Reservatórios d'águas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Física

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UNIDADE 1: RESERVATÓRIOS

AUTOR: ALEXANDRE MEES

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS...........................................................................................

LISTA DE TABELAS..........................................................................................

1. POR QUE CONSTRUÍMOS RESERVATÓRIOS?.........................................

1.1. Conceitos.....................................................................................................

1.2. Controle de Cheias......................................................................................

1.3. Aproveitamento Hidrelétrico.........................................................................

1.4. Sistemas de Irrigação..................................................................................

1.5. Mananciais de Abastecimento.....................................................................

1.6. Usos Indiretos: Recreação, Turismo, Entre Outros Usos Múltiplos.............

2. HIDRÁULICA E MORFOLOGIA DE RESERVATÓRIO.................................

2.1. Tempo de Residência..................................................................................

2.2. Diferença Entre Pequenos e Grandes Reservatórios.................................

2.3. Circulação Interna de Reservatórios...........................................................

2.4. Conceitos Básicos de Assoreamento e Cálculo de Vida Útil.......................

3. REGIME OPERACIONAL E CONTROLE.....................................................

3.1. Diversidade de Tipos Operacionais de Reservatórios.................................

3.2. Variação de Nível (cota) e as Possíveis Consequências no

Comportamento da Qualidade da Água.............................................................

3.3. Princípios Gerais Sobre Outorga.................................................................

3.4. ONS (Operadora Nacional de Sistema)......................................................

3.5. Produtores Independentes de Energia........................................................

4. RESERVATÓRIO E BACIA DE DRENAGEM................................................

4.1. Conceitos Básicos.......................................................................................

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Componentes Básicos de um Reservatório

Figura 2 - Efeito do Reservatório no Amortecimento de Cheia

Figura 3 - Perfil Esquemático de um Aproveitamento Hidrelétrico

Figura 4 - Aproveitamento Hidrelétrico com Trecho de Vazão Reduzida

Figura 5 - Fluxo de Entrada no Reservatório

Figura 6 - Curvas-Guia num Reservatório de Múltiplos Usos

Figura 7 - Integração Hidroenérgica Entre Bacias Hidrográficas

Figura 8 - Ciclo Hidrológico

Figura 9 - Exemplo de Imagem de Satélite para a Classificação dos Tipos de Uso de

Solo

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tipos de reservatórios: vantagens, desvantagens e caso de aplicação

Tabela 2 - Exemplos de Reservatórios Destinados aos Usos Múltiplos

Tabela 3 – Categoria de Reservatórios Quanto ao Seu Volume e Área

Tabela 4 – Os Dez Maiores Reservatórios Quanto ao Volume

Tabela 5 – Os Dez Maiores Reservatórios Quanto ao Volume

1. POR QUE CONSTRUÍMOS RESERVATÓRIOS?

1.1. Conceitos

O reservatório em primeira instância tem a função de armazenar água que escoa em

um curso d´água, porém a finalidade deste armazenamento pode ter distintos

objetivos para beneficiar a sociedade.

Quase sempre o interesse na construção de um reservatório é de caráter público-

social, já que geralmente os benefícios estendem-se para uma parcela de cidadãos,

quando não para todos de uma nação, como é o caso da geração de energia

alimentando um sistema de transmissão que interliga todas as suas regiões.

As principais finalidades pelas quais são construídos reservatórios são:

• Abastecimento da população;
• Irrigação;
• Navegação;
• Controle de cheias;
• Geração de energia hidrelétrica.

Entretanto, a construção de reservatórios impacta em um conjunto de aspectos, que

devem ser mensurados, analisados e discutidos. Alguns destes impactos são:

• Prejuízos à fauna e flora do rio e de suas margens devido à modificação do regime de vazões;
• Desapropriação e remoção de habitantes dentro da zona de inundação do reservatório causando um prejuízo social;
• Interrupção parcial do transporte de sedimentos e nutrientes para jusante;

A água uma vez ingressada no reservatório tem 3 alternativas de efluência (saída),

pelo descarregador de fundo ou turbina, pelo vertedor durante eventos extremos ou

então, evaporar para a atmosfera. A evaporação é tanto maior quanto maior for a

área da superfície de água do reservatório, podendo ter volumes anuais

significativos caso a região seja de grande insolação, temperatura e vento, como é o

caso do nordeste brasileiro.

Outras especificações importantes de um reservatório são as cotas de níveis

característicos:

• Nível d’água mínimo operacional

É o nível mínimo necessário para a operação adequada do reservatório,

normalmente este nível é definido acima do limite superior da estrutura de tomada

d’água (tomada d’água para casa de força, por exemplo) de modo a evitar a

formação de vórtices nesta entra e evitar o ingresso de ar no conduto forçado.

• Volume morto

O volume morto corresponde à parcela do volume total do reservatório inativa ou

indisponível para fins de captação de água. Corresponde ao volume do reservatório

compreendido abaixo nível mínimo operacional.

• Nível d’água máximo operacional

Corresponde ao nível máximo permitido para operação normal do reservatório (sem

vertimento). Este nível normalmente corresponde à cota da crista do vertedor ou à

borda superior das comportas vertedor. Este nível define o limite máximo do volume

útil do reservatório.

• Volume útil

É o volume disponível para operação do reservatório, ou seja, ao atendimento das

diversas demandas de água, sendo este volume compreendido entre os níveis

máximo e mínimo de operação do reservatório.

• Volume de espera

É o volume para controle de cheias, corresponde à parcela do volume útil do

reservatório destinada ao amortecimento de ondas de cheia, visando ao

atendimento das restrições de vazão a jusante do barramento. Estas restrições são,

em geral, adotadas em função da capacidade de escoamento do canal a jusante e

pelo não comprometimento de infraestruturas existentes, como pontes, rodovias ou

áreas urbanas em zonas de inundação.

O volume de espera pode ser variável de acordo com a época do ano, uma vez que

a probabilidade de ocorrência de vazões intensas varia ao longo do ano.

• Nível d’água máximo maximorum

Corresponde à sobrelevação máxima do nível d’água, medida a partir do máximo

operacional, disponível para a passagem de cheias. Esta sobrelevação consiste em

um free-board definido entre o nível da crista do vertedor e da crista do barramento

que garante que as ondas formadas pela ação dos ventos não passem por sobre o

barramento, fato este poderia ser danoso à estrutura.

1.2. Controle de Cheias

Quando o rio ocupa o seu leito maior durante o período de vazões altas (cheia) é

denominado de inundação ribeirinha. Existem várias terminologias que são utilizadas

como sinônimos, tais como: cheias, enxurradas e enchentes. Estes termos tiveram

diferentes origens que muitas vezes não dizem respeito à inundação. Por exemplo,

cheia pode estar relacionada com a cheia e a vazante do mar.

As inundações ribeirinhas ocorrem principalmente devido à ocupação do solo do

leito maior. Nos períodos de pequenas cheias, ou seja, sem inundação, existe a

tendência de ocupação das áreas de risco, e quando ocorrem as maiores cheias os

A utilização de reservatórios de amortecimento para controlar cheias e assim evitar

ou reduzir os prejuízos das inundações é uma alternativa que dificilmente tem

aplicação em grandes bacias (>10.000km²), devido ao grande volume necessário

para amortecimento, elevando enormemente os custos com indenização por

desapropriação da área prevista para armazenamento, e, também, com a própria

construção do barramento que passa a ser de grande porte.

Os reservatórios para controle de cheias podem ser operados, ou seja, pode-se

controlar o volume de água armazenada por meio de abertura ou fechamento de

comportas, assim, na Tabela 1 são apresentas algumas vantagens e desvantagens

para cada tipo de reservatório, bem como em que caso podem ser aplicados.

Tabela 1 - Tipos de reservatórios: vantagens, desvantagens e caso de aplicação

Medida

Principal vantagem

Principal desvantagem

Aplicação

Reservatórios com comporta (múltiplos usos)

Além do controle de cheias permite outros usos (irrigação, navegação, lazer, etc.).

Vulnerável a erros humanos, tomada de decisão equivocada.

Projetos de usos múltiplos

Reservatórios para controle de cheias

Operação com reservatório mantido seco para receber a cheia.

Custo não partilhado; dificuldade de controle da área do reservatório devido à inundação pouco frequente.

Bacias pequenas e médias; Restrito ao controle de cheias

Fonte: adaptado de Tucci 2006 apud Simons et al 1977.

1.3. Aproveitamento Hidrelétrico

A energia hidráulica transformada em energia elétrica tem sido um dos usos mais

frequentes dos recursos hídricos. As hidrelétricas utilizam barragens para regularizar

a vazão e criar o desnível necessário à produção de energia. Essas barragens criam

um lago a montante onde a profundidade aumenta e a velocidade de escoamento

sofre reduções que são maiores quanto maior o reservatório e o tempo de residência

da água nele.

Além do reservatório, os aproveitamentos hidrelétricos possuem sistemas de

captação e adução formados por túneis, canais ou condutos metálicos que têm a

função de levar a água até a casa de força, onde estão as turbinas, formadas por

uma série de pás ligadas a um eixo conectado ao gerador. Durante o seu movimento

giratório, as turbinas convertem a energia cinética (do movimento da água) em

energia elétrica por meio dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois de

passar pela turbina, a água é restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga. Os

principais tipos de turbinas hidráulicas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. Por

último, há o vertedor. Sua função é permitir a saída da água, de modo seguro,

sempre que os níveis do reservatório ultrapassam os limites recomendados ou

quando o vertedor for dotado de comporta que é acionada em função do regime

operacional para cada situação específica.

Figura 3 - Perfil Esquemático de um Aproveitamento Hidrelétrico

Fonte: Atlas de Energia Elétrica do Brasil, ANEEL ,2008.

O Brasil é o país com maior potencial hidrelétrico: um total de 260 mil MW, segundo

o Plano Nacional de Energia Elétrica 1993-Plano 2015 da Eletrobrás, com os dados

do último inventário produzido no país em 1992. Destes, pouco mais de 30% se

transformaram em usinas construídas ou outorgadas. De acordo com o Plano

Nacional de Energia 2030, o potencial a aproveitar é de cerca de 126.000 MW.

Desse total, mais de 70% estão nas bacias do Amazonas e do Tocantins/Araguaia.

A potência instalada determina se a usina é de grande ou médio porte ou uma

Pequena Central Hidrelétrica (PCH). A Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANELL) adota três classificações (ANEEL, 2008):

• Centrais Geradoras Hidrelétricas (com até 1 MW de potência instalada);
• Pequenas Centrais Hidrelétricas (entre 1 MW e 30 MW de potência instalada);
• Usina Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30 MW).

O arranjo das estruturas, em qualquer aproveitamento hidrelétrico, é condicionado,

basicamente, pelos aspectos topográficos, geológicos e geotécnicos do sítio. Além

desses, destaca-se que as características ambientais do local são também

importantes na definição do arranjo geral do aproveitamento.

Os aproveitamentos hidrelétricos têm, basicamente, dois tipos de arranjo, os quais

são descritos a seguir:

• Locais com Queda Natural Localizada

O arranjo nestes locais, quase sempre, contempla um barramento, a montante da

queda, contendo vertedouro e tomada d’água. A casa de força fica, normalmente,

posicionada longe do barramento. O circuito hidráulico de adução, em uma das

ombreiras, é composto por dois trechos, sendo um de baixa pressão e outro de alta

pressão.

O trecho de baixa pressão, em função dos aspectos topográficos e geológico-

geotécnicos locais, é constituído por canal ou conduto. O trecho de alta pressão é

constituído por conduto(s) forçado(s). Entre esses dois trechos prevê-se, em função

do desnível, do tipo e comprimento da adução, uma câmara de carga e/ou chaminé

de equilíbrio. A jusante do(s) conduto(s) forçado (s) posicionam-se a casa de força e

o canal de fuga.

• Locais sem Queda Natural Localizada

Nesses locais, onde o desnível é criado pela própria barragem, tem-se,

normalmente, um arranjo compacto com as estruturas alinhadas e com a casa de

força localizada no pé da barragem. A adução é feita através de uma estrutura de

tomada d’água, convencional, incorporada ao barramento e à casa de força.

Outras alternativas de arranjo geral que pareçam atrativas, como, por exemplo,

aquelas nas quais a estrutura da tomada d’água, os condutos forçados e a casa de

força ficam longe do barramento, num ponto qualquer do reservatório, em função de

aspectos geomorfológicos da bacia (rio com meandros) (conforme será descrito na

Unidade 2) - o que não é raro, podem ser também estudadas.

Quanto às características dos reservatórios existem dois tipos:

• Acumulação

Geralmente localizados na cabeceira dos rios, em locais de altas quedas d’água,

dado o seu grande porte permitem o acúmulo de grande quantidade de água e

funcionam como estoques a serem utilizados em períodos de estiagem. Além disso,

como estão localizados a montante das demais hidrelétricas, regulam a vazão da

água que irá fluir para elas, de forma a permitirem a operação integrada do conjunto

de usinas.

• Fio d’água

As unidades a fio d’água geram energia com o fluxo de água do rio, ou seja, pela

vazão natural realizando o mínimo ou nenhum armazenamento de água.

Muitas usinas foram construídas no Brasil com vazão nula para o trecho de vazão

reduzida, já que não existia nenhuma regulação sobre o assunto. Nos últimos anos,

com a aprovação da legislação de outorga (Lei nº 9.433, de 08.01.97)a nível Federal

e Estadual passou-se a exigir uma determinada vazão mínima para garantir a

disponibilidade para os demais usos d’água no trecho e as condições de

sobrevivência hídrica e ambiental deste trecho de rio.

Na prática, não existe um consenso a respeito de qual vazão deve ser mantida no

trecho de vazão reduzida, sendo, frequentemente, adotadas como referência vazões

mínimas tais como a Q7,10 (mínima anual da vazão média de 7 dias com 10% de

probabilidade de ocorrência em um ano qualquer) ou alguma com permanência

acima de 90% (vazão que é igualada ou superada em 90% do tempo).

Ainda, a resolução 357/05 do CONAMA (Conselho Nacional de Meio Ambiente)

define a vazão de referência como sendo a “ vazão do corpo hídrico utilizada como

base para o processo de gestão, tendo em vista o uso múltiplo das águas e a

necessária articulação das instâncias do Sistema Nacional de Meio Ambiente

-SISNAMA e do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos

-SINGRH ”.

Um aspecto fundamental que influencia diretamente na atratividade econômica da

geração de energia é a “energia firme” do aproveitamento hidrelétrico, que é

corresponde à máxima produção contínua de energia que pode ser obtida, supondo

a ocorrência da sequência mais seca registrada no histórico de vazões do rio onde

ela está instalada.

A energia firme (EFe)pode ser estimada pela seguinte equação (Eletrobrás, 2000):

EFe =

μ ⋅9,81⋅ Q ⋅ H (^) liq 1000

⋅ Δt

Sendo:

EFe (^) a energia firme estimada em Watts médios, considerando-se Q e

constantes durante o funcionamento da usina (1 MW médio = 8760 MWh por ano,

durante a vida útil da usina);

Q (^) a vazão mínima medida no local, ou ainda, a vazão ao longo do período

crítico do sistema interligado (m³/s);

Δt (^) intervalo de tempo igual a 1s;

H (^) liq (^) é a queda líquida (m);

μ (^) é o rendimento do conjunto turbina-gerador, sugerindo-se o valor final de

0,85.

A vazão Q para o local deverá ser estimada a partir de dados de postos

hidrométricos da bacia/região.

A queda líquida será igual à queda bruta menos as perdas hidráulicas, que em uma

fase preliminar de projeto pode ser adotada igual a 3% para casas de força ao “pé”

da barragem e 5% para aduções em túnel/canal.

Com a energia firme é possível determinar a potência instalada (Pot) do

aproveitamento hidrelétrico, que é soma das potências nominais dos equipamentos

elétricos instalados na unidade geradora, em condições de entrar em

funcionamento, expressa em quilowatts (kW) (Eletrobrás, 2000):

Pot=

EF (^) e F (^) c

Sendo:

Pot: é a potência instalada (MW);

Fc: o fator de capacidade, adotado, para esta fase preliminar de projeto, igual 0,55.

• Irrigação localizada ou gotejamento: é o método em que a água é aplicada diretamente sobre a região radicular, com pequena intensidade e alta frequência;
• Irrigação por inundação: utilizada principalmente na rizicultura, é o método que mais consome água, por criar uma lâmina de água sobre o solo preparado em terraços ficando esta água disponível para evaporação e percolação no solo (Righes, 2006).

A pesquisa científica para o desenvolvimento de técnicas eficientes de irrigação vem

ganhando importância, sobretudo no Brasil, onde 72% da água é utilizada para

irrigação conforme no balanço de 2010 (ANA, 2012), devido à tendência de uma

menor disponibilidade hídrica ao passo que mais usuários de água surgem.

Além do problema da disponibilidade da água existe comprometimento da qualidade

da água, dos mananciais de água (principalmente água subterrânea), em função do

uso indiscriminado de pesticidas e fertilizantes, associados ao manejo incorreto do

solo e da água aplicada através da irrigação.

Os sistemas de irrigação devem ser projetados partindo de uma avaliação da

necessidade de irrigar a cultura naquele local e se é possível irrigar. Em geral, o

interesse pela irrigação aumenta após uma estiagem, com quebra ou perda da

produção. Deve-se evitar a aquisição de sistemas de irrigação sem a verificação de

se a cultura a ser irrigada necessita ou responde à irrigação e se a fonte de água de

que dispõem é suficiente para atender à necessidade hídrica da cultura.

A análise de viabilidade econômica de um projeto de irrigação deve estimar os

benefícios no aumento de produtividade e qualidade dos produtos agrícolas de

modo a igualar o investimento de custeio, da implantação e manutenção e operação

do sistema de irrigação, em um determinado período aceitável de retorno.

Nesta análise entram diversos fatores (clima, demanda, sazonalidade, tipo de solo,

distância da fonte de água, etc.), sendo o reservatório o mais importante a ser

construído, tanto em temos econômicos quando técnico e ambiental.

1.5. Mananciais de Abastecimento

Manancial de abastecimento é qualquer corpo d’água superficial ou subterrâneo

utilizado para fins humanos, industriais, animais ou de irrigação, sendo também uma

conceituação de fonte de abastecimento de água que pode ser, por exemplo, um rio

um lago, uma nascente ou poço, proveniente do lençol freático ou do lençol

profundo.

O Brasil está incluído entre os países de maior reserva de água doce, ou seja,

13,8% do deflúvio médio mundial, com uma disponibilidade hídrica per capita

variando de 1.835 m³/hab./ano, na bacia hidrográfica do Atlântico Leste, a 628.

m³/hab./ano, na bacia Amazônica. Porém, devido às suas dimensões geográficas e

diversidade climática, algumas regiões sofrem graves problemas de escassez de

água, como o Semiárido nordestino. Recentemente, grandes metrópoles, como

Fortaleza-CE, Campina Grande-PB, Recife-PE e Caruaru-PE, têm passado por

problemas de racionamento constante de água, tanto para consumo humano, como

para o desenvolvimento socioeconômico (Brito et al , 2007).

A escolha do manancial como fonte de água para abastecimento é feita

considerando-se não só a quantidade e a qualidade, mas também, o aspecto

econômico, pois nem sempre o que custa inicialmente menos é o mais adequado

futuramente, já que pode implicar em custos de operação e manutenção maiores.

Os mananciais são considerados de alto interesse estratégico tanto na segurança

sanitária quanto no desenvolvimento econômico, e sendo assim deve ter especial

cuidado por parte do governo para a manutenção da sua qualidade. No entanto,

observa-se com frequência a degradação de áreas de mananciais, devido,

principalmente, a assentamentos que se instalam nestas áreas, lançando esgotos e