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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente Aproveitamento de Recursos Hídricos EEH404 Profº Gilberto Olympio Mota Fialho Profª Heloisa Teixeira Firmo Profº Theophilo Benedicto Ottoni Filho Elaborado por Gabriel de Sousa Barboza gaboweby@poli.ufrj.br Engenharia Ambiental RESUMO DA MATÉRIA DE APROVEITAMENTO DE RECURSOS HÍDRICOS Blocos 1 e 2 Rio de Janeiro, 2023 mailto:gaboweby@poli.ufrj.br 2 Resumo ARH – Gabo Weby 3 Resumo ARH – Gabo Weby O resumo do conteúdo apresentado na disciplina de Aproveitamento de Recursos Hídricos EEH404 se baseia nas anotações, slides e aulas gravadas dos professores Theophilo Benedicto Ottoni Filho e Heloisa Teixeira Firmo, que compõem, respectivamente, o Bloco I e o Bloco II deste material. Ao final de cada bloco é disponibilizada uma lista de exercícios composta de questões de provas de períodos anteriores a 2022.2. Ressalto aqui que o elaborador do resumo não possui o gabarito dessas questões. Em caso de dúvidas, consulte o(a) professor(a) responsável ou o(a) monitor(a) da disciplina. 4 Resumo ARH – Gabo Weby Oi Sumário Bloco I 1. Introdução à Drenagem 6 1.1. Tipos de Drenagem 6 1.2. Estruturas Hidráulicas de Drenagem 7 1.3. Finalidades da Drenagem Agrícola 9 1.4. Fases da Drenagem 9 1.5. Tipos de Delineamentos (layouts) nos Sistemas de Drenagem 10 2. Drenagem de Superfície 12 2.1. Componentes da Drenagem de Campo 12 2.2. Componentes da Adução 13 2.3. Determinação da Vazão de Projeto (Método Racional) 15 3. Drenagem Subterrânea 26 3.1. Material e Diâmetro dos Drenos Tubulares 27 3.2. Elementos de Projeto 28 3.3. Dimensionamento dos Canais e Tubos de Drenagem 29 3.4. Drenagem Subsuperficial ou Subterrânea 30 3.5. Vazão de Projetos dos Tubos de Drenagem 32 3.6. Dimensionamento Hidráulico dos Drenos Tubulares 33 3.7. Fórmula de Donnan ou Hooghoudt (escoamento permanente) 35 3.8. Aplicação Prática 37 4. Combate às Secas 41 4.1. Polígono das Secas Brasileiro 41 4.2. Sistema de Combate às Secas 41 5. Exercícios do Bloco I 47 Bloco II 6. Introdução à Gestão de Recursos Hídricos 60 6.1. Água – Ela sempre esteve presente 60 6.2. Pegada Hídrica 62 6.3. Disponibilidade de Água X Demanda no Brasil 69 6.4. Principais Questões Nacionais 81 7. Gestão de Recursos Hídricos 83 7.1. A Lei 9.433/1997 (Lei das Águas) 83 7.2. Enquadramento 88 7.3. Outorga 89 7.4. Cobrança 92 5 Resumo ARH – Gabo Weby 8. Mercado de Energia Elétrica – Demanda 94 8.1. Potência e Energia 94 8.2. Tipos de Consumidores 94 8.3. Características Básicas do Mercado 95 8.4. Mercados Interligados 99 8.5. Projeção da Demanda 104 9. Mercado de Energia Elétrica – Oferta 111 9.1. Mercado de Energia Elétrica: Oferta 111 9.2. Características dos Aproveitamentos Hidrelétricos 116 9.3. Tipos de Aproveitamentos Hidrelétricos 124 10. Circuito Hidráulico de Geração em Usinas Hidrelétricas 129 10.1. Circuito Hidráulico de Geração 129 10.2. Chaminé de Equilíbrio 132 10.3. Tomada d’Água 133 11. Teorema de Bernoulli, Perdas de Carga em UHEs 144 11.1. Equação de Bernoulli 144 11.2. Perda de Carga 146 11.3. Aplicação do Teorema de Bernoulli 147 11.4. Perda de Carga em Circuitos Hidráulicos de Geração em Usinas Hidrelétricas 149 12. Vertedores 160 12.1. Principais Estruturas 160 12.2. Dimensionamento 161 12.3. Estrutura de Controle 164 12.4. Geometria 165 13. Exemplos Aplicados 166 13.1. Exercício com Pequena Central Hidrelétrica 166 13.2. Exercício Vertedor – Oroville Dam 169 14. Exercícios do Bloco II 171 6 Resumo ARH – Gabo Weby oi BLOCO I Parte do Professor Theophilo Benedicto Ottoni Filho teottoni@poli.ufrj.br mailto:teottoni@poli.ufrj.br 7 Resumo ARH – Gabo Weby 1. Introdução à Drenagem 1.1 Tipos de Drenagem A drenagem agrícola envolve tanto drenagem superficial quanto subterrânea. Em relação à drenagem superficial, é para se evitar que uma área fértil que está localizada em baixas altitudes seja alagada; enquanto que na drenagem subterrânea, é para se evitar que as raízes das plantas permaneçam dentro d’água, tendo em vista que precisam de oxigênio para respirar (aeração das raízes). 8 Resumo ARH – Gabo Weby 1.2 Estruturas Hidráulicas de Drenagem Boca-de-lobo Costuma captar água da sarjeta de um pavimento. Utilizado na drenagem de superfície. Bueiro Usado na drenagem de estradas. Utilizado na drenagem de superfície. Pedregulhos são colocados na entrada e na saída do bueiro para se evitar a erosão do solo. Os tubos coletores podem ser de concreto, cerâmica, PVC ou polietileno. Tubos coletores São responsáveis por encaminhar a água drenada de uma região para outra. 9 Resumo ARH – Gabo Weby A diferença entre canaleta e canal é o tamanho. Enquanto na canaleta dá para passar por cima, no canal não é possível. Além disso, o canal pode ser utilizado na drenagem subterrânea (por gravidade). Valeta (ou canaleta) É um canal de pequenas dimensões. Usado na drenagem de superfície. Dreno subterrâneo, dreno tubular ou tubo de drenagem É um tubo furado ou então possui as juntas livres, que permita a água entrar. Poço de drenagem É um poço que se aprofunda abaixo do nível do lençol freático e utiliza-se de bombeamento para retirar a água. Utilizado na drenagem subterrânea. É importante que o solo seja permeável. 10 Resumo ARH – Gabo Weby 1.3 Finalidades da Drenagem Agrícola 1.4 Fases da Drenagem 1.4.1 Drenagem de Campo ou Coleta Lateral Coleta da água do lugar onde esteja sendo inconveniente. Garantir a aeração das raízes Controle da salinidade do solo Controle de doenças Drenagem de Superfície Uso de bomba para drenar a água de algum lugar. Bombeamento de Superfície Drenagem de Superfície Trabalho de movimentação de terras para regularizar o terreno a fim de formar planos inclinados. Sistematização do Terreno Drenagem de Superfície Trabalho com formas côncavas de terreno. Conformação do Terreno Drenagem de Superfície Canais com profundidade 60 cm. Canais de Drenagem Drenagem Subterrânea São apresentados na forma de tubos, menos flexíveis que os laminares. Drenos Tubulares Drenagem Subterrânea São utilizados para rebaixamento de lençol freático e barreiras hidráulicas para impedir o avanço de contaminantes. Poços de Bombeamento 11 Resumo ARH – Gabo Weby 1.4.2 Adução ou Coleta Principal Transporte da água para outro local. 1.4.3 Despejo Local onde a água é lançada. • Rio; • Mar; • Terreno baldio; • Poço; • Lago. 1.5 Tipos de Delineamentoshídrica global relacionada ao consumo, contribuindo com 92% para a pegada hídrica total. O consumo de produtos industriais e o uso doméstico de água contribuem com 4,7% e 3,8%, respectivamente. A pegada hídrica total por ano per capita varia, entre outros, de acordo com diferenças nos padrões de consumo: países com elevado consumo de carne bovina – um dos produtos com elevada utilização intensiva de água – normalmente também Pegada Hídrica Nacional Pegada hídrica média nacional per capita (m³/ano per capita) no período entre 1996 e 2005. Países em verde tem a pegada hídrica média menor que a média global. Países em amarelo e vermelho têm pegada hídrica média acima da média global. (HOEKSTRA e MEKONNEN, 2012) 69 Resumo ARH – Gabo Weby têm uma pegada hídrica nacional mais elevada. Também pode variar devido ao consumo de água e à poluição por unidade de produto por país, por exemplo, nos EUA, a pegada hídrica média de um kg de carne bovina consumida é de 14.500 m³/ton, enquanto no Reino Unido é de 9.900 m³/ton. (MEKONNEN & HOEKSTRA 2011). 6.2.9 Somos Sustentáveis? – Avaliando a Pegada Hídrica A própria Pegada Hídrica fornece-nos meros fatos sobre a quantidade, localização, tempo e tipo de fonte de água. No entanto, a informação importante que queremos obter do cálculo da Pegada Hídrica é descobrir se o impacto da Pegada Hídrica é sustentável! Isto é feito com a ajuda da Avaliação de Sustentabilidade da Pegada Hídrica. Uma Avaliação da Pegada Hídrica é realizada da seguinte forma: 1. Contabilidade da Pegada Hídrica (= cálculo de quantidade, localização, horário e fonte de água); 2. Avaliação de Sustentabilidade da Pegada Hídrica (ambiental, social, econômica); 3. Formulação de resposta à pegada hídrica. A gravidade do impacto ambiental do consumo e da poluição da água pode ser avaliada comparando a pegada hídrica de um produto/pessoa/nação, etc., com a disponibilidade de água nas massas de água afetadas no local e no momento da retirada. Os Mapas de Risco Hídrico podem ser usados como base de comparação. Também é informativo avaliar se um determinado produto/pessoa/nação, etc. contribui para pontos críticos específicos de escassez ou poluição de água, mas também se contribui desnecessariamente para a pegada hídrica global da humanidade. Uma Avaliação de Sustentabilidade da Pegada Hídrica não avalia apenas o impacto ambiental de um produto/pessoa/nação, etc., mas também o impacto social e econômico. Ao avaliar o impacto, podem ser formuladas estratégias de resposta para visar diretamente as atividades que levam à escassez e à poluição da água. Desta forma, a avaliação da pegada hídrica pode ser usada para melhorar a proteção das fontes de água e a sustentabilidade do uso da água. Texto disponível em: https://sswm.info/es/node/7612 https://sswm.info/es/node/7612 70 Resumo ARH – Gabo Weby A figura mostra que a UE como um todo recebe uma enorme quantidade de água de todo o mundo, incluindo países em desenvolvimento, como a China, o Brasil e a Índia, e países desenvolvidos como os EUA. Em contraste, a China é um grande exportador líquido de água virtual para muitos países diferentes, incluindo a UE, os EUA e o Japão. É bem sabido que o crescimento económico da China depende fortemente das exportações. Sendo a fábrica mundial, as exportações da China não se baseiam apenas em produtos industriais, mas também requerem insumos significativos da agricultura, tais como produtos têxteis e vestuário, pelo que o teor virtual de água das exportações da China é muito elevado. A figura também mostra que os EUA estão a desempenhar um papel significativo tanto na importação como na exportação de água virtual. Os EUA recebem uma grande quantidade de água virtual da China, Canadá e Brasil, mas também exportam água virtual para o Japão, a UE e o México. No entanto, em termos de fluxos líquidos totais de água virtual, os EUA ainda são considerados importadores líquidos de água virtual. Como diferentes tipos de água têm características próprias e podem servir para finalidades diferentes, desagregamos ainda mais entre fluxos globais virtuais de água azul, verde e cinza. A maioria dos estudos de pegada hídrica concentra-se na água azul (por exemplo, Duarte et al., 2002; Feng et al., 2011b; Leistrtz et al., 2002; Lenzen e Foran, 2001) porque ela pode ser usada para qualquer atividade de produção e, portanto, tem alta custos de oportunidade. 6.3 Disponibilidade de Água X Demanda no Brasil Fluxos de Água Virtuais Líquidos Globais – Total (em bilhão m³) 71 Resumo ARH – Gabo Weby 72 Resumo ARH – Gabo Weby 6.3.1 Leitura Recomendada: Conjuntura dos Recursos Hídricos no Brasil - ANA 1 Ciclo da Água A chuva é a principal responsável pela entrada de água no ciclo hidrológico. Quando precipita, parte dela escoa pelos rios, parte infiltra nos solos e o restante evapora. A vegetação tem um papel importante neste ciclo, pois uma parte da água que cai é absorvida pelas raízes e acaba por voltar à atmosfera pela transpiração ou pela simples e direta evaporação, além de influenciar no escoamento e na infiltração. Ao longo do trajeto, a água é utilizada de diversas maneiras, encontrando o mar ao final, onde evapora e condensa em nuvens que seguirão com o vento, reiniciando o ciclo. Quantidade de Água Em termos globais, o Brasil possui uma boa quantidade de água. Estima-se que o país possua cerca de 12% da disponibilidade de água doce do planeta. Mas a distribuição natural desse recurso não é equilibrada. A região Norte, por exemplo, concentra aproximadamente 80% da quantidade de água disponível, mas representa apenas 5% da população brasileira. Já as regiões próximas aos Oceano Atlântico possuem mais de 45% da população, porém, menos de 3% dos recursos hídricos do país. A Agência Nacional de Águas (ANA) acompanha a situação da quantidade de água e realiza o monitoramento hidrometeorológico a partir da operação contínua da Rede Hidrometeorológica Nacional. A ANA levanta dados importantes que acompanham o volume das águas superficiais e subterrâneas, a capacidade de armazenamento de reservatórios e as precipitações de chuvas. Essas informações são fundamentais para a gestão das águas e podem ser acessadas por qualquer cidadão brasileiro que tenha interesse em saber as condições das águas no território nacional. Clique Aqui! https://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/ciclo-da-agua 73 Resumo ARH – Gabo Weby 2 Qualidade e Quantidade de Água Estações de monitoramento de parâmetros da água são dispostas no território nacional de maneira estratégica, formando as redes de monitoramento, para medir a quantidade e a qualidade da água disponível para os diversos usos. A disponibilidade é resultado das características da bacia hidrográfica e pode ser afetada pela presença de infraestrutura hídrica, poluição e eventos críticos relacionados ao clima. 3 Usos da Água A água é insumo essencial para diversos fins como industrial, agrícola, humano, animal, transporte, lazer e geração de energia. Cada uso da água possui peculiaridades ligadas à quantidade e à qualidade, e altera e/ou depende das condições das águas superficiais e subterrâneas. Os usos podem ser classificados em consuntivos (que consomem água) e não consuntivos (não consomem diretamente, mas dependem da manutenção de condições naturais ou de operação da infraestrutura hídrica). 4 Gestão da Água Clique Aqui! Clique Aqui! Clique Aqui! https://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/quanti-quali https://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/usos-da-aguahttps://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/gestao-da-agua 74 Resumo ARH – Gabo Weby A água é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico e essencial para a vida de todos os seres vivos. Por ser um bem de domínio público, o governo federal e os governos estaduais e distrital são os responsáveis por regular o seu acesso e implementar uma série de instrumentos de gestão, promovendo o uso múltiplo e sustentável em benefício das atuais e futuras gerações. 5 Segurança Hídrica A Segurança Hídrica existe quando há disponibilidade de água em quantidade e qualidade suficientes para o atendimento às necessidades humanas, à prática das atividades econômicas e à conservação dos ecossistemas aquáticos, acompanhada de um nível aceitável de risco relacionado a secas e cheias. 6 PNRH: do Conjuntura ao Plano de Ações O Plano Nacional de Recursos Hídricos (PNRH) é a principal referência para a gestão das águas do Brasil, tendo a ANA papel central na sua implementação. Ao integrar em documento único, a visão do governo, dos setores usuários e de diferentes atores da sociedade, busca consolidar e direcionar as ações estratégicas Clique Aqui! Clique Aqui! https://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/seguranca-hidrica https://relatorio-conjuntura-ana-2021.webflow.io/capitulos/plano-nacional-de-recursos-hidricos 75 Resumo ARH – Gabo Weby voltadas ao fortalecimento do SINGREH, à melhoria das condições de qualidade e quantidade de água, à implementação dos instrumentos de gestão e ao estabelecimento das interfaces com as diversas políticas relacionadas aos recursos hídricos. O PNRH corresponde, portanto, à Agenda da Água no Brasil e ao instrumento estratégico para a compatibilização dos usos múltiplos e garantia da segurança hídrica no País. 6.3.2 Grau de Segurança Hídrica 76 Resumo ARH – Gabo Weby A Segurança Hídrica é fundamental para um desenvolvimento sustentável e ela existe quando há água disponível em quantidade e qualidade suficientes para atender às necessidades humanas e econômicas e à conservação dos ecossistemas aquáticos, com um nível aceitável de risco relacionado a secas e cheias. O Brasil é um país caracterizado por grande diversidade climática, de ecossistemas e de uso e ocupação da terra, o que resulta em desafios para o estabelecimento de indicadores de segurança hídrica. O PNSH inova ao apresentar um Índice de Segurança Hídrica (ISH) que considera as quatro dimensões do conceito de segurança hídrica (humana, econômica, ecossistêmica e de resiliência), agregadas para compor um índice global para o Brasil, representativo da diversidade do território nacional. O ISH foi calculado para os anos de 2017 e 2035. Ambos consideram apenas a infraestrutura hídrica existente e se diferenciam pela incorporação das demandas setoriais de uso da água no cenário futuro. Predominam no cenário de 2035 áreas com menor segurança hídrica na região Nordeste, enquanto as áreas com maior segurança hídrica possuem uma combinação entre uma disponibilidade hídrica natural mais elevada e uma pequena pressão de demandas. Mais informações em: https://pnsh.ana.gov.br/seguranca https://pnsh.ana.gov.br/seguranca 77 Resumo ARH – Gabo Weby 6.3.3 Demandas por Água Demanda para Consumo Animal 78 Resumo ARH – Gabo Weby A figura acima apresenta a intensidade do uso da água para abastecimento animal nos municípios brasileiros, ilustrando em quais regiões predominam as retiradas por tipo de rebanho. Observa-se a importância de caprinos e ovinos no Semiário brasileiro; de aves e suínos no Centro-Sul (muitas vezes, em regime de confinamento); e de bovinos no Rio Grande do Sul, Minas Gerais, Estados do Centro- Oeste e da fronteira agropecuária no Norte (Pará e Rondônia). No Sul e na região do Triângulo Mineiro observa-se maior coexistência de diferentes classes de rebanhos. A figura também ilustra a proporção atual dos rebanhos no total do abastecimento animal no país, onde se observa a preponderância do rebanho bovino na composição da demanda (88%), seguido pelos suínos (5%) e aves (2%). O infográfico abaixo apresenta espacialmente e graficamente a síntese dos resultados obtidos para o abastecimento animal (1931-2030). Entre 2017 e 2030, nota-se a perspectiva de expansão dos rebanhos e, consequentemente, do uso da água em direção à Amazônia Legal, enquanto o uso tende a diminuir em diversos municípios do Centro-Sul. O gráfico também apresenta a série histórica das vazões de retirada, consumo e retorno para todo o país. Ainda, é apresentada uma tabela com os dez municípios com retiradas mais relevantes em 2017. Síntese da Série de Vazões 1931 a 2030 – Abastecimento Animal 79 Resumo ARH – Gabo Weby Resultados mais detalhados podem ser acessados em www.snirh.gov.br e www.ana.gov.br/metadado Embora Corumbá/MS e São Félix do Xingu/PA destaquem-se com altas demandas, reflexo da elevada concentração de rebanhos bovinos, o uso da água para abastecimento animal é disperso pelo território nacional. É notável, entretanto, a concentração em Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Rondônia e Pará, assim como no tradicional polo de produção do Rio Grande do Sul. Agricultura Irrigada 80 Resumo ARH – Gabo Weby A agricultura irrigada demandou 1.083,6 m³/s em 2017 no Brasil, respondendo por 52% de toda a vazão retirada e 68,4% da vazão consumida - desconsiderando a evaporação líquida de reservatórios artificiais. A figura anterior apresenta um panorama de concentração de áreas irrigadas com a localização e características dos principais polos de irrigação no contexto nacional. Apresenta também, de forma gráfica, a distribuição da área e da demanda de retirada em quatro agrupamentos: arroz inundado, cana-de-açúcar, outras culturas em pivôs centrais e outras culturas e sistemas. Nota-se as diferentes proporcionalidades entre área e demanda, reflexo de diferentes intensidades de uso da água. A figura seguinte apresenta um resumo da evolução das retiradas para a agricultura irrigada no Brasil. Na perspectiva territorial, nota-se o predomínio da atividade no Sul em 1940, e de forma mais difusa em São Paulo, Minas Gerais, Bahia e Santa Catarina. Atualmente a atividade ocorre em todo o País, concentrada nos tradicionais polos do Sul e polos mais recentes no Oeste Baiano, no Triângulo e Noroeste Mineiro, no Semiárido, no Tocantins e em São Paulo. O gráfico a seguir apresenta a série de vazão retirada para irrigação entre 1931 e 2030. A atividade vem crescendo a taxas elevadas, notadamente a partir da década de 1970. O potencial de expansão é elevado, sendo prevista a incorporação de 3 milhões de hectaresno horizonte 2030. Série de Vazões 1931 a 2030 – Agricultura Irrigada 81 Resumo ARH – Gabo Weby As maiores oscilações médias anuais na demanda do gráfico acima justificam- se por anomalias climáticas, ou seja, picos representam anos mais secos em importantes polos de agricultura irrigada (maior necessidade de suplementação) e decréscimos representam anos mais úmidos (menor necessidade de irrigar). Resultados detalhados de séries históricas de usos consuntivos, para todos os municípios, podem ser acessados em www.snirh.gov.br/usos-da-agua. Destacam-se com elevadas demandas tradicionais municípios de produção de arroz no Rio Grande do Sul - cultura que associada ao sistema por inundação apresenta elevadas demandas unitárias de água. Petrolina/PE e Juazeiro/BA - Municípios limítrofes - também apresentam grandes áreas irrigadas, principalmente em perímetros públicos, e elevadas demandas unitárias de água, em função de sua localização noSemiárido. Barreiras/BA localiza-se no Oeste Baiano - região de Cerrado marcada por um forte período seco, quando a prática agrícola só se viabiliza com irrigação. 82 Resumo ARH – Gabo Weby 6.4 Principais Questões Nacionais Área Irrigada por Município Demanda de Água por Região Geográfica Escassez de água, em especial no Nordeste e Semiárido 83 Resumo ARH – Gabo Weby Poluição das águas nas regiões mais desenvolvidas e regiões metropolitanas Uso irracional e desperdício de água nos sistemas de abastecimento urbano, industrial e agrícola Inundações nas áreas com grandes aglomerações urbanas e ribeirinhas Secas regionais Águas subterrâneas: levantamento quali-quantitativo, potencial hídrico/estágio de explotação, integração com as águas superficiais e conflito regulatório com águas superficias Ausência ou fragilidade da gestão integrada dos recursos hídricos Conflitos decorrentes do uso competitivo da água inter e intra-setorial Pressões ambientais Região Norte Grande demanda por irrigação Região Sul Urbanização / Qualidade da água Região Sudeste Escassez Região Nordeste Expansão da fronteira agrícola Região Centro-Oeste Ações para Segurança Hídrica 84 Resumo ARH – Gabo Weby 7. Gestão de Recursos Hídricos 7.1 A Lei 9.433/1997 (Lei das Águas) 7.1.1 Fundamentos (Art. 1º) Decreto 24.643/1934 - Código de Águas Constituição Federal de 1988 Torna todas as águas públicas Define o domínio das águas entre União e Estados Instituir o SNGRH e definir critérios de outorga Legislar privativamente sobre águas – União Fiscalizar o uso de recursos hídricos – União, Estados e Municípios. Define as competências para: A água é um bem de domínio público; A água é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico; Em situação de escassez, o uso prioritário dos recursos é o consumo humano e a dessedentação de animais; A gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas; A bacia ou região (CNRH) hidrográfica é a unidade para implementação da PNRH e atuação do SINGREH; A gestão dos recursos hídricos deve ser descentralizada e contar com a participação do Poder Público, dos usuários e das comunidades. 85 Resumo ARH – Gabo Weby 7.1.2 Objetivos (Art 2º) 7.1.3 ART.5 São INSTRUMENTOS da Política Nacional de Recursos Hídricos: 7.1.4 Do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos TÍTULO II Do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos CAPÍTULO I Dos Objetivos e da Composição Art.32. Fica criado o SINGRH, com os seguintes objetivos: Assegurar água, em quantidade e qualidade; A utilização racional e integrada de forma sustentável; A prevenção e a defesa contra eventos hidrológicos críticos. I - Os Planos de Recursos Hídricos; II - O enquadramento dos corpos de água em classes, segundo os usos preponderantes da água; III - A outorga dos direitos de uso de recursos hídricos; IV - A cobrança pelo uso de recursos hídricos; V - A compensação financeira; VI - O Sistema de Informações sobre Recursos Hídricos. I – Coordenar a gestão integrada das águas; II – Arbitrar administrativamente os conflitos relacionados com os recursos hídricos; III – Implementar a Política Nacional de Recursos Hídricos; 86 Resumo ARH – Gabo Weby Art.33. Integram o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos: IV – Planejar, regular e controlar o uso, a preservação e a recuperação dos recursos hídricos; V – Promover a cobrança pelo uso de recursos hídricos; I - O Conselho Nacional de Recursos Hídricos; II - Os Conselhos de Recursos Hídricos dos Estados e do Distrito Federal; III - Os Comitês de Bacia Hidrográfica; IV - Os órgãos dos poderes públicos federal, estaduais e municipais, cujas competências se relacionem com a gestão de recursos hídricos; V - As Agências de Água. Subsidiar a formulação da Política de Recursos Hídricos e dirimir conflitos. Conselhos Formular a Política Nacional de Recursos Hídricos e subsidiar a formulação do Orçamento da União. MMA Implementar o Sistema Nacional de Recursos Hídricos, outorgar e fiscalizar o uso de recursos hídricos de domínio da União. ANA 87 Resumo ARH – Gabo Weby 7.1.5 Plano Nacional de Recursos Hídricos Outorgar e fiscalizar o uso de recursos hídricos de domínio do Estado. Órgão Estadual decidir sobre o Plano de Recursos Hídricos (quando, quanto e para que cobrar pelo uso de recursos hídricos). Comitê de Bacia Escritório técnico do comitê de Bacia. Agência de Água Estabelece diretrizes objetivando alcançar o cenário desejado na evolução da gestão dos recursos hídricos, tanto no contexto das bacias hidrográficas quanto das áreas especiais de planejamento (AEP’s – áreas cujo recorte não é a BH, mas alguma especificidade, p ex. bacias transfronteiriças, sistema elétrico interligado, etc). Propõe a implementação de programas nacionais e regionais e a adequação das políticas públicas relacionadas ao tema, em especial daquelas referentes aos setores usuários de recursos hídricos, objetivando o uso racional e sustentável da água. Plano Nacional de Recursos Hídricos Divisão Hidrográfica Nacional em 12 Regiões Hidrográficas 88 Resumo ARH – Gabo Weby Instituições que participam da elaboração do PNRH: O Conselho Nacional de Recursos Hídricos é o órgão mais expressivo da hierarquia do SNGRH de caráter normativo e deliberativo, com atribuições de: Art.34. O CNHR é composto por: Conselho Nacional de Recursos Hídricos – CNRH; Acompanhar, analisar e emitir parecer sobre os produtos. Câmara Técnica do Plano Nacional de Recursos Hídricos – CTPNRH Coordenar a elaboração do PNRH, submetê-lo à aprovação do CNRH e auxiliar no cumprimento de sua implementação. Secretaria de Recursos Hídricos - SRH do Ministério do Meio Ambiente Em parceria com a SRH/MMA, apoiar a elaboração do PNRH e determinar as providências necessárias ao cumprimento de suas diretrizes. Agência Nacional de Águas – ANA Composto por técnicos da SRH/MMA e da ANA, tem como incumbência subsidiar tecnicamente a elaboração do PNRH, por meio de apoio institucional, técnico e logístico. Grupo Técnico de Coordenação e Elaboração do PNRH (GTCE) Promover a articulação do planejamento de recursos hídricos com os planejamentos nacional, regional, estadual e dos setores usuários; Acompanhar a execução e aprovar o Plano Nacional de Recursos Hídricos; Estabelecer critérios gerais para a outorga de direito de uso dos recursos hídricos e para a cobrança pelo seu uso. Decidir sobre as grandes questões do setor, além de dirimir as contendas de maior vulto. I - Representantes dos Ministérios e Secretarias da Presidência da República com atuação no gerenciamento ou no uso de recursos hídricos; II - Representantes indicados pelos Conselhos Estaduais de Recursos Hídricos; 89 Resumo ARH – Gabo Weby Parágrafo único. O número de representantes do Poder Executivo Federal não poderá exceder à metade mais um do total dos membros do CNRH. 7.2 EnquadramentoIII representantes dos usuários dos recursos hídricos; IV - Representantes das organizações civis de recursos hídricos. Enquadramento de corpos de água em classes de usos preponderantes O Comitê de Bacia Hidrográfica é o responsável pela aprovação da proposta de enquadramento dos corpos de água em classes de uso; Elaborada pela Agência de Bacia, para posterior encaminhamento ao respectivo Conselho de Recursos Hídricos Nacional ou Estadual, de acordo com o domínio dos corpos de água. Objetivos assegurar às águas qualidade compatíveis com os usos mais exigentes a que forem destinadas; Diminuir os custos de combate à poluição das águas, mediante ações preventivas permanentes; Toda outorga de direito de uso da água deve respeitar a classe em que o corpo de água estiver enquadrado. Há de se considerar também que o enquadramento dos corpos d'água deve estar baseado não necessariamente no seu estado atual, mas nos níveis de qualidade que deveriam possuir ou serem mantidos, para atender às necessidades da comunidade. 90 Resumo ARH – Gabo Weby Em decorrência do enquadramento: 7.3 Outorga 7.3.1 Lei 9.433/97 - Art.12 Estão sujeitos a outorga pelo Poder Público os direitos dos seguintes usos de recursos hídricos: deverão ser realizadas as outorgas de lançamentos de efluentes nos corpos de água e os licenciamentos de atividades que possam alterar o regime qualitativo das águas. Serão igualmente indicadas as metas de despoluição das águas da bacia, quando suas qualidades não atenderem às demandas dos usos. Em qualquer caso deverão ser avaliadas as alterações promovidas na qualidade das águas e, como consequência, se os indicadores de qualidade de água obedecerão às concentrações estipuladas para a classe em que o corpo de água se acha enquadrado. A outorga é um instrumento jurídico pelo qual o Poder Público, através do órgão que possui a devida competência legal, confere a possibilidade de usar privativamente um recurso. A outorga de direito de uso da água protege o usuário contra aqueles que não possuem a outorga. I - Derivação ou captação de parcela da água existente em um corpo de água para consumo final, inclusive abastecimento público, ou insumo de processo produtivo; 91 Resumo ARH – Gabo Weby § 1 - Independem de outorga pelo Poder Público, conforme definido em regulamento: § 2 - A outorga e a utilização de recursos hídricos para fins de geração de energia elétrica estará subordinada ao Plano Nacional de Recursos Hídricos. 7.3.2 Lei 9.433/97 - Art.13 Parágrafo único. A outorga de uso dos recursos hídricos deverá preservar o uso múltiplo destes. 7.3.3 Lei 9.433/97 - Art.15 A outorga de direito de uso de recursos hídricos poderá ser suspensa parcial ou totalmente, em definitivo ou por prazo determinado, nas seguintes circunstâncias: II - Extração de água de aquífero subterrâneo para consumo final ou insumo de processo produtivo; v III - Lançamento em corpo de água de esgotos e demais resíduos líquidos ou gasosos, tratados ou não, com o fim de sua diluição, transporte ou disposição final; IV - Aproveitamento dos potenciais hidrelétricos; V - Outros usos que alterem o regime, a quantidade ou a qualidade da água existente em um corpo de água. I - O uso de recursos hídricos para a satisfação das necessidades de pequenos núcleos populacionais, distribuídos no meio rural; II - As derivações, captações e lançamentos considerados insignificantes; III - As acumulações de volumes de água consideradas insignificantes. Toda outorga estará condicionada às prioridades de uso estabelecidas nos Planos de Recursos Hídricos e deverá respeitar a classe em que o corpo de água estiver enquadrado e a manutenção de condições adequadas ao transporte aquaviário, quando for o caso. I - Não cumprimento pelo outorgado dos termos da outorga; II - Ausência de uso por três anos consecutivos; 92 Resumo ARH – Gabo Weby 7.3.4 Lei 9.433/97 - Art.16 7.3.5 Lei 9.433/97 - Art.18 7.3.5 Conceitos Fundamentais III - necessidade premente de água para atender a situações de calamidade, inclusive as decorrentes de condições climáticas adversas; IV - Necessidade de se prevenir ou reverter grave degradação ambiental; V - Necessidade de se atender a usos prioritários, de interesse coletivo, para os quais não se disponha de fontes alternativas; VI - Necessidade de serem mantidas as características de navegabilidade do corpo de água. Toda outorga de direitos de uso de recursos hídricos far-seá por prazo não excedente a trinta e cinco anos, renovável. A outorga não implica a alienação parcial das águas, que são inalienáveis, mas o simples direito de seu uso. Instrumento clássico de ‘comando e controle’; Lida mais diretamente com a alocação de água; Garantia dada pelo Estado ao usuário da água; Visa conferir segurança jurídica àqueles que usam água para suas atividades econômicas; Estes fatores, bem como o caráter móvel da água nos rios, causam assimetrias econômicas que não podem ser resolvidas somente pelo mercado, havendo a necessidade de regulação por parte de um ente desinteressado (o Estado) para seu equilíbrio. A implementação da outorga induz à ordem no uso dos recursos hídricos e, por isso, inibidor de conflitos. No Brasil, em comparação com outras partes do mundo, convergiu-se para um sistema em que a administração pública define a priori o risco de desatendimento (ou garantia de atendimento) a que o conjunto de usuários de uma bacia está sujeito. 93 Resumo ARH – Gabo Weby 7.4 Cobrança 7.4.1 Conselho Nacional de Recursos Hídricos – CNRH 7.4.2 Lei 9.433 - Art.7 Os Planos de Recursos Hídricos são planos de longo prazo, com horizonte de planejamento compatível com o período de implantação de seus programas e projetos e terão o seguinte conteúdo mínimo: 7.4.3 Agência Nacional de Águas – ANA (art. 4º da Lei nº 9.984/00) 7.4.4 Comitês de Bacia Hidrográfica (art. 38 da Lei nº 9.433/97) Ao definir como “vazão de referência” a Q95 (valor mínimo de vazão que deve ser garantido em 95% do tempo avaliado), por exemplo, o Estado assume arbitrariamente que, em média, os usuários têm uma tolerância de 5% ao risco de desatendimento hídrico. Esta abordagem foca no comando, visto que o controle (fiscalização) é de difícil operacionalização em um país com as dimensões do Brasil. Por esse motivo, assume-se um risco relativamente baixo, ou uma garantia relativamente alta, para impedir o risco de conflitos de forma preventiva, já no ato da outorga. A abordagem adotada no Brasil confere certa segurança ao tomador de decisão, porém pode levar a uma subutilização de água em alguns casos. Definir os valores a serem cobrados pelo uso de recursos hídricos de domínio da União, com base nos mecanismos e quantitativos sugeridos pelos Comitês de Bacia Hidrográfica e nos estudos técnicos elaborados pela ANA. VIII - Prioridades para outorga de direitos de uso de recursos hídricos; IX - Diretrizes e critérios para a cobrança pelo uso dos recursos hídricos; Implementar, em articulação com os Comitês de Bacia Hidrográfica, a cobrança pelo uso de recursos hídricos de domínio da União; Arrecadar, distribuir e aplicar receitas auferidas por intermédio da cobrança pelo uso de recursos hídricos de domínio da União. 94 Resumo ARH – Gabo Weby 7.4.5 SEÇÃO IV (lei 9.433)- Da Cobrança do Uso de Recursos Hídricos ART.19 - A cobrança pelo uso de recursos hídricosobjetiva: ART.20 - Serão cobrados os usos de recursos hídricos sujeitos a outorga, nos termos do ART.12 desta Lei. ART.21 - Na fixação dos valores a serem cobrados pelo uso dos recursos hídricos devem ser observados, dentre outros: ART.22 - Os valores arrecadados com a cobrança pelo uso de recursos hídricos serão aplicados prioritariamente na bacia hidrográfica em que foram gerados e serão utilizados: Estabelecer os mecanismos de cobrança pelo uso de recursos hídricos e sugerir os valores a serem cobrados. I - Reconhecer a água como bem econômico e dar ao usuário uma indicação de seu real valor; II - Incentivar a racionalização do uso da água; III - Obter recursos financeiros para o financiamento dos programas e intervenções contemplados nos planos de recursos hídricos. I - Nas derivações, captações e extrações de água, o volume retirado e seu regime de variação; II - Nos lançamentos de esgotos e demais resíduos líquidos ou gasosos, o volume lançado e seu regime de variação e as características físico-químicas, biológicas e de toxidade do afluente. I - No financiamento de estudos, programas, projetos e obras incluídos nos Planos de Recursos Hídricos; II - No pagamento de despesas de implantação e custeio administrativo dos órgãos e entidades integrantes do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. Articulação entre os Instrumentos 95 Resumo ARH – Gabo Weby 8. Mercado de Energia Elétrica – Demanda 8.1 Potência e Energia 8.2 Tipos de Consumidores Demanda INSTANTÂNEA (KW, MW, GW) Potência Demanda AO LONGO DO TEMPO (KWh, MWh, GWh) Energia Casas, apartamentos. Residenciais Lojas (horário comercial de funcionamento - varia conforme o consumidor). Comerciais Prédios públicos, iluminação nas ruas. Públicos O ideal seria funcionar 24 horas por dia. O consumidor industrial precisa de energia 24h/dia no máximo de suas máquinas, a não ser que haja ociosidade. Ex.: indústria de alumínio - 80% do alumínio é energia elétrica. Industriais Cada tipo de consumidor tem um comportamento, um perfil de consumo. A maneira como se comportam define as características básicas do mercado. São consideradas como atividades industriais eletrointensivas as indústrias de cimento, ferro-gusa e aço, ferro-ligas, não-ferrosos e outros da metalurgia, química, papel e celulose. São indústrias que possuem elevado consumo de energia elétrica em sua produção. Ex.: Volta Redonda - na década de 40, Getúlio fez uma das maiores siderúrgicas do mundo, a CSN. Aquela cidade, antes residencial e comercial, passou a ter altíssimo consumo de energia. As características básicas de consumo de Volta Redonda foram alteradas. Indústria de Eletrointensivos 96 Resumo ARH – Gabo Weby 8.3 Características Básicas do Mercado 8.3.1 Consumo e Demanda Consumo é a energia consumida num intervalo de tempo, ou seja, o produto da potência (kW) da carga pelo número de horas (h) que a mesma foi ligada. Quantificando a demanda, pode-se quantificar a oferta. “Mercado estruturado pela demanda” → energia elétrica. A concessionária tem que fornecer a energia para o consumidor. Não devem acontecer falhas. A presença da energia elétrica aumenta a qualidade de vida das pessoas, permite a chegada da informação aos lugares. 97 Resumo ARH – Gabo Weby Analisando graficamente o exemplo das lâmpadas coloridas de 100W no período de 3 horas, tem-se: Ao ligar vários aparelhos ao mesmo tempo, ocorre um pico de demanda, que deve ser atendida instantaneamente. A energia gerada ao longo do tempo tem que ser suficiente para atender a essa demanda instantânea. Ao mesmo tempo que se atende a demanda de energia elétrica ao longo do tempo, também deve-se atender a demanda instantânea. Consumo de Energia Elétrica por Equipamento O consumo de energia elétrica por equipamento tende a aumentar conforme aumenta o número de pessoas que adquirem esses aparelhos. Nota-se pela figura acima que o consumo de energia de lâmpadas diminuiu. Isso se deve à gradual troca de lâmpadas incandescentes ou florescentes por lâmpadas LEDs, que consomem menos. Fonte: EPE Plano Decenal de Energia 2017. 98 Resumo ARH – Gabo Weby 8.3.2 Parâmetros Quantificadores do Mercado Fator de Carga = Demanda média Demanda máxima 8.3.3 Curva Representativa a) Curva azul: meia-noite as pessoas estão indo dormir e, consequentemente, a carga diminui. A partir de 06:00, as pessoas estão acordando e a carga começa a subir. Em seguida, elas vão aos seus destinos (escola, trabalho), fazendo com que a carga aumente ainda mais. No horário do almoço, a carga diminui, tendo em vista que as pessoas param de usar os equipamentos de onde estão e se direcionam para outro estabelecimento para almoçar. Em seguida, o consumo volta a aumentar. No fim do dia, quando as pessoas voltam para casa, ocorre um pico de demanda decorrente da ligada abrupta de vários aparelhos ao mesmo tempo. Demanda máxima no intervalo de tempo considerado. Demanda Máxima É a média da demanda no intervalo de tempo considerado. Demanda Média A curva representativa pode ser diária, mensal, anual etc. O mais comum é que seja diária. Curva de carga diária do Brasil (2002). 99 Resumo ARH – Gabo Weby No pico da curva é o momento em que acontece a máxima demanda, que deve ser atendida instantaneamente. b) Curva verde: como em dia de jogo é feriado, as pessoas não vão para à escola ou ao trabalho. Por isso, a curva já começa abaixo da curva de um dia típico. No início do jogo, a demanda começa a diminuir, o que pode ser explicado pelo fato de que as pessoas se reúnem em um só lugar para assistir ao jogo e desligam os aparelhos de onde estavam anteriormente. Após o fim do 1º tempo e início do intervalo do jogo, as pessoas vão rapidamente fazer outra atividade, seja ir ao banheiro, abrir a geladeira etc., causando uma subida repentina curva de carga. Começa o 2º tempo do jogo e novamente as pessoas se reúnem num mesmo lugar, diminuindo a demanda. Termina o jogo e todos voltam a fazer seus afazeres do dia, o que faz com que a partir de então a curva de carga num dia de jogo no Brasil se assemelhe à curva de um dia típico. c) Rampa de 7.305MW em 18 min: esse aumento repentino num curto espaço de tempo muitas vezes pode ser difícil de ser atendido. As Usinas Hidrelétricas com reservatório, principalmente, conseguem atender muito rapidamente um aumento instantâneo da demanda. Isso porque aumenta-se o distribuidor da turbina, permitindo mais entrada de água e, consequentemente, mais geração de energia elétrica. Curva de carga no Brasil num dia de jogo de Copa do Mundo em 2006. A curva de carga residencial possui oscilações maiores, enquanto a curva industrial tende a ser mais uniforme. 100 Resumo ARH – Gabo Weby 8.4 Mercados Interligados Curva de carga: residencial (linha pontilhada) e industrial (linha contínua). Carga no Sistema Interligado Nacional (SIN) num dia de jogo de Copa do Mundo em 2018. Fonte: Palestra Roberto Araújo, 2012. 101 Resumo ARH – Gabo Weby O mercado de energia no Brasil é interligado, o que significa que quando uma região possui alta demanda de energia e não consegue suprir, outra região que possui alta oferta transmite essa energia para a região que tem pouca. As regiões Norte, Nordeste, Sudeste e Centro-Oeste, no inícioe no final do ano possuem maior índice de chuvas, o que possibilita o enchimento dos reservatórios das Usinas Hidrelétricas e maior geração de energia. Por outro lado, no meio do ano, essas regiões são mais secas e, consequentemente, suas capacidades de geração são menores. A região Sul possui um índice de geração de energia elétrica mais ou menos constante ao longo do ano, graças à Usina Hidrelétrica de Itaipu. 102 Resumo ARH – Gabo Weby Fonte: ONS, palestra em evento da ABRH, 2019. 103 Resumo ARH – Gabo Weby Se for decidido usar a água do reservatório para geração de energia por via hidrelétrica e posteriormente chover, a decisão foi acertada, pois o volume do reservatório poderá ser restabelecido. Se for decidido usar a água do reservatório para geração de energia por via hidrelétrica e posteriormente não chover, a decisão foi arriscada, pois o volume do reservatório não será restabelecido e haverá risco de déficit. Se for decidido não usar a água do reservatório para geração de energia por via hidrelétrica, mas gerar energia por via térmica, e posteriormente chover, a decisão foi equivocada, pois o reservatório, a princípio cheio, verterá, e o combustível das usinas térmicas estará sendo desperdiçado. Se for decidido não usar a água do reservatório para geração de energia por via hidrelétrica e posteriormente não chover, a decisão foi acertada, pois o volume do reservatório se manterá e, consequentemente, diminuir-se-á o risco de déficit. 104 Resumo ARH – Gabo Weby Na geração de energia, é importante que a tensão seja elevada por meio dos transformadores a fim de evitar perdas na transmissão. Chegando próximo aos centros de consumo, tem-se as subestações que diminuem essa tensão. 105 Resumo ARH – Gabo Weby 8.5 Projeção da Demanda Evolução do PIB Extensão de séries históricas Plano Decenal de Energia Elétrica (EPE) Plano de diretor de desenvolvimento X aumento da oferta (EPE);históricas; Setor industrial: Consumo final de energia por segmento Fonte: EPE - Plano Decenal de Energia 2017. Projeção do consumo do Brasil na rede para os próximos 15 anos no cenário de referência 106 Resumo ARH – Gabo Weby Evolução do consumo industrial brasileiro na rede para o cenário de referência 107 Resumo ARH – Gabo Weby Capacidade Instalada no SIN no final de maio de 2018 Fonte: EPE - Plano Decenal de Energia 2027. 108 Resumo ARH – Gabo Weby “[…] despachado pelo modelo Newave para cada cenário de afluência, há a necessidade de uma geração complementar para o atendimento à demanda máxima, identificada pela área superior do Gráfico 34. Essa complementação se amplia a cada ano em função da entrada significativa das opções de expansão renovável (principalmente eólica e solar), que possuem maior vocação para o suprimento à carga média de energia e menor controlabilidade para o atendimento de potência. Tal necessidade é, também, fortemente afetada pela redução na capacidade de regularização dos reservatórios das UHE, o que reduz a capacidade de modulação e aumenta as perdas de potência por deplecionamento.” - EPE Plano Decenal de Energia 2026. Atendimento à Demanda Máxima do SIN Fonte: EPE - Plano Decenal de Energia 2026. Fonte: EPE - Plano Decenal de Energia 2027. Geração das Fontes Não Controláveis - NE 109 Resumo ARH – Gabo Weby “Outra possível causa de vertimento em escala horária, ilustrada no Gráfico 37 para o período de junho de 2026, é a alta contribuição eólica nos momentos de carga leve. Essa contribuição, associada a restrições de defluência mínima das UHE, metas de geração termelétrica (estabelecidas em escala mensal e semanal) e limites de intercâmbio, pode resultar na impossibilidade do escoamento de todo o excedente para as outras regiões do SIN. Vale destacar, mais uma vez, a importância da avaliação horária não só para representar adequadamente o sistema gerador, como também para a avaliação do sistema de transmissão, fundamental para a otimização da operação energética.” - EPE - Plano Decenal de Energia 2026. Além de tecnologias voltadas para o atendimento à demanda máxima, devem ser buscadas também tecnologias para prover a flexibilidade necessária para o atendimento a qualquer hora do dia e em resposta à variação instantânea da carga e demanda no curto prazo. Nessas condições, dentre as opções de geração e soluções tecnológicas candidatas no horizonte decenal, pode-se destacar: Risco de Déficit de Potência na Expansão para o Atendimento apenas à Carga de Energia Com a diminuição das Usinas Hidrelétricas com reservatório, aumenta-se o risco de déficit no atendimento à carga. Usinas termelétricas de partida rápida Repotenciação ou instalação de unidades geradoras adicionais em usinas hidrelétricas existentes Usinas hidrelétricas reversíveis 110 Resumo ARH – Gabo Weby “No horizonte de estudo do PDE, a introdução dos medidores inteligentes e da tarifação dinâmica possuem potencial para a criação de redes inteligentes - ou smart grids - que irão alterar o planejamento da expansão do Brasil. A smart grid é um sistema elétrico fortemente interligado com automação e telecomunicações, que permite o melhor aproveitamento e integração de novas tecnologias, como por exemplo, a geração distribuída, a resposta da demanda, o armazenamento e os veículos elétricos. Na Figura 2 pode-se observar a entrada destes novos elementos na rede elétrica atual, a partir da Gerenciamento pelo lado da demanda Armazenamento químico de energia (baterias) Esquematização da uma Usina Hidrelétrica Reversível Se houver energia eólica ou solar disponível, pode-se bombear a água de um reservatório que se encontra num patamar inferior para outro que está num patamar superior, fazendo com que assim seja armazenada energia potencial gravitacional, a qual poderá posteriormente ser usada para geração de energia elétrica em momento em que não houver vento nem sol, ou quando a demanda instantânea estiver muito alta e precisar urgentemente ser atendida. 111 Resumo ARH – Gabo Weby visão da EPRI - Eletric Power Research Institute e da distribuidora KCP&L - Kansas City Power and Light Company. Smart Grid na Rede Elétrica 112 Resumo ARH – Gabo Weby 9. Mercado de Energia Elétrica – Oferta 9.1 Mercado de Energia Elétrica: Oferta Matriz Energética Mundial 2016 Matriz Energética Brasileira 2017 Fonte: EPE, 2019. Fonte: BEN, 2018. Capacidade Instalada no SIN no final de maio de 2018 Fonte: EPE Plano Decenal de Energia 2027 A hidroeletricidade ainda é a principal fonte de energia. 113 Resumo ARH – Gabo Weby Balanço Energético SIN – Jan 2009 a Out/2019 Ano Hidráulica Térmica Eólica Solar Out 2019 73,50% 16,60% 9,10% 0,70% 2018 73,70% 17,30% 8,30% 0,50% 2017 71,90% 20,60% 7,20% 0,10% 2016 75,80% 18,50% 5,70% 0,00% 2015 71,10% 25,30% 3,70% 0,00% 2014 72,30% 25,90% 1,80% 0,00% 2013 78,60% 20,70% 0,80% 0,00% 2012 85,80% 13,60% 0,60% 0,00% 2011 91,70% 8,50% 0,40% 0,00% 2010 89,00% 10,90% 0,30% 0,00% 2009 93,50% 6,60% 0,20% 0,00% Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 O Brasil está passando por uma mudança no paradigma na geração de energia. Em 9 anos, a produção de energia eólica aumentou 23 vezes. Fonte: Apresentação TCC João G. Angstmann 114 Resumo ARH – Gabo Weby Transição da Expansão: Reservatórios → Usinas a Fio d’Água Destacados apenas reservatórios com volumes úteis maiores que 5.000 hm³ que correspondem a cerca de 76%do volume útil total atual. Todavia, a energia eólica possui um grande problema: ela é intermitente e altamente volátil ao longo do dia. Amostra da variação horária da velocidade do vento em um sítio eólico durante o dia Fonte: BOUBENIA et al., 2017 Evolução da Geração Hidroelétrica Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 115 Resumo ARH – Gabo Weby *Estão abatidas a inflexibilidade térmica e a geração das usinas não simuláveis individualmente. Variabilidade Semanal / Diária – Outubro 2019 Grau de Regularização Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 Ao considerarmos a inflexibilidade média anual da geração da Amazônia, bem como todas as usinas a fio d’água do SIN, o grau de regularização ao final de 2023 poderá se elevar para algo em torno de 8 meses, sendo este um crescimento virtual da capacidade de armazenamento pelo efeito da não despachabilidade dessa geração. Geração Eólica NE (Fonte Intermitente e Não Controlável) Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 116 Resumo ARH – Gabo Weby Perda de Regularização → Maior dependência da próxima estação chuvosa Perda de Regularização → Maior dependência da próxima estação chuvosa Energia Armazenada SE/CO – Histórico 2001-2019 Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 Energia Armazenada Nordeste – Histórico 2001-2019 Fonte: ONS, Palestra em evento da ABRH 2019 117 Resumo ARH – Gabo Weby 9.2 Características dos Aproveitamentos Hidrelétricos 1 m³ de água pesa mil kgf Quando a cada segundo cai 1 m³ de água a uma altura de 1 m, produz-se a potência teórica de: [mil kgf] × [1 m] = 9,8 KW A potência teórica é de 𝑃𝑡 = 𝑄𝐻 (em tm/s), onde 𝑄 é igual à descarga, em m³/s. A unidade de potência é: 1 tm/s = 9,81 kw = 13,33 cv. Sendo 𝜂 o fator de rendimento da turbina e do gerador, 𝐻𝑙 a queda líquida (queda bruta menos perdas) nos órgãos de adução, então a potência efetiva é: 𝑃𝑒 = 9,81 ⋅ 𝜂total ⋅ 𝑄 ⋅ 𝐻𝑙 (em kw) 𝐻𝑙 (queda líquida) = 𝐻𝑏 (queda bruta) − perdas de carga Para cálculos preliminares, pode-se adotar: • 𝜂𝑡 = 0,90 • 𝜂𝑔 = 0,95 • 𝜂total = 𝜂𝑡 ⋅ 𝜂𝑔 = 0,855 Usinas hidrelétricas são um conjunto de dispositivos (obras, reservatório, equipamentos) que permitem transformar energia hidráulica → energia mecânica → energia elétrica. As principais estruturas do circuito hidráulico de geração são barragem, tomada d´água, canais de adução, condutos forçados, casa de força. O vertedouro é a estrutura responsável pela segurança da UHE. A barragem cria diferença de nível entre o espelho de água do reservatório (montante) e o canal de fuga (jusante). Ela forma um reservatório onde a água, constantemente renovada, é captada para a produção de energia elétrica. 118 Resumo ARH – Gabo Weby Se em cada conjunto turbina-gerador passa a vazão 𝑞, “caindo” de uma altura ℎ, produz- se a potência igual a: 𝑃 = 9,81 ⋅ 𝜂 ⋅ 𝑄 ⋅ 𝐻𝑙 (em KW) • 𝑄 em m³/s; • 𝐻 em m; A potência máxima de um aproveitamento hidrelétrico é a Potência Instalada desse aproveitamento. Energia = ∫ 𝑃𝑒 dt em KWh 𝐸𝑓𝑖 – nos estudos preliminares, energia firme da alternativa de divisão de quedas 𝑖: 𝐸𝑓𝑖 =∑𝐸𝑓𝑗 𝑛 𝑗=1 Sendo que a Energia Firme depende de: • 𝐻𝑙𝑚𝑖 – queda líquida média dos aproveitamentos da alternativa 𝑖, em m; • 𝑄𝑙𝑚𝑖 – descarga líquida média do período crítico dos aproveitamentos da alternativa 𝑖, em m³/s; Para a determinação dos valores de 𝐻𝑙𝑚𝑖 e 𝑄𝑙𝑚𝑖 é necessário conhecer, para cada aproveitamento, os parâmetros: • NAmax Normal; • NA Normal jusante; • 𝐻𝑏 máx; • 𝐻𝑏 mín; • Depleção máx; • Volume útil; • NA médio; • 𝐻𝑙 máx; • 𝐻𝑙 médio; • 𝐻𝑙 mín. 119 Resumo ARH – Gabo Weby 120 Resumo ARH – Gabo Weby Fator de capacidade = Potência Firme Potência Instalada 9.2.1 Diagrama de Rippl Somas das potências dos geradores, máxima potência gerada na UHE. Potência Instalada Correspondente a 95 % de permanência; garantida 95% do tempo (risco de déficit 5%). Energia Firme ou Assegurada Regularização de Vazões Hidrógrafa de entrada em um reservatório, vazão de regularização e volume do reservatório (figura acima) e diagrama de massa da figura correspondente ao hidrograma (figura abaixo). 121 Resumo ARH – Gabo Weby Diagrama de massa hipotético. O intervalo de tempo compreendido entre os instantes correspondentes aos pontos C e E chama- se período crítico. As ordenadas DG representam os máximos déficits de água durante os períodos críticos. O maior valor da ordenada GD no diagrama de Rippl corresponde ao volume útil do reservatório para atender ao abastecimento de água. 122 Resumo ARH – Gabo Weby 9.2.2 Cálculo do volume de um reservatório Dimensionar o volume dos reservatórios com finalidades múltiplas: Abastecimento urbano e agrícola Controle de nível d’água e cheias Geração hidrelétrica Recreação e lazer Piscicultura e aquicultura Navegação Volume de controle de cheias: Volume de Espera (conflito com geração e abastecimento) Volume de Amortecimento de Cheias 123 Resumo ARH – Gabo Weby 9.2.3 Prevenção de cheias do Sistema Interligado Nacional (SIN) Interligação: firmar a energia da usina. Ex.: Tucuruí teve aumento de 50% na produção após interligação. Após anos de regularização das vazões e de falta de fiscalização do poder público, começa a ocorrer a ocupação irregular da calha natural de cheia do rio. Calha natural de cheia do rio preservada Calha natural de cheia do rio ocupada Bacia do rio Paraíba do Sul a jusante da UHE Funil: cidade de Barra Mansa Neste contexto, é imposta sobre a operação do reservatório a montante uma restrição de vazão defluente máxima. Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 Bacia do rio Paraíba do Sul Guararema – Ocupação da Calha Natural de Cheia do rio 124 Resumo ARH – Gabo Weby A seguir, serão apresentados alguns gráficos dos tipos de usinas versus potências disponíveis e demandas (considerando um mercado isolado). 125 Resumo ARH – Gabo Weby 9.3 Tipos de Aproveitamentos Hidrelétricos As diversas fontes de energia elétrica, quanto à sua principal utilização em termos da curva de carga: Utilizada principalmente na base da curva de carga, trabalha em geral, ininterruptamente. Exemplo: nucleares. Usinas de Base Garante nos horários de ponta. Por exemplo, termelétricas a gás e hidrelétricas com grandes reservatórios. Usinas de Ponta 126 Resumo ARH – Gabo Weby As usinas hidrelétricas (UHEs), quanto à sua principal utilização em termos da curva de carga, podem ser: Quanto à capacidade de regularização do reservatório: Quanto à capacidade de regularização (potência, vazão, queda) do reservatório: Quanto ao modo de criar o desnível: Utilizada principalmente na base da curva de carga, trabalha em geral, ininterruptamente. UHEs de Base Utilizada principalmente na base da curva de carga, trabalha em geral, ininterruptamente. UHEs de Ponta Quando não possui reservatório com dimensões que lhe permitam grandes regularizações, porém ela pode fazer regularizações em nível horário ediário. UHE a fio d´água Regularização de reservatórios pode ser: semanal, mensal, semestral, anual, etc. UHE com regularização A barragem represa o rio efetuando a concentração do desnível e a casa de força se encontra diretamente ao pé da barragem. Usina de represamento Da barragem sai um canal aberto, ou um túnel adutor ou uma tubulação, que conduz a água à chaminé de equilíbrio e desta às turbinas, na casa de força, por tubulações forçadas ou por túnel forçado. Usina de desvio A barragem represa um rio e a água é conduzida por um canal ou túnel para a encosta ou vale de outro rio, onde são construídos a chaminé de equilíbrio, a tubulação forçada e a casa de força. Usina de derivação 127 Resumo ARH – Gabo Weby 9.3.1 Usina de Represamento A barragem represa o rio efetuando a concentração do desnível e a casa de força se encontra diretamente ao pé da barragem. O arranjo das usinas de represamento depende da altura da barragem e da topografia local. Usinas com baixa queda. O represamento não aumenta muito a seção transversal do rio e, por isso, durante as enchentes, a velocidade da água é relativamente grande, provocando turbilhonamento. Exemplo 1: UHEs Canoas I e II pois foram as primeiras, no Brasil, a utilizar turbinas do tipo bulbo, próprias para baixas quedas (ambas possuem quedas no entorno de 15 m). Exemplo 2: UHE Porto Colômbia (vert. TA, muro de transição, flexão no eixo para evitar vórtices e evitar diminuição na energia gerada). Foi construída para aproveitar o alto grau de regularização de descargas, promovido pelo reservatório da Usina de Furnas. A usina de Porto Colômbia é a única hidrelétrica de baixa queda no Sistema FURNAS, aproximadamente 20m. 9.3.2 Usina de Desvio Da barragem sai um canal aberto, ou um túnel adutor, ou uma tubulação, que conduz a água à chaminé de equilíbrio (ou não) e desta às turbinas, na casa de força, por tubulações forçadas ou por túnel forçado. Aproveitamento com tomada d’água e casa de força integrados na mesma estrutura (UHE Esperança). Fonte: Manual inventário, Eletrobras. UHE Porto Colombia 320 MW 128 Resumo ARH – Gabo Weby Exemplo 1: Aproveitamento Hidrelétrico de Ponte de Pedra explora uma: • queda líquida de projeto de 243,25 m; • vazão de projeto de 80,7 m³/s do rio Correntes; • potência instalada final de 176,1 MW Situa-se no rio Correntes, divisa entre os estados de Mato Grosso e Mato Grosso do Sul. Exemplo 2: Aproveitamento Hidrelétrico de Ponte de Pedra. O eixo do barramento está localizado a cerca de 8,0 km a noroeste da sede municipal de Sonora, a aproximadamente 1,0 km a montante do local denominado “Sumidouro”, onde o rio Correntes desaparece completamente, passando a constituir-se em um rio subterrâneo que volta a surgir na superfície do terreno a cerca de 330,0 m a jusante. Trecho de vazão reduzida de um aproveitamento hidrelétrico. Fonte: ANA, 2016a. 129 Resumo ARH – Gabo Weby Aproveitamento Hidrelétrico de Ponte de Pedra 130 Resumo ARH – Gabo Weby 10. Circuito Hidráulico de Geração em Usinas Hidrelétricas 10.1 Circuito Hidráulico de Geração Um circuito hidráulico de geração pode ser composto das seguintes estruturas: As dimensões do circuito hidráulico de geração são determinantes para a concepção do arranjo geral da usina. As estruturas que compõem o circuito hidráulico de geração deverão ser dispostas de forma a definir um conjunto o mais curto possível e que resulte em menores volumes de obras. O arranjo do circuito hidráulico de geração depende, basicamente, das características topográficas e geológicas do local, da vazão máxima turbinada e do deplecionamento máximo do reservatório. 10.1.1 Alguns arranjos típicos A) Circuitos hidráulicos de geração para aproveitamentos em que o desnível é causado essencialmente pela barragem: A.I - Aproveitamento de baixa queda, com tomada d’água e casa de força integradas na mesma estrutura, não existindo condutos forçados; Canal/conduto de adução Tomada d’água Conduto adutor Chaminé de equilíbrio Conduto ou túnel forçado Casa de força Canal ou túnel de fuga Um circuito hidráulico mais curto tem menos perdas de carga. 131 Resumo ARH – Gabo Weby A.II - Aproveitamento de queda média ou baixa, com tomada d’água do tipo gravidade fazendo parte do barramento, e com condutos forçados parcial ou totalmente embutidos no concreto da tomada d’água. 𝑃 = 9,81 ∗ 𝜂total ∗ 𝑄 ∗ 𝐻𝑙 (em kW) 𝐻𝑙 (queda líquida) = 𝐻𝑏 − perdas de carga 𝐻𝑏 (queda bruta) = 𝑁𝐴normal montante − 𝑁𝐴normal jusante B) Circuitos hidráulicos de geração para aproveitamentos comportando derivação: UHE Esperança Fonte: Manual Inventário, ELB. UHE Água Vermelha Fonte: Manual Inventário, ELB. 132 Resumo ARH – Gabo Weby B.I - Aproveitamentos com derivação em canal, com canal de derivação, tomada d’água, conduto ou túnel forçado, casa de força e canal de fuga. C) Circuitos longos: C.I - Aproveitamentos com derivação em conduto fechado, com canal de aproximação, tomada d’água, conduto adutor de baixa pressão em túnel ou externo, chaminé de equilíbrio, casas de válvulas, conduto ou túnel fechado, casa de força subterrânea ou externa e canal ou túnel de fuga. UHE Erveira Fonte: Manual Inventário, ELB. Aproveitamento com derivação em conduto fechado (UHE Capivari Cachoeira) Fonte: Manual Inventário, ELB. 133 Resumo ARH – Gabo Weby 10.2 Chaminé de Equilíbrio É muito comum em regiões de acesso mais difícil a demanda por energia ser atendida no momento em que é requisitada. Às vezes, um ponto ou mais da linha de transmissão pode ser danificado, seja pelo vento, chuva, raio etc., impedindo a distribuição da energia elétrica para essa região. Nesse ponto, os disjuntores desarmam a linha de transmissão. Quando a turbina está girando, há um esforço muito alto para que se possa gerar energia elétrica através da conversão da energia mecânica. Quando a demanda por energia elétrica deixa de existir, a turbina gira em falso e isso é muito perigoso. Por isso, deve ser interrompido logo que possível. Quando o distribuidor da turbina é fechado para que ela não fique funcionando em falso, a água para de passar e vai gerando uma onda de sobrepressão muito grande na tubulação na direção do reservatório (direção negativa). A chaminé de equilíbrio, que é um “poço” que está sob pressão atmosférica, permite que essa água sob pressão consiga sair da tubulação quando o distribuidor da turbina é fechado. O Golpe de aríete designa as variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se imponha ao fluxo de líquidos em condutos, tais como operações de abertura ou fechamento de válvulas, falhas mecânicas de dispositivos de proteção e controle, parada de turbinas hidráulicas e ainda de bombas causadas por queda de energia no motor, havendo, no entanto, outros tipos de causas. De forma resumida, o golpe de aríete é o fenômeno oscilatório amortecido que ocorre sempre que a velocidade do escoamento é modificada quando se atua no distribuidor da turbina. Essa parada repentina na turbina é chamada de Golpe de Aríete. 134 Resumo ARH – Gabo Weby A chaminé de equilíbrio é um reservatório de eixo vertical, normalmente posicionado no final da tubulação de adução de baixa pressão e a montante do conduto forçado, com as seguintes finalidades: a) em parada brusca da turbina (sobrepressão): amorteceras variações de pressão, que se propagam pelo conduto forçado, o golpe de aríete; b) em partida brusca da turbina (subpressão): armazenar água para fornecer ao conduto forçado o fluxo inicial provocado pela nova abertura da turbina, impedindo a entrada de ar no mesmo, até que se estabeleça o regime contínuo. 10.3 Tomada d’Água A chaminé de equilíbrio permite o alívio da sobrepressão e, consequentemente, protege toda a tubulação que se encontra entre o reservatório e a chaminé. O ideal é que ela esteja o mais próximo possível da casa de força para reduzir o comprimento do conduto forçado e diminuir os efeitos do golpe de aríete. É a estrutura responsável por captar a água e levá-la para o circuito de geração de energia ou diretamente para a casa de força. 135 Resumo ARH – Gabo Weby Os tipos de tomada d’água mais usuais são: Uma variação é o tipo gravidade aliviada, normalmente apoiada em maciço rochoso. Este tipo de tomada d’água tem basicamente o mesmo perfil da tomada tipo gravidade e a adução é feita para túneis, sejam eles forçados ou não. O espaçamento entre as unidades é aumentado para garantir a estabilidade da escavação subterrânea. Tomadas d’água do tipo gravidade são integradas à barragem e a adução é feita para condutos forçados externos. GRAVIDADE Nesse caso, a obra é feita encostada na rocha. 136 Resumo ARH – Gabo Weby 10.3.1 Finalidades Deve ter forma que reduza as perdas de carga ao mínimo possível em todos os trechos. É aconselhável o estudo em modelo reduzido da forma da tomada em planta e ângulo com leito do rio, para evitar formação de turbilhões e contrações que causem perda de carga, depósitos de areia e de lodo e erosões nas beiras e no fundo. Barragem Presa de Tous - Valência, Espanha. Tomadas d’água tipo torre são geralmente empregadas em aproveitamentos onde se utiliza o túnel de desvio também para adução. A vantagem da tomada d’água por torre é o fato de pegar água próximo à superfície, que em geral é de melhor qualidade. TORRE INTEGRADO À CASA DE FORÇA A potência instalada de uma UHE não recebe interferência da profundidade da tomada d’água, pois só depende do nível da água à montante e à jusante. Entretanto, a energia gerada recebe, pois se o nível d’água estiver abaixo da tomada d’água, não se poderá gerar energia. Captar e conduzir a água aos órgãos adutores e daí às turbinas. Impedir a entrada de corpos flutuantes, que possam danificar as turbinas. Fechar a entrada quando necessário. 137 Resumo ARH – Gabo Weby 10.3.2 Tipos A) Quanto à profundidade: B) Quanto à localização: 10.3.3 Dimensionamento Para vazão de projeto e uma velocidade entre 1,0 e 1,5 m/s, são calculadas as perdas de carga: 10.3.4 Equipamentos das Tomadas d’Águas Sujeitas a fluxo de corpos flutuantes perto da superfície; grades devem ser limpas frequentemente. Pequena Pressão da água é maior; comportas devem ser mais pesadas; geralmente não existe perigo de entupimento das grades (dispositivos de limpeza podem ser mais simples). Grande Incorporada à barragem; Em estrutura independente (torre de tomada); Inicial - devido à aceleração da água; Nas grades; Nas ranhuras dos stop-logs. De ombreira; Barrar a entrada de materiais que possam danificar as turbinas. Grades 138 Resumo ARH – Gabo Weby • São geralmente construídas de barras chatas de aço; • Tem inclinação com a horizontal de até 75º; • Distância livre entre as barras depende do tipo e das dimensões físicas das turbinas e, consequentemente, das passagens livres entre as pás do rotor; • Velocidades típicas nas grades: 1,0 a 1,5 m/s. • Mais usadas: planas, do tipo vagão e em aço soldado; • São movimentadas por meio de guinchos mecânicos ou por servomotores acionados por óleo sob pressão. • As ranhuras dos stop-logs são situadas a poucos metros a montante das compostas principais; • Finalidade: possibilitar revisão e eventuais consertos nas comportas com o reservatório cheio; • Compostas de um certo número de elementos horizontais separados para diminuir o peso unitário e consequentemente o tamanho e a capacidade do guindaste pórtico da manobra. 10.4 Canais e Condutos Chamamos órgãos adutores, ou adutoras, todas as construções que ligam a tomada d’água às turbinas. Essa ligação pode ser feita por: Servem de fechamento da entrada da água aos órgãos adutores e às turbinas, em caso de revisão ou conserto. Comportas Stop-logs (comportas de emergência) 139 Resumo ARH – Gabo Weby A escolha do tipo vai depender de condições topográficas e do tipo de usina. As tubulações adutoras são usadas onde canais abertos não são aplicáveis, por exemplo: 10.4.1 Canal X Conduto Fechado Depende de análise econômica, levando também em conta a eventual utilização do material escavado na construção de barragens de aterro. De modo geral, a derivação em canal é recomendada para aproveitarmos com pequenas depleções do reservatório e quando a topografia é suave. A solução em conduto fechado é quase sempre recomendada quando o caminho mais curto entre o reservatório e a casa de força for caracterizado por topografia montanhosa e com cobertura de rocha maior que três vezes o diâmetro do túnel. Canais ou túneis com lâmina d’água livre. Tubulações. Túneis sob pressão. Em usinas com oscilação grande do NA no reservatório. Devido a condições topográficas e geológicas. Aproveitamento com derivação em canal pode exigir uma estrutura de controle extra (câmara de carga), enquanto que com derivação em túnel exige câmara de carga ou chaminé de equilíbrio e válvulas. Câmara de carga da UHE Santa Clara. 140 Resumo ARH – Gabo Weby Canal de adução: o canal de adução por ser classificado em: a) Canal de aproximação: curto, sem necessidade de dimensionamento, tem apenas a velocidade do escoamento verificada se esta é maior que a mínima, da ordem de 1,0 a 1,5 m/s; • A velocidade tem que ser baixa para minimizar a perda de carga. b) Canal de derivação: muito longo, em geral ligando dois rios ou dois pontos do mesmo rio, tipicamente acompanhando curvas de nível e escavado em ombreira, em alguns casos com aterro lateral. 10.4.2 Dimensionamento A escolha da seção típica mais adequada para o canal vai depender das condições topográficas e geológicas-geotécnicas da ombreira em cada local onde o canal será implantado. Poderão ser adotados canais trapezoidais, em solo, ou retangulares, em rocha, com ou sem revestimento. Definir a inclinação dos taludes, com base nas características geotécnicas do material do terreno, que garanta a estabilidade do canal. Fixar, inicialmente, a lâmina d’água máxima ℎ no canal igual a 1,0 m. • Subtraindo-se da elevação do NA mínimo do reservatório determina-se a cota do fundo do canal. • Fixar a velocidade máxima admissível no canal, para escoamento com o tirante de 1,0 m, a partir, também, das características geotécnicas do material do terreno; essa velocidade deve ser compatível com a velocidade do escoamento a jusante da tomada d’água. • Estimar a largura necessária do canal (𝑏), a partir da vazão de projeto, da velocidade máxima admissível e da lâmina d’água fixada, com base na Equação da Continuidade, como apresentado a seguir. 𝑄máx = 𝑉máx ∗ 𝐴 → 𝑄máx = 𝑉máx(𝑏ℎmáx +𝑚ℎmáx 2 ) → 𝑏 = 𝑄máx − 𝑉máx𝑚ℎmáx 2 𝑉máxℎmáx 141 Resumo ARH – Gabo Weby Verificar a viabilidade da execução do canal com a largura necessária calculada, tendo em vista os equipamentos de escavaçãonormalmente utilizados pelos empreiteiros. Caso a largura do canal seja excessiva, ou se as condições geológico-geotécnicas não forem favoráveis à execução do canal com tal largura, deve-se cogitar de solução alternativa como as descritas a seguir: • Verificar a possibilidade de aumentar o tirante d’água máximo fixado o que possibilitará diminuir a largura do canal. • Verificar a hipótese de usar uma largura menor. Nesse caso, como a velocidade será maior, deve-se revestir o canal com material compatível com a velocidade máxima. A capacidade de vazão do canal deverá ser verificada utilizando-se a fórmula de Manning, como descrito a seguir. 𝑄 = 𝐴𝑆1/2𝑅2/3 𝑛 • 𝑄 → vazão em m3/s; • 𝐴 → área molhada em m²; • 𝑆 → declividade do canal em (m/m); • 𝑅 → raio hidráulico (m) = área molhada / perímetro molhado; • 𝑛 → coeficiente de rugosidade do canal. Para canais retangulares, 𝑚 = 0. Natureza das Paredes Cimento liso 0,010 Argamassa de cimento 0,011 Pedras e tijolos rejuntados 0,013 Tijolos rugosos 0,015 Alvenaria ordinária 0,017 Canais com pedregulhos finos 0,020 Canais com pedra e vegetação 0,030 Canais em mau estado de conservação 0,035 COEFICIENTES DE RUGOSIDADE TÍPICOS 𝑛 142 Resumo ARH – Gabo Weby A declividade do canal deve ser mínima e constante. Recomenda-se adotar um caimento de 0,4 m a cada 1.000 m de canal (declividade = 0,0004). A) Para cálculos de perdas de carga distribuídas (atrito): 𝑉 = 1 𝑛 𝑅2/3𝐼1/2 • 𝑉 → velocidade média na seção, em m/s; • 𝑅 → raio hidráulico = 𝐴𝑚/𝑃𝑚, em m; • 𝐼 → declividade do canal, em m/m; • 𝐴𝑚 → área molhada, em m 2; • 𝑃𝑚 → perímetro molhado, em m; • 𝐿 → comprimento do canal, em m; • 𝑛 → coeficiente de rugosidade; • ℎ𝑓 → perda de carga contínua no canal, em m. B) Estimativa das perdas de carga localizadas = cte * energia cinética escoamento: • Perda na aproximação; • Perda na grade da tomada d’água; • Perda em canais. ℎ𝑖 = 𝐾𝑖 𝑉2 2𝑔 • ℎ𝑖 → perda de carga em algum ponto do circuito hidráulico (m); • 𝑉 → velocidade do escoamento (m/s); • 𝑔 → aceleração da gravidade (m/s2); • 𝐾𝑖 → coeficiente de perda de carga, que varia para cada caso. 10.4.3 Arranjos com túnel de adução Quando a casa de força da PCH não é incorporada ao barramento, poderá ser cogitada a adução das vazões através de túnel, como exposto anteriormente no item Arranjo e Tipo das Estruturas. Essa opção, normalmente, será considerada nos seguintes casos: Equação de Manning-Strickler 143 Resumo ARH – Gabo Weby • Quando a topografia for desfavorável à adução em canal ou conduto de baixa pressão; • Quando a rocha no trecho a ser atravessado pelo túnel se mostrar de boa qualidade, de baixa permeabilidade e sem suspeita de ocorrência de materiais erodíveis ou solúveis; • Quando houver suficiente cobertura de rocha ao longo da diretriz prevista para o túnel; • Quando houver solução econômica para a implantação de uma chaminé de equilíbrio (se esse dispositivo se mostrar necessário). O mais comum nestes casos é ter o túnel de baixa pressão, com pequena declividade e a chaminé de equilíbrio e o túnel de alta pressão ou conduto forçado a céu aberto até a casa de força. Em alguns casos não se caracterizam os trechos de baixa e de alta pressão, com o ângulo de mergulho do túnel sendo ditado pela busca de cobertura de rocha mais favorável. 144 Resumo ARH – Gabo Weby Caso a alternativa de construção de um canal de adução em superfície livre não seja viável, deve-se utilizar uma tubulação em baixa pressão como meio de ligação entre a tomada d’água e a entrada do conduto forçado. A velocidade do escoamento será calculada utilizando-se a Equação da Continuidade: 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 4𝑄 𝜋𝐷2 = 1,2732 𝑄 𝐷2 PARA A PERDA DE CARGA DISTRIBUÍDA (ATRITO) EM TÚNEIS ℎ𝑓 = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑉2 2𝑔 • ℎ𝑓 → perda de carga no túnel (m); • 𝑓 → coeficiente de Darcy-Weisbach; • 𝐿 → comprimento do túnel (m); • 𝐷 → diâmetro de referência (base ou altura da seção arco-retângulo)(m); • 𝑉 → velocidade média do escoamento no túnel (m/s); • 𝑔 → aceleração da gravidade (m/s2). Fórmula de Darcy 145 Resumo ARH – Gabo Weby 11. Teorema de Bernoulli, Perdas de Carga em UHEs 11.1 Equação de Bernoulli 𝐴1𝑉1 = 𝐴2𝑉2 = ⋯ = 𝑄 11.1.1 Teorema de Bernoulli No movimento em regime permanente de uma partícula de um líquido perfeito, homogêneo e incompressível, a soma das alturas representativas da sua posição acima de um plano de referência, da sua pressão e da sua velocidade é constante ao longo da trajetória. 𝑧 + 𝑝 𝛾 + 𝑉2 2𝑔 = constante O regime permanente é caracterizado pelo fato de que a massa (ou o peso) do fluido que atravessa uma seção qualquer da corrente é sempre a mesma. Equação da Continuidade 146 Resumo ARH – Gabo Weby 𝑧1 + 𝑝1 𝛾 + 𝑉1 2 2𝑔 = 𝑧2 + 𝑝2 𝛾 + 𝑉2 2 2𝑔 = ⋯ A equação de Bernoulli tem uma interpretação geométrica muito simples, pois permite transformar as relações de energia em relações de altura. Efetivamente, todos os termos da equação têm dimensão linear, pois: • 𝑧 → é a cota da partícula acima do plano de referência; • 𝑝 𝛾 → é a pressão existente nesse ponto, expressa em altura do líquido (altura piezométrica); • 𝑉2/2𝑔 → é a altura representativa da velocidade (taquicarga) de que está animada a partícula. A soma 𝑧 + 𝑝 𝛾 + 𝑉2 2𝑔 = 𝐻 define a altura 𝐻 acima de um plano de referência, denominado plano de carga total ou plano de carga dinâmico e que pode ser determinada em cada caso, conhecendo as três parcelas numa seção qualquer, por exemplo, a posição da partícula, a pressão e a velocidade no instante 𝑡 = 0. A representação gráfica do teorema é muito simples, como pode ser visto ao lado. As equações de Bernoulli e da continuidade permitem resolver quase todos os problemas do movimento dos líquidos em regime permanente. Essas grandezas lineares são chamadas cargas e a sua soma é chamada carga real ou efetiva. 147 Resumo ARH – Gabo Weby A posição do plano de referência é arbitrária, mas o plano dinâmico deve ser especificamente determinado em cada problema, pois as grandezas 𝑝/𝛾 e 𝑉2/2𝑔 são próprias das condições do movimento. • (𝑧 + 𝑝 𝛾 ) → linha piezométrica ou de pressão ou greide hidráulico ou ainda cota piezométrica. • 𝑧 + 𝑝 𝛾 + 𝑉2 2𝑔 → linha de energia ou de carga total e se encontra sobre o plano de carga dinâmico. Se, por exemplo, no início do movimento, a partícula se encontrar sobre o plano de carga, existe aí apenas a altura 𝑧; mas, à medida que a partícula desce, aumentam 𝑝/𝛾 e 𝑉2/2𝑔. Sobre o plano de referência 𝑧 = 0 podendo mesmo, se 𝑝 = 0, ter toda a altura 𝐻 transformada em 𝑉2/2𝑔. Se o líquido possuir superfície livre, sendo 𝑧0 a cota do ponto sujeito à pressão atmosférica: 𝐻 = 𝑧0 + 𝑝atm 𝛾 + 𝑉2 2𝑔 Se for considerado pressões relativas, o plano dinâmico fica acima da superfície livre em 𝑉2/2𝑔. 11.2 Perda de Carga O Teorema de Bernoulli foi deduzido considerando o líquido perfeito, não sendo considerado, portanto, o atrito devido à viscosidade, assim como outras causas que determinam uma degradação da energia mecânica, pela sua transformação em calor. Qualquer modificação em uma das variáveis implica na modificação de, ao menos, uma das outras. Esses fenômenos não podem ser desprezados no estudo do movimento dos líquidos reais e as equações, válidas anteriormente, devem ser modificadas. 148 Resumo ARH – Gabo Weby A representação gráfica do Teorema considerando a perda de carga é feita de modo idêntico, mas levando em conta o novo termo ℎ𝑝.(layouts) nos Sistemas de Drenagem Canais Coletores – podem ser revestidos ou não. Tubos Coletores ou Galerias – normalmente são subterrâneas e não pressurizadas. 12 Resumo ARH – Gabo Weby Sistema Natural ou Aleatório Sistema Paralelo Simples Sistema Paralelo Composto Sistema Espinha de Peixe Usado apenas em Drenagem Subterrânea em área de talvegue. Sistema de Interceptação 13 Resumo ARH – Gabo Weby 2. Drenagem de Superfície 2.1 Componentes da Drenagem de Campo Drenagem de Superfície Trabalho de movimentação de terras para regularizar o terreno a fim de formar planos inclinados. Sistematização do Terreno Drenagem de Superfície Trabalho com formas côncavas de terreno. Conformação do Terreno 14 Resumo ARH – Gabo Weby 2.2 Componentes da Adução Drenagem de Superfície Uso de bomba para drenar a água de algum lugar. Bombeamento de Superfície Drenagem de Superfície e Drenagem Subterrânea Canais com profundidade > 60 cm. Canais de Drenagem ou Valetas Interceptoras Drenagem de Superfície Canais com profundidade11.3 Aplicação do Teorema de Bernoulli 11.3.1 Regras para Aplicação do Teorema de Bernoulli 11.3.2 Exemplos de Aplicação do Teorema de Bernoulli Fazer um esboço do problema a tratar, indicando as cotas e dimensões conhecidas, assim como a direção do escoamento. Escolher e indicar as seções a que vai ser aplicado o teorema. Escolher um plano de referência. Determinar o plano de carga dinâmico. Escrever o teorema para as seções escolhidas, inclusive os termos nulos. Resolver a equação, calculando separadamente e em altura cada termo até o fim. Exemplo 1 𝐻 = 𝑧 + 𝑉2 2𝑔 + ℎ𝑝 149 Resumo ARH – Gabo Weby Exemplo 3 Exemplo 4 Exemplo 2 𝐻 − (𝑧 + 𝑝 𝛾 ) = 𝐾0 𝑉2 2𝑔 + 𝑉2 2𝑔 + 𝐽𝑙 Se o ponto B não é o extremo do conduto, a pressão aí não é nula. Exemplo 5 ℎ𝑝 = (𝑧1 + 𝑝1 𝛾 ) − (𝑧2 + 𝑝2 𝛾 ) Aplicação do Teorema de Bernoulli em condutos sob pressão. 150 Resumo ARH – Gabo Weby Conduto com diâmetro variável, com um registro intercalado em um dos trechos, e terminado por um bocal. Aplicando-se o Teorema de Bernoulli ao nível de reservatório e ao jato que sai do bocal, tem-se: ℎ = 𝑉2 2𝑔 + ℎ0 + ℎ1 + ℎ2 + ℎ3 + ℎ4 + ℎ5 + ℎ6 + ℎ7 + ℎ8 • 𝑉2 2𝑔 → taquicarga correspondente à velocidade do jato; • ℎ0 → perda de carga na entrada da canalização = 𝐾0 𝑉2 2𝑔 ; • ℎ1 → perda de carga no conduto AG; • ℎ2 → perda de carga no aumento da seção; • ℎ3 → perda de carga no trecho CE; • ℎ4 → perda de carga na redução de seção; • ℎ5 → perda de carga no trecho EF; • ℎ6 → perda de carga no registro F; • ℎ7 → perda de carga no trecho FG; • ℎ8 → perda de carga no bocal ( 1 𝑐𝑣 2 − 1) 𝑉2 2𝑔 . 11.4 Perda de Carga em Circuitos Hidráulicos de Geração em Usinas Hidrelétricas Após o conhecimento definitivo das dimensões físicas das estruturas que compõem o circuito de adução, pode-se estimar o valor total das perdas de carga e, consequentemente, determinar o valor final da queda líquida. Exemplo 6 Condutos sob pressão com trechos de diâmetros diferentes e perdas localizadas. 151 Resumo ARH – Gabo Weby Em seguida, deve ser recalculado o valor da potência instalada na hidrelétrica. 11.4.1 Estimativa das Perdas de Carga As perdas de carga são estimadas por uma equação do tipo a seguir especificado, a qual é o produto de uma constante, calculada para cada caso particular, pela energia cinética do escoamento. ℎ = 𝐾 𝑉2 2𝑔 • ℎ → perda de carga em algum ponto do circuito hidráulico de adução (m); • 𝑉 → velocidade do escoamento (m/s); • 𝑔 → aceleração da gravidade (m/s²); • 𝐾 → coeficiente de perda de carga, que varia para cada caso. A) Perda na Aproximação A perda de carga no canal de aproximação pode ser estimada através da fórmula apresentada a seguir. ℎ𝑐𝑎 = 𝐾𝑐𝑎 𝑉2 2𝑔 • ℎ𝑐𝑎 → perda de carga no canal de adução (m); • 𝑉 → velocidade do escoamento (m/s); • 𝑔 → aceleração da gravidade (m/s²); • 𝐾𝑐𝑎 → coeficiente de forma do canal de aproximação, que varia entre 0,01 e 0,1. B) Perda na Grade da Tomada d’Água A perda de carga na grade da tomada d’água pode ser estimada utilizando-se a fórmula de Kirschmer: ℎ𝑔 = 𝐾𝑔 ( 𝑒1 𝑒2 ) 4/3 sin 𝜃1 𝑉𝑔 2 2𝑔 • ℎ𝑔 → perda na grade (m); • 𝑒1 → espessura ou diâmetro das barras; • 𝑒2 → espaçamento entre as barras; • 𝜃1 → inclinação da grade; • 𝑉𝑔 → velocidade junto à grade (m/s); • 𝐾𝑔 → coeficiente de perda de carga cujo valor depende das dimensões da grade. No quadro a seguir, apresentam-se os valores mais comuns. 152 Resumo ARH – Gabo Weby (*) b = largura das barras. C) Perda em Canais Para os canais de seção uniforme com escoamento em superfície livre, sem curvas acentuadas (em cotovelo), deve ser computada somente a perda de carga devido ao atrito (ℎ𝑎). Deve-se utilizar a fórmula de Manning: 𝑉 = 1 𝑛 𝑅2/3𝐽1/2 ℎ𝑎 = 𝐽 ∗ 𝐿 D) Perda em Conduto sob Pressão A perda de carga em conduto sob pressão consiste no somatório das seguintes perdas: na entrada do conduto, devido ao atrito, em curvas, em reduções cônicas e em bifurcações. D.I) Perda na Entrada do Conduto (ℎ𝑒) ℎ𝑒 = 𝐾𝑒 𝑉2 2𝑔 • 𝑉 → velocidade média imediatamente a jusante da entrada (m/s); • 𝐾𝑒 → coeficiente variável em função da forma da boca do conduto. Natureza das Paredes Cimento liso 0,010 Argamassa de cimento 0,011 Pedras e tijolos rejuntados 0,013 Tijolos rugosos 0,015 Alvenaria ordinária 0,017 Canais com pedregulhos finos 0,020 Canais com pedra e vegetação 0,030 Canais em mau estado de conservação 0,035 COEFICIENTES DE RUGOSIDADE TÍPICOS 𝑛 153 Resumo ARH – Gabo Weby D.II) Perda por Atrito (ℎ𝑎) Fórmula de Darcy-Weisbach ℎ𝑎 = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑉2 2𝑔 • 𝑓 → coeficiente de atrito; • 𝐿 → comprimento da tubulação; • 𝐷 → diâmetro da tubulação; • 𝑉 → velocidade em m/s. D.III) Perda nas Curvas (ℎ𝑐) ℎ𝑐 = 𝐾𝑐 𝑉2 2𝑔 • 𝑉 → velocidade média imediatamente a jusante da entrada (m/s); • 𝐾𝑐 → coeficiente que varia com o valor do ângulo de deflexão da curva, isto é, o ângulo de mudança de direção entre as partes retas de montante e de jusante de curva, como apresentado no quadro a seguir. Ângulo de deflexão Kc 45° 0,13 154 Resumo ARH – Gabo Weby Esses valores são válidos para curvas nas quais: 𝑅 𝐷 ≥ 2 • 𝑅 → raio da curva (m); • 𝐷 → diâmetro do conduto (m). D.IV) Perda nas Reduções Cônicas (ℎ𝑟) ℎ𝑟 = 𝐾𝑟 𝑉2 2𝑔 • 𝑉 → velocidade média no conduto, a jusante da redução (m/s); • 𝐾𝑟 → coeficiente de perda de carga nas reduções cônicas, que varia de 0,005 a 0,010. D.V) Perda nas Bifurcações (ℎ𝑏) ℎ𝑏 = 𝐾𝑏 𝑉2 2𝑔 • 𝑉 → velocidade média no conduto, a montante da bifurcação (m/s); • 𝐾𝑏 → coeficiente de perda de carga nas bifurcações, que depende da relação entre a área da seção de escoamento do conduto de “entrada” e a área da seção de escoamento dos braços de “saída”, bem como da deflexão de cada um dos braços em relação ao alinhamento do tronco principal. Para deflexão de 30º ou ângulo de 60º entre os braços e relação, recomenda-se adotar: • 𝐾𝑏 = 1,20 → escoamento para uma unidade; • 𝐾𝑏 = 0,25 → escoamento para duas unidades. Assim, ℎt =∑ℎ𝑙 +∑ℎ𝑎 • ℎ𝑡 → perda de carga total (m); • ℎ𝑙 → perdas localizadas (m); • ℎ𝑎 → perdas por atrito (m). 155 Resumo ARH – Gabo Weby 11.4.2 Determinação Final da Queda Líquida e da Potência Instalada 𝐻𝐿 = 𝐻𝐵 − 𝐻𝑡 𝑃 = 9,81 ∗ 𝑟𝑡 ∗ 𝑟𝑔 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻𝐿 • 𝑃 → potência instalada da UHE; • 𝐻𝐿 → queda líquida total da UHE (m); • 𝐻𝐵 → altura bruta (𝑁𝐴montante − 𝑁𝐴jusante); • 𝑄 → vazão de projeto da UHE (m³/s); • 𝑟𝑡 → rendimento da turbina; • 𝑟𝑔 → rendimento do gerador. 11.4.3 Exemplo Determinar a potência a ser instalada em um aproveitamento hidrelétrico com 25 m de queda bruta e uma descarga de projeto de 3 m³/s, sabendo-se que o rendimento do grupo turbina-gerador vale 0,85, a unidade turbogeradora é alimentada por um sistema adutor constituído de um canal entre a barragem e a câmara de carga e de uma tubulação forçada em aço alimentando uma única unidade geradora, entre a câmara de carga e a casa de máquinas, apresentando as seguintes dimensões: Tomada d’água do canal: • Grade constituída com barras de ferro redondas, 3/8” diâmetro, espaçadas de 30 mm, inclinadas de 85º em relação ao piso da tomada d’água, cobrindo uma área bruta de 1,0 m de altura x 2,0 m de largura. Canal: • Em concreto, com acabamento de argamassa de cimento na proporção 1:3, seção retangular uniforme, comárea útil de 1,0 m de altura x 2,0 m de largura, 500 m de comprimento e com curvas suaves. Tomada d’água da tubulação forçada, na câmara de carga: • Grade construída com barras de ferro com arestas vivas, de seção retangular 10 mm x 60 mm, espaçadas de 35 mm, inclinadas de 90º em relação ao piso da tomada d’água, cobrindo uma área bruta de 2,0 m de altura x 1,5 m de largura. • Boca da tubulação forçada em forma de campânula. Tubulação forçada: • Construída em chapa de aço soldada, diâmetro nominal 36” (91,44 cm externo), espessura de parede 1/4” (0,635 m) e 40 m de comprimento. 156 Resumo ARH – Gabo Weby Resolução: 1) Cálculo das perdas de carga no sistema adutor: 1.A.: Perda de carga na tomada d’água do canal Perda de carga inicial: ℎ𝑖 ′ = 𝐾𝑖 𝑉2 2𝑔 𝐾𝑖 = 0,10 Descarga: 𝑄 = 3,0 m3/s Área de escoamento: 𝐴 = 1 ∗ 2 = 2,0 m² Velocidade da água: 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 3,0 2,0 = 1,5 m/s Perda de carga: ℎ𝑖 ′ = 0,10 ∗ 1,52 2 ∗ 9,81 → ℎ𝑖 ′ = 0,012 m 1.B.: Perda de carga na grade (fórmula de Kirshmer) ℎ𝑔 ′ = 𝐾𝑔 ( 𝑒1 𝑒2 ) 4/3 sin 𝜃1 ∗ 𝑉2 2𝑔 Descarga: 𝑄 = 3,0 m3/s Área bruta da grade: 𝐴 = 1 ∗ 2 = 2,0 m² Inclinação da grade: 157 Resumo ARH – Gabo Weby 𝜃1 = 85° Velocidade da água a montante da grade: 𝑉𝑔 = 𝑄 𝐴𝑔 = 3,0 2,0 = 1,5 m/s Espessura das barras (diâmetro): (3/8′′) 𝑒1 = 9,53 mm Espaçamento entre as barras: 𝑒2 = 30 mm Coeficiente de perda de carga (ver Tabela Manual PCH): 𝐾𝑔 = 1,79 Perda de carga: ℎ𝑔 ′ = 1,79 ( 9,53 30 ) 4/3 sin 85° ∗ 1,52 2 ∗ 9,81 → ℎ𝑔 ′ = 0,044 m 1.C.: Perda de carga no canal (por atrito) Dados: • 𝐿 = 500 m = 0,5 km • 𝑄 = 3,0 m3/s • 𝑛 = 0,011 (revestimento com argamassa de cimento 1:3) • 𝑦 = 1,0 m • 𝑏 = 2,0 m Área da seção molhada: 𝐴𝑚 = 1,0 ∗ 2,0 = 2,0 m² Perímetro molhado: 𝑃𝑚 = 2,0 + 2 ∗ 1,0 = 4,0 m Raio hidráulico: 158 Resumo ARH – Gabo Weby 𝑅ℎ = 𝐴𝑚 𝑃𝑚 = 2,0 4,0 = 0,5 m Calculando-se a velocidade da água no canal, tem-se: 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 3,0 2,0 = 1,5 m/s Pela fórmula de Manning, encontra-se a declividade: 𝑄 = 1 𝑛 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 𝐽1/2 → 𝐽1/2 = 𝑛𝑄 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 → 𝐽1/2 = 0,011 ∗ 3 2 ∗ 0,52/3 → 𝐽1/2 ≈ 0,02619 ∧2 → 𝐽 ≈ 0,00069 m/m Sendo assim, e adotando 𝐽 ≈ 0,7 m/km, tem-se: ℎ𝑎 ′ = 𝐽 ∗ 𝐿 = 0,7 m km ∗ 0,5 km → ℎ𝑎 ′ = 0,350 m 2) Cálculo das perdas de carga na tubulação forçada: 2.A.: Perda de carga inicial ℎ𝑖 ′′ = 𝐾𝑖 𝑉2 2𝑔 Descarga: 𝑄 = 3,0 m3/s Tomada em forma de campânula: 𝐾𝑒 = 0,04 Diâmetro interno da tubulação: 𝐷 = 91,44 − 2 ∗ 0,635 = 90,17 cm Área interna da seção transversal: 𝐴 = 𝜋𝐷2 4 = 𝜋 ∗ 0,90172 4 ≈ 0,6386 m² 159 Resumo ARH – Gabo Weby Velocidade da água no interior da tubulação: 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 3,0 0,6386 = 4,70 m/s A perda de carga na entrada da tubulação será: ℎ𝑒 = 0,04 ∗ 4,702 2 ∗ 9,81 → ℎ𝑒 = 0,045 m 2.B.: Perda de carga por atrito Dados: • Tubulação nova em chapas de aço soldadas: 𝐾𝑎 = 0,32 • Comprimento da tubulação: 𝐿 = 40 m = 0,040 km • 𝑉 = 4,70 m/s (já calculado) • 𝐷 = 90,17 cm (já calculado) Pela fórmula de Scobey: 𝐽 = 410 ∗ 0,32 ∗ 4,701,9 90,171,1 = 17,553 m/km OBS.: Nas tarefas, usar a fórmula de Darcy. Perda de carga: ℎ𝑎 ′′ = 𝐽 ∗ 𝐿 = 17,553 m km ∗ 0,040 km → ℎ𝑎 ′′ = 0,702 m 3) Perda total de carga no sistema adutor: ℎ𝑡 = ℎ𝑖 ′ + ℎ𝑔 ′ + ℎ𝑎 ′ + ℎ𝑖 ′′ + ℎ𝑔 ′ + ℎ𝑒 + ℎ𝑎 ′′ → ℎ𝑡 = 0,012 + 0,044 + 0,350 + 0,005 + 0,023 + 0,045 + 0,702 → ℎ𝑡 = 1,181 m Que representa 4,7% da queda bruta. 4) Cálculo da Potência Instalada da PCH: 160 Resumo ARH – Gabo Weby Lembrando que são 25 m de queda bruta, uma descarga de projeto de 3 m³/s e que o rendimento do grupo turbina-gerador vale 0,85. 4.A.: Cálculo da Queda Líquida • 𝐻𝐵 = 25 m (queda bruta) • ℎ𝑡 = 1,181 m 𝐻𝐿 = 𝐻𝐵 − ℎ𝑡 = 25 − 1,181 = 23,819 m 4.B.: Cálculo da Potência Instalada • 𝑄 = 3,0 m3/s • 𝐻𝐿 = 23,819 m • 𝑟𝑡 ∗ 𝑟𝑔 = 0,85 𝑃 = 9,81 ∗ 𝑟𝑡 ∗ 𝑟𝑔 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻𝐿 → 𝑃 = 9,81 ∗ 0,85 ∗ 3 ∗ 23,819 → 𝑃 = 596 kW 161 Resumo ARH – Gabo Weby 12. Vertedores 12.1 Principais Estruturas A partir desses dados e dos níveis d’água no reservatório e a jusante, deverá ser definida a geometria das estruturas e dos dispositivos de dissipação de energia, conforme os critérios de projeto. O comportamento hidráulico e as dimensões nas usinas de grande porte devem ser confirmados por meio de estudos em modelo reduzido. Estrutura extravasora de cheias, que permite a passagem da água para jusante. Garantia de integridade de uma barragem, para as vazões máximas ocorridas, sendo um importante dispositivo de segurança. As velocidades de entrada devem ser limitadas e as transições devem ser suaves de forma a minimizar as perdas de carga e obter uma distribuição uniforme do escoamento, junto à estrutura de controle. Estrutura de Aproximação Crista livre ou comporta, é a parte mais importante do extravasor, pois regula as vazões que saem do reservatório. Estrutura de Controle Nas estruturas de descarga as relações entre Carga e Vazão podem ser fixas, como no caso das soleiras normais e não controladas, ou podem variar, no caso de soleiras com comportas , em função da abertura das mesmas. Estrutura de Descarga As estruturas extravasoras deverão ser dimensionadas para a descarga de projeto amortecida no reservatório, definida nos estudos hidrológicos. Estrutura Extravasoras 162 Resumo ARH – Gabo Weby 12.2 Dimensionamento Definição das dimensões principais: • Dados hidrológicos; • Curva-chave; • Avaliação da vazão de projeto; • Métodos estatísticos; • PMP + chuva-deflúvio; • Cálculo do amortecimento da cheia de projeto. Além do problema de galgar a barragem, uma exagerada subida dos NA a montante poderá causar inundações inconvenientes a jusante. A passagem pelo vertedouro de vazões maiores do que a de projeto poderá causar a jusante prejuízos importantes, erosões localizadas mais profundas, extensas e perigosas e inundações mais graves. Por excesso de vazão é possível até haver danos na própria estrutura do vertedor (galgamento das paredes do canal). Por outro lado, se for superdimensionado, é antieconômico. Portanto, deve estar dimensionado de forma adequada. Hidrogramas afluente e efluente amortecido. Curvas vazão afluente X tempo, vazão efluente X tempo e NA x tempo. 163 Resumo ARH – Gabo Weby Fonte: apostila amortecimento USP. Prof. Rubem La Laina Porto e Prof. Kamel Zahed Filho. 164 Resumo ARH – Gabo Weby Vazão de um Vertedor 𝑄 = 𝐶 × 𝐿′ × 𝐻3/2 onde: • 𝑄 → vazão em m³/s; • 𝐶 → coeficiente de descarga (entre 1.65 e 2.25); • 𝐿′ → largura efetiva do extravasor (m); • 𝐻 → carga no extravasor (distância vertical em metros da crista da soleira do extravasor ao nível das águas do reservatório). O valor do coeficiente de descarga 𝐶 é influenciado por fatores tais como: a) a profundidade da linha d´água no canal de acesso; b) relação entre a forma da crista projetada e a forma da linha d´água ideal; c) inclinação do paramento de jusante; d) geometria à jusante da crista; e) grau de submergência à jusante; f) Forma da soleira; g) NA de jusante; h) Velocidade d´água à jusante. Vazão de um Vertedor com Comporta 𝑄 = 𝑚 × 𝐿′ × (2𝑔𝐻)1/2 onde: • 𝑄 → vazão em m³/s; • 𝑚 → coeficiente de descarga (entre 0.6 e 0.8); • 𝐿′ → largura efetiva do extravasor (m); • 𝐻 → carga no extravasor (distânciavertical em metros da crista da soleira do extravasor ao nível das águas do reservatório). Largura de Soleira 𝐿′ = 𝐿𝑟 − 2(𝑛 × 𝐾𝑝 + 𝐾𝑎) × 𝐻 onde: • 𝑛 → número de pilares; • 𝐾𝑝 → coeficiente de forma, localização e esbeltez do pilar; • 𝐾𝑎 → coeficiente de geometria da aproximação e ângulo formado entre o muro de aproximação e o escoamento; • 𝐻 → carga sobre a soleira. 165 Resumo ARH – Gabo Weby 12.3 Estrutura de Controle Deverá ser verificada a possibilidade de CAVITAÇÃO da calha, prevendo-se caso seja necessário, dispositivos de aeração. Deverão ser definidas cotas e disposição dos canais de aproximação e restituição, fundações, galerias de acesso e drenagem, bem como ser indicados os sistemas recomendados de drenagem e tratamento profundo das fundações. Importância das regras de operação do vertedouro de forma a não gerar cheias artificiais para jusante. O projeto do VERTEDOURO deverá minimizar os efeitos da erosão devido às altas velocidades de escoamento e às pressões negativas (efeito de CAVITAÇÃO). O revestimento de concreto da calha deverá ser estável e passível de manutenção, mesmo após descargas prolongadas. Parede Delgada ou Espessa Gráficos de Pressões na Estrutura Fonte: http://www.fcth.br/Cur Fonte: Design of Small Dams - USBR http://www.fcth.br/Cur 166 Resumo ARH – Gabo Weby 12.4 Geometria A melhor geometria para um descarregador é a que se assemelha à face inferior da lâmina vertente em queda livre. Os estudos, em modelos reduzidos, feitos nos E.U.A e na Europa levaram à adoção da equação teórica, referente às chamadas soleiras normais onde não ocorrem depressões ou sobrepressões, conhecida como "Perfil Creager". Vertedouro Policêntrico Fonte: http://www.fcth.br/Cursos/curs os/phd5706/phd5706_extravaso res.PDF http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 167 Resumo ARH – Gabo Weby 13. Exemplos Aplicados 13.1 Exercício com Pequena Central Hidrelétrica Uma vila de pescadores situada em uma região isolada (fora do Sistema Interligado Nacional) conta com um sistema de geração eólica para atender à carga composta de equipamentos tais como freezer, máquinas de fazer gelo para armazenar o pescado, além de lâmpadas fluorescentes. A figura a seguir apresenta duas curvas: a curva de carga da vila e a de geração (potência gerada) pela usina eólica. Você foi contratado(a) para fazer um projeto de uma Micro Central Hidrelétrica (MCH) em um rio localizado próximo à vila, que gerará potência capaz de complementar a geração eólica, de forma a atender à curva de carga. a) Calcule o nível d’água mínimo de montante necessário para que o sistema “MCH + Eólica” atenda à carga plenamente (sem déficit). Dados: • 𝑄95 = 0,5 m 3/s (adotar essa como vazão de projeto); • Sistema de adução formado por tomada d’água, canal retangular e dois condutos forçados de 0,3 m de diâmetro cada; • Comprimento do canal: 30,00 m; • Base do canal: 1,00 m; • Altura do tirante de água: 0,60 m; • Comprimento dos condutos: 60,00 m; • Rendimento do grupo turbina gerador: 0,60; • Coeficiente de Manning do canal: 0,035; • Coeficiente de atrito do conduto: 0,03; • Somatório das perdas localizadas: 1,20 m; • Nível d’água de jusante: 46,00 m. 168 Resumo ARH – Gabo Weby b) Dimensione (isto é, calcule a largura) do vertedor dessa MCH para: • Cota da soleira = NA de montante; • Vazão de projeto = 180 m³/s; • NAmax maxmorum situado a 1,80 m acima do NA de montante. • Coeficiente de vazão do vertedor = 1,5; • Desprezar amortecimento, uma vez que não há reservatório. Resolução: Letra A 1) Perda de Carga: 1.A.: No conduto Área em cada conduto: 𝐴 = 𝜋𝐷2 4 = 𝜋 ∗ 0,32 4 ≈ 0,0707 m² Como são dois condutos forçados, a vazão em cada um será: 𝑄 = 0,5 2 = 0,25 m3/s Tem-se assim a velocidade da água em cada conduto: 𝑄 = 𝑉𝐴 → 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 0,25 0,0707 ≈ 3,54 m/s Perda de carga no conduto: ℎ = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑉2 2𝑔 → ℎ = 0,03 ∗ 60 0,3 ∗ 3,542 2 ∗ 9,81 → ℎconduto ≈ 3,83 m 1.B.: No canal Área molhada do canal: 𝐴𝑚 = 1 ∗ 0,60 = 0,60 m² Perímetro molhado do canal: 𝑃𝑚 = 1,00 + 2 ∗ 0,60 = 2,20 m 169 Resumo ARH – Gabo Weby Raio hidráulico: 𝑅ℎ = 𝐴𝑚 𝑃𝑚 = 0,60 2,20 ≈ 0,273 m Velocidade da água no canal: 𝑄 = 𝑉𝐴 → 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 0,5 0,60 ≈ 0,83 m/s Pela fórmula de Manning, encontra-se a declividade: 𝑉 = 1 𝑛 𝑅2/3 √𝑆 → √𝑆 = 𝑛𝑉 𝑅2/3 → √𝑆 = 0,035 ∗ 0,83 0,2732/3 → √𝑆 ≈ 0,069 ∧2 → 𝑆 ≈ 0,0048 m/m Perda de carga no canal: ℎ = 𝑆 ∗ 𝐿 = 0,0048 m m ∗ 30 m → ℎcanal = 0,144 m 1.C.: Perda de Carga Total ℎtotal = ℎconduto + ℎcanal + ℎlocalizada → ℎtotal = 3,83 + 0,144 + 1,20 ≈ 5,17 m 2) Potência: Maior potência complementar: • Entre 6h e 9h: Δ𝑃máx = 365 − 130 = 235 W = 0,235 kW 3) Nível d’água: 𝑃 = 9,81 ∗ 𝑄 ∗ 𝜂 ∗ 𝐻𝐿 → 0,235 = 9,81 ∗ 0,5 ∗ 0,6 ∗ (𝑁𝐴montante − 46 − 5,17) → 𝑁𝐴montante ≈ 51,25 m LETRA B 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐿 ∗ 𝐻3/2 → 𝐿 = 180 1,5 ∗ 1,803/2 → 𝐿 ≈ 49,7 m 170 Resumo ARH – Gabo Weby 13.2 Exercício Vertedor – Oroville Dam A figura abaixo ilustra o sistema de restituições de vazões da usina Hidrelétrica de Oroville, na Califórnia, Estados Unidos. Essa UHE sofreu um acidente em fevereiro de 2017, quando uma parte da calha de seu vertedor principal (VP) passou por um processo de desmoronamento parcial, o que obrigou a manobras para restituição de vazões, que utilizaram um vertedor de emergência (VE), com elevadas erosões à jusante da barragem. A população teve de ser evacuada a fim de evitar danos maiores aos residentes. Estime o nível d’água mínimo no reservatório para escoar uma vazão total nos dois vertedores (VP + VE) de 6.200 m³/s. Tanto VP quanto o VE são do tipo soleira livre, isto é, não possuem comportas. Dados: Resolução: 1) Equação do Vertedor: 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐿 ∗ 𝐻3/2 2) Vertedor Principal (VP): 𝑄𝑃 = 1,65 ∗ 80 ∗ (𝑁𝐴 − 404) 3/2 → 𝑄𝑃 = 132 ∗ (𝑁𝐴 − 404) 1,5 Vertedor Principal (VP) Vertedor de Emergência (VE) Cota da soleira (m) 404,00 409,00 Largura (m) 80,00 520,00 Coeficiente de vazão 1,65 1,30 21,5 = 2,8 31,5 = 5,2 41,5 = 8,0 51,5 = 11,2 61,5 = 14,7 71,5 = 18,5 81,5 = 22,6 91,5 = 27,0 101,5 = 31,6 Dica 171 Resumo ARH – Gabo Weby 3) Vertedor de Emergência (VE): 𝑄𝐸 = 1,30 ∗ 520 ∗ (𝑁𝐴 − 409) 3/2 → 𝑄𝐸 = 676 ∗ (𝑁𝐴 − 409) 1,5 4) Vazão Total: 𝑄𝑃 + 𝑄𝐸 = 6.200 m 3/s → 6.200 = 132 ∗ (𝑁𝐴 − 404)1,5 + 676 ∗ (𝑁𝐴 − 409)1,5 Usando 𝑁𝐴mín − 409 = 𝑥, temos que: 6.200 = 132 ∗ (𝑥 + 5)1,5 + 676 ∗ (𝑥)1,5 5) Por tentativa: • Para 𝑥 = 2 → 132 ∗ (7)1,5 + 676 ∗ (2)1,5 ≈ 4.357 m3/s • Para 𝑥 = 3 → 132 ∗ (8)1,5 + 676 ∗ (3)1,5 ≈ 6.499 m3/s • Para 𝑥 = 2,87 → 132 ∗ (7,87)1,5 + 676 ∗ (2,87)1,5 ≈ 6.201 m3/s (OK!) Assim, tem-se que: 𝑁𝐴mín − 409 = 𝑥 → 𝑁𝐴mín = 409 + 2,87 → 𝑁𝐴mín = 411,87 m 172 Resumo ARH – Gabo Weby 14. Exercícios do Bloco II 01. Pode-se afirmar que o maior consumo de água do tipo consuntivo no Brasil é: (A) Geração de energia em hidrelétricas; (B) Irrigação; (C) Industrial; (D) Estações de tratamento de esgotos; (E) Abastecimento de água; 02. A obtenção de recursos financeiros para o financiamento de programas e intervenções contemplados nos Planos de Recursos Hídricos é: (A) Um dos objetivos da cobrança do uso de recursos hídricos; (B) O único objetivo da cobrança do uso de recursos hídricos; (C) Um dos objetivos da Política Nacional de Recursos Hídricos, mas não podeser um dos objetivos da cobrança do uso de recursos hídricos, pois tais recursos financeiros devem vir de emendas ao Orçamento Geral da União; (D) Um dos objetivos da Política Nacional de Recursos Hídricos, mas não pode ser um dos objetivos da cobrança do uso de recursos hídricos, pois tais recursos financeiros devem vir da compensação financeira da geração de energia elétrica, de que trata a Lei 9.648/98; (E) Um dos objetivos da Política Nacional de Recursos Hídricos, mas não pode ser um dos objetivos da cobrança do uso de recursos hídricos, pois tais recursos financeiros devem vir do erário público; 03. Referente à Lei 9.433 – Política Nacional de Recursos Hídricos, assinale a alternativa incorreta. Integram o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos: a) Comitês de Bacias Hidrográficas; b) Conselho de Recursos Hídricos dos Estados; c) Agência Nacional de Águas; d) Conselho Nacional do Meio Ambiente; e) Agências de Água; 04. As entidades que implementam os instrumentos da Lei das Águas no Brasil são: a) As Agências de Bacias; b) Os Comitês de Bacias Hidrográficas; c) A ANA e as entidades estaduais; d) Os Conselhos de Recursos Hídricos; e) O governo do Estado; 05. A partir da leitura, assinale abaixo a sequência que preenche corretamente as lacunas: A Lei nº9.433/1997 consolida, em termos legais, os sistemas de __________ sobre recursos hídricos como instrumento ____________ à gestão das águas e à implementação da Política de Recursos Hídricos. 173 Resumo ARH – Gabo Weby (...) O SNIRH é um dos instrumentos de _____________ previstos na Lei nº 9.422/1997, que institui a PNRH. (...) Do ponto de vista da concepção e estruturação do SNIRH, é importante frisar que, além das explícitas necessidades específicas de _____________ e _____________ das bacias, devem ser consideradas questões de exequibilidade e adaptabilidade dos bancos de dados implantados, a publicação das informações adquiridas, uma vez que as decisões de gestão em recursos hídricos requerem o adequado suporte de dados e ____________ sistematizados e disponíveis aos atores e segmentos interessados. a) Monitoramento, gerenciamento, gestão, gerenciamento, monitoramento, informações. b) Informações, essencial, gestão, monitoramento, gerenciamento, informações. c) Auxílio, gestão, gestão, monitoramento, gerenciamento, informações. d) Gestão, auxílio, gestão, agendamento, retrocesso, tabelas. e) Gerenciamento, monitoramento, gerenciamento, gestão, monitoramento, informações. 06. Uma indústria química deseja construir uma fábrica às margens do rio Tocantins, de onde retirará a água para utilizar em suas atividades e onde lançará seu efluente. Para poder se instalar às margens desse rio será necessário: I – que a indústria solicite à ANA outorga de captação de água; II – que a indústria solicite à ANA outorga para diluição de seus efluentes; III – que a indústria pague pela vazão outorgada; IV – que o pedido de outorga esteja de acordo com o enquadramento aprovado para o rio; V – que as atividades da indústria sejam compatíveis com aquelas previstas no Plano de Bacia do rio Tocantins; a) Estão corretas apenas as alternativas I, III, IV e V; b) Estão corretas apenas as alternativas II, III, IV e V; c) Estão corretas apenas as alternativas I, III e IV; d) Estão corretas todas as alternativas acima; e) Estão corretas apenas as alternativas I, II e III. 07. O rio Fontes, desenhado abaixo, possui três usuários cujas outorgas para captação já estão autorizadas. O usuário 1 é um agricultor que necessita de água para irrigação, o usuário 2 é uma fábrica de refrigerante, e o 3, uma captação para abastecimento de água de uma cidade. Um novo usuário solicitou outorga ao órgão competente. Sabe-se que em termos quantitativos o rio está em seu limite de exploração. 174 Resumo ARH – Gabo Weby Dentre os usuários de água abaixo, assinale aquele que poderia conseguir a outorga no novo ponto de captação. a) Indústria siderúrgica; b) Usina hidrelétrica; c) Indústria de alimentos; d) Agricultor irrigante; e) Abastecimento de água de um povoado; 08. Os volumes vazios (também denominados volumes de espera) que são mantidos em um grande número de reservatórios das usinas do sistema hidrelétrico brasileiro durante os meses das estações chuvosas têm a função de: a) Regularizar a produção de energia para ajustar à demanda. b) Receber e armazenar temporariamente as cheias excepcionais (período de retorno igual ou maior a 1.000 anos). c) Promover o equilíbrio ambiental, em termos de flora e fauna no entorno do lago formado pelo reservatório. d) Permitir a pesca e o turismo durante as estações chuvosas, por meio da ampliação do perímetro molhado do lago e melhoria das condições de acesso ao lago. e) Receber e armazenar temporariamente as cheias ordinárias, minimizando a frequência e a magnitude das inundações no vale a jusante da usina. 09. Assinale a opção que contém a melhor justificativa para que o sistema interligado brasileiro seja operado de forma coordenada e otimizada. a) Haveria perturbações e variações de tensão de maiores dimensões na rede básica de transmissão caso as regiões fossem operadas de forma isolada. b) A interligação elétrica entre as regiões do país permite explorar as diversidades hidrológicas entre as bacias hidrográficas. c) Os sistemas integrados permitem racionalização nas despesas de mão-de-obra operacional e equipe técnica. d) A interligação diminui ingerências políticas na coordenação da operação, as quais seriam inevitáveis nas operações regionais. 175 Resumo ARH – Gabo Weby e) Razões históricas justificam a operação interligada, uma vez que as empresas verticalizadas no período pré-desregulamentação já praticavam a operação interligada. 10. Assinale a opção que não contém uma ou mais variáveis e/ou componentes diretamente relacionados à produção de energia durante a operação de uma usina hidrelétrica. a) Curva de rendimento das turbinas, altura de queda, cota do canal de fuga. b) Altura de queda, cota do nível d’água do reservatório, vazão de turbinamento. c) Grau de abertura dos distribuidores, eficiência dos geradores, perda de carga no conduto adutor. d) Grau de cavitação na superfície do vertedor, grau de dissipação de energia na bacia de dissipação, cota de coroamento da barragem. e) Altura de queda, vazão de turbinamento e curva de rendimento das turbinas. 11. Assinale a alternativa correta: a) Fator de carga = demanda média carga ligada ; Fator de capacidade de uma UHE = potência firme potência instalada b) Fator de carga = demanda média demanda máxima ; Fator de capacidade de uma UHE = potência firme potência instalada c) Fator de carga = demanda média demanda máxima ; Fator de capacidade de uma UHE = potência média potência instalada d) Fator de carga = demanda mínima demanda máxima ; Fator de capacidade de uma UHE = potência firme potência máxima e) Fator de carga = carga ligada demanda máxima ; Fator de capacidade de uma UHE = potência firme potência instalada 12. Assinale a alternativa errada: a) Cavitação é o nome que se dá ao fenômeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão, a uma temperatura constante. b) Para todo fluido no estado líquido pode ser estabelecida uma curva que relaciona a pressão à temperatura em que ocorre a vaporização. Por exemplo: na pressão atmosférica a temperatura de vaporização da água é de cerca de 100ºC. Contudo a uma pressão menor, a temperatura de vaporização também se reduz. c) É fato sabido e previsível com a ajuda do Teorema de Bernoulli, que um fluido escoando ao ser acelerado tem uma elevação de pressão para que sua energia mecânica se mantenha constante. d) Os danos causados pela cavitação em componentes de turbinas hidráulicastêm envolvido não apenas custos elevados de reparo, mas considerável perda de energia gerada por indisponibilidade das máquinas, limitação da flexibilidade operacional do sistema e redução da vida útil dos equipamentos afetados. e) Hoje no país 75% das companhias geradoras de energia elétrica através de Usinas Hidrelétricas estão operando com algum tipo de problema de cavitação em seus equipamentos. 176 Resumo ARH – Gabo Weby 13. Assinale a alternativa que não corresponde a um circuito hidráulico possível de geração de uma usina hidrelétrica (as estruturas hidráulicas estão em ordem, de montante para jusante). a) Canal de aproximação, tomada d’água, conduto a baixa pressão, conduto forçado, casa de força, canal de fuga; b) Tomada d’água, casa de força; c) Canal de aproximação, conduto a baixa pressão, chaminé de equilíbrio, conduto forçado, casa de força, canal de fuga; d) Canal de adução, tomada d’água, canal, câmara de carga, conduto forçado, casa de força, canal de fuga; e) Tomada d’água, conduto a baixa pressão, conduto forçado, casa de força, canal de fuga; 14. Em relação a um circuito hidráulico de adução, são feitas as seguintes afirmações: I – Calculam-se as perdas de carga localizadas (na grade, na aproximação, nas bifurcações) e as perdas de carga por atrito tanto no canal quanto na tubulação forçada; II – Calculam-se as perdas de carga por atrito (na grade, na aproximação, nas bifurcações) e as perdas de carga localizadas tanto no canal quanto na tubulação forçada; III – Quanto maior a velocidade, maiores as perdas de carga localizadas; IV – Quanto maior a velocidade, menores as perdas de carga localizadas; V – O valor das perdas é deduzido da queda bruta para se calcular a potência instalada na usina hidrelétrica. Pode-se dizer que: a) As alternativas I, IV e V estão corretas. b) As alternativas I, III e V estão corretas. c) As alternativas III e V estão corretas. d) As alternativas II, III e V estão corretas. e) As alternativas I e III estão corretas. 15. O vertedor é um importante dispositivo de segurança, cuja função é garantir a integridade da barragem e das demais estruturas de uma usina hidrelétrica. Em relação a essa importante estrutura, são feitas as seguintes afirmações: I – O vertedor é constituído por 4 estruturas básicas: estrutura hidráulica de aproximação; estrutura de controle (crista livre ou comporta); rápido e estrutura de dissipação; II – Pode apresentar comportas ou pode funcionar com lâmina livre; III – É projetado para escoar cheia de tempo de recorrência de 10 mil anos amortecida no reservatório da barragem; 177 Resumo ARH – Gabo Weby IV – É projetado para escoar cheia de tempo de recorrência de 10 mil anos; V – A vazão escoada pelo vertedor depende da sua largura, do coeficiente de vazão e da carga hidráulica (H) sobre a soleira. Das afirmativas acima, pode-se dizer que: a) A afirmativa I está correta. b) Todas as afirmativas estão corretas. c) As afirmativas I, II, III e V estão corretas. d) As afirmativas I, II, IV e V estão corretas. e) As afirmativas IV e V estão corretas. 16. Na coluna da esquerda, estão as regiões do Brasil. Na coluna da direita, os principais problemas relativos aos recursos hídricos. Faça a correspondência adequada entre as duas colunas: A – Norte ( ) Escassez B – Sudeste ( ) Expansão da fronteira agrícola C – Nordeste ( ) Pressões ambientais D – Centro-oeste ( ) Poluição E – Sul ( ) Irrigação 17. Analise as afirmações: I – Usinas hidrelétricas permitem transformar energia hidráulica em energia mecânica e energia mecânica em elétrica; II – O termo potencial hidráulico significa a energia cinética ou potencial da água dos rios e lagos que se concentra nos aproveitamentos hidrelétricos; III – Chama-se período crítico o período em que os reservatórios do sistema partindo cheios e sem reenchimentos totais intermediários sejam deplecionados ao máximo (de uma usina/ do sistema); IV – O diagrama de Rippl permite calcular o volume útil de um reservatório de uma usina com regularização de vazão; Pode-se dizer que: a) Todas as afirmativas estão corretas. b) As afirmativas I, II e III estão corretas. c) As afirmativas II, III e IV estão corretas. d) As afirmativas I e II estão corretas. e) As afirmativas I, III e IV estão corretas. 178 Resumo ARH – Gabo Weby 18. Observe o gráfico abaixo, correspondente a um local para implementação de uma usina hidrelétrica: Observando-se o gráfico acima, não se pode afirmar que: a) Para a usina ser a fio d’água, sua potência instalada deve ser de, no máximo, 150 MW; b) Se a potência instalada for maior do que 300 MW, há necessidade de complementação por outra fonte de energia (usina termelétrica, por exemplo); c) É possível fazer uma usina com regularização de vazões, caso a potência instalada da usina seja inferior a 280 MW; d) A usina a ser instalada deve trabalhar na base da curva de carga do mercado local; e) É possível fazer uma usina com regularização de vazões. 19. Assinale a alternativa que não corresponde à política nacional de recursos hídricos: a) A outorga e a cobrança são alguns de seus instrumentos; b) A bacia hidrográfica é a unidade de gestão; c) A gestão dos recursos hídricos deve ser centralizada; d) O enquadramento dos corpos d’água em classes, segundo seus usos preponderantes; e) Em situação de escassez, a prioridade deve ser dada ao consumo humano e à dessedentação de animais. 179 Resumo ARH – Gabo Weby 20. Ambas as curvas de carga abaixo correspondem às curvas de carga da cidade de Torres. A curva A foi traçada em 1970, e a curva B, em 1990. Observando as curvas acima, pode-se afirmar que: a) Nada se pode afirmar sobre o processo de industrialização de Torres; b) Em 1970, a cidade era predominantemente industrial e, em 1990, devido ao surgimento de um novo polo industrial a 200 km dali, a cidade passou a ser predominantemente residencial; c) Torres era uma cidade residencial na década de 70, mas, com a instalação de grandes indústrias na região, a cidade tornou-se uma cidade industrial; d) Torres sempre foi industrial, apenas o seu consumo aumentou de 1970 para 1990; e) Torres sempre foi residencial, apenas se pode afirmar que houve um aumento no consumo de energia entre 1970 e 1990. 180 Resumo ARH – Gabo Weby 21. Para a operação de uma usina hidrelétrica em um curso d’água onde há navegação fluvial, assinale a opção que apresenta o maior número de variáveis de interesse ao controle operacional do reservatório/usinas para garantir as condições requeridas pela navegação: a) Nível de montante do reservatório e pressão da entrada das turbinas. b) Pressão junto à tomada d’água e pressão nas comportas de fundo. c) Nível d’água sobre a soleira do vertedor e nível d’água na bacia de dissipação. d) Altura de queda e pressão nas saídas das turbinas. e) Nível d’água no lago do reservatório e vazão defluente a jusante do reservatório. 22. Das opções abaixo, indique a situação em que não há conflito potencial entre os usos múltiplos em um reservatório durante sua operação em um período caracterizado como escassez hídrica: a) Geração hidrelétrica e irrigação com retirada de água do reservatório. b) Abastecimento de água com retirada de água do reservatório e geração hidrelétrica. c) Navegação fluvial a montante e a jusante do reservatório e geração hidrelétrica. d) Recreação no entorno do lago e geração hidrelétrica. e) Navegação fluvial e manutenção da qualidade da água, ambas a jusante do reservatório. 23. Praticamente todas as atividades produtivasque geram desenvolvimento e renda em uma região fazem uso da água em seu ciclo produtivo, e boa parte destas atividades faz um uso consuntivo deste recurso. Constituem, respectivamente, um uso não consuntivo e um uso consuntivo: a) Geração hidrelétrica; navegação fluvial. b) Recreação; abastecimento industrial. c) Dessedentação de animais; pesca. d) Abastecimento humano; assimilação e transporte de esgoto e resíduos líquidos. e) Geração termelétrica a vapor com óleo combustível; irrigação. 24. O vertedor é um importante dispositivo de segurança, cuja função é garantir a integridade da barragem e das demais estruturas de uma usina hidrelétrica. Em relação a essa importante estrutura, são feitas as seguintes afirmações: I - O vertedor é constituído por 4 estruturas básicas: estrutura hidráulica de aproximação; estrutura de controle; rápido e estrutura de dissipação; II – Pode apresentar comportas ou pode funcionar com lâmina livre; III – A dissipação de energia é feita sempre por intermédio de um salto de esqui; IV – A vazão escoada pelo vertedor é calculada multiplicando-se a sua largura pelo seu coeficiente de vazão. Das afirmativas acima, pode-se dizer que: a) Apenas as afirmativas I e II estão corretas. 181 Resumo ARH – Gabo Weby b) Apenas as afirmativas I, III e IV estão corretas. c) Apenas a afirmativa I está correta. d) Todas as afirmativas estão corretas. e) Apenas as afirmativas I, II e IV estão corretas. 25. Na política nacional de recursos hídricos, em que se constitui o instrumento de enquadramento? De que forma ele poderá contribuir para os objetivos da política nacional de recursos hídricos? 26. Em uma usina hidrelétrica, o nível d’água (NA) do reservatório está na cota 100,00m e o NA do ponto de restituição, a jusante, na cota de 40,00m. Sendo de 2,00m a perda de carga no canal de adução, de 5,00m a perda de carga nos condutos forçados e de 1,50m a perda de carga na restituição ao rio, pede-se: a) A queda bruta; b) O rendimento hidráulico do aproveitamento; c) Croquis do corte longitudinal, incluindo as grandezas. 27. Uma usina hidrelétrica é denominada “usina a fio d’água” quando: a) É incapaz de regularizar as vazões do curso d’água. b) Produz totais de energia anuais iguais ou inferiores a 500 GWh. c) Existe derivação do curso d’água natural para produção de energia hidráulica. d) O fluxo d’água é revertido em direção contrária ao sentido natural, durante as horas de pico de demanda do sistema ao qual a usina está conectada. e) Se localiza na extremidade de montante de um curso d’água. 28. Considere um reservatório com capacidade de 10.000 m³. Às 10 horas, o volume de água armazenada é de 5.048 m³. As vazões de entrada (QE) e de saída (QS), observadas no reservatório, foram as apresentadas na tabela abaixo. Portanto, pode-se afirmar que o reservatório começará a verter água a partir das: a) 15:36 h b) 17:35 h c) 20:10 h d) 11:34 h e) 18:15 h Período (h) QE (m³/s) QS (m³/s) 10 - 12 0,50 0,75 12 - 14 0,65 0,65 14 - 16 1,20 0,50 16 - 18 0,60 0,30 18 - 20 1,40 0,20 20 - 22 1,00 0,20 182 Resumo ARH – Gabo Weby 29. Defina o fenômeno da cavitação e os principais problemas que esse fenômeno pode causar em usinas hidrelétricas. 30. Cite 3 fundamentos da política nacional de recursos hídricos. 31. Na política nacional de recursos hídricos, em que se constitui o instrumento da outorga? De que forma ele poderá contribuir para os objetivos da política nacional de recursos hídricos? Como ele está relacionado com o instrumento do enquadramento? 32. A equação de vazão de um vertedor em uma usina hidrelétrica é dada por uma fórmula do tipo: 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐿 ∗ 𝐻3/2 • 𝑄 → vazão em m3/s • 𝐶 → coeficiente de descarga (pode variar entre 1,65 e 2,25) • 𝐿 → largura efetiva do extravasor (m) • 𝐻 → carga no extravasor (distância, em metros, da crista da soleira do extravasor ao nível das águas do reservatório) Cite três fatores que podem influenciar no valor do coeficiente de descarga do vertedor, 𝐶. 33. Analise as afirmativas abaixo, referentes ao cálculo do valor do diâmetro econômico dos condutos forçados no projeto de uma usina hidrelétrica (UHE): I – O diâmetro econômico é aquele que otimiza a relação custo-benefício de uma UHE. II – O diâmetro econômico é aquele que permite a geração de maior quantidade de energia na UHE. III – O diâmetro econômico é o diâmetro limite para o qual um aumento de sua dimensão, que significaria aumento das perdas hidráulicas, promove maior benefício energético sem que isso compense o acréscimo de custo associado. IV – O diâmetro econômico é o diâmetro limite para o qual um aumento de sua dimensão, que significaria redução das perdas hidráulicas e, consequentemente, maior potência instalada, promove aumento do benefício energético sem que isso compense o acréscimo de custo associado. V – O diâmetro econômico é aquele que apresenta o menor custo associado. Pode-se dizer que: a) Apenas as alternativas III e V estão corretas. b) Apenas as alternativas II, III e V estão corretas. c) Apenas as alternativas I e V estão corretas. d) Apenas as alternativas I e IV estão corretas. e) Apenas as alternativas I, IV e V estão corretas. 183 Resumo ARH – Gabo Weby 34. Quanto ao instrumento da cobrança, no estado do Rio, mais especificamente, na bacia do rio Paraíba do Sul, pode-se afirmar que seu valor é baseado em parcelas que levam em conta: a) A captação, o consumo e o lançamento apenas. b) A captação e o consumo apenas. c) A captação e o lançamento apenas. d) A captação apenas. e) O consumo e o lançamento apenas. 35. A figura abaixo apresenta um corte da barragem com a tomada d’água, o conduto forçado e a casa de força da usina hidrelétrica de Itaipu. Nota-se que a tomada d’água encontra-se em pequena profundidade. Pergunta-se: a) Quais as vantagens e desvantagens de se construir uma tomada d’água no fundo ou na superfície. b) Há interferência no total de energia gerado? Justifique sua resposta. 36. O fator de carga da cidade de Itaorna, em Minas Gerais, era, na década de 80, de 0,8. Em 2006, esse valor passou para 0,6. Essa mudança no fator de carga pode ser explicada por: a) Itaorna sempre foi industrial, apenas se pode afirmar que houve um aumento no consumo de energia elétrica entre 1980 e 2006. b) Itaorna era uma cidade residencial na década de 80, mas, com a instalação de grandes indústrias na região, a cidade tornou-se uma cidade industrial. c) Na década de 80, a cidade de Itaorna era predominantemente industrial e, em 2006, devido a transferência maciça de indústrias para outras regiões, o perfil de consumo de energia elétrica passou a ser predominantemente residencial. 184 Resumo ARH – Gabo Weby d) Itaorna sempre foi residencial, apenas se pode afirmar que houve um aumento no consumo de energia elétrica entre 1980 e 2006. e) Nada se pode afirmar sobre a mudança no consumo de energia elétrica na cidade. 37. O gráfico abaixo apresenta a curva de permanência da potência disponível em um aproveitamento hidrelétrico projetado para atender a um mercado isolado. Sabendo que a demanda máxima do mercado é de 90 MW, pede-se: a) A potência firme do aproveitamento hidroelétrico projetado. b) A usina projetada deverá operar a fio d’água ou com reservatório de regularização de vazões? Justifique sua resposta. 38. Não constitui fundamento da Lei 9.433: a) Em situação de escassez, o uso prioritário dos recursos hídricos é o saneamento e a geração de energia elétrica. b) A gestão dos recursos hídricos deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas. c) A bacia hidrográfica é a unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos. d) A água é um recurso natural limitado, dotado de valoreconômico. e) A água é um bem de domínio público. 39. Uma usina hidrelétrica possui 1 tomada d’água, 1 canal e 3 condutos forçados em túneis abertos em tocha (f=0,02) com 600m de extensão e 4,0m de diâmetro cada. A perda de carga na primeira parte da adução (tomada d’água e canal) é de 2,0m. A vazão de projeto é de 120 m³/s. O reservatório está na cota 160,00m e a restituição na cota 100,00m. Sendo de 0,90 o rendimento eletromecânico, qual a potência instalada? 185 Resumo ARH – Gabo Weby 40. O gráfico a seguir apresenta as curvas de vazões afluentes e efluentes na hidrelétrica de Sobradinho, para uma cheia, no rio São Francisco. Se essa é a cheia com tempo de recorrência de 10.000 anos e supondo-se que o vertedouro tenha sido dimensionado corretamente, qual a vazão de projeto dessa estrutura? Justifique sua resposta. 41. “Esse é um exemplo de um tipo de arranjo das estruturas em que é fundamental o cálculo correto do diâmetro econômico do conduto forçado”. Defina diâmetro econômico e justifique a afirmativa anterior. 42. O que é golpe de aríete? Em uma usina hidrelétrica, em quais situações pode ocorrer um golpe de aríete? 43. O que pode ser feito para minimizar os efeitos de um golpe de aríete? 44. Descreva uma curva de carga diária típica do mercado consumidor de energia elétrica no Brasil. Desenhe a curva e descreva suas principais características. 45. O diagrama ao lado representa o processo decisório no Sistema Interligado Nacional. As letras A, B, C e D correspondem a resultados das decisões tomadas no instante 1, antes de serem conhecidas as afluências (vazões) futuras nos reservatórios do Sistema Interligado Nacional brasileiro. Qual (ou quais) 186 Resumo ARH – Gabo Weby desse(s) resultado(s) demonstra(m) que a decisão tomada no instante 1 foi acertada? Justifique sua resposta. 46. Na política de gestão de recursos hídricos brasileira, em que consiste a outorga? 47. Cite dois objetivos da cobrança pelo uso dos recursos hídricos. 48. Uma usina hidrelétrica foi construída no rio Correntoso, conforme o arranjo da figura abaixo. Observe que a água do rio é desviada em uma curva, sendo que a vazão turbinada segue o caminho A enquanto o restante da vazão do rio (se houver) segue o caminho B, pela curva. A usina foi dimensionada para turbinar uma vazão no mínimo igual à Q90. Por questões ambientais, o IBAMA está exigindo que seja mantida uma vazão não inferior a 30 m³/s na curva do rio que fica entre a barragem e a usina. Para manter a vazão ambiental na curva do rio é necessário, por vezes, interromper a geração de energia elétrica, isto é, a manutenção da vazão ambiental tem prioridade sobre a geração de energia. Considerando que a curva de permanência a seguir corresponde a um período de tempo de um ano, pergunta-se: 187 Resumo ARH – Gabo Weby a) Quantos dias por ano, a usina não gerará energia? b) 2 novos usuários desejam pedir outorga ao órgão regulador estatal para se instalarem no trecho B. Dê exemplos de 2 tipos de usos que o órgão regulador poderá permitir. 49. A figura abaixo ilustra o circuito de adução da Pequena Central Hidrelétrica (PCH) Bonfante. Dados: • Vazão turbinada total = 24 m3/s • Coeficientes de perda de carga: ✓ Entrada 𝐾𝑒 = 0,15; ✓ Curva 50°, 𝐾𝑐 = 0,5; ✓ Logo após a curva de 70°, há bifurcação para 2 condutos forçados. Adotar 𝐾𝑏 = 0,4; ✓ Coeficiente de Manning = 0,11; ✓ Rendimento da turbina = 93%; ✓ Rendimento do gerador = 97%; ✓ Coeficiente de atrito nos condutos = 0,03; • Desprezar perdas de carga localizadas cujos coeficientes não tenham sido dados. A figura a seguir corresponde ao diagrama de carga (curva de demanda) do mercado de energia elétrica que a PCH Bonfante deverá atender. Com os dados fornecidos, responda ao que se pede. 188 Resumo ARH – Gabo Weby a) Qual a potência instalada da usina? b) Sabendo-se que o fator de capacidade da PCH a fio d’água é de 0,5, a pequena central hidrelétrica projetada deverá operar a fio d’água ou com reservatório de regularização de vazões? Justifique sua resposta. c) Seria possível aumentar o fator de capacidade da PCH Bonfante? Justifique sua resposta. d) A partir da figura com o circuito hidráulico de adução da PCH, pode-se observar que esse é um arranjo onde um dimensionamento adequado do diâmetro é fundamental. Explique as razões para isso e defina diâmetro econômico de uma usina hidrelétrica. e) Sabendo-se que a cota da soleira do vertedor da PCH Bonfante = N.A.res = 252,00 m; que o reservatório amortece 10% da sua vazão de projeto que é de 6.900 m³/s e que a largura efetiva do vertedor é de 130,00 m, determine o NAmaxmax da água no reservatório. 189 Resumo ARH – Gabo Weby 50. Uma usina hidrelétrica (UHE B) apresenta um reservatório com capacidade para 10.000 hm³. Durante determinado período, o volume inicial do reservatório era de 90% e, ao final, o reservatório estava com 80% da sua capacidade. Ainda neste período, o volume correspondente às perdas por evaporação foi de 100 hm³, enquanto o volume vertido, por restrições sanitárias, correspondeu a 300 hm³. Essa usina possui uma hidrelétrica a montante (UHE A) e outra a jusante (UHE C) que, durante este período, não realizaram vertimentos e turbinaram o equivalente a 500 e a 600 hm³, respectivamente. Considerando desprezíveis as perdas por infiltração no reservatório, as perdas no percurso entre as usinas, as vazões laterais afluentes e o tempo de viagem da água, calcule o volume de água turbinado na UHE B. 51. A partir da notícia abaixo e das aulas, dê 4 exemplos de conflitos de usos de recursos hídricos que podem surgir decorrentes do baixo nível dos reservatórios no Sudeste e no Centro-Oeste brasileiros. Justifique sua resposta. Tempo seco afeta nível de represas de hidrelétricas no Sudeste e Centro-Oeste Plantão | Publicada em 21/09/2010 às 20h57m Jornal Nacional SÃO PAULO – Os reservatórios de água de duas regiões brasileiras estão sofrendo os efeitos do tempo seco e da estiagem prolongada. As principais hidrelétricas das regiões Sudeste e Centro-Oeste operam com quase metade da capacidade das represas. Na usina de Marimbondo, na divisa de São Paulo e Minas Gerais, o nível é o mais baixo dos últimos nove anos. O Rio Grande está tão raso, que os pescadores procuram os peixes entre as pedras. A represa está com menos de 30% do volume total. Por onde antes só se passava de barco, agora é possível caminhar. A água já recuou mais de 50 metros. 52. Cite duas formas de se dissipar a energia em um vertedouro e explique como essa dissipação é feita e porque é necessária. 53. A figura a seguir ilustra o circuito de adução da Usina Hidrelétrica (UHE) Itaúba situada em um meandro do Rio Jacuí. 190 Resumo ARH – Gabo Weby Dados da UHE: • Entrada em operação: setembro de 1978; • Turbina tipo: Francis, eixo vertical; • Número de unidades: 4; • Rendimento da turbina: 92%; • Rendimento do gerador: 97%; • Nível d’água de montante: 634,00 m; • Nível d’água de jusante: 542,00 m; • Vazão por unidade: 167 m³/s; • A perda de carga do circuito hidráulico de geração é estimada em 10%; • Fator de capacidade da UHE = 0,50. Pede-se: a) A potência instalada da hidrelétrica; b) A usina é de represamento, de derivação ou de desvio? c) A potência firme da hidrelétrica; 191 Resumo ARH – Gabo Weby d) As figuras a seguir apresentam a demanda a ser atendida pela UHE Itaúba, considerando-se um mercado isolado de energia. O primeiro gráfico, consta da curva de demanda quando ela foi construída, em 1978, e o segundo gráfico foi elaborado a partir de projeções de demanda 2020. Baseado nessas curvas, pergunta-se: d.1.: A UHE em 1978 atendia ao mercado ou necessitava de complementação?Justifique sua resposta. d.2.: E em 2020? Justifique sua resposta. d.3.: O que aconteceria com a energia e a potência geradas se a usina fosse ligada ao SIN (Sistema Interligado Nacional)? As respostas aos itens d.1. e d.2. seriam diferentes nesse caso? Por quê? d.4.: Observando os dois gráficos, o que se pode afirmar sobre o desenvolvimento urbano da cidade de Itaúba? Justifique sua resposta. 192 Resumo ARH – Gabo Weby 54. A figura a seguir apresenta a curva de permanência de vazões decrescentes genérica construída com os dados de vazões observados na foz de uma bacia hidrográfica. A tabela mostra os dados de frequência simples usados para obtenção da curva de permanência. Com base nesses dados, qual o valor da vazão que tem permanência de 70% (Q70), em m³/s? 55. Preencha corretamente as lacunas, de acordo com a função correspondente das diversas instituições atuantes na Política Nacional de Recursos Hídricos: (A) Conselho Nacional de Recursos Hídricos (B) Agência de Águas (C) ANA – Agência Nacional das Águas (D) Comitês de Bacias (E) MMA/SRH (Ministério do Meio Ambiente/Secretaria de Recursos Hídricos) ( ) outorgar e fiscalizar o uso de recursos hídricos de domínio da União; ( ) formular a Política Nacional de Recursos Hídricos e subsidiar a formulação do Orçamento da União; ( ) a aprovação do Plano da Bacia; ( ) dirimir conflitos em última instância; ( ) “braços executivos” do(s) seu(s) correspondente(s) comitês; 56. Os itens de 1.1 a 1.20 a seguir contêm afirmações verdadeiras (V) ou falsas (F). Você deve julgar essas afirmações e escrever nos parênteses ao lado de cada afirmação V, se julgar verdadeira, e F, se julgar falsa. I. O efeito da regularização de vazões sobre a curva de permanência é torná-la mais horizontal, com valores mais próximos da média a maior parte do tempo. ( ) Intervalo de Vazão (m³/s) Frequência Simples 0 - 10 110 10 - 20 190 20 - 30 300 30 - 40 300 40 - 50 350 50 - 60 150 60 - 70 80 70 - 80 20 193 Resumo ARH – Gabo Weby Considerando dois empreendimentos hidrelétricos, A e B, sendo A uma usina embasada na geração a fio d’água e B uma usina a reservatório, julgue os itens de II a IV. II. No empreendimento A, o reservatório deve ter capacidade muito reduzida de acumulação de água. ( ) III. Nos dois empreendimentos, a geração de energia firme deve ser bastante elevada, aproximando-se da máxima potência no empreendimento A. ( ) IV. A construção da usina B em situação geográfica a montante é benéfica à usina A. ( ) V. Cavitação é o nome que se dá ao fenômeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão, a uma temperatura constante. ( ) VI. Para o planejamento da operação das usinas hidrelétricas integrantes do SIN (Sistema Interligado Nacional), o ONS (Operador Nacional do Sistema) elabora estudos para a determinação dos volumes de espera em reservatórios para o controle de cheias. A alocação desses volumes de espera, por estes ocuparem a borda livre dos reservatórios, não geram impactos na operação energética do SIN, visto que não restringe a capacidade máxima de armazenamento dos reservatórios das usinas. ( ) VII. Considerando-se as principais fontes de geração de energia elétrica no Brasil (hidráulica, nuclear, carvão e óleo), pode-se dizer que, apesar de ter uma capacidade instalada em torno de 70% do total, as hidrelétricas são responsáveis por aproximadamente 50% da energia gerada anualmente, devido a problemas frequentes de hidrologias desfavoráveis. ( ) VIII. A energia firme de um sistema gerador corresponde à máxima quantidade de energia que este sistema é capaz de gerar durante o período de ponta de consumo. ( ) IX. Parte da demanda de energia é suprida pelas hidrelétricas, aumentando-se o vertimentos de seus reservatórios, de modo a garantir o nível mínimo dos mesmos. ( ) X. As usinas térmicas têm um importante papel no Sistema Interligado Nacional, aumentando a garantia do sistema quando há riscos de geração futura. ( ) XI. A figura ao lado mostra uma tomada d’água do tipo torre. ( ) 194 Resumo ARH – Gabo Weby XII. Tomadas d’água mais profundas são melhores porque a queda é maior e, consequentemente, a potência também. ( ) XIII. Com respeito ao método do diagrama de Rippl ou curva de massa de descargas, pode-se afirmar que a tangente à curva em qualquer ponto é a vazão naquele instante. ( ) As questões XIV a XX são sobre gestão de recursos hídricos: XIV. A obtenção de recursos financeiros para o financiamento de programas e intervenções contemplados nos Planos de Recursos Hídricos é um dos objetivos da outorga do uso de recursos hídricos. ( ) XV. Em relação à gestão dos recursos hídricos no Brasil, pode-se dizer que a outorga é um ato administrativo de autorização que pode estabelecer as vazões de captação, de consumo e de diluição que serão atribuídas ao outorgado. ( ) XVI. O estudo de enquadramento em um rio é elaborado de forma a definir uma determinada classe em que toda a bacia hidrográfica será enquadrada. ( ) XVII. O mundo tem, na data em que esta questão foi formulada, 7 bilhões de habitantes e uma disponibilidade máxima de água para consumo em todo o planeta de 11.000 km³/ano. Admitindo-se um consumo médio anual per capita de 800 m³; mantendo-se os padrões de consumo e a disponibilidade hídrica comentada anteriormente, a população poderia, no máximo, triplicar de tamanho. ( ) XVIII. A navegação fluvial é um uso que não conflita com outros, por não retirar água do corpo hídrico. ( ) XIX. É possível fazer rebrotar olhos d’água em regiões de bacias hidrográficas por intermédio da adoção de mudanças na forma de se realizar o manejo do solo. ( ) XX. O enquadramento dos corpos d’água em classes, segundo os usos preponderantes da água é um instrumento do CNRH – Conselho Nacional de Recursos Hídricos que, entre outras coisas, visa determinar quais os usos d’água serão permitidos e outorgados para cobrança. ( ) 57. Considere um vertedor com estrutura de dissipação de energia composta de uma bacia de dissipação por ressalto hidráulico construída em um canal retangular cuja base é de 18 m, por onde escoa a vazão de 160,0 m³/s. Sabe-se que a altura da lâmina d’água do escoamento a montante do ressalto hidráulico é de 𝑦1 = 0,8 m. O escoamento a jusante do ressalto hidráulico tem altura de lâmina d’água 𝑦2 = 3,4 m. Qual é a potência dissipada, em kW, no ressalto hidráulico? 195 Resumo ARH – Gabo Weby 𝑃 dis = 9,8 ∗ 𝑄 ∗ ℎperda • 𝑄 → vazão (m3/s) • 𝑃dis → potência dissipada no ressalto hidráulico • ℎperda → perda de carga no ressalto hidráulico (m) 58. A usina hidrelétrica Ponte de Pedra, reproduzida esquematicamente abaixo, é uma usina de desvio, cujo circuito de geração é composto de canal, tomada d’água, 3 condutos forçados e casa de força. O nível d’água à jusante da casa de força é de 177,25 metros. Sabendo-se que o nível d’água no reservatório é de 424,00 m, que a vazão de projeto é de 82 m³/s e que o rendimento do grupo turbina-gerador vale 0,9, pede-se: Dados: • 𝑛 = 0,012; • 𝑓 = 0,02; • Comprimento do canal = 4 km; • Comprimento dos condutos forçados = 200 m; • Coeficiente de vazão do vertedor 𝐶 = 2,0. a) Dimensione o canal de adução trapezoidal, admitindo-se uma velocidade máxima de 1,5 m/s, altura de 4,0 m e taludes laterais 1:1. b) Sabendo-se que os condutos têm diâmetro de 2,4 m cada e desprezando-se as perdas de carga localizadas, calcule a potência instalada da hidrelétrica. c) Uma cidade como Campos, no norte do estado do Rio, possui 463.000 habitantes. Admitindo-se 4 moradores por residência, um fator de capacidade na usina de 0,6 e um consumo médio de 200 kWh/mês por residência, calculequantas cidades como Campos a usina hidrelétrica de Ponte de Pedra poderia atender. d) Estudos hidrológicos indicaram que a cheia decamilenar na hidrelétrica vale 11.200 m³/s. Sabendo-se que o reservatório amortece 30% da cheia de projeto, calcule a cota de crista da barragem, para uma borda livre de 1,0 m e largura do vertedor de 120 m. Admita que a soleira do vertedor se encontra na mesma cota do nível do reservatório. 196 Resumo ARH – Gabo Weby e) Cite os dois principais problemas ambientais que uma usina desse tipo pode acarretar, tanto na construção quanto na operação da usina. 59. A construção de grandes barragens provoca o rompimento de um equilíbrio geomorfológico longitudinal de um rio, alterando o ambiente de lótico para lêntico. Esse tipo de interferência gera uma série de efeitos em cadeia. Um exemplo de alteração hidrológica-geomorfológica em um setor de um rio represado é a(o): (A) Aumento da deposição de carga sólida no setor a montante da barragem. (B) Alteração térmica da água no setor a jusante da barragem. (C) Redução do nível piezométrico no setor a montante da barragem. (D) Regularização das vazões afluentes no setor a montante da barragem. (E) Maior disponibilidade de água subterrânea no setor de jusante da barragem. 60. A região metropolitana de São Paulo (RMSP) apresenta demandas crescentes de água e precisará ampliar a importação desse recurso de outros mananciais, dentre eles possivelmente do Rio Paraíba do Sul. Considerando a situação atual de disponibilidade e demanda nessa bacia, avalie as possíveis consequências dessa importação para a RMRJ e descreva, justificando, ao menos duas possíveis consequências para a Região Metropolitana do Rio de Janeiro e seus moradores. 61. A seguir são apresentadas a curva de permanência das potências geradas na Pequena Central Hidrelétrica (PCH) a fio d’água Cachimbo (potências geradas X porcentagem dos dias do ano). Dados: adução por dois condutos forçados de comprimento igual a 140,00 m e diâmetro de 2,20 m cada, coeficiente de atrito nos condutos igual a 0,025; rendimento da turbina = 0,87; 197 Resumo ARH – Gabo Weby nível d’água de montante = 128,00 m; nível d’água de jusante = 109,40 m; desprezar todas as perdas de carga localizadas. a) Qual a potência firme? b) Qual é o fator de capacidade? c) Para a velocidade no conduto igual a 6 m/s, calcule a queda líquida; d) Calcule o rendimento do gerador; e) A figura a seguir representa a curva de carga média diária do Centro de Tecnologia (CT) da UFRJ. Faça uma estimativa aproximada do fator de carga do CT. f) A PHC Cachimbo atenderia sozinha à demanda do CT ou necessitaria de complementação? Justifique sua resposta. 62. Leia o texto a seguir. O Comitê da Bacia Hidrográfica do rio São Francisco foi criado por decreto presidencial em 5 de junho de 2001. O comitê tem 62 membros titulares e expressa, na sua composição tripartite, os interesses dos principais atores envolvidos na gestão dos recursos hídricos da bacia. Em termos numéricos, os usuários somam 38,7% do total de membros, o poder público (federal, estadual e municipal) representa 32,2%, a sociedade civil detém 25,8% e as comunidades tradicionais 3,3%. O texto apresentado remete ao seguinte fundamento da Política Nacional de Recursos Hídricos, instituída pela Lei nº9.433, de 8 de janeiro de 1997: (Assinale apenas UMA das alternativas a seguir.) (A) A água é um bem de domínio público. (B) A água é um recurso natural limitado, dotado de valor econômico. (C) A gestão deve sempre proporcionar o uso múltiplo das águas. (D) A gestão deve ser descentralizada e ter a participação do poder público, dos usuários e das comunidades. 198 Resumo ARH – Gabo Weby (E) A bacia hidrográfica é a unidade territorial para implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos e atuação do Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos. 63. Na figura a seguir são representadas as vazões ao longo do tempo em duas seções diferentes do rio São Francisco, uma à montante do reservatório de Sobradinho e outra à jusante da barragem de Sobradinho. Sobre essa figura, considere as seguintes afirmativas: 1. A diferença de vazão de montante para jusante mostra que mais água chega a Sobradinho do que sai dele, indicando que a irrigação é a grande consumidora dessa diferença. 2. A diferença de vazão de montante para jusante mostra que mais água chega a Sobradinho do que sai dele, indicando que a geração de energia é a grande consumidora dessa diferença. 3. As curvas mostram o grande potencial de regularização das vazões que possui o reservatório de Sobradinho. 4. As curvas mostram que na época das chuvas mais água chega a Sobradinho do que sai, e na época das estiagens mais água sai de Sobradinho do que chega. Assinale a alternativa correta: (A) Somente as afirmativas 1 e 4 são verdadeiras. (B) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. (C) Somente as afirmativas 1, 2 e 3 são verdadeiras. (D) Somente as afirmativas 3 e 4 são verdadeiras. (E) Somente as afirmativas 2, 3 e 4 são verdadeiras. 64. A figura abaixo representa o perfil de um vertedor sem comportas e com vão de 48 metros de largura. A profundidade no reservatório (𝐻𝑑) é de 25 metros. A cota de fundo do reservatório é a mesma do canal à jusante do vertedor que é igual a 422,10 m. A largura do canal de jusante é igual à largura do vertedor. Há formação de um ressalto 199 Resumo ARH – Gabo Weby hidráulico completamente, dissipando energia. A seção 2 é um canal com escoamento fluvial, com curva chave dada por: 𝑄 = 38,61 𝑁𝐴0,477 Onde 𝑄 é vazão em m³/s e 𝑁𝐴 é nível d’água em metros. Sabe-se que o reservatório amortece 30% da vazão máxima afluente, que é de 990 m³/s. • Coeficiente de vazão do vertedor = 1,8. 𝑃dis = 9,8 ∗ 𝑄 ∗ ℎperda • 𝑄 → vazão (m3/s) • 𝑃dis → potência dissipada no ressalto hidráulico • ℎperda → perda de carga no ressalto hidráulico (m) Calcule a potência dissipada no ressalto, em kW. 65. Sobre a Gestão de Recursos Hídricos hoje no Brasil: a) Cite 2 objetivos da Lei 9.433/1997, que institui a política de recursos hídricos no país; b) Descreva um conflito típico entre usuários de recursos hídricos no Brasil. Justifique sua resposta. 66. Aponte a alternativa INCORRETA em relação à determinação de volumes de reservatórios com o uso do diagrama de Rippl. (A) Desconsidera a sazonalidade das vazões. (B) É um modelo determinístico baseado na série histórica de vazões do rio. (C) Perdas por evaporação são desconsideradas e, portanto, esse modelo não deve ser utilizado em bacias no semiárido. (D) Permite apenas uma regra de regularização. (E) Não associa riscos a um determinado volume. 200 Resumo ARH – Gabo Weby 67. As vazões de um rio variam ao longo do tempo. A análise percentual da ocorrência da vazão é denominada Curva de Permanência, que é um dos parâmetros para se analisarem as características de um rio a ser utilizado para geração de energia elétrica. O quadro ao lado traz uma série histórica de vazões de um rio. A partir do exposto, assinale a alternativa que apresenta o valor da vazão Q90: (A) 120 m³/s (B) 80 m³/s (C) 60 m³/s (D) 25 m³/s (E) 15 m³/s 68. O Comitê de Bacia Hidrográfica, que tem como objetivo o gerenciamento dos recursos hídricos é: (A) Um ministério. (B) Uma ONG que delibera em nível nacional ou regional. (C) Um órgão colegiado, consultivo deliberativo de nível nacional ou regional, estratégico. (D) Uma secretaria de estado. (E) Uma secretaria de município. 69. Considerando a presença da água na natureza e seu ciclo hidrológico, são afirmativas corretas, EXCETO: (A) A água atinge quase quatro quintos da superfície terrestre. (B) A água subterrânea vem sendo acumulada no subsolo há séculose somente uma fração desprezível é acrescentada anualmente pelas chuvas ou retirada pelo homem. (C) Entre 70% e 75% da precipitação pluviométrica volta à atmosfera como evapotranspiração. (D) Somente cerca de 20% do volume total de água podem ser aproveitados para nosso consumo. (E) Com aquecimento global, o volume armazenado nas geleiras tem diminuído. 70. O rompimento da barragem de rejeitos minerais de Fundão, situada em Mariana/MG, e o galgamento da barragem de Santarém, e rio Doce, resultou em um desastre ambiental de grande magnitude e repercussão, liberando um volume estimado de 34 milhões de m³ de rejeitos de mineração, causando diversos impactos socioeconômicos e ambientais na bacia do rio Doce. A figura a seguir mostra o perfil longitudinal do curso d’água afetado pelo rompimento da Barragem de Fundão. Data Vazão (m³/s) 02/02/2018 70 21/05/2018 30 12/07/2018 20 03/04/2018 90 02/01/2018 50 201 Resumo ARH – Gabo Weby Fonte: Conjuntura dos Recursos Hídricos no Brasil – Informe 2016. ANA No entanto, o volume de rejeitos que atingiu o mar mostrou-se menor que o esperado. Com base na figura acima, assinale a alternativa correta que justifique este fato. (A) A distância elevada até a foz. (B) A baixa pluviosidade na época do desastre. (C) As cidades que barraram os rios. (D) A quantidade de afluentes que diluíram os rejeitos. (E) As usinas hidrelétricas que retiveram parte dos rejeitos. 71. O desafio de atender à demanda com uma matriz de energia elétrica que apresenta um número muito maior de fontes energéticas não controláveis torna necessário um aumento da capacidade de armazenamento de energia. Sobre as tecnologias específicas para o aumento da capacidade do sistema, visando a complementação de potência, uma das alternativas mais promissoras são as usinas hidrelétricas reversíveis. Descreva seu funcionamento e como esse tipo de usina pode contribuir para o armazenamento de energia elétrica. 72. Com auxílio da equação de Bernoulli, descreva em que consiste o fenômeno da cavitação em usinas hidrelétricas e descreva que consequências a cavitação pode trazer para o funcionamento dos equipamentos dessas usinas. 73. A tabela a seguir mostra a vazão de um rio, em m³/s, em seção em que se pretende implantar um reservatório de uma pequena central hidrelétrica. Considerando que cada mês tem 30 dias, calcule a capacidade mínima que esse reservatório terá para regularizar 50% da maior vazão teoricamente possível. JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 100 90 50 25 15 8 5 4 9 20 50 80 202 Resumo ARH – Gabo Weby 74. A Usina Hidrelétrica Karakaya, na Turquia, apresenta vertedor com comportas e casa de força integrados, conforme figura e seção transversal de bloco da estrutura. UHE Karakaya; seção transversal de barragem, casa de força e vertedouro. Fonte: Projeto de Usinas Hidrelétricas, Geraldo Magela Pereira. Dados: • Soma de todas as perdas de carga (localizadas e distribuídas) fora do trecho AB (isto é, antes do ponto A e depois do ponto B) vale 1,0 m; • Vazão máxima total da UHE: 1.470 m³/s; • Rendimento da turbina: 0,96; • Rendimento do gerador: 0,88; • Número grupos turbina-gerador: 6; • Coeficiente de perda de carga localizada na curva de 90°: 0,20; • Coeficiente de atrito no conduto: 0,027; • Raio externo da curva de 90°: 15,0 m. Pede-se: a) Dimensione o diâmetro dos condutos de forma a minimizar as perdas de carga (4,5 m/schuva: 𝑖 = 650𝑇𝑟 0,14 (𝑡𝑑 + 13)0,70 → 𝑖 = 650 ∗ 100,14 (60 + 13)0,70 → 𝑖 = 45 mm/h 2) Calculando o valor de 𝐶: 𝐶 = 30% 𝐶pastagem + 70% 𝐶agricultura → 𝐶 = 0,30 ∗ 0,10 + 0,70 ∗ 0,50 → 𝐶 = 0,38 3) Estimando a vazão de projeto: 𝑄 = 𝐶𝑖𝐴 → 𝑄 = 0,38 × 45 1000 ∗ 3600 m s × 200 ∗ 10.000 m2 → 𝑄 = 9,5 m3/s 4) Fórmula de Manning: • 𝑆0 = 0,05% = 0,0005 m/m • 𝑛 = 0,03 24 Resumo ARH – Gabo Weby 𝑄 = 1 𝑛 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 √𝑆0 → 𝑄𝑛 √𝑆0 = 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 → 9,5 ∗ 0,03 √0,0005 = 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 → 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 ≈ 12,75 5) Arbitrando 𝑏 = 2,00 m, tem-se: 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 𝑏8/3 = 12,75 28/3 ≈ 2 6) Pelo Ábaco, estima-se: 𝐴𝑚𝑅ℎ 2/3 𝑏8/3 = 2 pelo gráfico → 𝑦 𝑏 ≈ 1,1 𝑦 𝑏 = 1,1 → 𝑦 = 1,1𝑏 → 𝑦 = 1,1 ∗ 2 → 𝑦 = 2,2 m 7) Adotando o bordo livre como 25% de 𝑦: 𝐹 = 0,25𝑦 → 𝐹 = 0,55 m 8) Calculando a área molhada: 25 Resumo ARH – Gabo Weby Por semelhança de triângulos, tem-se: 1 𝑦 = 1,5 𝑥 → 𝑥 = 1,5𝑦 → 𝑥 = 1,5 ∗ 2,2 → 𝑥 = 3,3 m 𝐴𝑚 = (𝐵 + 𝑏) ∗ 𝑦 2 = [(2 ∗ 3,3 + 2) + 2] ∗ 2,2 2 = 11,66 m² 9) Calculando a velocidade de escoamento: 𝑄 = 𝐴𝑚𝑉 → 𝑉 = 𝑄 𝐴𝑚 → 𝑉 = 9,5 11,66 → 𝑉 ≈ 0,81 m/s Nota-se que 𝑉 = 0,81 m/s 15 cm) Cimento Amianto Plástico (mais comum; pode ser liso ou corrugado; 437 Resumo ARH – Gabo Weby 𝐿2 = 4𝐾 𝑅 (𝐵2 − 𝐷2) • 𝐿 → espaçamento entre drenos • 𝐾 → condutividade hidráulica do solo (em mm/h ou cm/s) • 𝑅 → módulo ou coeficiente de drenagem (em mm/d ou m/d) 𝑄 = 𝑅𝐴 → 𝑄 = 𝑅𝐿𝑋 → 𝑅 = 𝑄 𝐿𝑋 • 𝑄 → vazão de projeto do dreno • 𝑅 → módulo ou coeficiente de drenagem • 𝐴 → área de drenagem • 𝐿 → espaçamento do dreno • 𝑋 → comprimento do dreno ❖ Exemplo 03: • 𝑅 = 20 mm/d • Diâmetro do dreno: 15 cm • 𝐾 = 4,0 cm/h • 𝑠mín = 50 cm • 𝑁𝐴inicial está a 10 cm de profundidade • 𝐿 = 40 m Para fins didáticos, 𝐷 será considerado até a profundidade do dreno, e não até a lâmina d’água como na fórmula de Donnan. 38 Resumo ARH – Gabo Weby A que profundidade 𝐻 deve-se colocar os drenos? Resolução: 𝐵 = 4,00 − 0,10 − 0,50 = 3,40 m 𝑅 = 20 mm d = 20 ∗ ( 0,1 24 ) cm h ≈ 0,0833 cm h 𝐿2 = 4𝐾 𝑅 (𝐵2 − 𝐷2) → 𝐵2 − 𝐷2 = 𝑅𝐿2 4𝐾 → 𝐷2 = 𝐵2 − 𝑅𝐿2 4𝐾 → 𝐷 = √𝐵2 − 𝑅𝐿2 4𝐾 → 𝐷 = √3,42 − 0,0833 ∗ 402 4 ∗ 4 → 𝐷 ≈ 1,80 m 𝐻 = 4,00 − 1,80 → 𝐻 = 2,20 m 3.8 Aplicação Prática O terreno da propriedade ABCD é um franco, sendo um plano na cota 100,00, e sabe-se que existe um substrato impermeável na cota 92,00 impedindo a drenagem natural das águas subterrâneas. A fim de rebaixar o freático da cota 99,50 para a cota 98,80 m, quando o coeficiente (módulo) de drenagem é de 8 mm/d, projetaram-se os drenos GH e JL, de 39 Resumo ARH – Gabo Weby manilha, cujas vazões são coletadas pelas tubulações HI e LM com diâmetro 5 cm maior que o dos drenos. Sabendo-se que a condutividade hidráulica do solo é de 2,0 cm/h, determine: a) A profundidade mínima dos drenos. b) A vazão máxima nos drenos (vazão de projeto). c) Decidindo-se por uma declividade de 0,2% para os drenos, dimensione os drenos e os coletores HI e LM. d) Qual a cota máxima do rio para não afogar o sistema? Resolução: LETRA (a) 40 Resumo ARH – Gabo Weby • 𝑅 = 8 mm/d • 𝐾 = 2,0 cm/h = 480 mm/d • 𝐿 = 20 m • 𝐵 = 98,80 − 92,00 = 6,80 m 𝐿2 = 4𝐾 𝑅 (𝐵2 − 𝐷2) → 𝐵2 − 𝐷2 = 𝑅𝐿2 4𝐾 → 𝐷2 = 𝐵2 − 𝑅𝐿2 4𝐾 → 𝐷2 = 6,802 − 8 ∗ 202 4 ∗ 480 → 𝐷2 ≈ 44,57 → 𝐷 ≈ 6,70 m Assim, a profundidade mínima dos drenos será: 𝐻0 = 8,00 − 6,70 = 1,30 m LETRA (b) 41 Resumo ARH – Gabo Weby • 𝑅 = 8 mm/d ≈ 9,3.10−8 m/s • 𝐿 = 20 m • 𝑋 = 80 m 𝑄projeto = 𝑅𝐴 = 𝑅𝐿𝑋 = 9,3.10 −8 ∗ 20 ∗ 80 → 𝑄projeto ≈ 0,149.10 −3 m3/s → 𝑄projeto ≈ 0,15 L/s LETRA (c) • 𝑄 = 0,149.10−3 m3/s • 𝑆 = 0,2% = 0,002 Para os drenos de campo (cerâmica), tem-se: 𝐷dreno de campo base = 0,1913𝑄 0,368𝑆−0,211 → 𝐷dreno de campo base = 0,1913 ∗ (0,149.10 −3)0,368 ∗ 0,002−0,211 → 𝐷dreno de campo base ≈ 0,028 m = 2,8 cm Acrescentando-se 10% de folga para alocar os sedimentos, tem-se: 𝐷dreno de campo com folga ≈ 2,8 + 0,1 ∗ 2,8 ≈ 3,1 cm No caso de manilha de cerâmica, o diâmetro comercial mais próximo é o dreno de 5 cm. Desse modo: 𝐷dreno de campo comercial = 5 cm Para os drenos adutores, que possuem diâmetro 5 cm maior que o dos drenos de campo, tem-se: 𝐷dreno adutor = 𝐷dreno de campo comercial + 5 = 10 cm LETRA (d) • 𝐻0 = 1,30 m • 𝑆 = 0,2% = 0,002 m/m • Comprimento total = 80 + 20 = 100 m 𝐻1 − 𝐻0 Comprimento Total = 𝑆 → 𝐻1 − 1,30 100 = 0,002 → 𝐻1 − 1,30 = 0,2 → 𝐻1 = 0,2 + 1,3 → 𝐻1 = 1,5 m Cota máxima do rio: 100 − 1,50 = 98,50 m 42 Resumo ARH – Gabo Weby 4. Combate às Secas 4.1 Polígono das Secas Brasileiro O Polígono das Secas é uma região geográfica definida e delimitada pela legislação brasileira, sendo marcado pela ocorrência do fenômeno da seca. Ele está localizado na região Nordeste e Sudeste do Brasil, abrangendo áreas de nove estados. É caracterizado, no geral, pelo baixo regime de chuvas e pela aridez do solo. 4.2 Sistema de Combate às Secas 4.2.1 Ações Não-Hidráulicas Seca é quando a oferta de água é menor que a demanda. É aquela que faz uso efetivo da água. ABASTECIMENTO DE ÁGUA CONSUMO INDUSTRIAL E EXTRATIVISTA IRRIGAÇÃO CONSUMO ANIMAL Demanda Hídrica Consuntiva Não envolve consumo direto da água, somente aproveita seu curso sem consumi-la. GERAÇÃO HIDRELÉTRICA NAVEGAÇÃO INTERIOR Demanda Hídrica Não Consuntiva 43 Resumo ARH – Gabo Weby 4.2.2 Ações Hidráulicas 4.2.2.1 Ações Hidráulicas Convencionais São aquelas que tentam promover a diminuição da demanda de água. São aquelas que tentam promover o aumento da oferta de água. Racionamento hídrico Uso agrícola de plantas de baixo consumo hídrico Bônus para economia de água (ex.: conta de luz mais barata, diminuição de IPTU etc.) Taxação pelo uso hídrico Maior eficiência no uso da água (ex.: manutenção nos sistemas de distribuição de água) Substituição de atividade agrícola pela industrial/artesanal Migração da população Monitoramento hídrico Reservatórios de estiagem (açudes) 44 Resumo ARH – Gabo Weby • 𝑉𝑇 = 𝑉𝑈 + 𝑉𝑀 é o volume total do reservatório de estiagem (açude) • �̅�𝐸 → vazão média evaporada • �̅�𝐼 → vazão média infiltrada (desprezada) • �̅�𝑎 → vazão média afluente do rio • �̅�𝑅 → vazão regularizada (cte) Se Δ𝑡 é a duração da seca crítica (período crítico), então: • 𝐷𝐸 = �̅�𝐸 ∗ Δ𝑡 é o deflúvio evaporado (m 3) • 𝐷𝑎 = �̅�𝑎 ∗ Δ𝑡 é o deflúvio afluente (m 3) • 𝐷𝑅 = �̅�𝑅 ∗ Δ𝑡 é o deflúvio regularizado (m 3) 𝑉𝑈 = 𝐷𝑅 + 𝐷𝐸 − 𝐷𝑎 Os reservatórios de estiagem são pouco eficientes, pois perde-se muita água por evaporação. A vantagem de se utilizar poço de bombeamento é que como a água está num nível mais profundo, ela não evapora. Por outro lado, não é qualquer lugar que se tem água disponível no subsolo. Poços de bombeamento 45 Resumo ARH – Gabo Weby 4.2.2.2 Ações Hidráulicas Não-convencionais ❖ Exemplo 01: Um determinado reservatório de estiagem deve ser projetado para regularizar uma vazão de 15 m³/s destinada a um projeto de irrigação. No período mais seco registrado, a vazão fluvial média foi de 0,5 m³/s durante 18 meses, a partir do qual foi registrado um período de cheia. Para a evaporação média local (de tanque Classe A) de 2500 mm/ano, dimensione o volume útil do reservatório. A área média do espelho d’água durante esse período seco foi estimada em 500 km². Considere o coeficiente de tanque em 0,75. Transposição de vazão Colheita de água de chuva Importação/compra de água (ex.: caminhão pipa) Dessalinização Manejo hídrico em bacias hidrográficas (ex.: reflorestamento das encostas para aumentar a recarga do lençol freático) Barragem subterrânea Controle da evaporação do reservatório Sistema de inundação induzida Sistema de recarga artificial 46 Resumo ARH – Gabo Weby Resolução: • 𝑉𝑈 é o volume útil (ou ativo) • 𝑉𝑀 é o volume morto (ou inerte) • 𝑄𝑎 é a vazão afluente • 𝑄𝐸 é a vazão evaporada • 𝑄𝐼 é a vazão infiltrada • 𝑄𝑉 é a vazão vertida • 𝑄𝑅 é a vazão regularizada Balanço Hídrico no Reservatório: Δ𝑡 = 𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 ∑𝑉entra − ∑𝑉sai = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 Para 𝑡 = 𝑡𝑖 , consideramos o reservatório totalmente cheio, então: 𝑉𝑖 = 𝑉total = 𝑉𝑈 + 𝑉𝑀 Assumisse que 𝑄𝑉 = 0 e 𝑄𝐼 = 0. Além disso, para 𝑡 = 𝑡𝑓, tem-se que 𝑉𝑓 = 𝑉𝑀. Pelo Balanço Hídrico no Reservatório, tem-se: Δ𝑡 = 𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 ∑𝑉entra −∑𝑉sai = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 = 𝑉𝑀 − (𝑉𝑈 + 𝑉𝑀) = −𝑉𝑈 → ∑𝑉sai − ∑𝑉entra = 𝑉𝑈, em Δ𝑡 Em termos de deflúvios, tem-se: • 𝐷𝑅 → deflúvioregularizado • 𝐷𝐸 → deflúvio evaporado • 𝐷𝑎 → deflúvio afluente ∑𝑉sai = 𝑄𝑅 ∗ Δ𝑡⏟ 𝐷𝑅 + 𝑄𝐸 ∗ Δ𝑡⏟ 𝐷𝐸 ∑𝑉entra = 𝑄𝑎 ∗ Δ𝑡⏟ 𝐷𝑎 Assim, ∑𝑉sai − ∑𝑉entra = 𝑉𝑈 → 𝐷𝑅 + 𝐷𝐸 − 𝐷𝑎 = 𝑉𝑈 47 Resumo ARH – Gabo Weby Sabe-se que: • 𝑄𝑅 = 15 m 3/s • �̅�𝑎 = 0,5 m 3/s • Δ𝑡 = 18 meses = 46.656.000 s • �̅�tanque = 2500 mm/ano • �̅�𝑠𝑙 = 500 km 2 = 500.106m² Calculando a vazão de evaporação: • �̅�𝑠𝑙 = �̅�tanque ∗ Ktanque = 2500 mm/ano ∗ 0,75 ≈ 1,9.10 3 mm/ano ≈ 6.10−8 m/s • �̅�𝐸 = �̅�𝑠𝑙 ∗ �̅�𝑠𝑙 = 6.10 −8m/s ∗ 500.106 m2 = 30 m³/s Calculando os deflúvios: • 𝐷𝑅 = 𝑄𝑅 ∗ Δ𝑡 = 15 m 3/s ∗ 46.656.000 s ≈ 700.106 m³ • 𝐷𝑎 = �̅�𝑎 ∗ Δ𝑡 = 0,5 m 3/s ∗ 46.656.000 s ≈ 23.106 m³ • 𝐷𝐸 = �̅�𝐸 ∗ Δ𝑡 = 30 m 3/s ∗ 46.656.000 s ≈ 1400.106 m³ Portanto, 𝐷𝑅 + 𝐷𝐸 − 𝐷𝑎 = 𝑉𝑈 → 𝑉𝑈 = (700 + 1400 − 23). 106 m³ → 𝑉𝑈 = 2077.106 m³ Em números significativos, pode-se dizer que 𝑉𝑈 = 2100.106 m3. 48 Resumo ARH – Gabo Weby 5. Exercícios do Bloco I FORMULÁRIO 01. Mencione sumariamente dois motivos para se realizar a drenagem agrícola dos solos. 02. Descreva sumariamente, fazendo um esquema gráfico simples, a função de um dreno interceptor subterrâneo. 03. Descreva sumariamente, fazendo um esquema gráfico simples, uma situação prática onde deva ser recomendada a sistematização do terreno visando a drenagem de superfície do mesmo. 04. Dimensione a seção de escoamento (desconsiderando o bordo livre) de um canal retangular em concreto (𝑛 = 0,13), visando a drenagem de chuva de uma bacia de 2 km², como no desenho abaixo. Sabe-se que a bacia tem um tempo de concentração de 60 min, com 30% de sua área sendo um parque industrial (𝐶 = 0,90) e os restantes 70% correspondendo a um terreno com vegetação rala (𝐶 = 0,10). As condições topográficas impõem que a declividade do fundo do canal seja de 0,1%. Faça o 𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑉 𝑄 = 𝐴𝑅2/3 𝑛 √𝑆0 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝑖 ∗ 𝐴 𝐷 = 0,1913 ∗ 𝑄0,368 ∗ 𝑆−0,211 (lisos) 𝐷 = 0,2557 ∗ 𝑄0,357 ∗ 𝑆−0,187 (corrugados) 𝑄 = 𝑅 ∗ 𝐿 ∗ 𝑋 𝑄 = 𝑅𝐴 𝐿2 = 4𝐾 𝑅 (𝐵2 − 𝐷2) 𝑞 = 𝑟𝑆𝑙𝑆𝑝 𝑉𝑈 = 𝐷𝑅 + 𝐷𝐸 − 𝐷𝑎 jhm 49 Resumo ARH – Gabo Weby dimensionamento para a condição de máxima eficiência hidráulica (𝑏 = 2𝑦, como no desenho), e para o tempo de recorrência de 10 anos. Sabe-se que a relação intensidade-duração-frequência das chuvas locais é regida pela fórmula abaixo. 05. Cite três motivos para um dado valor do módulo de drenagem ser considerado muito alto num projeto de drenagem subterrânea. 06. Descreva as duas formas corriqueiras da água de drenagem subterrânea entrar num dreno tubular. 07. Mencione duas variáveis físicas ou hidrológicas que devam ser levadas em conta no dimensionamento do volume útil e do volume morto de um reservatório de estiagem (ao todo são quatro variáveis). 08. Deseja-se projetar um sistema paralelo de drenos tubulares na drenagem de campo de uma área plana de 350m x 270m visando o rebaixamento de seu lençol freático. Tais drenos são espaçados de 30m ao longo de toda largura (270m) da área e despejam suas águas num dreno coletor adutor situado num dos lados limítrofes do terreno. Os drenos laterais são instalados a partir da profundidade de 2,00m e o dimensionamento hidráulico do sistema foi feito para o módulo de drenagem de 6 mm/d. Testes e sondagens de campo indicaram uma condutividade hidráulica média do solo de 15 mm/h e a existência de um leito de argila impermeável a 3,00m de profundidade. Nessas condições, determine: a) Um layout esquemático em planta do sistema de drenagem, indicando a posição dos drenos laterais (drenos secundários) e do dreno adutor, que deve despejar sua vazão num curso d’água próximo também a ser mostrado no esquema gráfico. b) A profundidade mínima (em relação à superfície do terreno) do lençol freático dinâmico rebaixado. Nesse cálculo faça um croqui de um corte vertical do solo, mostrando a superfície do terreno, as seções circulares de dois drenos adjacentes da drenagem de campo, o nível d’água dinâmico do lençol rebaixado, bem como a posição do leito impermeável. c) A vazão de projeto (em L/s) do dreno coletor adutor. 09. Uma calha semicircular de concreto (𝑛 = 0,012), com 1,2m de diâmetro e declividade de 0,015 m/m, foi instalada como dreno interceptor de uma área de encosta aclivosa de 250.000 m² utilizada como pastagem, com coeficiente de runoff de 0,40. Calcule a intensidade da chuva (em mm/h) acima da qual a calha não mais protegerá totalmente a área de baixada abaixo da mesma. Desconsidere o bordo livre na calha. Resolva o problema inteiramente na forma algébrica, sem a utilização de gráficos. 10. Justifique por que a drenagem subterrânea pode ajudar a controlar o problema da salinização dos solos em áreas irrigadas. Por que esse problema é mais comum nos climas semiáridos e áridos? 50 Resumo ARH – Gabo Weby 11. Explique sumariamente o que é a drenagem de campo num sistema de drenagem. Dê, fazendo figuras simples e rápidas explicações, dois exemplos de drenagem de campo na drenagem urbana. 12. Descreva brevemente sobre o que entende que seja um sistema de drenagem aleatório. Na explicação faça um esquema gráfico explicativo. 13. Por que motivo não se recomenda que o método racional da hidrologia seja aplicado no cálculo das vazões de projeto das estruturas de drenagem de superfície em casos de bacias de maiores dimensões (por exemplo, maiores que 5,0 km²)? 14. Cite os motivos pelos quais a velocidade de escoamento em canais projetados deva se situar entre os limites de Vmin e Vmax. 15. Uma calha semicircular em concreto (n = 0,014), com declividade de 0,001m/m e 1,00m de raio, foi projetada para aduzir as águas pluviais de uma área urbana de 180000m². O projeto foi concebido considerando o coeficiente de runoff de 0,65. Desconsiderando o bordo livre, calcule a capacidade de vazão (vazão de projeto) da calha, bem como a intensidade de chuva (em mm/h) a partir da qual haveria o extravasamento da calha. 16. Um lençol freático aflorante em área plana de baixada deve ser minimamente rebaixado em 60 cm num terreno argilo-arenoso com condutividade hidráulica de 2,0 cm/h e 2,0 m de espessura, abaixo do qual existe uma espessa camada argilosa impermeável. Calcule o espaçamento em um sistema simples paralelo de tubos de drenagem com 350 m de comprimento, se eles estão instalados a 1,5 m de profundidade. Utilize um coeficiente de drenagem de 10 mm/d. Calcule a vazão de projeto (em L/s) dos drenos. Faça um corte esquemático do terreno, mostrando as seções transversais de dois tubos adjacentes, a posição do lençol freático rebaixado e antes do rebaixamento, a superfície do terreno, bem como a posição do substrato impermeável. 17. Um açude no Nordeste brasileiro construído para perenizar um curso d’água tem volume útil (descontado o volume morto do volume máximo do açude) de 13,2.106 m³. Durante o período mais seco registrado de 30 meses (900 d), o curso d’água teve vazão média de 21 L/s, enquanto a taxa média de evaporação no reservatório foi de 9,0 mm/d. Nesse período, estimou-se a área média do espelho d’água no açude foi em 1,4 km². Calcule a vazão perenizada pelo açude no período. 18. Mencione, com breve descrição, três ações hidráulicas não- convencionais de Combate às Secas, sendo duas delas ações de manejo hídrico nos corpos d’água ou terrenos de uma bacia hidrográfica. Nessas ações de manejo hídrico, faça um simplificado desenho elucidativo. 51 Resumo ARH – Gabo Weby 19. Por meio da fórmula de Donnan (espaçamento vs. profundidade dos drenos), justifique por que é mais fácil drenar um terreno permeável em relaçãoa um outro menos permeável. 20. Por que, em princípio, um dreno tubular de pequeno diâmetro deve ser de menor comprimento que um dreno tubular de grande diâmetro? 21. Descreva dois inconvenientes que pode ter uma estrutura de despejo de um dreno tubular subterrâneo. 22. Mencione três vantagens e uma desvantagem, todas hidrológicas ou ambientais, da utilização de poços de bombeamento no combate às secas em lugar do uso de reservatórios de estiagem. 23. Uma área deve ser drenada por um sistema paralelo de drenos tubulares corrugados instalados na profundidade mínima de 1,80 m e com declividade de 0,3%. Para um módulo de drenagem de 6mm/d, o lençol deve ser minimamente rebaixado da profundidade (em relação à superfície do terreno) de 0,25m até a profundidade de 0,75m necessária para a aeração das raízes vegetais. Sabendo que a condutividade hidráulica média do solo é de 2,17 mm/h e que existe um substrato rochoso impermeável à profundidade média de 5,0m, calcule: a) O espaçamento dos drenos. b) O diâmetro dos drenos, para o comprimento dos mesmos de 250m. c) Desenhe esquematicamente um corte transversal do perfil dinâmico do freático rebaixado entre dois drenos adjacentes, mostrando a seção transversal dos drenos, a superfície do terreno, bem como do substrato impermeável. 24. Uma valeta assumidamente semicircular com 50 cm de profundidade e 0,02 m/m de declividade. Aberta em rocha (n=0,020), intercepta um escoamento de encosta argilosa com declividade de 25%, sendo 1/3 da encosta ocupada por floresta e 2/3 por áreas agrícolas. Sabendo que a encosta tem 45.000 m² de área (4,5 ha), estime a intensidade da chuva abaixo da qual não haverá extravasamento da valeta interceptora. 25. Qual a diferença entre sistematização e conformação dos terrenos na drenagem de superfície? Dê dois motivos que justificam a melhoria da produtividade agrícola através do uso da drenagem. 26. O desenho abaixo representa um sistema de tubos com delineamento aleatório, visando a drenagem de campo subterrânea de uma área (150m x 200m)em depressão ABCD que drena para o sistema, despejando as águas de drenagem num curso d’água adjacente. Dimensione o tubo principal AE, de plástico corrugado, sabendo que sua declividade é de 0,5% e que o módulo de drenagem é de 25 mm/d. Sabe-se que os tubos 52 Resumo ARH – Gabo Weby comerciais disponíveis são de 2’’, 3’’, 4’’ ou 6’’. Considere, por segurança, que possa haver assoreamento no tubo. 27. Um canal com 34 m³/s de capacidade de vazão drena as enxurradas de chuva de uma área arenosa de pastagem, com 20 km² de área, declividade média de 7% e tempo de concentração de 2h. Pede-se: a intensidade (em mm/h) e o tempo de recorrência da chuva que vai provocar o extravasamento do canal. A equação das chuvas intensas locais é: 𝑖 = 1200𝑇0,15 / (𝑡 + 23)0,75 , onde i(mm/h) é a intensidade, T(ano) é a recorrência, t(min) é a duração. 28. O canal da questão anterior (Q.27) é em concreto (n=0,012), tem declividade de 0,0003 m/m e foi projetado para a vazão de 34 m³/s levando em conta que a velocidade do escoamento é a máxima permitida pela natureza rugosa do concreto de revestimento (𝑉 = 𝑉máx = 5 m/s). Calcule o raio hidráulico do canal (esse raio hidráulico será utilizado pelo projetista no dimensionamento da seção do canal, a partir de sua forma). 29. Cinco drenos laterais paralelos de cerâmica, instalados na profundidade mínima de 2,00 m (em relação à superfície do terreno), num terreno praticamente plano, desembocam num tubo coletor em ângulo reto. Esses drenos são espaçados em 25 m, têm comprimento de 350 m e foram assentados com declive de 0,1%. Sondagens indicaram que existe uma camada argilosa impermeável a 3,00 m de profundidade média, tendo o solo acima dessa camada condutividade hidráulica média de 15 mm/h. Para um módulo de drenagem de 6,0 mm/d, pede-se: a) O layout esquemático do sistema de drenagem, com a indicação dos drenos laterais e do dreno coletor. b) Um desenho esquemático de um corte vertical do solo, mostrando a posição das seções transversais de dois drenos laterais adjacentes, bem como o nível dinâmico do lençol rebaixado, a superfície do terreno e a camada impermeável. c) A profundidade mínima (em relação à superfície do terreno) do lençol freático rebaixado. 53 Resumo ARH – Gabo Weby d) As profundidades (em relação à superfície do terreno) mínima e máxima de assentamento dos drenos laterais. e) A vazão de projeto do dreno coletor. 30. Dê o conceito de drenagem de campo, utilizando um exemplo sumário. 31. Deseja-se projetar um bueiro sob o aterro de uma estrada no local de seu cruzamento com um córrego de uma região agrícola. A bacia hidrográfica drenada pelo córrego tem 2,2 km² de área, com 20% de ocupação com pastagens (várzea arenosa plana), 65% com agricultura (encosta argilosa, com 7% de declividade) e 15% com mata nativa (divisor de água da bacia, argiloso, com 30% de declividade). Assumindo que o tempo de concentração da bacia hidrográfica seja de 15 min, calcule a vazão (em m³/s) de projeto do bueiro (circular, de concreto) para o tempo de recorrência de 5 anos. Considere que a relação intensidade-duração-frequência das chuvas intensas locais seja dada pela equação abaixo. Dimensione também o bueiro, sabendo que seu declive é de 0,5%. 𝑖 = 99,154 𝑇0,217 (𝑡 + 26)1,15 , 𝑇(ano); 𝑡(min); 𝑖 = (mm/min) 32. Explique sumariamente 3 atuações da engenharia de drenagem visando promover a drenagem subterrânea de campo (captação de água no campo). 33. Um bueiro longo AB de concreto (n=0,015), com declividade de 5%, deve ser projetado para permitir o escoamento dos deflúvios de uma área de encosta de 1,5 km² (área hachurada na figura) marginal a uma rodovia. O bueiro tem forma transversal quadrada, devendo ser projetado para permitir uma lâmina d’água máxima de 75% do valor de sua altura, conforme a figura. As encostas nessa rodovia são formadas por terrenos argilosos cobertos por Mata Atlântica, com declividade média de 25%. Considerando um tempo de concentração de 10min para a área de encosta drenada pelo bueiro, calcule a vazão de projeto e dimensione o bueiro para a chuva com recorrência de 20 anos. A equação dessa chuva intensa local é dada abaixo. 54 Resumo ARH – Gabo Weby 𝑖 = 60 𝑇0,240 (𝑡 + 23)1,20 , 𝑇(ano); 𝑡(min); 𝑖 = (mm/min) 34. Dê o nome e descreva as três fases gerais de um sistema de drenagem. 35. O que entende por evapotranspiração potencial de um cultivo? Por que é vantajoso que a engenharia de irrigação atenda a evapotranspiração potencial do cultivo? 36. Por que a drenagem subterrânea das terras irrigadas as protege da salinização? 37. Descreva sumariamente 3 métodos de drenagem de campo das águas de superfície e um método de drenagem de campo das águas subterrâneas. 38. Num campo de futebol deseja-se rebaixar o lençol freático subjacente pelo menos 20cm, a partir de uma situação inicial de pré-drenagem em que o lençol d’água esteja aflorando na superfície do terreno. Decidiu-se instalar uma rede de drenos tubulares espaçados de 50m e instalados a 1,0m de profundidade. Estudos de sondagem do terreno indicaram que existe uma camada impermeável a 6,0m de profundidade e que a condutividade hidráulica média do solo a ser drenado é de 5,0.10−5cm/s. Considerando o módulo de drenagem de 15mm/d, indique através de cálculos se esta rede de drenagem estará sub ou super dimensionada. Faça um corte transversal dos drenos identificando as grandezas utilizadas no cálculo. 39. Um sistema paralelo simples de drenos subterrâneos corrugados, com espaçamento entre drenos de 25m, despeja suas águas num tubo coletor principal, conforme a figura. Um determinado dreno AB, particularmente, também coleta água subterrânea deuma área baixa de 1ha de afloramento hídrico na superfície do terreno (área hachurada da figura), a partir de um poço de visita localizado no ponto A que também recebe os deflúvios do sistema aleatório de drenagem subterrânea instalado na área de 1ha. Sabendo que os tubos do sistema paralelo têm declividade de 0,8% (0,008m/m) e considerando um módulo (ou coeficiente) de drenagem de 8mm/d, calcule: 55 Resumo ARH – Gabo Weby a) Vazão de projeto do tubo AB. b) Diâmetro do tubo AB. 40. Uma área agrícola de várzea deve ser drenada devido aos constantes alagamentos provenientes do runoff das chuvas. Descreva sumariamente 3 atuações da engenharia de drenagem de campo que possibilitem a atividade agrícola nessa área durante a estação chuvosa. Utilize um esquema gráfico na sua explicação. 41. Deseja-se dimensionar o coletor principal do sistema de esgotamento pluvial de uma avenida no Rio de Janeiro. O coletor tem declividade de 0,2% (0,002m/m), é de concreto (n=0,013), e recebe as vazões de sarjeta captadas em 60 caixas-ralo adjacentes à mesma. Cada caixa tem bacia contribuinte (média) de 4.000 m², tendo a bacia tempo de concentração de 15 min. Utilizando o tempo de recorrência de 10 anos, a equação da chuva intensa fornecida abaixo, bem como o coeficiente de runoff de 0,65, dimensione: 𝑖 = 1245 (𝑡 + 10)0,71 , 𝑖(mm/h); 𝑡 = duração (min); a) A vazão captada por cada caixa-ralo. b) O diâmetro do coletor principal. Assuma que a lâmina d’água no coletor seja 80% do diâmetro. 42. Uma rede de drenos subterrâneos é composta por tubos de plástico corrugado perfurado, com 250m de comprimento e instalados a 2,20m de profundidade. O terreno é franco (com condutividade hidráulica de 1,7cm/h), sobreposto a um solo muito compactado a 3,20m de profundidade. Dimensione os drenos e seu espaçamento para uma profundidade mínima do NA drenado de 1,20m (em relação à superfície do terreno), e para um coeficiente de drenagem de 6,0mm/d. Considere a declividade dos drenos com 0,2%. Faça um esquema gráfico do NA dinâmico do lençol percolando para os drenos, mostrando também os níveis do terreno e do substrato impermeável. 43. Deseja-se regularizar uma descarga de 4,5 m³/s através da implantação de um reservatório de estiagem num curso d’água onde o período seco mais adverso apresenta as seguintes características hidrológicas: • Duração: 2 anos; • Descarga fluvial média afluente (durante o período de seca) na seção de implantação do reservatório: 2,0 m³/s; • Taxa de evaporação no tanque classe A: 3100 mm/ano. Considerando que o reservatório esteja cheio no início do período de estiagem, que não haja perdas por sangramento e percolação, e estimando-se a área média do espelho d’água em 200km² durante o período, dimensione o volume do reservatório. Faça o volume morto como 30% do volume útil. Considere o coeficiente de tanque em 0,80. 56 Resumo ARH – Gabo Weby 44. Dê o conceito de ação não-hidráulica de combate às secas. Ilustre o conceito através de um exemplo. 45. Justifique por que um sistema de valas de recarga subterrânea (de águas de chuva) implantado nos terrenos de uma bacia hidrográfica rural pode ter a dupla função de combater os efeitos tanto das cheias quanto das estiagens. 46. Descreva sumariamente três ações estruturais de calha fluvial que conduzam à atenuação das cheias. 47. A área média do espelho líquido de um reservatório de estiagem durante seu período histórico crítico de seca (com duração de 2 anos) é de 40 km². Nesse período, a vazão média afluente ao reservatório pela bacia é de 4 m³/s. O reservatório foi dimensionado para o volume total de 54.106 m³, com altura de barragem de 15m. Sabe-se também que a evaporação (tanque classe A) anual da região é de 3200 mm. Assumindo-se um volume morto de 25% do volume total do reservatório e um coeficiente de tanque de 0,75, calcule: a) O volume útil do reservatório. b) A vazão (em m³/s) regularizada pelo açude. 48. Um pequeno canal triangular (valeta) de drenagem (figura abaixo), em concreto (n=0,013), tem declive de 0,5%. Qual a máxima área drenada por este canal, se se considera uma chuva de projeto de 80 mm/h e um coeficiente de runoff de 0,60? (desconsidere o bordo livre). 49. Cite, justificando de forma hidrológica, o principal motivo que faz com que o reflorestamento de encostas se constitua numa eficiente medida de controle tanto de cheias quanto de estiagens. 50. Cite duas vantagens possíveis, estritamente hidrológicas (não econômicas), do uso de poços de bombeamento em detrimento da política de utilização intensiva da açudagem como meios de controle de estiagens. 51. Um solo é inapropriado para utilização agrícola durante a estação das chuvas devido ao alto nível do freático, normalmente a 0,30m abaixo da superfície do terreno durante esse período. O terreno é um franco-argiloso plano de várzea (K=1,0cm/h), com espessura total de 4,0m, abaixo do qual existe uma argila densa impermeável. Deseja- 57 Resumo ARH – Gabo Weby se cultivar milho durante o período dessas chuvas, fazendo-se necessário rebaixar o freático até que o mesmo esteja a no mínimo 1,20m de profundidade (abaixo da superfície do terreno). Decidiu-se pela construção de uma rede de canais paralelos de drenagem com profundidade de 3,00m. Adotando-se um coeficiente de drenagem de 12mm/d, qual seria o espaçamento necessário entre os canais? Simplifique a solução considerando que o NA nos canais esteja na cota de fundo dos mesmos. Faça também um perfil ilustrativo (corte) de 2 canais adjacentes, mostrando o freático rebaixado dinâmico, a superfície do terreno, o leito impermeável e o NA nos canais. 52. Justifique por que no método racional a duração da chuva de projeto deve ser igualada ao tempo de concentração da bacia de contribuição. 53. Qual a capacidade (vazão máxima, em L/s) de uma valeta de drenagem de forma trapezoidal, não revestida (n=0,030), com talude das paredes de 1,5(H) : 1(V), largura de fundo de 20 cm, profundidade de 20 cm e declividade de 0,5% (0,005 m/m)? Desconsidere o bordo livre. Qual a área máxima possível de ser drenada por essa valeta para uma chuva intensa de 60 mm/h, considerando um coeficiente de runoff de 60%? 54. Por que a drenagem subterrânea insuficiente pode levar ao aparecimento do problema de salinização dos terrenos em áreas irrigadas? 55. Cite, fazendo desenhos esquemáticos explicativos (croquis), três procedimentos de drenagem de campo que permitem a drenagem de superfície em terrenos de baixada. 56. Num layout aleatório de um sistema de drenagem, verificou-se que um certo dreno tubular subterrâneo despejando uma vazão máxima de 0,17 L/s foi adequado para drenar uma área baixa de 3000 m² alagada por um lençol freático aflorante. Qual o módulo (coeficiente) de drenagem desse lençol, em mm/d? 57. Justifique por que o reflorestamento das encostas é uma ação de manejo hídrico em bacia hidrográfica que minimiza os efeitos negativos tanto das estiagens quanto das enchentes nos cursos d’água da bacia. 58. Um lençol freático aflorante na superfície do terreno deve ser minimamente rebaixado em 60 cm num terreno argilo-arenoso com condutividade hidráulica de 2,0 cm/h e 2,0 m de espessura, abaixo da qual existe um subsolo argiloso impermeável. Calcule o espaçamento de um sistema simples paralelo de drenos tubulares, se eles estiverem instalados a 1,5 m de profundidade. Utilize um coeficiente de drenagem de 10 mm/d. Faça também um desenho explicativo de um corte transversal do sistema de drenagem, mostrando as posições dos tubos, do lençol dinâmico rebaixado, substrato impermeável e superfície do terreno. 59. Deseja-se projetar a seção de um canal retangular de drenagem em concreto (n=0,013), para escoar o excesso das águas de chuva de uma baciahidrográfica de 2 km², como 58 Resumo ARH – Gabo Weby no desenho abaixo. Sabe-se que esta bacia tem tempo de concentração de 60 min, com 30% de sua área sendo um parque industrial têxtil (C=0,90) e os outros 70% correspondendo a um terreno arenoso com vegetação rala (C=0,10). As condições topográficas impõem que a declividade do fundo do canal seja de 0,10%. Projete a seção do canal para a condição de máxima eficiência hidráulica (b=2y), como indicado no desenho abaixo, e para o tempo de recorrência de 10 anos. Sabe-se que também que a relação intensidade-duração-frequência das chuvas locais é regida pela fórmula abaixo: 60. Um certo açude no Nordeste Brasileiro tem 12m de altura e volume útil de 1,5.106 m³. Num período de estiagem de 20 meses (600 dias) a área medida de espelho líquido do reservatório foi de 0,60 km² e só houve vazão afluente no curso d’água durante 45 dias, com valor médio de 0,25 m³/s (nesses 45 dias). Nesse período de seca, a evaporação média de superfície líquida foi de 160 mm/mês. Calcule para esse período de seca: a) Os deflúvios (volumes) afluentes e de evaporação no açude. b) A vazão máxima regularizada (em m³/s). 61. Seis drenos laterais paralelos em cerâmica, instalados a 2,00 m de profundidade mínima, desembocam num coletor principal em ângulo reto. Esses drenos secundários são espaçados em 12 m, têm comprimento de 400 m e foram assentados com 0,2% de declive. O tubo coletor também é de cerâmica, tem declive de 0,4% e não varia de diâmetro. Sabe-se que também existe uma camada argilosa impermeável a 3,00 m de profundidade, tendo o solo acima uma condutividade hidráulica média de 15 mm/h. Para um coeficiente de drenagem de 30 mm/d, pede-se: a) Desenhar esquematicamente o layout do sistema de drenagem; b) Calcular o rebaixamento mínimo do lençol freático garantindo pelo sistema de drenagem, sabendo-se que o nível estático original do lençol estava a 0,3 m de profundidade (em relação ao nível do terreno). Nesse cálculo, faça um desenho em corte esquemático do terreno indicando a superfície do mesmo, a posição do lençol estático e dinâmico, o posicionamento de 2 tubos laterais adjacentes, bem a posição da camada argilosa; c) Dimensionar o tubo coletor principal. 𝑖 = 1739 𝑇0,15 (𝑡𝑑 + 20) 0,74 𝑖(mm/h) 𝑇(ano) 𝑡𝑑(min) C é o coeficiente de runoff 59 Resumo ARH – Gabo Weby 62. Um açude é capaz de perenizar a jusante (regularizar) a vazão fluvial de 1,6 m³/s durante uma seca crítica de 2 anos. Nesse período, a vazão média fluvial afluente a montante, com regime intermitente, foi de 4,0 m³/s. O reservatório tem um volume total de 54.106 m³, onde 25% do mesmo é utilizado como volume morto. Estime: a) O volume útil do reservatório. b) A vazão média perdida por evaporação no reservatório durante a seca. 63. Justifique, usando argumentação hidráulica, por que um poço profundo, com nível d’água a dezenas de metros de profundidade, não pode ter sua bomba instalada na superfície do terreno (ou seja, a bomba tem que estar no interior do poço). 60 Resumo ARH – Gabo Weby BLOCO II Parte da Professora Heloísa Teixeira Firmo hfirmo@poli.ufrj.br mailto:hfirmo@poli.ufrj.br 61 Resumo ARH – Gabo Weby 6. Introdução à Gestão de Recursos Hídricos 6.1 Água – Ela sempre esteve presente A Água que você não vê Infográfico: Planeta Sustentável/ABRIL Fonte: Sabesp Você consome sem perceber. Veja o quanto de água potável é necessário para produzir itens do seu cotidiano. 62 Resumo ARH – Gabo Weby Forma Finalidade Tipo de Uso Uso Consuntivo Requisitos de Qualidade Efeitos nas Águas Abastecimento urbano Abastecimento doméstico, industrial, comercial e público Baixo, de 10%, sem contar as perdas nas redes Altos ou médios, influindo no custo do tratamento Poluição orgânica e bacteriológica Abastecimento industrial Sanitário, de processo, incorporação ao produto, refrigeração e geração de vapor Médio, de 20%, variando com o tipo de uso e de indústria Médios, variando com o tipo de uso Poluição orgânica, substâncias tóxicas, elevação de temperatura Irrigação Irrigação artificial de culturas agrícolas segundo diversos métodos Alto, de 90% Médios, dependendo do tipo de cultura Carreamento de agrotóxicos e fertilizantes Abastecimento Doméstico ou para dessedentação de animais Baixo, de 10% Médios Alterações na qualidade com efeitos difusos Aquicultura Estações de piscicultura e outras Baixo, de 10% Altos Carreamento de matéria orgânica Geração hidrelétrica Acionamento de turbinas hidráulicas Perdas por evaporação do reservatório Baixos Alterações no regime e na qualidade das águas Navegação fluvial Manutenção de calados mínimos e eclusas Não há Baixos Lançamento de óleo e combustíveis Recreação, lazer e harmonia paisagística Natação e outros esportes com contato direto, como iatismo e motonáutica Lazer contemplativo Altos, especialmente recreação de contato primário Não há Pesca Com fins comerciais de espécies naturais ou introduzidas através de estações de piscicultura Não há Altos, nos corpos de água, correntes, lagos, ou reservatórios artificiais Alterações na qualidade após mortandade de peixes Assimilação de esgotos Diluição, autodepuração e transporte de esgotos urbanos e industriais Não há Não há Poluições orgânicas, físicas, químicas e bacteriológicas Usos de preservação Vazões para assegurar o equilíbrio ecológico Não há Médios Melhoria da qualidade da água Com derivação de águas Sem derivação de águas Tipos de Usos da Água 63 Resumo ARH – Gabo Weby 6.2 Pegada Hídrica 6.2.1 Introdução A pegada hídrica de um produto é um indicador empírico de quanta água é consumida, quando e onde, medida ao longo de toda a cadeia de abastecimento do produto. Assim, a pegada hídrica é um indicador multidimensional, mostrando volumes, mas também explicitando o tipo de uso da água (evaporação de águas pluviais, águas superficiais ou subterrâneas, ou poluição da água ) e a localização e o momento do uso da água. A pegada hídrica pode ser um indicador na avaliação do ciclo de vida (ACV) de um produto ao lado de outros indicadores, como o carbono emitido. A água é conhecida por ser um recurso renovável, pois circula pelo meio ambiente. Então, por que nos preocupamos em criar uma pegada hídrica? Para quase todos os fins humanos, como beber, irrigar, produzir energia, transportar, cozinhar, lavar, etc., é necessária água doce. A água salgada, que domina a superfície terrestre e os recursos hídricos disponíveis, não pode ser utilizada para estes fins. Embora a água doce seja um recurso renovável, não é ilimitada e representa apenas cerca de 3% dos recursos hídricos do planeta. A maior parte destes 3% não são diretamente acessíveis; a água dos lagos e rios representa menos de 0,01% dos recursos hídricos globais. Num determinado período, a precipitação é sempre limitada a uma determinada quantidade e a água pode escassear. O mesmo se aplica à quantidade de água que recarrega as reservas subterrâneas e que flui através de um rio. Nestes períodos, não se pode utilizar mais água do que a quantidade que está sendo recarregada no corpo. Como a humanidade depende fortemente da água doce, criar uma pegada hídrica pode ajudar a identificar produtos cuja produção pode ser arriscada num determinado local e num determinado período de tempo. A pegada hídrica da humanidade excedeu os níveis sustentáveis em vários locais e está distribuídade forma desigual entre as pessoas. A pegada hídrica pode ajudar a alcançar um uso mais sustentável e equitativo da água doce. 6.2.2 Aplicações das Pegadas Hídricas Como já mencionado, o conceito de pegada hídrica não pode ser utilizado apenas para produtos (como é o caso da água virtual), mas também pode ser aplicado a pessoas, empresas, comunidades, nações, áreas geograficamente delimitadas e à humanidade como um todo. Possíveis aplicações são: 64 Resumo ARH – Gabo Weby Dependendo da aplicação, diferentes unidades são calculadas com a pegada hídrica: A pegada hídrica de uma única etapa do processo é o alicerce básico para todas as contagens da pegada hídrica. Etapa do Processo É o agregado das pegadas hídricas de todas as etapas do processo necessárias para produzir um produto intermediário ou final. Produto Soma de todas as pegadas hídricas dos produtos consumidos por essa pessoa. Pessoa / Consumidor Soma das pegadas hídricas dos produtos consumidos por todos os consumidores que fazem parte da comunidade. Comunidade Soma das pegadas hídricas dos produtos que o produtor/empresa entrega. Produtor / Empresa Soma das pegadas hídricas de todos os processos que ocorrem naquela área. Área Delimitada Geograficamente A soma das pegadas hídricas de todas as atividades dentro de uma nação (toda a água doce usada para produzir os bens e serviços consumidos pelos habitantes da nação). Isto é tanto interno quanto externo de uso da água. Nação A pegada hídrica total da humanidade é igual à soma das pegadas hídricas de todos os consumidores e, portanto, de todos os bens e serviços de consumo final consumidos anualmente e também igual à soma de todos os processos que consomem água e poluem no mundo. Humanidade 65 Resumo ARH – Gabo Weby 6.2.3 Componentes da Pegada Hídrica Existem vários padrões para pegadas hídricas. Provavelmente o padrão mais conhecido é o Padrão Global de Pegada Hídrica desenvolvido pela Water Footprint Network (WFN). A Organização Internacional de Normalização (ISO) está atualmente a trabalhar numa norma processual sobre como incorporar a pegada hídrica numa Análise do Ciclo de Vida de um produto (ACV). Este padrão ISO estará vinculado ao Padrão Global de Pegada Hídrica. Embora a ISO 14.046 ainda seja um rascunho e se espera que se torne uma norma em 2014, o grupo de trabalho WULCA (um grupo de investigadores da América do Norte, Europa e Austrália) está atualmente a trabalhar numa metodologia para esta norma. O Padrão Global de Pegada Hídrica considera: 6.2.4 Pegada Hídrica Azul A pegada hídrica azul é o consumo de água doce inválida ou subterrânea e leva em consideração: Escopo Unidades Etapa do Processo Volume por unidade de tempo Produtos Volume por unidade de produto (por exemplo, unidade de massa, dinheiro, energia, por peça) Pessoa/Consumidor Volume por unidade de tempo per capita Produtor/Negócio Volume por unidade de tempo / Volume por unidade de tempo dividido pelo volume de negócios Área Geograficamente Delimitada Volume por unidade de tempo Nação Volume por unidade de tempo per capita Uso direto (para um consumidor: a água que é consumida diretamente, por exemplo, para beber e lavar) e indireto (a água necessária para a produção dos produtos que um consumidor consome). Consumo de água e poluição da água. Ao lado da pegada hídrica azul também há pegada hídrica verde e cinza. A pegada hídrica total é a soma do consumo de água azul, verde e cinza. Água que evapora e transpira 66 Resumo ARH – Gabo Weby A evapotranspiração geralmente ocupa a parte mais significativa da pegada hídrica azul. 6.2.5 Pegada Hídrica Verde A pegada hídrica verde é o consumo de água que se refere à precipitação em terra que não escoa nem recarrega as águas subterrâneas, mas é armazenada no solo ou permanece temporariamente na superfície do solo ou da vegetação. A água verde é geralmente usada para o crescimento das culturas. A pegada verde inclui: 6.2.6 Pegada Hídrica Cinzenta A pegada hídrica cinza é um indicador do grau de poluição da água doce que pode estar associado a uma etapa do processo, produto ou consumidor, etc. É o volume de água doce necessário para assimilar a carga de poluentes com base nas concentrações naturais de fundo e no ambiente existente. padrões de qualidade da água. Água incorporada ao produto Água que não retorna à mesma área de captação (mas pode retornar ao mar ou a outra área de captação) Água que não retorna no mesmo período (pode ser retirada no período seco e devolvida no período chuvoso) Água que evapora e transpira dos campos e plantações Água incorporada na colheita ou madeira Componentes de uma pegada hídrica. A parte não consuntiva das captações de água (fluxo de retorno) não faz parte da pegada hídrica. Fonte: HOEKSTRA et al. (2011) 67 Resumo ARH – Gabo Weby 6.2.7 Água Virtual Em termos da água utilizada para fabricar um produto, a pegada hídrica também pode ser referida como o conteúdo virtual de água do produto. Água virtual é a quantidade total de água que foi usada para produzir um bem, bem como a água indiretamente usada (por exemplo, a água necessária para produzir a ração de um animal ao calcular a pegada hídrica da carne do animal). É denominado virtual porque o bem final não contém mais a quantidade total de água que foi utilizada para produzi-lo. As duas diferenças entre a água virtual e a pegada hídrica são: 1. A água virtual refere-se apenas ao conteúdo de água, enquanto a pegada hídrica é um indicador multidimensional. Ao lado do volume também identifica onde está localizada a pegada hídrica, qual fonte de água é utilizada e quando a água é utilizada. As informações adicionais são cruciais para avaliar os impactos da pegada hídrica de um produto. Além disso, o conceito de pegada hídrica tem uma aplicação mais ampla. 2. Enquanto a água virtual só pode ser calculada para um produto, a pegada hídrica também pode ser calculada para um consumidor, observando as pegadas hídricas dos bens e serviços consumidos, ou de um produtor (empresa, fabricante, prestador de serviços), observando a pegada hídrica dos bens e serviços produzidos pelo produtor. Também pode ser calculado para uma comunidade, área, nação ou humanidade. 6.2.8 Exemplos de Pegada Hídrica Comparando os produtos agrícolas, os produtos de origem animal geralmente têm uma pegada hídrica maior do que os produtos agrícolas, tanto em litros por tonelada Produtos 68 Resumo ARH – Gabo Weby como por caloria. A pegada hídrica média por caloria da carne bovina é vinte vezes maior do que a dos cereais ou raízes ricas em amido. Essa grande diferença se deve a vários fatores. Em primeiro lugar, os animais precisam de mais tempo para crescer e depois precisam de ser alimentados: 98% da pegada hídrica dos animais refere-se à alimentação dos animais (HOEKSTRA 2012). Tradicionalmente, os planos hídricos nacionais são elaborados para planear o fornecimento de água suficiente a todos os utilizadores de água. No entanto, esta visão nacional negligencia a “água importada” que está associada a um produto produzido fora do país. A externalização da pegada hídrica de uma nação através da importação de muitos produtos com “uso intensivo de água” ameaça a sustentabilidade do consumo nacional, pois podem estar associados ao esgotamento e à poluição do país produtor. Além disso, isto pode aumentar a dependência de recursos estrangeiros de água doce. O consumo de produtos agrícolas determina em grande parte a pegada
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