Transcript Hidrologia para usinas hidrelétricas

Estudos Hidrológicos
para Projeto de Usinas
Hidrelétricas
Benedito C. Silva
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Usinas Hidrelétricas: classificação
quanto a potência
Classificação
Potência – P
(kW)
Micro
P < 100
Mini
100 < P < 1.000
Pequenas (PCHs)
1.000 < P < 30.000
UHEs
P > 30.000
Para implantação de PCHs e UHEs os
projetos devem ser submetidos e aprovados
pela ANEEL
Usinas abaixo de 1.000kW devem apenas
notificar a ANEEL que a usina foi implantada
PCHs
- Potência entre 1MW e 30MW
- Área inundada <= 13,0 km²,
atendendo a inequação:
A
14,3  Pot
H
Onde,
Área do reservatório em km²
Potencia instalada em MW
Queda bruta em m
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Aceite dos Projetos pela ANEEL
Check List para PCHs: hidrologia
RESOLUÇÃO 343 DE OUTUBRO DE 2010
Estudos Hidrometeorológicos e Sedimentológicos
Caracterização fisiográfica da
bacia hidrográfica
Apresentação das informações
hidrometeorológicas utilizadas
Descrição da metodologia
empregada para a obtenção da
série de vazões no local do
aproveitamento
Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral.
Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo:
- séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de
drenagem;
- dados pluviométricos, da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões
médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão.
A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá
ser apresentada de forma detalhada.
A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá abranger o maior período
Série de vazões médias mensais
possível de dados disponíveis na bacia, contemplando, no mínimo, 30 anos de dados.
do(s) aproveitamento(s)
Ressalta-se que a série de vazões deverá contemplar, obrigatoriamente, até, pelo menos,
dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL.
Curvas de permanência
Deverão ser apresentadas a tabela e a curva de permanência, com intervalo de, no máximo,
5%.
Vazões extremas
A metodologia utilizada deverá ser descrita detalhadamente, explicitando, por exemplo, quais
as distribuições estatísticas utilizadas.
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Aceite dos Projetos pela ANEEL
Check List para UHEs
RESOLUÇÃO 421 DE 2010
Estudos Hidrometeorológicos, Sedimentológicos e Hidráulicos
Caracterização fisiográfica da
bacia hidrográfica
Deverão ser apresentadas informações sobre aspectos fisiográficos de interesse geral, tais como
área, perímetro, forma, densidade de drenagem, tempo de concentração, etc.
Deverão ser apresentadas as informações hidrometeorológicas utilizadas, incluindo:
A apresentação das informações - séries de vazões dos postos fluviométricos utilizados, sua respectiva localização e área de
hidrometeorológicas utilizadas drenagem;
(fluviometria, pluviometria,
- dados pluviométricos da região quando o modelo adotado para a geração da série de vazões
climáticos)
médias mensais do aproveitamento for chuva-vazão. Deve ser apresentada ainda descrição da
hidrogeologia da região.
Descrição da metodologia
empregada para a obtenção da A metodologia empregada para determinação das séries de vazões do aproveitamento deverá ser
série de vazões no local do
apresentada de forma detalhada, incluindo memorial de cálculo.
aproveitamento
A série de vazões definida para o local do aproveitamento deverá iniciar em 1931, estendendo-se
Série de vazões médias mensais até, pelo menos, dois anos anteriores à data de apresentação dos estudos na ANEEL. A série de
do aproveitamento
vazões deve ser apresentada em formato editável, preferencialmente em extensão ".xls".
Curvas de permanência
Vazões extremas
Curva-chave do canal de fuga
Deverão ser apresentadas a tabela e o gráfico associados à curva de permanência.
A metodologia utilizada deve ser descrita em detalhes. Devem constar também os valores e
critérios para definição da vazão de dimensionamento do vertedouro e das estruturas de desvio,
observando os critérios definidos nos Manuais da Eletrobrás.
Deverá ser apresentada metodologia e a curva-chave do canal de fuga confeccionada para o
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empreendimento em questão.
Diretrizes da ANEEL para Estudos
Hidrológicos de Projeto de PCHs
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas.
Eletrobrás, 2000.
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Diretrizes da ANEEL para Estudos
Hidrológicos de Projeto de PCHs
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas.
Eletrobrás, 2000.
Quando os postos fluviométricos não possuírem o período de anos mínimo recomendado
(30 anos) poderão ser utilizadas as séries de vazões naturais das usinas hidrelétricas
do Sistema Interligado Nacional - SIN, disponibilizadas pelo Operador Nacional do
Sistema Elétrico – ONS (http://www.ons.org.br/operacao/hidrologia.aspx)
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Diretrizes da ANEEL para Estudos
Hidrológicos de Projeto de PCHs
Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas.
Eletrobrás, 2000.
A série de vazões médias mensais será utilizada no projeto para determinação
dos estudos energéticos de definição da potencia instalada da usina e, por
consequencia, no dimensionamento do grupo gerador e estruturas hidromecânicas
de adução
Para dimensionamento das estruturas de estravasamento (vertedouro) deverá ser
estimada a vazão máxima diária para o tempo de retorno de 10.000 anos.
O estudo de vazões mínimas visa determinar as vazões a serem adotadas para
manutenção de ecossistemas aquáticos e usos humanos a jusante da barragem,
devendo ser realizado de acordo com a legislação de recursos hídricos de cada
estado
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Histórico de Vazões Médias Mensais
A série de vazões médias mensais gerada para o local da
usina hidrelétrica deve ter o seguinte formato:
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Determinando a Série de Vazões
ETAPA 1: Selecionando os postos fluviométricos

Realizar busca por postos fluviométricos na região de
estudo, com área de drenagem semelhante ao local
da PCH

Limites normalmente adotados: entre 0,25 e 4 vezes
a área de drenagem da PCH

Outras características a considerar: SOLOS, relevo,
geologia, cobertura vegetal, regime de precipitações

Baixe os arquivos de vazões e outros diponíveis, tais
como: cotas, curva-chave, seções batimétricas e
medições de descarga. Esses arquivos serão
importante para a análise de consistência dos postos.
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Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Análise regional

Nessa etapa deve-se determinar uma equação de
regionalização para a vazão média de longo período (Qmlt).
Ou seja a vazão média de toda a série histórica.

Para cada posto fluviométrico, liste o valor da área de
drenagem e calcule a vazão média de longo período

A vazão média pode ser calculada como a média dos valores
diários, mensais ou anuais da série
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Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Análise regional

Elabore a seguinte tabela resumo:
Posto
Alto Araguaia I
Montante do Ribeirão Babilônia
Cachoeira Grande
Rio do Peixe
Ponte Rio Doce
Fazenda Formoso
Próximo Costa Rica
Itiquira
Código
Período
Área de Drenagem (km²)
24050000
24070000
24100000
24196000
60895000
60930000
63001000
66520000
1964-2007
1997-2007
1963-1991
2000-2007
1967-2007
1979-2007
1993-1998
1971-2006
2440
1848
4504
1613
1277
1189
1280
2872
QMLT (m³/s)
50.87
34.48
89.66
31.77
26.23
27.93
27.51
60.94
Page 11
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Análise regional
Determine a equação de regionalização
100
y = 0.0197x + 1.803
R2 = 0.9904
90
80
70
Vazão [m³/s]

60
50
40
30
20
10
0
0
1000
2000
3000
Área [km²]
4000
5000
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Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Análise regional
Postos fora da tendência devem
ser eliminados
600
500
3
Q (m /s)
400
300
200
Q = 0,1861.Ad0,7181
R2 = 0,8979
100
0
0
10000
20000
30000
40000
2
Ad (km )
50000
60000
70000
Page 13
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Análise regional
600
500
Q (m3/s)
400
300
200
Q = 0,1861.Ad0,7181
R2 = 0,8979
100
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
2
Ad (km )
Page 14
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 2: Estimativa da vazão média da PCH

A vazão média de longo período para o local da PCH
pode ser calculada usando a equação de
regionalização obtida, substituindo o respectivo valor
de área

Esse valor de vazão pode ser utilizado para
comparação com a vazão média obtida para a série de
vazões transposta ou para formação do fator de
transposição das vazões mensais
Page 15
Exemplo

Suponha que estejam sendo realizados estudos para
uma implantação de uma PCH, em um local com área
de drenagem de 1000 km2

Foram selecionados os seguintes postos fluviométricos
na região:
Posto
São Pedro do Turvo
Sucuí
Maracaí
Bairro São Geraldo
Nova Fátima
Reginópolis
Andirá
Porto Santa Terezinha

Código
64327000
64345000
64395000
63650000
63100000
62810000
64370000
64390000
Período Área [km²] QMLT [m³/s]
1980-2004
720
10.66
1969-2003
934
12.2
1969-1979
1560
15.12
1967-2003
734
8.43
1969-2003
1092
11.15
1943-2000
1881
19.01
1931-2002
5622
63.1
1931-2001
3445
39.01
Determine a equação de regionalização e estime a
vazão média de longo período para o local da PCH
Page 16
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 3: Escolhendo o posto de referência

O posto fluviométrico a ser utilizado como referência
deve ser escolhido, preferenciamente, no mesmo rio
da PCH. Mas isso normalmente não ocorre

O posto deve ser possuir a série mais extensa possível
e com baixo número de falhas

Sua vazão média deve seguir a tendência regional

A curva-chave do posto deve ser estável e com pouca
extrapolação

Analise o quadro resumo e observe os hidrogramas de
vazões mensais
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Características Importantes: Solos
800
Rio Corrente
Rio Verde Grande
700
Solo profundo
600
500
3
Vazão (m /s)
Áreas: 30.000 km2
400
300
200
Solo raso
100
0
1/1/77
1/1/79
1/1/81
1/1/83
1/1/85
1/1/87
Page 18
Verificar Mudanças na Série

Séries não-estacionárias
2500
Os hidrogramas devem ser
analisados visualmente para
identificação de alterações
importantes
1500
Vazões do rio Paraguai
1000
6000
500
0
jul-69
jul-71
jul-73
jul-75
jul-77
jul-79
jul-81
Vazões do rio Taquari (MT)
Vazão m édia m ens al (m 3/s )
Vazão (m3/s)
2000
5000
4000
jul-83
3000
2000
1000
0
D e z/6 2
D e z/6 4
D e z/6 6
D e z/6 8
D e z/7 0
D e z/7 2
D e z/7 4
D e z/7 6
D e z/7 8
Page 19
D e z/8 0
D e z/8 2
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 4: Transposição da série de vazões
A série de vazões do posto de referência são
transpostas para o local da PCH através da
seguinte relação
QPCH
APCH
 QP .
AP
QPCH, APCH – Vazão mensal e área de drenagem do local
sem dados
QP, AP – Vazão mensal e área de drenagem do posto de
referência
Page 20
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 4: Transposição da série de vazões
Outra forma de transpor os dados consiste em:
Calcular a vazão média do local sem dados pela equação
Qmlt = a.Adb
As vazões do local sem dados serão dadas por
QPCH
QmltPCH
 QP .
QmltP
QmltPCH – Vazão média de longo período da PCH
QMLTP – Vazão média de longo período do posto
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Determinando a Série de Vazões
ETAPA 5: Preenchimento de falhas

Na grande maioria dos casos os postos utilizados
apresentam falhas em alguns meses da série

O preenchimento deve ser realizado utilizando dados
de um outro posto, que apresente boa correlação com
o posto de referência

A correlação é verificada plotando-se um gráfico de
regressão entre as séries

Outras formas de preenchimento: modelos chuvavazão, modelos estocásticos, valores médios
Page 22
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 5: Preenchimento de falhas
Gráfico de Correlação
Page 23
Determinando a Série de Vazões
ETAPA 6: Formatação da série

A última etapa consiste em formatar a série de valores
mensais para apresentação no relatório do projeto

O valores preenchidos devem ser destacados na tabela
Page 24
Curva de Permanência
Page 25
Curva de Permanência das Vazões
 A curva de permanência, ou duração, é obtida da freqüência de
ocorrência das vazões ou níveis de uma determinada bacia
 Essa curva retrata a parcela do tempo que uma determinada
vazão é igualada ou superada durante o período analisado
 A curva de permanência permite analisar a regularização
natural do rio
 Em projetos de hidrelétricas pode ser utilizada para
determinação da potência a ser instalada e para definição de
vazões mínimas residuais
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Curva de Permanência
35
30
15
10
5
Trecho inferior
20
Trecho superior
Vazão [m³/s]
25
Trecho médio
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Permanência [%]
Page 27
Curva de Permanência
35
30
Exemplo: A vazão de 5 m3/s possui probabilidade
de 60% (Q60) de ser igualada ou superada, ou
Vazão [m³/s]
25
em 60% do tempo ocorrem vazões maiores ou
iguais a 5 m3/s
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
Permanência [%]
70
80
90
100
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Curva de Permanência
Vazões mensais
35
30
Vazões diárias
Vazão [m³/s]
25
90
80
Vazão [m³/s]
70
20
15
60
10
50
5
40
0
0
30
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Permanência [%]
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Permanência [%]
Page 29
Curva de Permanência
Rio com regularização
normal
35
30
Vazão [m³/s]
25
Rio com alta
regularização natural
20
15
10
100
90
5
80
0
Vazão (m³/s)
70
0
60
10
20
50
40
30
60
70
80
90
100
Permanência [%]
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
Permanência (%)
70
80
90
100
Page 30
Construção da Curva
Como distribuição de probabilidades
 No Excel, disponha os dados em uma única coluna e ordene os
valores em ordem decrescente
 Em uma coluna ao lado, insira os valores da ordem (i) de cada
valor (1,2,3, …, n)
 Para cada valor, determine a probabilidade acumulada pela
relação i/(n+1)
 Faça o gráfico vazão por probabilidade
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Construção da Curva
Como distribuição de probabilidades
ANO
1933
1934
Média
JAN
546,00
60,30
303,15
FEV
485,00
56,10
270,55
MAR
278,00
80,20
179,10
ABR
160,00
51,90
105,95
MAIO
106,00
33,00
69,50
JUN
80,60
29,80
55,20
JUL
67,60
23,80
45,70
AGO
56,10
21,00
38,55
SET
52,40
23,70
38,05
600
ORDEM
500
400
Vazão [m3/s]
OUT
108,00
53,90
80,95
300
200
100
0
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
Duração [%]
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
NOV
144,00
230,00
187,00
DEZ
108,00
539,00
323,50
MÉDIA
182,64
100,23
141,43
VAZÃO PROBABILIDADE
m 3/s
i/(n+1)
546
0,04
539
0,08
485
0,12
278
0,16
230
0,20
160
0,24
144
0,28
108
0,32
108
0,36
106
0,40
80,6
0,44
80,2
0,48
67,6
0,52
60,3
0,56
56,1
0,60
56,1
0,64
53,9
0,68
52,4
0,72
51,9
0,76
33
0,80
29,8
0,84
23,8
0,88
23,7
0,92
21
0,96
Page 32
Construção da Curva
Usando a ferramenta PERCENTIL do Excel
E uma coluna, insira valores de duração entre 0 e 1 (Ex.: 0,00;
0,05; 0,10; 0,15; …; 1,00)
Para cada valor de duração, calcule a vazão correspondente
usando a função =PERCENTIL(MATRIZ;1-D)
MATRIZ é o conjunto de células onde está a série de dados e D
a duração
 Faça o gráfico vazão por probabilidade
Page 33