Um estudo sobre a movimentação de peixes no tubo de sucção ... · conexões e instalações hidráulicas foram montadas na ultima etapa. O esquema dessa bancada de teste pode

THE 9th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2011 1

• Environmental Aspects of Power Plants

Resumo— Apresenta-se, neste trabalho, um estudo em laboratório sobre a movimentação de peixes no tubo de sucção de uma turbina hidráulica. Para tanto, utiliza-se uma bancada de testes, onde são inseridos indivíduos da espécie mandi amarelo (“Pimelodus maculatus”). Esse peixe é uma espécie bastante comum nos rios brasileiros e se constitui no maior problema da atualidade com relação à mortandade de peixes em rios utilizados para geração de energia elétrica. A observação dos indivíduos na saída do tubo de sucção, sob as diversas condições de ensaio, permite fazer um mapeamento do posicionamento dos cardumes e a identificação das áreas de localização preferenciais que serão avaliadas posteriormente visando à instalação de sistemas de impedimento de entrada de peixes nas turbinas hidráulicas.

Palavras-chave — impactos ambientais, mortandade de peixes,

usinas hidrelétricas.

I. INTRODUÇÃO

ma das maiores dificuldades para se evitar a entrada de peixes em turbinas hidráulicas é o desconhecimento do comportamento das diversas espécies de peixes face às

condições de escoamento e de turbulência que ocorrem nas regiões de restituição de água desses equipamentos. Para se poder observar esse tipo de comportamento, é necessário fazer um conjunto de campanhas visando identificar o posicionamento de cardumes e o comportamento dos mesmos face às mudanças no escoamento provocadas pela variação de carga nas usinas. Devido ao fato de as dimensões das turbinas hidráulicas serem de grande porte, tem-se uma condição de campo bastante difícil de ser monitorada. Isso se deve ao fato da grande dimensão das seções de escoamento, de sua profundidade e da dificuldade técnica para a colocação de equipamentos de observação do tipo intrusivo ou de mergulhadores. Uma das alternativas atualmente utilizadas para o mapeamento do posicionamento dos cardumes é a utilização de sonares. _________________________________ (1) Carlos Barreira Martinez, Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos da UFMG (SMARH / PPGMEC), UFMG, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Belo Horizonte, MG, Brasil, (31) 34094821, (e-mail: [email protected]). (2) Edna Maria F. Viana, Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos da UFMG (SMARH), UFMG, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Belo Horizonte, MG, Brasil, (31) 34094925, (e-mail: [email protected]). (3) Marco Túlio C. Faria, Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC) da UFMG, Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte - MG, 31270-901, Brasil, Fone: (31) 3409-4925 (e-mail: [email protected]).

Entretanto, o sonar é sujeito a um conjunto de interferências provocadas pela grande quantidade de bolhas na saída das turbinas. Além disso, é muito difícil identificar, com segurança, a espécie dos indivíduos localizados. Isso dificulta sobremaneira a análise do comportamento de peixes e a identificação por espécie. A observação visual é ainda uma alternativa bastante importante. Todavia, ela esbarra também em um conjunto de limitações que vão desde a turbidez da água, passado pela existência de bolhas no escoamento e a dificuldade de posicionamento de câmeras de vídeo ou de mergulhadores em uma seção de velocidade e turbulência elevadas. Uma das alternativas viáveis para o estudo dessa movimentação de peixes passa a ser a observação em bancadas de teste em laboratório. As observações desse tipo têm como principais vantagens, sobre as observações de campo, os seguintes pontos: a) instalação de janelas de visualização com iluminação especial, b) variação de carga nas turbinas com o respectivo controle de vazão / turbulência; c) uso de um plantel de indivíduos de uma espécie conhecida e pré escolhida. Como principais desvantagens têm-se: a) limitação da dimensão da bancada de teste; b) limitação da dimensão dos espécimes testados em função do tamanho da bancada de teste; c) interferência do confinamento na forma de “stress” sobre os indivíduos testados. Esse trabalho apresenta um estudo experimental sobre a movimentação de peixes da espécie “Pimelodus macalutus” na entrada do tubo de sucção de um modelo de turbina hidráulica. Uma bancada de turbina é especialmente projetada para viabilizar a realização desse trabalho.

II. ESCOLHA E BREVE DESCRIÇÃO DA ESPÉCIE ESTUDADA

A espécie estudada é o mandi amarelo, um peixe bastante comum nos rios brasileiros e que se constitui no maior problema atualmente com relação a mortandade de peixes [1]. O mandi-amarelo (Fig 1), é um peixe teleósteo, gnatostomata da ordem dos silurídeos, integrante e um dos representantes característicos da família “Pimelodidae”, sendo a espécie classificada taxonômicamente como Pimelodus maculatus. Seu corpo apresenta o ventre achatado e de coloração clara, em oposição ao dorso e ao restante do seu corpo que apresenta geralmente coloração amarelo-sujo ou amarelo-cinza com brilho dourado e quatro fileiras laterais de manchas pretas [2]. Sua cabeça é revestida de placas ósseas que se prolongam até à raiz da nadadeira dorsal. Possui ainda ferrões serrilhados junto à raiz das nadadeiras peitorais e compondo a primeira (e maior) raia da nadadeira dorsal, num total de três ferrões.

Um estudo sobre a movimentação de peixes no tubo de sucção de uma turbina hidráulica

C. .B. Martinez(1), EHR-UFMG., E. M. F. Viana(2), EHR-UFMG e M.T.C. Faria(3), DEMEC-UFMG

U


A raiz da nadadeira caudal é robusta, estando assentada sobre potentes músculos natatórios. Foi coletado um individuo com 450mm de comprimento total [2]. A espécie é endêmica em grande parte da América do Sul, especialmente na bacia platina (sistema Paraná / Paraguai e afluentes), englobando os rios Grande e Paranaíba, em Minas Gerais, bem como grande parte dos afluentes desses últimos. Também ocorre com abundância no sistema do rio São Francisco, onde é encontrado até nos afluentes mais à montante, como o rio das Velhas e o rio Paraopeba. As dimensões de indivíduos, em estágio de primeira maturação [3], em torno de 190 mm permite que se utilize uma bancada de teste com potência/ dimensão compatíveis com a capacidade de bombeamento da maior parte dos laboratórios de hidráulica disponíveis no País.

Fig 1. Mandi Amarelo (Pimelodus maculatus).

III. A BANCADA DE TESTE

Os trabalhos consistiram da construção da bancada de testes equipada com o modelo de uma turbina Kaplan de 12,5 kW, na instalação de janelas de observação e na execução de um conjunto de observações sob diversas faixas de carga da turbina. A bancada de testes foi desenvolvida a partir da turbina da UHE Itutinga na escala 1:10,5. A escolha dessa máquina se deu em função da disponibilidade de informações técnicas sobre os parâmetros geométricos dos componentes hidráulicos e mecânicos do protótipo; na adequação das dimensões básicas dos componentes do modelo à infra-estrutura laboratorial existente [4]. Fig 2. Esquema da bancada de teste utilizada nesse trabalho.

O projeto completo da bancada foi desenvolvido em etapas que se iniciaram com a montagem da caixa voluta e do tubo de sucção. Em seguida fez-se o conjunto rotativo e o sistema distribuidor da turbina. Após isso se montou o sistema de alimentação constituído por um conjunto de duas moto-bombas associadas em paralelo. O tanque de restituição, as

conexões e instalações hidráulicas foram montadas na ultima etapa. O esquema dessa bancada de teste pode ser visto na Fig 2. Para a montagem do tubo de sucção e da caixa voluta da turbina, fez-se uma modelagem geométrica tridimensional da máquina. Em seguida foi feita uma divisão em seções de corte da turbina, que posteriormente foram transpostas para placas de isopor e cortadas. Após o corte das placas, foi feita a retificação da geometria com gesso. Uma vez retificada a superfície fez-se a laminação das peças com fibra de vidro. A escolha do processo de laminação com fibra de vidro para a caixa voluta e para o tubo de sucção se deve à facilidade construtiva; à boa resistência mecânica, ao baixo peso e a excelente resistência superficial aos processos de degradação provocados pela água. O processo de fabricação dessas peças pode ser visto nas Figs. 3 e 4 a seguir [5].

Fig 3. Detalhe da montagem do tubo de sucção da turbina pelo processo de colagem em camadas de isopor.

Fig 4. Detalhe da montagem da caixa voluta da turbina pelo processo de colagem em camadas de isopor.

O conjunto rotativo e do distribuidor da turbina hélice foram feitos a partir de um processo de usinagem assistida por computador com a posterior montagem das partes por meio de parafusos ou soldas. O eixo do rotor da turbina é fabricado com aço inoxidável, enquanto as pás, o cubo de montagem e o cone direcionador são fabricados com alumínio. O sistema de suporte do eixo da turbina emprega três mancais de rolamento de esferas, sendo que o suporte do conjunto vertical é feito por um mancal axial e o alinhamento vertical é realizado por meio de dois mancais-guia radiais. As pás e as bielas do distribuidor são fabricados com latão, os flanges de montagem das pás são fabricados com alumínio e os

Tanque de restituição

Conjunto moto bomba

Turbina para ensaio


parafusos e espaçadores são fabricados com aço inoxidável. A Fig. 5 mostra uma fotografia da turbina montada e acoplada ao tanque de restituição. Um detalhe de janela de observação no tubo de sucção pode ser visto na Fig. 6. O sistema de alimentação da bancada de teste é equipado com conjunto de duas bombas centrífugas de 20 c.v. de potência comandadas por inversores de frequência. O tanque de restituição, com capacidade de 33 mil litros de água, é especialmente projetado para permitir a realização de ensaios com peixes em laboratório. Esse tanque é fabricado por meio de laminação com fibra de vidro em estrutura metálica de perfis estruturais. A Fig 7 mostra uma foto do tanque de restituição

Fig 5. Turbina montada e acoplada ao tanque de restituição. Notar suporte da turbina independente do tanque de restituição.

Fig 6. Detalhe de janela de observação no tubo de sucção. Notar detalhe da ranhura do “stop log”. Um problema que causa dificuldades técnicas durante os testes iniciais é relativo a baixa visibilidade permitida pela água no interior do tanque de restituição. A qualidade da água disponível pela rede de distribuição da Concessionária Estadual tem que ser monitorada continuamente para evitar que sua turbidez prejudique o registro em arquivos de imagem do nível de atividade dos peixes, no interior do tubo de sucção, durante os ensaios. Uma estratégia é proceder à troca de água do tanque. No caso dos ensaios realizados foram feitas três trocas para melhorar a visibilidade do meio.

Fig 7. Tanque de restituição fabricado em fibra de vidro e reforçado com barras de aço carbono.

IV. METODOLOGIA DOS TESTES

Os ensaios de movimentação de peixes no tubo de sucção de uma turbina hidráulica são realizados variando-se a velocidade das duas bombas centrífugas. Durante os ensaios, são gerados arquivos de imagens da movimentação dos peixes nas seções de observação do tubo de sucção (janelas) para posterior análise. Assim procurou-se manter uma velocidade / turbulência [4] na saída da turbina compatível com as que ocorrem em máquinas de grande porte. A observação dos indivíduos na saída do tubo de sucção, sob as diversas condições de ensaio, permitiu fazer um mapeamento do posicionamento dos cardumes e a identificação áreas de localização preferenciais que serão avaliadas posteriormente visando à instalação de sistemas de impedimento de entrada de peixes nas turbinas hidráulicas. O aparato experimental empregado nos ensaios é composto por: � Uma bancada de turbina vertical (Fig. 5) em escala

1:10,5; � Dois inversores de frequência WEG CFW09 – 20 c.v.; � Duas bombas centrífugas EH, Modelo HF150, 20 c.v.,

1750 rpm (associação em paralelo para acionamento da turbina);

� Duas câmeras digitais portáteis, tipo webcam, para registro de imagens dos ensaios;

� Dois microcomputadores para aquisição das imagens; � Duas lâmpadas vermelhas de 40 W (tipo spot).

Para viabilizar a realização dos ensaios, 49 (quarenta e nove) indivíduos da espécie mandi (Pimelodus maculatus) foram aclimatados no interior do tanque de restituição. Esse número representa o número de indivíduos disponíveis em laboratório para os ensaios. Os ensaios devem ser realizados a partir das 18 (dezoito) horas, quando a incidência de luz natural sobre o modelo de turbina é pequena. Para os testes as luminárias do teto, localizadas sobre a bancada de turbina, também são desligadas para evitar qualquer efeito de estímulo óptico sobre os indivíduos. O procedimento de ensaio utilizado para teste pode ser resumido nos seguintes passos: � Passo 1: Posicionar as câmeras portáteis de vídeo e as

luminárias de luz vermelha nas janelas laterais do tubo de sucção.


� Passo 2: Ligar os computadores e preparar o programa para gravação de imagens das duas seções do tubo de sucção.

� Passo 3: Comandar os inversores para acionamento da associação em paralelo das duas bombas em velocidade de operação das bombas - 1750 rpm (nominal), 1520 rpm, 1290 rpm, 1060 rpm, 830 rpm e 600 rpm. Os testes sempre se iniciam com velocidade máxima de operação das bombas.

� Passo 4: Iniciar a gravação de atividades dos peixes no interior do tubo de sucção. Cada gravação é efetuada em intervalo médio de tempo de 9 (nove) minutos.

� Passo 5: Encerrada a rodada de testes planejados para o dia escolhido, desligam-se os inversores e bloqueia-se a entrada do tubo de sucção.

Os mostradores dos inversores de freqüência mostram as velocidades das duas bombas.A velocidade de rotação do eixo de turbina é medida durante os testes por meio de tacômetro óptico Minipa MDT-2244B.

V. RESULTADOS E ANÁLISES

Foram registrados cerca de 30 (trinta) arquivos de vídeo sobre as atividades dos peixes no interior do tubo de sucção, referentes a cerca de quarenta ensaios realizados. O tempo total dos ensaios ultrapassou 10 (dez) horas de operação. Algumas observações pertinentes aos resultados dos ensaios podem ser listadas a seguir: � Para situações de potência máxima na turbina, com altas

velocidades de fluxo (1750 rpm nas bombas), existe uma grande dificuldade dos peixes entrar no tubo de sucção. Alguns poucos indivíduos adentraram a região de visualização do tubo de sucção, na tentativa de alcançar a seção do “stop log”.

� Em velocidades mais baixas (abaixo de 1290 prm), foi observada a presença de indivíduos na seção de entrada do tubo de sucção e nesse caso o movimento de saída dos peixes do tubo de sucção, aparentemente, foi mais intenso.

� Para velocidades mais baixas (entre 11060 rpm e 600 rpm), houve um grande afluxo de indivíduos que tentavam entrar no tubo de sucção da turbina.

� Foi observada a morte de dois indivíduos do grupo de 49 peixes. A primeira morte ocorreu no dia seguinte à primeira bateria de testes. Aparentemente, essa primeira morte pode ter sido causada por problemas de temperatura ou oxigenação da água. A segunda morte foi de um indivíduo jovem, com ferimentos nas guelras.

Sabe-se que ensaios e testes com organismos vivos são influenciados por um conjunto de fatores, dentre eles podemos citar o pequeno número de indivíduos disponíveis em laboratório, o condicionamento aos quais os indivíduos são submetidos e o tempo curto de observação. Mesmo sabendo desses limitantes, pode-se considerar preliminarmente que os resultados obtidos nesses testes indicam que os peixes se concentram na entrada das turbinas e que nas situações em que

as velocidades de saída são menores os indivíduos adentram pelo tubo de sucção e se dirigem para próximo do rotor da máquina.

VI. CONCLUSÃO

Pode-se considerar que este tipo de ensaio permite uma avaliação qualitativa de como os peixes se comportam em situações de proximidade com fluxos intensos e próximos à região de saída de turbinas hidráulicas. Para baixas velocidades de saída (baixa carga na máquina) os indivíduos tendem a entrar pelo tubo de sucção e se alojar no interior da turbina. Esse comportamento é compatível com o observado em campo onde em eventos de paradas de máquinas ou de operação sob baixa carga se observam diversos casos de mortandade de peixes. Os resultados obtidos são compatíveis com o que se tem relatado em situações operacionais no Brasil. Sabe-se, entretanto que é necessário expandir os testes com outras espécies de peixes e com um período de observação maior de modo a se ter um melhor conhecimento dos fenômenos de concentração de peixes e de cardumes na entrada de turbinas hidráulicas.

VII. AGRADECIMENTOS

Os autores manifestam seus agradecimentos à ANEEL, à CEMIG, à ELETROBRAS FURNAS e à FAPEMIG pelo suporte financeiro para a realização desse trabalho.

VIII. REFERÊNCIAS [1] VICENTINI, G. C.. Levantamento da Velocidade Prolongada de Peixes

– Um Estudo de Caso com o Mandi (Pimelodus maculatus). Dissertação de mestrado – Programa de Pós Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e R.H. UFMG, Belo Horizonte, 2006, 141 p.

[2] LUETKEN, C.F. “Peixes do rio das Velhas: Uma contribuição para a

ictiologia do Brasil”. In: ALVES, C. B .M. & POMPEU, P. S. (Orgs). Peixes do Rio das Velhas: passado e presente. Belo Horizonte, SEGRAC 2001. cap. 2, p. 23-164.

[3] SATO, Y.; CARDOSO, E.L.; AMORIM, J.C.C. 1987. “Peixes das

lagoas marginais do São Francisco a montante da represa de Três Marias (Minas Gerais)”. Brasília, CODEVASF, 42pp.

[4] STREETER, V.L., WYLIE, E.B., Semelhança e Modelo Reduzido, 7ª

edição, Editora MacGraw Hill do Brasil, São Paulo – Brasil, 1980. [5] FARIA, M.T.C.; MARTINEZ, C.B.; VIANA, E.M.F. 2009. “Uma

metodologia para a fabricação de miniturbinas hidráulicas com materiais compostos”. Anais do 8th CLAGTEE. Ubatuba-SP.

IX. BIOGRAFIAS

Carlos Barreira Martinez. Possui graduação em Engenharia Civil pela Faculdade de Engenharia Civil de Itajubá (1984), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (1988) e doutorado em Planejamento de Sistemas Energéticos pela Universidade Estadual de Campinas (1994). Atualmente é professor associado da Universidade Federal de Minas Gerais. Tem

experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Hidráulica, atuando principalmente nos seguintes temas: pequenas centrais hidrelétricas, planejamento energético, mecanismo de transposição de peixes, avaliação energética e energia elétrica.


Edna Maria de Faria Viana. Graduada em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (1997), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Minas Gerais (2000) e doutorado em Hidráulica de Mecanismo de Transposição de Peixes (2005). Atualmente é professora adjunta da Universidade Federal de Minas Gerais. Tem experiência

na área de mecânica dos fluidos e hidráulica, atuando principalmente nos seguintes temas: pequenas centrais hidrelétricas, capacidade natatória de peixes, mecanismo de transposição de peixes.

Marco Tulio C. Faria . Graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Brasília (1986), mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Santa Catarina (1990) e doutor em Engenharia Mecânica pela Texas A&M University (1999). Atualmente é professor associado da Universidade Federal de Minas Gerais. Desenvolve projetos de pesquisa nas áeras de Dinâmica de

Rotores, Teoria da Lubrificação, Projeto de Miniturbinas Hidráulicas, Aplicações do Método de Elementos Finitos e Vibrações em Sistemas Mecânicos.

1 – Engenheira Ambiental, Rua Munhoz, nº 100, apto 102, Santa Rosa, Belo Horizonte/MG, (31) 9227-8490, [email protected] 2 – 3 – XI Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste

ANÁLISE DA CAPACIDADE NATATÓRIA DE PEIXES EM FUNÇÃO DO INTERVALO DE TEMPO INCREMENTADO NOS TESTES

Mila Correa Sampaio [1] ; Edna Maria de Faria Viana [2] ; Carlos Barreira Martinez [3] .

RESUMO – Os testes de capacidade natatória de peixes (CNP) realizados com aparatos do tipo respirômetro de Brett (1964) são fundamentados na premissa que os indivíduos ao serem submetidos a um esforço natatório contínuo e crescente progridem até o limite de sua capacidade física. Brett propôs que esses testes de CNP fossem realizados com incrementos de tempo de 10 minutos. Assim esse tempo passou a ser utilizado sistematicamente como um parâmetro de ensaio. Entretanto ao se somar os tempos de ensaio de peixes individualizados tem-se um longo tempo de duração dos testes. Se estes testes forem expandidos para mais espécies tem-se um período muito longo de ensaio em laboratório. Esse trabalho apresenta um estudo desenvolvido com um aparato de Brett com seção de teste de diâmetro de 250 mm e com capacidade de submeter os indivíduos testados à velocidade de até 3 metros por segundo. Os estudos comparam os resultados de CNP de uma espécie de peixes abundante no Brasil, o Pimelodus maculatus, mais conhecido como mandi-amarelo. Os ensaios foram realizados com intervalos incrementais de tempo de 5 e 10 minutos. Ao final apresenta as conclusões do estudo mostrando que os mesmos não apresentam diferenças significativas do ponto de vista estatístico.

ABSTRACT - Tests of swimming performance of fish (CNP) performed with devices like Brett respirometer (Brett, 1964) are based on the premise that individuals when subjected to an ongoing and growing effort swimming progress to the limit of their physical capacity. Brett proposed that these tests were performed with CNP time increments of 10 minutes. Once this time has been used systematically as a test parameter. However at times be added to individual testing of fish has a long duration tests. If these tests are extended to more species has a very long period of testing in the laboratory. This paper presents a study conducted with an apparatus of Brett with the test section 250 mm in diameter and capable of subjecting individuals tested at up to 3 meters per second. Studies comparing the outcomes of a CNP abundant fish species in Brazil, Pimelodus maculatus, known as yellow-mandi. Assays were performed with incremental time intervals 5 and 10 minutes. At the end presents the findings showing that they do not differ significantly from the statistical point of view.

Palavras Chave: capacidade natatória, intervalo de tempo

INTRODUÇÃO

Segundo Beamish (1978), existem três tipos de velocidades que podem ser desenvolvidas pelos

peixes, que são a sustentável, a prolongada e a de explosão. É dita por velocidade sustentável aquela

mantida por períodos de tempo maiores que 200 minutos, sem resultar em fadiga do animal, e é

subdividida em velocidade sustentável de cruzeiro e de cardume, sendo a primeira a que representa

uma velocidade mais econômica para o peixe quanto ao gasto de energia, considerando a distância

percorrida, enquanto a segunda é aquela desenvolvida quando o grupo se encontra num arranjo regular,

onde os vórtices formados pela batida da cauda do peixe, na parte posterior do escoamento,

XI Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste

anulam os vórtices desfavoráveis à propulsão do animal, onde alguns peixes se aproveitam do vórtice já

produzido por outro espécime posicionado no cardume.

A velocidade prolongada é mantida por um período compreendido entre 20 segundos e 200

minutos, e resulta em uma progressiva fadiga muscular do animal, com acúmulo de ácido lático nos

tecidos musculares, e essa velocidade que será estudada nos estudos presentes neste artigo, dando

enfoque à sua principal subcategoria, que é chamada velocidade prolongada crítica, descrita pro Brett

(1964) como a velocidade máxima (Umax) que um peixe pode manter num escoamento cuja velocidade

é aumentada em ∆U num período de tempo pré-determinado (ti).

O terceiro tipo de velocidade, ou velocidade de explosão, é aquela sustentada por um período de

tempo geralmente inferior a 20 segundos, sendo utilizada pelos peixes em situações extremas, como

fuga de predadores, perseguição a presas e/ou superação de obstáculos (Beamish, 1978 apud Vicentini,

2005).

Para determinação da velocidade prolongada, foco de nosso estudo, Brett, em 1964, propôs um

aparato conhecido como respirômetro de Brett, que consiste basicamente em um conduto forçado cujo

escoamento é produzido pelo acionamento de uma bomba centrífuga. Assim, foi desenvolvido no

Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos da UFMG (CPH) um aparato baseado no

respirômetro de Brett, onde foram realizados os testes apresentados neste artigo.

METODOLOGIA

Para realização dos testes, foi escolhida a espécie Pimelodus maculatus, mais conhecido como

mandi-amarelo, primeiramente devido ao fato de ser uma espécie abundante na bacia do rio São

Francisco, o que facilitaria a captura destes indivíduos devido à proximidade ao CPH. Além disso, por

ser uma espécie já estudada por Vicentini (2004) e Santos (2007), a manutenção destes bichos em

cativeiro já era conhecida, o que evitaria grandes perdas dos animais coletados e melhor condição física

para teste, fazendo com que os testes fossem mais rápidos e precisos.

Dessa forma, os indivíduos foram coletado no município de Três Marias, nas proximidades do

reservatório da UHE Três Marias e trazidos para o laboratório. O transporte foi feito em caixas de fibra

de vidro, cheia com água do próprio rio, e colocava-se na água cloreto de sódio (sal grosso), com

função de profilaxia inicial contra eventuais ferimentos decorrentes da captura e produtos de

acondicionamento da água. Além disso, para transportar os peixes, fazia-se uso de uma bomba de ar

com quatro saídas, conectada ao veículo, com função de oxigenar a água durante a viagem. Chegando


ao laboratório, tinha início o processo de aclimatação dos bichos, com a adequação à temperatura da

água. Uma vez acostumados com a temperatura do reservatório de destino, os peixes eram soltos no

mesmo, e dava-se um período de 24 horas antes que os peixes fossem testados.

Os testes foram realizados em um aparato construído por Santos (2007), com base no

respirômetro de Brett, que consiste em um túnel hidrodinâmico de diâmetro nominal igual a 250 mm,

alimentado por duas bombas centrífugas de 20 cv, instaladas de forma paralela, que geram o

escoamento. A vazão do sistema é medida por um medidor eletromagnético, situado a montante da

seção de teste, que consiste em um tubo de acrílico confinado por uma tela fixa situada a montante, e

uma tela móvel a jusante, que permite a entrada do peixe.

Dessa forma, o peixe fica confinado em uma seção visível (Figura 1), e dá-se início ao teste.

Figura 1 – Seção de teste do aparato (Santos, 2007)

Os testes ocorreram no período compreendido entre dezembro de 2011 e março de 2012 e era

iniciado através da escorva do aparato (retirada de ar do sistema), acionando uma das bombas. Após o

procedimento de escorva, a bomba era desligada e os registros de entrada e saída fechados, para que o

sistema continuasse com água enquanto o peixe era introduzido.

Uma vez que o peixe era introduzido no sistema, as bombas eram ajustadas, juntamente com os

registros de entrada e saída, para que se obtivesse a velocidade inicial do teste, que era de 0,2 m/s.

Os peixes eram submetidos a essa velocidade inicial por um período de 10 minutos para se

adaptarem ao fluxo e, a partir daí, através de um cronômetro regressivo, a velocidade era incrementada

em 0,05 m/s a cada intervalo de tempo pré-determinado (5 ou 10 minutos). O aumento da velocidade

foi escolhido com base nos estudos de Farlinger e Beamish (1977), onde constataram um valor de

velocidade crítica maior para os ensaios realizados com incrementos de velocidade de 0,1 e 0,05 m/s.

Durante a realização dos testes, foi possível perceber que os indivíduos procuravam ficar mais

próximos à grade situada a montante da seção de teste. Porém, a partir de determinada velocidade, isso


não era mais possível, devido à fadiga do animal. Quando este não conseguia mais permanecer longe

da grade de jusante por um longo período, encerrava-se o teste e era dada a fadiga do peixe.

Durante todo o ensaio eram monitorados os parâmetros de oxigênio dissolvido na água,

temperatura e pH e, após retirada do peixe do sistema, tomavam-se suas medidas (peso, comprimento

total, comprimento padrão, altura máxima e largura máxima). Após medido, o peixe retornava ao

sistema de manutenção, separado dos peixes que ainda não tinham sido testados, uma vez que cada

indivíduo era testado uma única vez.

Os valores de velocidade crítica foram calculados com a seguinte equação:

�� = �� + �

�� ∆� (1),

onde Umax é a velocidade máxima, ∆U o incremento de velocidade, ti o intervalo de tempo e tf o tempo

que o peixe nadou dentro do último intervalo de tempo.

RESULTADOS

A fim de cumprir o objetivo do trabalho, que á apresentar se existe ou não diferença significativa

nos resultados dos testes de CNP quando o incremento de tempo for de 5 minutos ou de 10 minutos, foi

construído um gráfico que representa a correlação entre os comprimentos total dos indivíduos e a

velocidade máxima atingida por eles, representado na figura 2 abaixo.

Figura 2: Resultado dos testes de CNP para indivíduos testados com 5 minutos e 10 minutos de incremento de tempo.


Desta forma, pode-se ver que a diferença no incremento de tempo é insignificante quando

comparados os resultados com 5 minutos e 10 minutos.

CONCLUSÕES

Com os resultados encontrados, pode-se concluir que a diferença entre 5 e 10 minutos no

incremento de tempo utilizado nos testes de CNP não representa diferenças significativas nos

resultados. Assim, recomenda-se que os testes sejam realizados com um incremento de tempo igual a 5

minutos, uma vez que o tempo de ensaio é bem menor, o que encurta bastante o processo como um

todo, além de submeter o animal a um menor tempo de stress, o que favorece a saúde do peixe.

AGRADECIMENTOS

A Cemig pelo apoio financeiro ao projeto, ao CPH pelo suporte técnico e ao CNPq.

BIBLIOGRAFIA

BEAMISH, F. W. H. Swimming capacity. In: HOAR, W. S. ; RANDALL D. J., 1978, Fish Physiology

, 1. ed. Londres: Academic Press, 1978. v. 7, cap. 2, p. 101-187.

BRETT, J. R. The respiratory metabolism and swimming performance and sustained swimming speed

of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka). Journal Fish. Res. Board Can., v. 23, p. 1183-1226, 1964.

FARLINGER, S.; BEAMISH, F. W H. Effects of time and velocity increments on the critical

swimming speed of Largemouth Bass (Micropterus salmoides). Transaction American fisheries society,

n. 106, v. 5, p. 436- 439, 1977.

SANTOS, H. A., Metodologia de Medição de Velocidade Prolongada Crítica e de Explosão das

Espécies de Peixes Migradores do Brasil, 2004. 140 f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos),

Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte.

SANTOS, H.A., A influencia da capacidade natatória de peixes neotropicais no projeto hidráulico de

Mecanismo de Transposição, 2007. 201 f. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos), Escola de

Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte.


VICENTINI, G. C., Levantamento da Velocidade Prolongada de Peixes – Um Estudo de Caso com o

Mandi (Pimelodus Maculatus), 2005. 101 f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos), Escola de


VI Simpósio Brasileiro Sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas 1

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS VIII SIMPÓSIO BRASILEIRO SOBRE PEQUENAS E MÉDIAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS PORTO ALEGRE – MG, 02 A 04 DE MAIO DE 2012.

RESERVADO AO CBDB

ANALISE DA CAPACIDADE NATATÓRIA DE PEIXES EM FUNÇÃO DO TEMPO DE PERMANENCIA EM LABORATÓRIO

Mila Correa SAMPAIO1, Edna Maria de Faria VIANA2, Hersilia de Andrade e

Santos3, Carlos Barreira MARTINEZ2. 1 – Mestranda pelo Programa de Pós Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e

Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG); 2 – Professor da Escola de Engenharia da UFMG; 3 – Professor do CEFET / MG; Resumo Os testes de capacidade natatória de peixes são, em grande parte, realizados

em laboratório. Dessa forma os indivíduos capturados no meio ambiente são transportados e mantidos em tanques de manutenção com ambiente controlado. Devido a esse fato existe uma grande controvérsia acerca das interferências causadas pelo sistema de manutenção na capacidade natatória dos peixes. Essas interferências podem a principio, causar uma deformação nas curvas de capacidade de nado mascarando um resultado importante para a definição das condições hidráulicas do escoamento nos tanques dos mecanismos de transposição de peixes.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre esse tema, onde foram testados peixes da espécie Pimelodus maculatus (mandi amarelo) recém capturados e outros indivíduos, da mesma espécie, mantidos em laboratório durante períodos de tempo variáveis. Os resultados desses testes indicam uma perda de capacidade natatória, mostrando que os testes de laboratório devem ser feitos em um período de tempo curto e necessário apenas para a aclimatação desses peixes nos laboratórios.

Abstract Introdução

Os peixes conseguem imprimir diferentes velocidades de nado, dependendo da

necessidade. Nadar envolve a transferência de quantidade de movimento do peixe

para a água ao seu redor e vice-versa. Para manter uma velocidade constante, o

principio da conservação da quantidade de movimento requer forças e quantidade

de movimento agindo de formas balanceadas (Sfakiotakis, Lane e Davies, 1999).

Segundo Beamish (1978) as velocidades se encontram agrupadas em três

categorias de nado que estão ligadas ao tempo e ao processo biomecânico:


� Nado sustentável que é aplicado em casos onde a velocidade deve ser

mantida por longos períodos de tempo (maiores que 200 min), onde estão as

velocidades de cruzeiro e de cardume;

� Nado prolongado que são velocidades de menor duração, entre 20 seg. e

200 min, como exemplo a velocidade crítica;

� Nado de explosão que é caracterizado por velocidade elevada mantida por

um curto espaço de tempo, menor que 20 seg, usado para a sobrevivência de

algumas espécies de peixes, satisfazendo a captura de presas, fuga de

predadores, ou passagem de correntes rápidas nos rios durante a migração

para desova, etc

Existe uma grande necessidade de se conhecer as velocidades para que se

possa projetar mecanismos de transposição de peixes. O fato é que as velocidades

e as dissipações de energia na entrada e nos tanques do mecanismo de

transposição devem ser controladas para que não provoquem stress, cansaço

excessivo ou desorientação no peixe.

Os testes para a verificação da velocidade dos peixes podem ser realizados em

campo ou em laboratório. Alguns estudos têm sido realizados em campo como a

pesca esportiva por molinete, que consiste em pescar o peixe e analisar a

velocidade desenvolvida pela velocidade da linha de pesca através de um

tacômetro. Outro meio tem sido através de fotografia e filmagem onde varias

câmeras são colocadas na direção do nado do peixe. Esta técnica permite observar

seu comportamento em diferentes profundidades. Além disso, existe a técnica

baseada em sinal acústico, onde um sonar pulsatil ultra-sônico é usado para medir a

velocidade de cruzeiro e de cardume (Beamish, 1978).

Apesar de todos estes testes descritos acima, o mais utilizado para estimar a

velocidade de cruzeiro do peixe é baseado em estudos onde se marca o animal e

após sua recaptura, verifica-se a distancia percorrida entre a marcação e a captura.

Em laboratório podem ser realizados testes de capacidade natatória em canais

abertos, e condutos forçados, que podem ser instalados em câmaras móveis e

estacionárias. A primeira câmara móvel foi descrita por Fry e Hart em 1948 e que

posteriormente foi adaptada e empregada por muitos outros pesquisadores, entre

eles Baindridge e Brown em 1958 (Beamish, 1978).


Material e Método

Os primeiros testes sobre capacidade natatória das espécies no Brasil tiveram

inicio com estudos desenvolvidos por Santos (2004). Em seguida Vicentini (2005)

também tratou desse assunto e apresentou um conjunto de resultados que

complementaram o trabalho de Santos (2004). Esses trabalhos foram realizados

com o mandi-amarelo “Pimelodus maculatus”, mostrado na FIG. 1. A escolha, dessa

espécie, foi devido ao fato de ser uma espécie bastante impactada pela implantação

e operação das usinas hidrelétricas. Os procedimentos para os testes se iniciaam

com a captura, transporte e acondicionamento dos peixes. Após essa etapa inicial

deixa-se os indivíduos em um processo de aclimatação durante 24 pra somente

depois se iniciar os testes.

FIGURA 1 - Foto de um exemplar de Pimelodus maculatus Fonte: Própria

Os testes de capacidade natatória são realizados em um aparato composto

de um tubo cilíndrico em acrílico, com 150 mm de diâmetro (FIG. 2), por onde escoa

o fluxo de água recalcado por duas bombas. Esse aparato, também conhecido como

respirômetro permite determinar a velocidade que o peixe nada contra um fluxo

constante. Como pode ser observado pela FIG. 2, a água que é recalcada por meio

de bombas centrifugas alimenta um tubo em PVC que tem um comprimento de vinte

cinco vezes o diâmetro da tubulação que é de seis polegadas. Conectado a esse

tubo encontra-se um “tê” onde o peixe é colocado, passando para a seção de teste

que é um tubo em acrílico de seis polegadas e um metro e vinte centímetros de

comprimento. Após a seção de teste tem-se o outro tê que é utilizado para se retirar

o peixe. Conectado a esse “tê” tem-se uma tubulação em PVC cujo comprimento

possui 16 vezes o valor do seu diâmetro. O fluxo passa por um registro e retorna ao


reservatório iniciando novamente o ciclo. Considera-se que o comprimento das

tubulações de montante e jusante da seção de teste são suficientes para eliminar a

perturbação que poderia ser causada pelo sistema

FIGURA 2 – Sistema para o teste de capacidade natatória

A FIG. 3 mostra um detalhe da seção de acrílico onde se dá o ensaio com os

indivíduos.

FIGURA 3 – Seção de teste de capacidade natatória

Medição de Velocidade no Mecanismo

Para a determinação da capacidade natatória do mandi-amarelo, utiliza-se o

equacionamento proposto por Brett em 1964 ,e apresentado pela EQ. 1 (Beamish,

1978).

Região onde o peixe é colocado

Seção de teste em acrílico

Região onde o peixe é retirado


∆×+= U

t

tUU

c

fcrit

(1)

onde Ucrit é a velocidade no período que se quer determinar (m/s), U é a ultima

velocidade em que o peixe nadou todo o período critico (m/s), tf é o tempo que o

peixe nadou até a fadiga (min), tc é o tempo critico pré determinado (min) e ∆U é o

delta de velocidade que se incrementa a final de período de tempo crítico (m/s).

Nesse caso adotou-se como tempo critico o valor de cinco minutos. O passo de

velocidade média incrementada a cada tempo correspondente do teste é de 0,05

m/s. Há uma necessidade de se iniciar os testes com velocidades baixas até que o

peixe se habitue ao sistema. Após a realização do teste, retira-se o individuo do

sistema e o coloca em um reservatório com água retirada do circuito de teste. É

necessário que se espere por um período para que o peixe elimine o stress causado

no experimento, e que a temperatura do aquário para onde este é transferido esteja

com a mesma magnitude do local onde ele se encontra no momento. Para os testes

com tempo de 5 min o período de duração do experimento é de uma hora e meia.

Entretanto resta uma dúvida, qual seja: Existe influencia mensurável do tempo de

permanência dos indivíduos em laboratório? Essa resposta é de fundamental

importância, pois em alguns casos os indivíduos permanecem no laboratório por

longos períodos antes de serem testados. Dessa forma planejou-se um experimento

que se iniciou com a captura de indivíduos (Pimelodus maculatus) que foram

mantidos no sistema de manutenção de peixes durante um ano. Os passos para

acondicionamento foram os mesmos adotados nos testes com indivíduos recém-

chegados.

Resultados

Devido ao fato do objetivo do trabalho ser a verificação da variação na

capacidade de nado dos peixes que permaneceram em laboratório durante o

período de um ano construíram gráficos representando a correlação entre os

comprimentos total dos indivíduos e a velocidade máxima atingida por eles. A FIG. 4

apresenta os resultados levantados com peixes que permaneceram durante um ano

em laboratório. A FIG. 5 apresenta os resultados encontrados com peixes recém

chegados de campo.


FIGURA 4 – Resultado dos teste de capacidade natatória de peixes a 1 ano no laboratório

FIGURA 5 – Resultado dos testes de capacidade natatória de peixes recem chegados (Santos, 2007).

Ao se lançar os resultados em um único gráfico (FIG. 6) observa-se que alguns indivíduos recém chegados (comprimento total entre 170 e 190 mm) possuem uma velocidade de nado menor do que aqueles que permaneceram em laboratório durante um ano. Já para indivíduos com mais de 190 mm de comprimento total se observa que não houve uma significativa redução da capacidade de nado.


Figura 6 – resultados de capacidade natatória agrupados

Em seguida buscou-se a relação da velocidade máxima de nado dos indivíduos testados pelo comprimento do mesmo. Assim chegou-se a condição de velocidades relativa em comprimentos por segundo (Figura 7).

Figura 7 – Correlação entre o comprimento do peixe e a velocidade relativa


Esse resultado mostra que os peixes mantidos em laboratório por um período

de aproximadamente um ano (marcadores triangulares), não sofreu perda de

capacidade natatória quando comparada com os recém chegados (marcadores

vermelhos), visto que a velocidade relativa (comp/s) por eles é superior a

desenvolvida pelos peixes recém chegados. Além disso, observa-se uma

continuidade nos resultados tornando, assim, possível o levantamento de uma curva,

que representasse a variação dessa correlação entre o comprimento e a velocidade

relativa dos peixes, utilizando todo o conjunto de dados levantados.

Conclusão

Os resultados encontrados mostram que os peixes não têm perda de

capacidade natatória devido a sua manutenção em laboratório.

Referencias Bibliográficas

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BRETT, J. R. The respiratory metabolism and swimming performance and sustained

swimming speed of sockeye salmon (Oncorhynchus nerka). Journal Fish. Res. Board Can., n. 23, 1964, p. 1183-1226 apud BEAMISH, F. W. H.- Swimming capacity. In: HOAR, W. S.; RANDALL D. J., 1978, Fish Physiology , 1. ed. Londres: Academic Press, 1978. v. 7, cap. 2, p. 101-187.

BEAMISH, F.W.H., Swimming capacity, In: HOAR, W.S., RANDAL, D.J., 1978, Fish

Physiology, 1 ed. Londres: Academic Press, 1978. v.7, cap. 2, p. 101-187;

FRY, F.E.J., HART, J.S., Cruising speed of goldfish in relation to water temperature, Journal Fish. Res. Board Can., n.7, 1948, p, 169-175 apud BEAMISH, F.W.H., Swimming capacity, In: HOAR, W.S., RANDALL, D.J., 1978, Fish Physiology, 1 ed. Londres: Academic Press, 1978, v.7, cap.2, p. 101-187;

SANTOS, H.A., Metodologia de Medição de Velocidade Prolongada Crítica e de Explosão das Espécies de Peixes Migradoras do Brasil, Dissertação de Mestrado, UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, 2004;


SANTOS, H.A., A influencia da capacidade natatória de peixes neotropicais no projeto hidráulico de Mecanismo de Transposição , Tese de Doutorado, UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brasil, 2007;

SFAKIOTAKIS, Michael; LANE, David M. e DAVIES, J. Bruce C., Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion, IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 24, pag237-252,1999;

XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE REAL DE NADO DE PEIXES DENTRO DO TUNEL HIDRODINÂMICO

Edna M. F. Viana1; Mila C. Sampaio2; Déborah 3; Hersília de A. e Santos4; Marco Tulio C. Faria5;

Carlos B. Martinez6 Resumo – A determinação da capacidade natatória de peixes é realizada, em muitos casos, em tuneis hidrodinâmicos. No entanto, nos levantamentos foi observado que os peixes de fundo nadam na região próxima da parede do túnel e os peixes de coluna no centro da tubulação. Como a velocidade correlacionada com a capacidade natatória é a média do túnel, buscou-se levantar a real velocidade dos peixes dentro do túnel. Para isso, foi mapeado o perfil de velocidades em três seções da tubulação, na entrada, no centro e no final, utilizando um anemômetro laser Doppler (ALD). Nesse levantamento observou-se que a diferença entre a velocidade média e a real é desprezível, chegando a diferenças máximas de 6%. Sendo assim, a velocidade média dentro da tubulação pode ser considerada a velocidade de nado do peixe. Palavras-Chave – capacidade natatória, túnel hidrodinâmico.

DETERMINATION OF REAL SPEED SWIMMING FISH INSIDE TU NEL HYDRODYNAMIC

Abstract – Determining the ability of fish swimming is accomplished, in many cases, in hydrodynamic tunnels. However, the survey noted that background region fish swim near the tunnel wall and the column fish, in the center of the pipe. As the speed correlated with swimming performance is the average of the tunnel, sought to raise the real speed of the fish inside the tunnel. For this, we mapped the velocity profile in three sections of pipe, at the entrance, in the center and at the end, using a laser Doppler anemometer (LDA). In this survey, it was observed that the difference between the actual and average speed is negligible, reaching maximum differences of 6% Thus, the average speed inside the pipe can be considered the swimming speed of the fish Keywords – fish swimming, hydrodynamic tunnels. 1. INTRODUÇÃO

A construção de mecanismos de transposição de peixes (MTP) tem buscado minimizar os impactos provocados pelos barramentos dos rios, tornando possível a passagem dos peixes pelo sistema. Estudos de verificação do comportamento hidráulico têm sido feitos para correlacionar com a capacidade de nado e a distância percorrida pela espécie foco do estudo (Rodriguez, et. al., 2006). No entanto, para essa correlação pode ser realizada somente se a capacidade natatória do peixe for levantada. Isso tem sido realizado pelo mundo há muitos séculos, antes de 1660, o

1 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]). 2 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]). 3 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]). 4 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]).

5 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]). 6 Centro de Pesquisas Hidráulicas e Recursos Hídricos (CPH) - Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, 31.270-901, Campus Pampulha - Belo Horizonte, MG, Brasil, (e-mail: [email protected]).


primeiro registro que se tem sobre um estudo da física natatória dos peixes pertence à Aristóteles. Nos seus trabalhos (História dos animais, Movimentos dos animais e Progressão dos animais) o filósofo discutiu o número de nadadeiras que peixes possuíam, comparando os propulsores dos animais aquáticos com os órgãos locomotores apresentados pelas aves e pelo homem. Além disso, Aristóteles estudou de forma aprofundada as brânquias, descrevendo as de diferentes peixes e explicando seu mecanismo de funcionamento (Alexander, 1983).

Em 1948 Fry e Hart, segundo Beamish (1978), criaram um sistema de confinamento do peixe circular, que o consistia em rotacionar o canal a uma velocidade igual à desenvolvida pelo peixe, permanecendo esse último estático em relação a um referencial externo ao canal. Esse sistema foi posteriormente adaptado e empregado por muitos outros pesquisadores, entre eles Baindridge e Brown (1958).

Com o passar dos anos o levantamento de capacidade natatória de peixes de clima temperado, como o salmão, buscou correlacionar a temperatura da água, o comprimento e a permanência a essa velocidade (Beach, 1984). No Brasil, somente algumas espécies foram estudadas por Vicentini (2005) e Santos (2007).

Todos estes estudos foram realizados em túneis hidrodinâmicos. No entanto, sabe-se que dentro de um tubo tem-se um perfil de velocidades que pode variar consideravelmente, decorrente dos efeitos viscosos. A realização de testes de capacidade natatória de peixes, em túneis hidrodinâmicos, mostrou que peixes de fundo nadam próximos das paredes do tubo e peixes de coluna nadam na região central da tubulação.

Diante disso, esse trabalho buscou o levantamento do perfil de velocidades dentro do tubo em três posições, no início, no meio e no final da seção de testes. Para esse levantamento foi utilizado um anemômetro laser Doppler (ALD) que por ser um sistema não invasivo pode caracterizar o perfil sem causar interferências no mesmo.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização dos testes foi utilizado um aparato de teste de capacidade natatória composto por uma seção de testes em acrílico, onde o peixe fica confinado, que possui 1,6 m de comprimento e 237 mm de diâmetro interno. Essa seção possui paredes transparentes (acrílico) para a visualização do comportamento do peixe durante os testes. Como o peixe pode permanecer no inicio do túnel, no meio ou no final do mesmo, essas foram as seções definidas para o levantamento do perfil de velocidades. As seções de levantamento do perfil de velocidade são a cinco cm da entrada do tubo, no centro de tubo e a cinco cm do final do tubo de acrílico.

O levantamento utilizando um Anemômetro Laser Doppler (ALD) foi possível devido à parede transparente do túnel. Esse equipamento foi definido por ser não invasivo e com isso possibilitar o levantamento do perfil sem interferência do medidor. O ALD mede a velocidades de partículas inseridas no escoamento e promove uma saída da velocidade média e do desvio padrão dessa amostra. Como o tubo possui diâmetro médio de 237 mm, optou-se pela distância entre os pontos de medidas a cada 17 mm. Somente o primeiro ponto de medição foi colocado a 8 mm da parede. Assim, foram definidas o levantamento de 11 a 12 medidas a cada seção de testes.

Não foi possível realizar medidas em alguns pontos no trecho final do tubo devido a interferências nos feixes do laser incidente para a formação do volume de controle, onde as medidas são realizadas. No entanto, como os peixes permanecem no fundo (mandi) ou na região central (dourado), e essa região foi mapeada de maneira precisa optou-se por realizar o desenho do perfil demonstrando essa variação dentro do sistema.

Para o levantamento das vazões optou-se pela correlação com a capacidade de nado de duas espécies diferentes. Como efeito comparativo optou-se pela análise de uma espécie de couro que é o


mandi amarelo (Pimelodus maculatus) que tem preferência de nadar próximo ao fundo ou parede, e uma espécie de coluna que é o dourado (Salminus franciscanus) que nada na região central do escoamento. Como a velocidade de nado do peixe é relacionada com seu comprimento total, definiu-se a vazão de teste correlacionando as velocidades médias de peixes de porte de 20, 25 e 30 cm de comprimento total, que correspondem a dimensões próximas as de primeira maturação das espécies alvos. Assim as vazões de testes são apresentadas nas tabelas 1 e 2.

Tabela 1 – vazões de testes correlacionadas com a velocidade de nado do mandi amarelo

Dtubo (m) Atubo (m2) L peixe (m) V peixe (m/s) Q (m3/s) Q (m3/h)

0,237 0,044 0,2 1,2 0,053 190,571 0,237 0,044 0,25 1,39 0,061 220,745 0,237 0,044 0,3 1,57 0,069 249,331

Tabela 2 – vazões de testes correlacionadas com a velocidade de nado do dourado

Dtubo (m) Atubo (m2) L peixe (m) V peixe (m/s) Q (m3/s) Q (m3/h)

0,237 0,044 0,2 1,2 0,053 190,571 0,237 0,044 0,25 1,25 0,055 198,512 0,237 0,044 0,3 1,31 0,058 208,040

Como se observa nas tabelas 1 e 2 as velocidades para o mandi e o dourado com 20 cm possui

valor igual e, diante disso, foram feitos levantamento de perfil de velocidades para cinco vazões diferentes. 3. RESULTADOS

Após os levantamentos das velocidades nos pontos definidos dentro da tubulação, esse resultado foi processado e construiu-se tabelas com os resultados médios para cada vazão. Essa tabela foi utilizada para a construção do perfil de velocidades. A figura 1 mostra os perfis de velocidades para a vazão de 190,57 m3/h nas três seções de levantamento.


Figura 1 – Perfis de velocidades a 5 mm do inicio, no meio e a 5 mm do final do tubo para a vazão de 190,57

m3/h Como pode ser observado pela figura 1, os perfis de velocidades têm comportamento bem

próximo, sendo que a velocidade próxima da parede possui valor aproximado ao valor na região central que, nas três seções, possui magnitude em torno de 1,2 m/s. Este valor corresponde a velocidade levantada como crítica para as duas espécies de peixes com 20 cm de comprimento total, não sendo notadas diferenças. Em seguida foi realizado o levantamento do perfil de velocidade, nas três regiões, para a vazão de 198,51 m3/h. A figura 2 mostra o resultado desse mapeamento.


m3/h Observa-se pela figura 2 que o comportamento é semelhante do perfil de velocidades nas três

regiões, com magnitude em torno de 1,3 m/s. O perfil do início, do túnel hidrodinâmico, tem um comportamento mais parabólico, e os perfis do meio e final possuem um aspecto mais linear. O valor observado na maior parte dos perfis supera um pouco o valor de velocidade crítica


considerado no levantamento de capacidade natatória do dourado de 25 cm, que seria de 1,25 m/s. No entanto, a diferença é de aproximadamente 4% sendo considerada aceitável.

A vazão de 208,04 m3/h foi a próxima a ser levantados os perfis (figura 3). Ela corresponde a velocidade média de 1,31 m/s referente à velocidade crítica do dourado com 30 cm.


m3/h Pela figura 3 observa-se que o comportamento dos perfis, no início e meio do tubo, possuem

similaridade no trecho inicial de 100 mm. Em seguida há uma da permanência da magnitude da velocidade no início e um aumento do valor no meio. No trecho final do tubo o perfil possui uma velocidade inicial maior e permanece com valor em torno de 1,35 m/s no restante do trecho. Assim, pode-se observar que a velocidade observada, nos três perfis, fica em torno de 1,3 m/s, com pontos variando entre 1,2m/s e 1,38 m/s. Esse valor de 1,3 fica muito próximo do levantado na capacidade natatória do mandi que corresponde a 1,31 m/s.

O mandi com 25 cm possui velocidade crítica de 1,39 m/s, que corresponde para esse túnel hidrodinâmico à vazão de 220,75 m3/h. Assim, essa foi a quinta vazão de testes que são mostrados na figura 4.



m3/h Como pode ser observado pela figura 4, o comportamento do escoamento para essa vazão é

muito similar ao observado na figura 3. No entanto, as velocidades estão compreendidas entre 1,3 m/s e 1,45 m/s. A maior parte dos pontos está em torno de 1,38 m/s, sendo muito próximo do valor da velocidade crítica do mandi amarelo com 25 cm de comprimento, que corresponde a 1,39 m/s.

A última vazão a serem levantados os perfis foi a de 249,33 m3/h, que corresponde à velocidade média, dentro do túnel hidrodinâmico, de 1,57 m/s, valor referente à capacidade natatória do mandi amarelo de 30 cm. Os resultados podem ser observados na figura 5.


m3/h Para essa vazão observa-se que o perfil de velocidades no início do túnel possui valores em

torno de 1,35 m/s, e no meio e final do túnel o valor corresponde a 1,55 m/s. Todos esses valores são inferiores ao estipulado como velocidade média para essa vazão. A diferença na parte inicial é


significante, pois, está em aproximadamente 14%, no entanto, no meio e final esse valor é bem próximo. Pelos testes observou-se que os mandis têm preferência de se manter no início do tubo e na parte próxima da parede. Esse resultado pode explicar o motivo dessa preferência. 4. CONCLUSÕES

Pelos testes realizados observou-se que a velocidade média para o levantamento da capacidade natatória dos peixes possui correlação muito próxima. Como não houve diferenças nos perfiz, não há como identificar porque, durante os testes, o indivíduo quando levado para o meio ou final do túnel pela corrente, buscava retornar para essa região inicial mais rapidamente. Quando chegavam à região inicial permaneciam com comportamento mais tranquilo.

Esse trabalho mostra que devemos buscar o levantamento do perfil de velocidades dentro do túnel hidrodinâmico, principalmente para vazões maiores. Além disso, testes com vazões superiores devem ser realizadas para comprovar esse fenômeno. 5. AGRADECIMENTOS Os autores manifestam seus agradecimentos à ANEEL, à CEMIG, à ELETROBRAS-FURNAS, a FAPEMIG ao CNPq e a VALE pelo suporte financeiro para a realização desse trabalho. 6. REFERÊNCIAS

ALEXANDER, R. McN. The history of fish mechanics In: WEBB, P. W. ; WEIHS, D. Fish

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SANTOS, H.A., A influencia da capacidade natatória de peixes neotropicais no projeto hidráulico

de Mecanismo de Transposição, 2007. 201 f. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos), Escola de


VICENTINI, G. C., Levantamento da Velocidade Prolongada de Peixes – Um Estudo de Caso com

o Mandi (Pimelodus Maculatus), 2005. 101 f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos), Escola

de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte.

IAHR AIIH

XXVI CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA SANTIAGO, CHILE, AGOSTO 2014

IMPACTOS CAUSADOS POR HIDRELÉTRICAS EM PEIXES MIGRADORES

Mila Correa Sampaio¹, Carlos Barreira Martinez², Edna Maria de Faria Viana³, Edwin Andrés Mancilla Rico4, Ana Letícia Pilz de Castro5

1 - Aluna da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Minas Gerais, 2- Professor – Universidade Federal de Minas Gerais, 3 - Professora – Universidade Federal de Minas Gerais, 4 – Aluno da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Minas

Gerais, 5- Aluna da Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Minas Gerais. Brasil. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMO: Tentativas para mitigar a mortandade de peixes em Usinas Hidrelétricas (UHE) tem resultado em procedimentos que visam afastar indivíduos e cardumes de regiões próximas às turbinas hidráulicas. Dentre esses procedimentos a abertura de comportas em manobras do tipo “engana peixes” tem sido utilizada com bastante frequência e tem apresentado resultados considerados satisfatórios reduzindo a mortandade de peixes nas paradas e partidas de máquinas. Entretanto para que essas manobras sejam eficientes é necessário manter uma velocidade em um local distante das turbinas que seja factível para que os peixes possam nadar. Determinar essas velocidades é um procedimento não trivial e que exige uma ampla gama de conhecimentos que vão desde a determinação das velocidades de saída das turbinas e do vertedor quanto o conhecimento das velocidades de nado das espécies de peixes envolvidas nos eventos. Esse artigo apresenta o resultado de estudos sobre as velocidades de nado de algumas espécies de peixes e as respectivas velocidades de saída de vertedores e de turbinas hidráulicas. A comparação entre essas velocidades permite inferir se os peixes terão condições de adentrar em áreas de risco e quais as condições de operação das respectivas turbinas e aberturas de comportas que podem evitar esses eventos de mortandade. ABSTRACT:

Attempts to mitigate the mortality of fish in hydropower plants have resulted in procedures to ward off individuals and schoal next to turbines regions. Among these procedures to open floodgates on the type maneuvers "deceives fish" has been used quite often and has shown satisfactory results reducing fish mortality in stops and starts machine. However for these maneuvers are effective is necessary to maintain speed at a location distant from the turbines is feasible so that the fish can swim. Determine these speeds is a non-trivial procedure and requires a wide range of expertise ranging from the determination of output speeds of the turbines and the spillway as the knowledge of the swimming speeds of fish species involved in the events. This article presents the results of studies on the swimming speeds of some fish species and their output speeds of spillways and turbines. The comparison between these speeds allows inferred if the fish will be able to enter hazardous areas and the conditions of operation of their turbines and sluices openings that can prevent these events from slaughter. PALAVRAS CHAVES: mortandade de peixes; velocidades de nado; velocidades de saída de turbinas.

INTRODUÇÃO

A implantação de Usinas Hidrelétricas é um grave problema para as populações de peixes, principalmente nas espécies migradoras, uma vez que as barragens interrompem as rotas migratórias destas espécies (Godinho e Godinho, 1994). Os efeitos causados por esse impacto podem ser severos quando não há sítios de desova no rio, ou em seus tributários a jusante da barragem, podendo levar à extinção de espécies (Larinier, 2001).

A formação do reservatório transforma um ambiente lótico (escoamento de água corrente) em lêntico (escoamento com baixas velocidades). Este fenômeno pode afetar drasticamente a migração dos peixes e causar a extinção de algumas espécies (Larinier, 2001). O grau do impacto sobre os peixes devido a formação do reservatório da hidrelétrica depende de alguns fatores como tamanho, profundidade, capacidade e tipo de turbinas, e existência de passagem de jusante montante e vice versa (Ebel, 1979).

Outro fator importante é a dificuldade no transporte de ovos e larvas promovendo a fragmentação da população. Dentre as restrições causadas pelo barramento temos a transparência da água (provocando a predação de ovos e larvas), transporte lento que promove deposição dos ovos no fundo (escoamento lêntico) que são regiões de menor quantidade de oxigênio dissolvido, e a mortandade de peixes passando por turbinas e vertedores na busca pelo caminho de retorno após a desova (Agostinho, 2007).

A mudança do regime hidrológico é outro fator de grande impacto a reprodução dos peixes, pois promovem a regularização da vazão, impedindo os eventos de cheia que alimentam as lagoas marginais, locais de alimentação e crescimento inicial dos alevinos. Estes locais também são utilizados por algumas espécies que desovam em planícies. Deste modo, pode promover a busca das espécies por tributários afluentes que não foram afetados pela regularização (Junho, 2008).

Modificações nas características físicas e químicas podem ocorrer com a construção de barramentos. Esse fenômeno promove alterações nos nutrientes e temperatura da água, impactando os peixes e as populações descendentes (Larinier, 2001).

Os peixes são atraídos pelas linhas de fluxo do escoamento, deste modo, segundo CEA (2001) podem sofrer danos ao se aproximarem das estruturas como vertedores e tubos de sucção. Ao buscar rotas para continuar sua migração podem aproximar-se do vertedor em operação, e com isso sofrer com a grande aeração da água, acarretando o acúmulo de ar em seu organismo. Além disso, podem ficar aprisionados em poços após o fechamento das comportas e redução da lâmina de água. O problema de excesso de gases na água devido ao funcionamento do vertedor foi estudada por Domitrovic et. al. (2000) após grande mortandade de peixes na UHE de Yaceretá na Argentina.

Na operação das máquinas, ao se promover a redução das vazões, os peixes conseguem se aproximar e adentrar no tubo de sucção, ficando aprisionados e morrendo devido à falta de aeração local, e com o esvaziamento da região. Além disso, as máquinas com operação síncrono promovem o deslocamento de grande massa de ar em operação de reversão, ocasionando grandes variações de pressão e aeração do escoamento. Esse fenômeno pode ocasionar danos aos peixes, ou torná-los susceptíveis a predadores (CEA, 2001).

Também é significativo o fenômeno de entrada de peixes nos tubos de sucção das turbinas quando estas operam sob carga parcial. Sampaio (2012) apresentou um estudo inicial sobre esse fenômeno onde mostra que indivíduos da espécie Pimelodus maculatus (mandi amarelo) podem adentrar até 75 % do tubo de sucção.

A importância de se estudar esses efeitos causados à fauna, pelas Usinas Hidrelétricas, está diretamente relacionado às questões sociais e econômicas. Sociais à medida que o efeito visual causado pela mortandade de peixes reflete não só na comunidade ribeirinha, mas pode chegar a tomar proporções de repercussão nacional. Nesse caso pode-se citar o acidente que ocorreu em 2007 na Usina Hidrelétrica de Três Marias, em Minas Gerais onde sete toneladas de peixes morreram (aproximadamente 50.000 indivíduos) em turbinas e vertedouros (Loures, 2012). Além

disso, têm-se questões econômicas, uma vez que acidentes deste tipo geram multas, interrupção de funcionamento da hidrelétrica, cassação da Licença de Operação da Usina, entre outros.

DETERMINAÇÃO DAS VELOCIDADES ENVOLVIDAS De nado dos peixes

Durante a operação da Usina Hidrelétrica, as velocidades de saída dos vertedouros e das turbinas funcionam como velocidade de atração para os peixes, fazendo com que haja grande concentração de indivíduos nestes locais. Essas velocidades variam de acordo com a descarga e potência das turbinas hidráulicas. Assim, em determinados eventos de descarga de um vertedouro pode-se encontrar uma situação onde as velocidades na saída dos vertedores alcancem valores que as tornem atrativas para peixes. Da mesma forma isso pode acontecer quando da operação das turbinas hidráulicas. Normalmente a velocidade do fluxo de saída de uma turbina hidráulica é suficientemente elevada para impedir que peixes entrem no tubo de sucção. As velocidades de saída nas turbinas podem variar muito de acordo com seu tipo. Pode-se observar que a capacidade de adentrar nas turbinas está diretamente relacionada com a capacidade de nado dos peixes. Pode-se observar na Figura 1 (Santos, 2007) as diferenças entre as velocidades de 3 espécies de peixes neotropicais no Brasil

Figura 1. - Capacidade natatória - velocidade critica - de peixes Neotropicais (Santos, 2007).

Dentro dos tubos de sucção

A variação de velocidade em um tubo de sucção pode ser estimada por

ELETROBRAS (2007) e varia conforme apresentado na Figura 2. A Tabela 1 mostra as velocidades que podem ocorrer na saída do tubo de sucção em diversos tipos de turbinas em função da sua potência e da altura de queda bruta. Para construção desta tabela, limitou-se a potência a valores compreendidos entre 3.000 kW e 10.000 kW, e as alturas de queda bruta entre 20 m e

Com

prim

ento

(m

)

Velocidade crítica (m/s)

100 m. Uma vez que a velocidade de nado dos peixes (velocidade crítica) tem uma forte correlação com as dimensões dos peixes é possível que indivíduos de maior porte vençam esses escoamentos e adentrem na turbina Assim o percurso que os peixes vão fazer dentro da turbina depende da velocidade de escoamento e da capacidade que estes têm de vencer as velocidades aos quais estarão submetidos. Sampaio (2012) apresentou um estudo que mostra até onde uma espécie de peixes (Pimelodus maculatus) pode adentrar em uma turbina hidráulica. Nesse caso foi identificado que essa espécie de peixe pode, sob uma condição de 70 % de carga adentrar até a 75% da extensão de um tubo de sucção de uma turbina cuja velocidade de saída é de aproximadamente 1 m/s.

Fonte: Obtido a partir de ELETROBRÁS (2007), pg. 295 a 297.

Figura 2. – Acréscimo de variação da velocidade em relação à velocidade de saída do tubo de sução.

Tabela1. – Velocidade de saída do tubo de sucção – posição horizontal 0% (m/s).

Altura de queda bruta (m)

Potência (kW) 100 % de carga

10.000 9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000

20 1,40 1,40 1,39 1,42 1,41 1,43 1,45 1,47

30 1,56 1,57 1,58 1,59 1,59 1,59 1,66 1,65

40 1,65 1,68 1,70 1,73 1,75 1,78 1,80 1,81

50 1,81 1,76 1,80 1,85 1,77 1,81 1,85 1,88

60 1,82 1,89 1,82 1,89 1,97 1,87 1,94 2,01

70 1,85 1,94 1,87 1,96 1,87 1,96 2,08 1,90

80 1,91 2,02 1,95 2,08 1,97 2,12 1,97 2,11

90 2,00 1,92 2,07 1,97 2,14 2,01 2,20 1,99

100 1,89 2,05 1,96 2,15 2,04 2,26 2,09 2,35 Altura de queda

bruta (m) 75 % de carga

20 1,05 1,05 1,04 1,06 1,05 1,07 1,09 1,10

30 1,17 1,18 1,19 1,19 1,19 1,19 1,25 1,24

40 1,24 1,26 1,28 1,30 1,32 1,33 1,35 1,36

50 1,36 1,32 1,35 1,39 1,33 1,36 1,39 1,41

60 1,37 1,42 1,37 1,42 1,48 1,40 1,45 1,51

70 1,39 1,46 1,40 1,47 1,40 1,47 1,56 1,42

80 1,43 1,52 1,46 1,56 1,48 1,59 1,48 1,58

90 1,50 1,44 1,55 1,48 1,60 1,51 1,65 1,49

100 1,42 1,54 1,47 1,61 1,53 1,69 1,57 1,76

Continua

100% 75% 50% 25% 0%

26% 0% 236% 188% 123% 67% 84% 101% 54%

400%

Posição horizontal

Continuação da Tabela 1 Altura de queda


20 0,70 0,70 0,70 0,71 0,70 0,71 0,73 0,74

30 0,78 0,79 0,79 0,79 0,80 0,80 0,83 0,82

40 0,83 0,84 0,85 0,86 0,88 0,89 0,90 0,90

50 0,90 0,88 0,90 0,93 0,89 0,91 0,93 0,94

60 0,91 0,95 0,91 0,95 0,99 0,93 0,97 1,00

70 0,93 0,97 0,93 0,98 0,93 0,98 1,04 0,95

80 0,95 1,01 0,97 1,04 0,99 1,06 0,98 1,05

90 1,00 0,96 1,03 0,99 1,07 1,00 1,10 1,00

100 0,95 1,03 0,98 1,08 1,02 1,13 1,04 1,17 Altura de queda


20 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,36 0,36 0,37

30 0,39 0,39 0,40 0,40 0,40 0,40 0,42 0,41

40 0,41 0,42 0,43 0,43 0,44 0,44 0,45 0,45

50 0,45 0,44 0,45 0,46 0,44 0,45 0,46 0,47

60 0,46 0,47 0,46 0,47 0,49 0,47 0,48 0,50

70 0,46 0,49 0,47 0,49 0,47 0,49 0,52 0,47

80 0,48 0,51 0,49 0,52 0,49 0,53 0,49 0,53

90 0,50 0,48 0,52 0,49 0,53 0,50 0,55 0,50

100 0,47 0,51 0,49 0,54 0,51 0,56 0,52 0,59

Fonte: Obtido a partir de ELETROBRÁS (2007), pg. 295 a 297.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para obter resultados a respeito da condição de entrada ou não nas turbinas hidráulicas, foram comparadas as velocidades obtidas em testes de capacidade natatória para espécies de peixes tropicais, apresentadas na Figura 1, com as velocidades encontradas no interior de um tubo de sucção de uma turbina hidráulica.

Para tal, trabalhou-se com condições distintas de funcionamento da turbina, sendo elas a condição de plena carga, ou seja, a máquina trabalhando com potência nominal, e quando há redução na carga da máquina, onde foram trabalhadas as condições de funcionamento de 75% da carga total, 60% da carga total, 40% da carga total e 25% da carga total da máquina.

Para a condição de carga nominal, dificilmente alguma espécie conseguirá adentrar ao tubo de sucção da máquina. Entretanto, à medida que a carga de trabalho diminui, há uma redução nas velocidades ocorrentes no tubo, o que passa a possibilitar a entrada das espécies na máquina. Quanto menor a carga de trabalho da turbina, maior será a extensão do tubo de sucção da mesma que os peixes conseguirão adentrar, conforme pode ser visto na Figura 3

Figura 3.- Capacidade de entrada de peixes em função da carga na turina – baseado na velocidade critica de peixes Neotropicais

A Figura 3 nos mostra que, quanto menor for à carga em que a turbina estiver trabalhando, maior será a extensão que as espécies conseguirão adentrar no tubo de sucção, com a máquina em pleno funcionamento. Desta forma, quando a máquina estiver trabalhando com 75% de carga, as espécies tem condição de adentrar até cerca de 25% do comprimento do tubo de sucção de turbina. Já quando o funcionamento desta máquina for com 60% da carga, as espécies conseguem adentrar ainda mais, chegando a aproximadamente 50% da extensão do tubo de sucção. Quando a máquina funcionar sob condição de 40% de carga, poderão ser encontradas espécies em até 75% do comprimento do tubo de sucção e, por fim, quando o funcionamento da máquina for de 25% de carga, as espécies terão capacidade de adentrar ao rotor da turbina em funcionamento. CONCLUSÕES

Através do estudo realizado, pode-se perceber que quando as Usinas Hidrelétricas estão trabalhando com a carga máxima de suas turbinas, dificilmente haverá mortandade de peixes ocasionada pela entrada destes indivíduos nas máquinas. Entretanto, é muito comum as turbinas trabalharem abaixo da sua carga nominal, especialmente na época de estiagem. Conforme pôde ser visto, quando a carga de trabalho das turbinas diminui, permiti a entrada de peixes no sistema, podendo chegar até o rotor, o que, além de ocasionar a mortandade das espécies chegando a acidentes catastróficos, como foi o caso do exemplo citado onde aproximadamente sete toneladas de peixes foram mortas, danifica o rotor das turbinas.

Para impedir a mortandade de peixes em Usinas Hidrelétricas, podem ser adotadas estratégias tais como a operação de turbinas com carga total da máquina, fazendo com que as velocidades na saída e consequentemente no interior do tubo de sucção sejam maiores que as velocidades de nado dos peixes. Isso impede que os peixes entrem nas turbinas durante sua operação. Em vertedouros, durante as manobras “engana peixes”, deve-se utilizar aberturas de comportas que resultem em escoamentos com velocidades compatíveis com as características dos peixes de forma a atraí-los para regiões distantes das turbinas hidráulicas.

75% de carga

60% de carga

40% de carga

25% de carga

Posição horizontal 100% 75% 50% 25% 0%

25% de carga

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGOSTINHO, A. A. Fish passages as a fish conservation tool. Universidade Federal de Lavras, Lavras. Palestra proferida no International Symposium on Fish Passages in South America, Lavras, 2007. CANADIAN ELECTRICITY ASSOCIATION. Considering Fish and Fish Habitat in Existing Hydroelectric Operations and Maintenance: Electricity Industry Practices. Otawa, 2001. 70 p. Disponível em: http://www.canelect.ca/en/Pdfs/RevCEA.pdf DOMITROVIC, H. A.; BECHARA, J. A.; QUINTANA, C. F.; ROUX, J. P.; GAVILÁN, G. A Survey Study of Gas Supersaturation and Fish Gas Bublle Disease in the Paraná River below Yacyretá Dam, Argentina. Revista de Ictiologia. v. 8 (1/2). p. 29-40. 2000. EBEL, W. Effects of Hydroelectric Projects on Fish Populations. Hydropower: a national energy resource. The Engineering Foundation and U.S. Army Corps of Engineers Institute for Water Resources. Fort Belvoir, Virginia, 1979. p 170-176 ELETROBRAS, 2007. Manual de Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas. Ministério de Minas e Energia, Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético. Brasília, Brasil. 686 p. GODINHO, H. P.; GODINHO, A. L., 1994. Ecology and Conservation of Fish in Southeastern Brazilian River Basins Submitted to Hydroelectric Impoundments. Acta Limnologica Brasiliensia. VII Conferência de Centrais Hidrelétricas 7 JUNHO, R. A. C., 2008. Migrações Ascendentes de Peixes Neotropicais e Hidrelétricas: Proteção a Jusante de Turbinas e Vertedouros e Sistemas de Transposição. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos), Universidade de São Paulo. (Brasil, São Paulo). LARINIER, M., 2001. Dams, Fish and Fisheries: Opportunities, Challenges and Conflict Resolution. FAO Fisheries Technical Paper. LOURES, R. Desenvolvimento de Metodologia para Avaliação de Riscos de Impactos Diretos de Usinas Hidrelétricas sobre a Ictiofauna. III Seminário Estratégias para Conservação de Peixes em Minas Gerais. Belo Horizonte, MG. 27/06/2012. SAMPAIO, M. C.; VIANA, E. M. de F.; SANTOS, H. de A.; MARTINEZ, C. B. Estudo de Velocidade de Peixes Próximo a Usinas Hidrelétricas. VIII Conferência de Centrais Hidrelétricas, São Paulo, 2012. SANTOS, H. de A. A Influência da capacidade natatória de peixes neo-tropicais no projeto hidráulico de mecanismos de transposição. Defesa: 30/03/2007. 201 páginas. Tese – Universidade Federal de Minas Gerais.

IAHR AIIH

XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA

SANTAGO, CHILE, AGOSTO 2014

ESTUDO COMPUTACIONAL DA VARIAÇÃO DE PERFIS DE VELOCIDADE EM TORNO DE

UM PEIXE – O CASO DE TESTE EM RESPIRÔMETROS.

Fabrício Torres Borghi

1, Thiago Souza Meira

2, Edna Maria de Faria Viana

2,3 , Marco Túlio

Correa de Faria1,2

, Carlos Barreira Martinez1,2,3

.

(1) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFMG, Av. Antônio Carlos, 6627 - BH – MG, Brasil,

(2) Escola de Engenharia da UFMG / Centro de Pesquisas Hidráulicas da UFMG, Avenida Antônio Carlos, No. 6627,-B. H. – Brasil.

(3) Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG – SMARH - Brasil;

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected] , [email protected]

RESUMO

O estudo da capacidade natatória de peixes é usualmente desenvolvido em aparatos de condutos

livres ou forçados, dependendo das condições dos laboratórios e das espécies de peixes a serem

estudados. Os aparatos mais utilizados, atualmente no Brasil, são baseados no respirômetro de

Brett (1964). Esse aparato é constituído por um tubo de acrílico por onde se faz escoar água sob

diferentes condições de escoamento (velocidades). Seu funcionamento é bastante simples,

constituindo basicamente de um conduto forçado cujo escoamento é produzido pelo acionamento

de uma bomba centrífuga. Nesse caso o peixe é colocado para nadar contra o escoamento e assim

se determina qual a velocidade em que ele se encontra. Ocorre que no instante que o peixe é

inserido na seção de teste a sua seção transversal faz com que a seção total do escoamento sofra

uma redução provocando um aumento da velocidade na região de nado do peixe. O presente

trabalho apresenta uma análise computacional em CFD desse problema de forma a corrigir os

dados de velocidade obtidos com esse tipo de aparato.

PALAVRAS CHAVES: CFD; respirômetro; capacidade natatória de peixes.

ABSTRACT The study of the fish swimming is usually developed in free or forced conduct, depending on the

conditions of the laboratory and the fish species to be studied. The apparatus most used in Brazil,

are based on the Brett respirometer (1964). This apparatus consists of an acrylic tube through

which water is done under different flow velocities. Its operation is very simple, basically forced

conduct whose flow is produced by the firing of a centrifugal pump. In this case the fish is placed

to swim against the flow and thus determines how fast he is. This occurs the instant the fish is

inserted in the test section to its cross section causes the full section of the flow will be reduced

speed caused an increase in the area of fish swimming. This work presents a computational

analysis of this problem in CFD in order to correct the velocity data obtained with this type of

apparatus.

KEYWORDS: CFD; respirometer; fish swimming

INTRODUÇÃO

A determinação da capacidade de nado em peixes pode ser feita a partir de observação

direta em ambientes naturais ou em laboratórios com metodologia definida. É comum que a

determinação da velocidade de cruzeiro seja feita em experimentos e observaçõesrealizadas na

natureza. Já os estudos sobre velocidades de explosão e prolongadas são feitos em laboratório

(Beamish, 1978).Os testes em laboratório permitem a uso de instrumentos de precisão e facilitam

os procedimentos de teste que muitas vezes são difíceis de serem conduzidos em campo

(Beamish, 1978; Santos, 2004). Apesar da vantagem na execução de testes em laboratório

existem dificuldades tecnológicas para se fazer e operar uma câmara natatória eficiente Beamish

(1978).

Diversos aparatos de teste foram desenvolvidos nos últimos setenta anos. Atribui-se a Fry

e Hart (1948) o primeiro registro de construção de um aparato de testes com câmara móvel.

Posteriormente esse aparato foi aperfeiçoado por Bainbridge e Brown (1957). Na sequência

surgiram outros equipamentos de teste bem sucedidos tais como os desenvolvidos por Bishai

(1960), Blazca-Volf-Cepala (1960), Brett (1964), Thomas-Burrows-Chenoweth (1964). Esses

aparatos eram instalados em câmaras móveis ou estacionárias sendo que nas câmaras móveis o

que se desloca para geração do fluxo é o duto que contém o fluido, seja um canal ou tubo. Já nos

aparatos estacionárioso que se movimenta é a água, que é impelido por um propulsor mecânico,

normalmente uma bomba centrifuga bomba centrífuga.

O aparato apresentado de Brett (1964) é constituído por uma seção de testes, isolada do

resto do sistema por telas (Beamish, 1978). O sistema motriz do aparato é constituído por uma

bomba centrífuga e dutos ligados à seção de testes tanto pela sucção quanto pelo recalque da

bomba, formando um circuito fechado para circulação da água (Figura 1). Por sua facilidade de

construção e operação, e ainda pela qualidade do escoamento obtido na seção de testes, foi este o

modelo escolhido como base para os aparatos a serem construídos no CPH.

fonte: adaptado de Beamish, 1979

Figura 1 – Aparato tipo câmara desenvolvido por Brett (1964).

METODOLOGIA UTILIZADA

Durante os testes o peixe se constitui em uma obstrução na seção transversal do tubo.

Com a redução da seção de escoamento a velocidade em torno do corpo do peixe é efetivamente

maior do que a registrada na seção plena do tubo. Assim, essas velocidades devem ser corrigidas,

pois, aparecem dois efeitos, quais sejam: i) efeito de impedimento sólido (solidblockingeffect) e;

BombaCe

ntifuga Motor

Câmara

de

natação

Tela Tela

ii) o efeito de empuxo horizontal (horizontal buoyuancyeffect). O efeito de impedimento sólido,

é causado pela aceleração que o fluido realiza quando passa pelo obstáculo imerso na corrente

fazendo com que a velocidade a que o peixe efetivamente deve resistir seja maior que a

velocidade medida para a seção plena. Para se corrigir esse fenômeno Webb (1971) propôs a

equação 1 onde é a velocidade corrigida do fluxo, é a velocidade do fluxo sem o obstáculo

e é o fator de correção devido à presença do objeto, que é dado pela equação 2.

[1]

[2]

O fator adimensional depende da forma da seção transversal da câmara (0,8 para seção

circular), é o fator de forma para o objeto imerso (peixe), é a área da maior seção transversal

do peixe e é a área da seção transversal do da câmara de natação (Korsmeyer, Steffensen e

Herskin, 2002). Para o cálculo da área da seção transversal do corpo do peixe se faz uma

aproximação por uma parábola dada pela equação 3 onde “L” é a maior largura do peixe, ”a” é a

maior altura (Beamish, 1978) e tem um valor em torno de 0,5 (Bell e Terhune, 1970). Segundo

Webb (1971) gira em torno de 7,5% a 15% o valor da correção a ser realizada na velocidade em

virtude do efeito de impedimento sólido.

[3]

O outro efeito decorrente da imersão de um corpo sólido no fluxo em um duto

pressurizado é o empuxo lateral. Este efeito surge em função do efeito parede, onde a variação de

pressão atrás do corpo do peixe tende a aumentar o arrasto. Para corrigir este efeito basta realizar

o acréscimo de 1% no valor da velocidade, segundo ensaios de Webb em 1971 (Beamish, 1978).

METODOLOGIA COMPUTACIONAL

Neste estudo fez-se uma simulação, tridimensional e transiente, de dinâmica dos fluidos

computacional (CFD) de uma seção de tubulação do aparato de capacidade natatória de peixes.

Incluiu-se um corpo cilíndrico no centro do escoamento que representa um peixe na forma

simplificada. Isso foi feito de forma a investigar as características do escoamento sobre o peixe e

os perfis de velocidade em torno deste corpo quando este se encontra em movimento em uma

linha reta. As simulações realizadas utilizaram o software comercial Ansys Fluente versão15,

baseado no método de volumes finitos. Para a discretização espacial utilizou-se um conjunto de

malhas hexaédricas e tetraédricas enquanto que para a modelagem da turbulência foi empregado

o modelo k-omega SST. O acoplamento pressão-velocidade consiste do emprego do algoritmo

PISO. Também utilizou-se o esquema de segunda ordem para a discretização dos termos

convectivos. Empregou-se o esquema implícito o para a integração no tempo, com um “time

step” constante de 0,001s.

DESCRIÇÃO DO RESPIROMETRO

O aparato de teste é constituído por um túnel hidrodinâmico de diâmetro nominal igual a

250 mm, alimentado por duas bombas centrífugas de 20 cv, instaladas de forma paralela, que

geram o escoamento. Como pode ser observado pela Figura. 2, a água é recalcada por meio de

bombas centrifugas alimenta um tubo que tem um comprimento de vinte cinco vezes o diâmetro

da tubulação que é de 250 mm (dez polegadas). Conectado a esse tubo encontra-se um “tê” onde

o peixe é colocado, passando para a seção de teste que é um tubo em acrílico de oito polegadas e

1800 mm de comprimento. Após a seção de teste tem-se o outro “tê” que é utilizado para se

retirar o peixe. Conectado a esse “tê” tem-se uma tubulação em aço cujo comprimento possui 16

vezes o valor do seu diâmetro. O fluxo passa por um registro e retorna ao reservatório iniciando

novamente o ciclo. Considera-se que o comprimento das tubulações de montante e jusante da

seção de teste são suficientes para eliminar a perturbação que poderia ser causada pelo sistema

A vazão do sistema é medida por um medidor eletromagnético, situado a montante da

seção de teste, que consiste em um tubo de acrílico confinado por uma tela fixa situada a

montante, e uma tela móvel a jusante, que permite a entrada do peixe. O peixe fica confinado em

uma seção visível como ilustrado na Figura 3.

Figura 2 – Esquema do respirometro utilizado para o teste de capacidade natatória

Figura 3 – Seção de teste de capacidade natatória

DIMENSÕES DO PEIXE UTILIZDO NOS TESTES

Devido a sua abundancia nos rios Brasileiros optou-se por estudar inicialmente a capacidade

natatória do mandi-amarelo (Figura 4), descrito por Lacepède em 1803. A espécie é endêmica em

grande parte da América do Sul, especialmente na bacia platina (sistema Paraná / Paraguai e

afluentes) englobando os rios Grande e Paranaíba em Minas Gerais, bem como grande parte dos

Região onde o peixe é

colocado Seção de teste em

acrílico

Região onde o peixe é

retirado

afluentes desses últimos. Também ocorre com abundância no sistema do São Francisco, onde é

encontrado até nos afluentes mais à montante, como Velhas e Paraopeba. É um peixe teleósteo,

gnatostomata da ordem dos silurídeos, integrante e um dos representantes característicos da

família Pimelodidae, sendo a espécie classificada taxonômicamente como Pimelodusmaculatus.

Seu corpo apresenta o ventre achatado e de coloração clara, em oposição ao dorso e ao restante

do seu corpo que apresenta geralmente coloração amarelo-sujo ou amarelo-cinza com brilho

dourado e quatro fileiras laterais de manchas pretas (Luetken, 2001).As dimensões características

dos peixes são:

Comprimento total – da extremidade do focinho à extremidade da nadadeira caudal;

Comprimento padrão – da extremidade do focinho à raiz da nadadeira caudal;

Comprimento furcal – da extremidade do focinho à divisão dos lobos da nadadeira caudal;

Largura – de um lado ao outro do corpo, junto à raiz da nadadeira peitoral;

Altura – da raiz da nadadeira dorsal à região ventral; (Figura 4).

fonte: adaptado de Vicentini, 2006

Figura 4– Diagrama das dimensões corporais relevantes no mandi (Pimelodusmaculatus).

Para fins deste trabalho adota-se as dimensões e formato apresentados na Figura 5

fonte: Vicentini, 2006

Espécie Pimelodusmaculatus.

Dimensões em mm

Comprimento total 220

Largura 35

Altura 37

Figura 5 –Forma e dimensões adotadas nesse estudo

36 mm

220mm

37mm

RESULTADOS OBTIDOS

Analíticos

A partir do equacionamento proposto por Webb (1971), Korsmeyer, Steffensen&Herskin (2002)

e (Beamish, 1978), das equações 1, 2 e 3 e das dimensões do peixe chega-se aos resultados

apresentados na Tabela 1 onde se observa que o aumento de velocidade é de aproximadamente

2%.

Tabela 1– Aumento de velocidade provocada pela inserção do peixe no respirômetro de Brent.

Características Dimensões (mm)

L (comprimento) 220

a (maior altura) 37

e (espessura) 35

0,002034

0,016586

Simulação numérica

Após a simulação numérica fez-se a validação dos resultados baseada em um banco de

experimental (Viana et. al. 2013). A Figura 6 representa o campo vetorial das velocidades obtidas

na presente simulação. Nela pode-se observar que há um aumento da velocidade na região

compreendida entre o peixe e a parede da seção de testes, caracterizando a região de nado do

peixe. A Fig.7 apresenta os respectivos perfis de velocidades para a seção vertical livre com o

respectivo corpo. Pela analise dos resultados se observa que a velocidade apresenta um aumento

de 0,3 m/s, ou seja, de aproximadamente 10% em volta do corpo.

Figura 6 – Campo vetorial de velocidade sobre o peixe.

Figura 7 – Perfis de velocidade obtido a partir da simulação.

CONCLUSÕES FINAIS

Os resultados desse trabalho mostram que, para as dimensões do individuo testado (peixe) existe

um aumento significativo na velocidade no entorno do peixe. Isso indica que se deve adotar um

fator de correção para as velocidades obtidas com o respirômetro de Brett. Esse fator de correção

de velocidade deve levar em consideração o comprimento furcal do peixe e a sua seção

transversal. O coeficiente de correção de velocidade obtido por meio da simulação numérica é

significativamente maior que aquele obtido de forma analítica tal como sugerido por

Webb (1971), Korsmeyer, Steffensen&Herskin (2002) e (Beamish, 1978). Enquanto o fator de

correção tradicional é de aproximadamente 2% aquele obtido pela simulação alcança um valor de

de 10%. Isso mostra a necessidade de se ampliar os estudos e de se criar um equacionamento, a

partir de resultados de simulação que corrija de forma mais precisa as velocidades no entorno dos

peixes. A partir desses resultados pode-se fazer uma correção dos resultados já divulgados e

disponíveis na literatura.

AGRADECIMENTOS

Os autores manifestam seus agradecimentos à ANEEL, à CEMIG, à ELETROBRAS-FURNAS, a

FAPEMIG ao CNPq (306722/2011-9) e a VALE pelo suporte financeiro para a realização desse

trabalho.

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Um estudo sobre a movimentação de peixes no tubo de sucção ... · conexões e instalações hidráulicas foram montadas na ultima etapa. O esquema dessa bancada de teste pode