adotado neste estudo, por sua vez,

representa o local onde será construído o barramento e corresponde as coordenadas

51°40’38”W e 19°45’11”S.

O processo de delimitação automática da bacia hidrográfica foi desenvolvido no SIG ArcGIS e a

metodologia utilizada nesse processo subdividiu-se em quatro etapas, sendo: preenchimento

de depressões (“fill sinks”), direção de fluxo (“flow direction”), fluxo acumulado (“flow

accumulation”) e delimitação de bacias (“Watershed”).

O limite da área de drenagem extraída juntamente com a rede hidrográfica, gerada a partir de

dados SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission), foram integrados e processados em Sistema

de Informações Geográficas (SIG).

Em seguida, para caracterização da forma da bacia, foram utilizados:


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Índice de compacidade (KC)

Kc = 0,28

√ (1)

em que:

P = perímetro da bacia, em km;

A = área da bacia, em km².

Índice de conformação (Fc)

Fc =

(2)

em que L é o comprimento axial da bacia, em km.

Fator de forma (FF).

FF =

(3)

em que B é a largura média da bacia, em km.

Também foram calculados:

Índice de drenagem (Dd)

Dd =

(4)

em que Lt é o comprimento total dos canais, em km.

Declividade média do rio (S1)

S1 =

(5)

onde:

∆H = variação da cota entre os dois pontos extremos, em km

L = comprimento em planta do rio, em km

Para a obtenção do valor de desnível (∆H) entre a nascente e o ponto de interesse, utilizou-se

o mapa de elevação da bacia que, assim como o mapa de localização, também foi gerado a

partir de dados SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) integrados e processados em

Sistema de Informações Geográficas (SIG).

3.1 Tempo de concentração

O tempo de concentração (tc) corresponde ao tempo necessário para que toda a bacia

contribua para o escoamento superficial numa seção considerada, ou seja, é o tempo que uma


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gota que se precipita no ponto mais distante da seção considerada de uma bacia leva para

atingir essa seção. No caso de cheias, é o tempo mínimo possível para o máximo percurso

dessa gota.

Existe uma grande quantidade de fórmulas que fornecem o valor de tc em função de

características da bacia (área, declividade, comprimento do talvegue, rugosidade das

superfícies e outras) e, eventualmente, da intensidade da chuva. Essas fórmulas têm origem

em estudos experimentais de campo ou de laboratório e, portanto, devem ser aplicadas em

condições que se aproximem daquelas para as quais foram determinadas (TUCCI, 2009).

Abaixo são apresentadas algumas das fórmulas mais utilizadas (Kibler, 1982). Nas equações a

seguir, tc é obtido em minutos.

Kirpich:

tc = 3,989 L 0,77 S -0,385 (6)

onde L = comprimento do talvegue em km; S = declividade do talvegue em m/km.

California culverts practice:

tc = 57 L 1,155 H -0,385 (7)

onde H = diferença de cotas entre a saída da bacia e o ponto mais alto do talvegue em m. Essa

equação é uma modificação da anterior, substituindo-se S = L/H.

Federal Aviation Agency:

tc = 22, 73 (1,1 – C) L0,50 S -0,33 (8)

onde C = coeficiente de escoamento do método racional.

SCS – método cinemático:

tc =

Σ

(9)

onde V = velocidade média no trecho em m/s, avaliada pela equação de Manning.

Dooge:

tc = 21,88 A0,41 S -0,17 (10)

onde A = área da bacia em km².

3.2 Hidrometeorologia

Para caracterização climática da bacia, buscou-se primeiramente a lista de postos nela

existentes, complementando-a com postos vizinhos. Na Tabela 1 estão relacionados todos os

postos pluviométricos encontrados na região.


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Tabela 1 - Postos pluviométricos na região

Nome Código Latitude Longitude Altitude Última Coleta

Primeira Coleta

Inocência 1951005 -19°44''11' 51°56''01' 502 2016 1983

Ponte Rio Quitéria 1951007 -19°58''00' -51°29''00' 398 1999 1997

Fazenda Quitéria 1951006 -19°53''41' -51°29''37' 441 1995 1995

Paranaíba 1951002 -19°39''49' -51°11''27' 424 1998 2006

Fazenda pindorama 1951003 -19°23''27' -51°36''32' 458 2016 1983

Morangas 1952002 -19°33''13' -52°09''59' 401 2016 1984

São José do Sucuri 1952003 -19°57''48' -52°13''34' 300 2010 1983

Porto Galeano 2052006 -20°05''38' -52°09''37' 317 2016 1984

Fonte: Elaborado pelo autor

3.3 Medições fluviométricas

Não foram encontrados postos fluviométricos dentro da área de interesse do projeto. Os dois

postos mais próximos constam na Tabela 2. Dentre eles, o posto Fazenda Quitéria é o mais

próximo (Figura 1), cujas vazões médias mensais estão na Tabela 3.

Tabela 2 - Postos fluviométricos na região

Nome Código Latitude Longitude Área de Drenagem (km²)

Fazenda Quitéria 62010000 -19,8833 -51,5117 1389,1832

Ponte Rio Quitéria 62011000 -19,9597 -51,4681 1530,3068



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Figura 1 - Ficha Técnica - Posto Fluviométrico Fazenda Quitéria

Fonte: ANA (2011)


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Tabela 3 - Série de vazões médias do posto fluviométrico Fazenda Quitéria

J F M A M J J A S O N D

1985 35,8 28,4 26,2 15,5 14,7 11,7 11,1 9,63 11,6 10,4

1986 15,4 21 28,6 17,8 17,2 13,3 11,7 14,4 11,7 12,5 9

1987 13,7 12,9 16,7 23 19,3

1988 26 35,8 58,7 42 15,6 22,5 17,2 27,2

1989 29,2 38,1 28,1 29,2 23,8

1990

1991 17,8 15,5 14,5 13,1 12,9 14,6 18,4 26,3

1992 24,5 22,3 21,1 15 14,8 14,2 18,5 26,9 20,3 21,5

1993 25,9

1994 34,6 26,3 23,3 21,2 20,1 18,5 17,8 21,1 21,6 29,2

1995 40,3 64,1 44,1 29,1 20,7 16,8 17,7 20 16,4 20

Fonte: Elaborado pelo autor, tendo como base de dados o HidroWeb

3.4 Vazões extremas

Para a aplicação da metodologia adequada, em primeiro lugar, verificou-se a extensão da série

histórica de dados fluviométricos existente e também o tamanho da área de drenagem da

bacia em estudo, conforme a seguinte classificação (Figura 2):

Figura 2 - Diagrama das metodologias adotadas para a estimativa de vazões de enchente

Fonte: DAEE (2005)


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A série de dados fluviométricos encontrada para o posto mais próximo é superior a 3 e inferior

a 25 anos, o que levaria a adoção do Método CTH ou do Método GRADEX. Estes métodos são

pouco utilizados, por isso, neste trabalho foi adotado como base o método de Ajuste de

Distribuição Estatística.

A série de vazões máximas escolhida foi retirada da estação fluviométrica Fazenda Quitéria,

cujas características estão detalhadas na Figura 3. Os dados foram obtidos através do

HidroWeb, onde as medições de vazão são fornecidas em máximos anuais. Além disso, é

preciso desconsiderar alguns anos que apresentam falhas de leitura.

A medição de vazão é feita apenas 2 vezes por dia, por isso nem sempre a vazão registrada é a

máxima que ocorreu no dia, portanto se faz necessário implementar um coeficiente para

ajustar a vazão máxima instantânea. Neste estudo foi utilizado o coeficiente de Fuller expresso

na equação abaixo (TUCCI, 2009).

Qmáx = Q(1+2,66-0,3) (11)

4 RESULTADOS

O limite da área de drenagem extraída está representado na Figura 3 juntamente com a rede

hidrográfica. A bacia hidrográfica do Rio Quitéria resultante da delimitação deste estudo

constitui área de 57.268,43 ha (572,68 km²) e perímetro 125,65 km.


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Figura 3 - Mapa de localização da bacia


O índice de compacidade, o índice de conformação e o fator de forma calculados para a bacia

estão apresentados na Tabela 4 e indicam que a contribuição dos tributários atinge o curso

d’água principal em vários pontos ao longo do mesmo, indicando que a bacia não está sujeita a

enchentes.

Tabela 4 - Índices da bacia hidrográfica

Índices Resultados

Índice de compacidade (Kc) 1,47

Índice de conformação (Fc) 0,46

Fator de forma (Ff) 0,45

Índice de drenagem (Dd) 0,38


O índice de drenagem, cujo valor calculado também encontra-se na Tabela 4, demonstrou um

sistema de drenagem pobre, indicando que a bacia é pouco susceptível ao escoamento, o que

reforça o resultado dos demais índices.

Para o cálculo de declividade média do rio, utilizou-se o mapa de elevação da bacia (Figura 4),

a partir do qual foi possível obter o valor de desnível entre a nascente e o ponto de interesse

(∆H). A declividade média calculada corresponde a 5,86 m/km.


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Figura 4 - Mapa de elevação da bacia

Fonte: Elaborado pelo autor.

As fórmulas utilizadas para o cálculo do tempo de concentração levam em consideração

características muito similares as encontradas na bacia em estudo, mesmo assim

apresentaram resultados discrepantes, conforme observado na Tabela 5.

Tabela 5 - Tempo de concentração (tc) obtido para cada fórmula

Fórmula utilizada Tc (min) Tc (horas)

Kirpich 41,80 0,7

California culverts practice 597,17 9,95

Federal Aviation Agency 81,65 1,36

SCS - método cinemático 947,59 5,9

Dooge 218,9 3,65


Ao desconsiderar os anos que apresentaram falhas de leitura no posto fluviométrico Fazenda

Quitéria, foi possível organizar os máximos anuais conforme a Tabela 6.


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Tabela 6 - Máximas vazões verificadas no posto fluviométrico Fazenda Quitéria

Série Parcial de Máximos Anuais

Ano Vazão Máxima (m³/s)

1995 104

1992 78,6

1989 72,1

1988 104

1986 73,6

1985 94,1

Fonte: Elaborado pelo autor, tendo como base dados do HidroWeb

Em seguida, foi utilizado o coeficiente de Fuller para ajustar a vazão máxima instantânea. Os

dados corrigidos estão apresentados na Tabela 7.

Tabela 7 - Série de dados corrigida

Série Parcial de Máximos Anuais

Ano Vazão Máxima (m³/s) Vazão Fuller (m³/s)

1995 104 145,18

1992 78,6 109,73

1989 72,1 100,65

1988 104 145,18

1986 73,6 102,75

1985 94,1 131,36


Os dados já ajustados permitiram uma análise estatística que utilizou como referência o

programa ALEA – Análise de frequência Local de Eventos Anuais. O programa usa o método

dos momentos, da máxima verossimilhança e momentos L para estimar os parâmetros e

quantis das principais distribuições de probabilidades usadas na análise de frequências de

eventos hidrológicos mínimos, médios e máximos anuais.

A aplicação dos dados no programa ALEA sobre os dados de vazão resultou nos seguintes

parâmetros básicos de estatística descritiva expressos na Tabela 8 e na Figura 5.


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Tabela 8 - Dados da estatística descritiva da estação fluviométrica

Variável Original Logaritmo da Variável Tamanho da Amostra (n) 6 6

Mínimo 100,65 2,00281

Máximo 145,18 2,16191

Média 122,475 2,08287

Desvio Padrão (s) 20,6776 0,07353

Mediana 120,545 2,07939

Coeficiente de Variação (Cv) 0,1688 0,0353

Coeficiente de Assimetria (Cs) 0,1347 0,06301

Coeficiente de Curtose (Ck) 0,3586 0,33103


Figura 5 - Distribuição de frequência da amostra


Os ajustes de distribuição estatística que melhor representaram o comportamento da bacia foram o Gumbel de Máximos e o Exponencial. A partir de tais ajustes, é possível concluir que a vazão decamilenar, responsável pelo dimensionamento dos vertedores da Central de Geração Hidrelétrica, varia entre 262 e 292 m³/s, conforme a Tabela 9.


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Tabela 9 - Vazões por tempo de recorrência

TR (anos) Gumbel de Máximos Exponencial

Quantis (m³/s) Quantis (m³/s)

10.000 262 292

5.000 250 278

1.000 225 245

500 213 230

200 199 211

100 187 197

50 176 183

25 165 168

10 149 149

5 137 135

2 119 116


5 CONCLUSÃO

Este trabalho tinha o objetivo de apresentar as etapas que compõem o estudo hidrológico de

uma bacia, visando o aproveitamento do potencial energético para uma Central de Geração

Hidrelétrica (CGH), localizada no Mato Grosso do Sul. Assim, a partir da locação do eixo do

barramento, foi possível realizar o estudo sobre as características fisiográficas da bacia (área

de drenagem, forma da bacia, declividade, tempo de concentração), a hidrometerologia e as

medições fluviométricas da bacia.

A aplicação do programa ALEA permitiu analisar estatisticamente os poucos dados fornecidos

pela estação fluviométrica Fazenda Quitéria, fornecendo resultados consistentes, embora seja

recomendável cautela ao analisar os valores extrapolados a partir de séries históricas muito

pequenas.

Por fim, o resultado alcançado com este trabalho foi uma caracterização fisiográfica detalhada

da bacia e um estudo sobre as vazões do rio. Vale ressaltar que o estudo das vazões é de

extrema importância, uma vez que grande parte dos acidentes com usinas decorre da

insuficiência da capacidade de vazão dos vertedouros (>20%), o que significa que as cheias

foram subdimensionadas, conforme Pereira, 2015.

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

TUCCI, C. E. M. Hidrologia Ciência e Aplicação. Porto Alegre, ABRH, 2009. PEREIRA, G. M. Projeto de usinas hidrelétricas passo a passo. São Paulo: Oficina de Textos, 2015. DAEE. Guia prático para projetos de pequenas obras hidráulicas. São Paulo, DAEE, 2005.


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VILLELA, S. M.; MATTOS, A. Hidrologia aplicada. McGraw-Hill, 1975.

ANA. Guia para a elaboração de projetos de barragens. Manual do empreendedor. Vol. 5, 2015.

SOBRINHO, T.A.; OLIVEIRA, P.T.S.; RODRIGUES, D.B.B.; AYRES, F.M. Delimitação automática de bacias hidrográficas

utilizando dados SRTM. 2010

PAREDES, E. A. Características físicas de uma Bacia Hidrográfica.

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