Estudo de abrigos para peixes a jusante de centrais hidroeléctricas Modelação numérica Rui Tiago Pessoa Zabelo Matos de Almeida Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientador: Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro Orientador: Doutora Isabel Maria Bento de Matos Boavida Júri Presidente: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira Orientador: Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro Vogal: Professor Doutor Jorge de Saldanha Gonçalves Matos Vogal: Doutor José Maria Horta e Costa Silva Santos Junho 2014
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Estudo de abrigos para peixes a jusante de centrais ... · Figura 4.4 - Distribuição de DSI - Truta Adulta – Inverno-Primavera ..... 32 Figura 4.5 - Distribuição de DSI - Truta
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Estudo de abrigos para peixes a jusante de centrais hidroeléctricas
Modelação numérica
Rui Tiago Pessoa Zabelo Matos de Almeida
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientador: Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro
Orientador: Doutora Isabel Maria Bento de Matos Boavida
Júri
Presidente: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira
Orientador: Professor Doutor António Alberto do Nascimento Pinheiro
Vogal: Professor Doutor Jorge de Saldanha Gonçalves Matos
Vogal: Doutor José Maria Horta e Costa Silva Santos
Junho 2014
Às minhas avós
i
RESUMO
Quando uma central hidroeléctrica opera em regime de hydropeaking, o caudal natural do curso de
água é periodicamente alterado por descargas fortes, eventualmente de curta duração, resultantes da
produção de hidroelectricidade durante os períodos de consumo de ponta. Estes eventos criam
frequentemente um forte stress para os peixes, em todos os estágios de vida, interferindo assim com
o bem-estar das populações piscícolas e com as condições ecológicas do rio a jusante da central
hidroeléctrica. A criação de abrigos laterais para peixes tem sido apontada como uma das mais
promissoras medidas de mitigação para proteger as espécies piscícolas dos caudais de ponta. Desta
forma, é crucial determinar critérios de dimensionamento para os abrigos laterais, de forma a
aumentar a disponibilidade de habitat. Sendo cada vez mais aplicados em estudos de modelação de
habitat, os modelos hidrodinâmicos 2D são uma ferramenta poderosa para perceber as interacções
entre o escoamento do rio e os padrões hidráulicos numa escala de microhabitat. Quando acoplados
com um modelo biológico de habitat que represente os diferentes requisitos de habitat, estes modelos
permitem uma melhor percepção da influência dos caudais de ponta nos peixes, enquanto estimam a
abundância relativa de habitats. No presente estudo, são comparados resultados obtidos numa
instalação experimental com as simulações de habitat efectuadas com o modelo River2D. Foram
testadas diferentes configurações de abrigo observando a taxa de presença no abrigo da truta juvenil,
bem como da sua localização no interior do mesmo. Foram utilizadas as curvas de preferência da
truta-de-rio (Salmo trutta fario) e do barbo-comum (Luciobarbus bocagei), nos estágios juvenil e
adulto, e foram integradas essas curvas com os valores de profundidade do escoamento e velocidade
obtidos com o River2D, para estimar a disponibilidade de habitat para as diferentes configurações de
abrigos para peixes. Os resultados para a truta juvenil estão razoavelmente de acordo com as
principais conclusões do trabalho experimental. Simulações numéricas semelhantes foram também
desenvolvidas num trecho de rio, com o objectivo de analisar problemas de dimensionamento e
implantação dos abrigos e de avaliar a sua eficiência num curso de água natural, tendo sido obtidas
melhorias em termos de disponibilidade de habitat.
Palavras-chave: Modelação de habitat, abrigos laterais, hydropeaking, truta, barbo.
ii
iii
ABSTRACT
Wherever a hydropower station operates under a hydropeaking regime, the stream base flow is
periodically changed by strong and eventually short-duration discharge fluctuations resulting from
hydropower production during peak electricity consumption periods. These events often place an
intolerable stress on fish over all life-stages, thus interfering with the population success and the
ecological condition of the river reach downstream of the powerhouse. The creation of lateral fish
shelters has been pointed out as one of the most promising mitigation measure to protect fish species
from peak flows. Therefore is crucial to determine design guidelines for the fish shelters in order to
increase habitat availability. Being more and more applied in habitat studies, the 2D hydrodynamic
numerical models are a powerful tool to understand the interactions between river flow and the
hydraulic patterns at a microhabitat scale. When coupled with a biological model of habitat
representing different habitat requirements, these models allow a better understanding on the
influence of peak flows over fish occurrence while estimating the relative abundance of habitats. In this
study, results from an experimental facility are compared with habitat simulations carried out with the
River2D. Different shelter configurations were tested in the facility by analysing the shelter global
frequentation rate of juvenile brown trout as well as their preference location inside the shelter. The
habitat requirements curves of the brown trout (Salmo trutta) and Iberian barbel (Luciobarbus bocagei)
were used, both for juvenile and adults, and integrated with the depth and velocity results obtained
with River2D to estimate the habitat availability for different shelters design configurations. Results for
the juvenile trout reasonably agree with the experimental major findings. Similar simulations were also
developed in a river reach, with the purpose of analysing the design problems and shelter construction
and evaluating their efficiency in a natural stream, which conducted to increases in terms of habitat
Figura 4.1 – Novas configurações para o abrigo .................................................................................. 29
Figura 4.2 - Profundidades (m) na configuração C0 ............................................................................. 31
Figura 4.3 - Distribuição de DSI - Truta Juvenil – Inverno-Primavera .................................................. 32
Figura 4.4 - Distribuição de DSI - Truta Adulta – Inverno-Primavera ................................................... 32
Figura 4.5 - Distribuição de DSI - Truta Juvenil – Verão-Outono.......................................................... 33
Figura 4.6 - Distribuição de DSI - Truta Adulta – Verão-Outono........................................................... 33
Figura 4.7 - Distribuição de DSI - Barbo Juvenil ................................................................................... 33
Figura 4.8 - Distribuição de DSI - Barbo Adulto .................................................................................... 34
Figura 4.9 - Ganhos/perdas de HHS em relação à configuração C0 – Trutas (IP – Inverno Primavera;
VO – Verão-Outono) .............................................................................................................................. 36
Figura 4.10 - Ganhos/perdas de HHS em relação à configuração C0 - Barbos ................................... 36
Figura 4.11 - Configuração A ................................................................................................................ 38
xii
Figura 4.12 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração A ............................ 38
Figura 4.13 - Distribuição de VSI na configuração A - Truta Juvenil (Inverno-Primavera) ................... 39
Figura 4.14 - Distribuição de CSI na configuração A - Truta Juvenil (Inverno-Primavera) ................... 39
Figura 4.15 - Distribuição de VSI na configuração A - Truta Adulta (Verão-Outono) ........................... 40
Figura 4.16 - Distribuição de CSI na configuração A - Truta Adulta (Verão-Outono) ........................... 40
Figura 4.17 - Configuração B ................................................................................................................ 41
Figura 4.18 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração B ............................ 41
Figura 4.19 - Distribuição de VSI na configuração B - Truta Juvenil (Inverno-Primavera) ................... 42
Figura 4.20 - Distribuição de CSI na configuração B - Truta Juvenil (Inverno-Primavera) ................... 42
Figura 4.21 - Distribuição de VSI na configuração B - Truta Adulta (Inverno-Primavera) .................... 43
Figura 4.22 - Distribuição de CSI na configuração B - Truta Adulta (Inverno-Primavera) .................... 43
Figura 4.23 - Distribuição de VSI na configuração B - Truta Adulta (Verão-Outono) ........................... 44
Figura 4.24 - Distribuição de CSI na configuração B - Truta Adulta (Verão-Outono) ........................... 44
Figura 4.25 - Configuração H ................................................................................................................ 45
Figura 4.26 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração H ............................ 45
Figura 4.27 - Distribuição de VSI na configuração H - Truta Juvenil (Verão-Outono) .......................... 46
Figura 4.28 - Distribuição de CSI na configuração H - Truta Juvenil (Verão-Outono) .......................... 46
Figura 4.29 - Configuração J ................................................................................................................. 47
Figura 4.30 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração J ............................ 47
Figura 4.31 - Distribuição de VSI na configuração J - Truta Juvenil (Verão-Outono) ........................... 48
Figura 4.32 - Distribuição de CSI na configuração J - Truta Juvenil (Verão-Outono) .......................... 48
Figura 4.33 - Configuração K ................................................................................................................ 49
Figura 4.34 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração K ............................ 49
Figura 4.35 - Distribuição de VSI na configuração K - Truta Adulta (Inverno-Primavera) .................... 50
Figura 4.36 - Distribuição de CSI na configuração K - Truta Adulta (Inverno-Primavera) .................... 50
Figura 4.37 - Configuração C ................................................................................................................ 51
Figura 4.38 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração C ............................ 52
Figura 4.39 - Distribuição de VSI na configuração C - Barbo Juvenil ................................................... 52
Figura 4.40 - Distribuição de CSI na configuração C - Barbo Juvenil ................................................... 53
Figura 4.41 - Configuração D ................................................................................................................ 53
Figura 4.42 - Distribuição de velocidades de escoamento (m/s) na configuração D ............................ 54
Figura 4.43 - Distribuição de VSI na configuração D - Barbo Juvenil ................................................... 54
Figura 4.44 - Distribuição de CSI na configuração D - Barbo Juvenil ................................................... 54
Figura 4.45 - Distribuição de VSI na configuração H - Barbo Juvenil ................................................... 55
Figura 4.46 - Distribuição de CSI na configuração H - Barbo Juvenil ................................................... 55
Figura 4.47 - Distribuição de VSI na configuração J - Barbo Adulto ..................................................... 56
Figura 4.48 - Distribuição de CSI na configuração J - Barbo Adulto .................................................... 56
Figura 4.49 - Distribuição de VSI na configuração K - Barbo Adulto .................................................... 57
Figura 4.50 - Distribuição de CSI na configuração K - Barbo Adulto .................................................... 57
Figura 5.1 - Localização do rio Ocreza (Boavida, 2012) ....................................................................... 59
xiii
Figura 5.2 - Curvas Caudal - WUA - Área molhada - HHS para o Barbo no rio Ocreza ...................... 60
Figura 5.3 - Abrigo utilizado no rio Ocreza ............................................................................................ 61
Figura 5.4 - Localização dos abrigos (1,2 e 3) (River2D) ..................................................................... 62
Figura 5.5 - Esquema 3D do abrigo ...................................................................................................... 63
Figura 5.6 - Curva Caudal - WUA com abrigos (Barbo Juvenil) ........................................................... 63
Figura 5.7 - Curva Caudal - WUA com abrigos (Barbo Adulto) ............................................................ 64
Figura 5.8 - Profundidade (m) para os para os caudais de 50, 60 e 80 m3/s ....................................... 65
Figura 5.9 - Velocidade do escoamento (m/s) para os caudais de 50, 60 e 80 m3/s ........................... 66
Figura 5.10 - Distribuição de CSI (Barbo Juvenil) no rio Ocreza .......................................................... 67
Figura 5.11 - Distribuição de CSI (Barbo Adulto) no rio Ocreza ........................................................... 68
Figura 6.1- Curvas de preferência para as trutas (esquerda – juvenil, direita – adulta) (as curvas de
preferência do rio Lima estão assinaladas a vermelho) (adaptado de Vismara et al., 2001) ............... 78
xiv
xv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 - Medidas de mitigação e impactes associados (+ impacte positivo, - impacte negativo) .. 9
Tabela 3.1 - Valores de HHS e WUA para as configurações testadas na instalação experimental..... 26
Tabela 4.1 - Descrição das novas configurações testadas ................................................................... 30
Tabela 4.2 - Valores aproximados de HSI para as alturas de escoamento no intervalo considerado –
Rio Lima................................................................................................................................................. 31
Tabela 4.3 - Valores de HHS e de WUA para as configurações testadas ............................................ 35
Tabela 5.1 - Cota de soleira dos abrigos .............................................................................................. 62
Tabela 5.2 - Distribuição de CSI no Abrigo 1 ........................................................................................ 69
Tabela 5.3 - Distribuição de CSI no Abrigo 2 ........................................................................................ 70
Tabela 5.4 - Distribuição de CSI no Abrigo 3 ........................................................................................ 70
Tabela 5.5 - Distribuição de DSI no Abrigo 1 ........................................................................................ 71
Tabela 5.6 - Distribuição de DSI no Abrigo 2 ........................................................................................ 72
Tabela 5.7 - Distribuição de DSI no Abrigo 3 ........................................................................................ 72
Tabela 5.8 - Distribuição de VSI no Abrigo 1 ........................................................................................ 73
Tabela 5.9 - Distribuição de VSI no Abrigo 2 ........................................................................................ 74
Tabela 5.10 - Distribuição de VSI no Abrigo 3 ...................................................................................... 74
Tabela 6.1 - Melhores configurações e ganhos de HHS em relação à configuração C0 ..................... 79
xvi
xvii
SIGLAS
CFD Computational Fluid Dynamics
CISI Channel Index Suitability Index
CSI Combined Suitability Index
DSI Depth Suitability Index
DGEG Direcção Geral de Energia e Geologia
GPS Global Positioning System
HHS Hydraulic Habitat Index
HSC Habitat Suitability Criteria
HSI Habitat Suitability Index
IFIM Instream Flow Incremental Methodology
PHABSIM Physical Habitat Simulation
REN21 Renewable Energy Policy Network for the 21st Century
VSI Velocity Suitability Index
WUA Weighted Usable Area
xviii
xix
SIMBOLOGIA
𝝆 Massa volúmica da água
𝝉𝒊𝒋 Tensão exercida no plano perpendicular a i na direção j
Ai Área de influência do nó i
g Aceleração da gravidade
h Altura do escoamento
Ks Coeficiente de rugosidade absoluta
n Número de nós
qi Caudal na direcção i
S0i Declive do leito do canal na direcção i
Sfi Perda de carga unitária
t Tempo
U Velocidade média do escoamento na direcção x
V Velocidade média do escoamento na direcção y
xx
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 ENQUADRAMENTO
A energia hídrica ou hidroenergia é uma das fontes de energia renováveis mais antigas da
humanidade, tendo sido inicialmente utilizada para fins agrícolas e industriais. À medida que as
necessidades energéticas das populações têm vindo a aumentar, a utilização da energia
hídrica tem-se concentrado na produção de energia hidroeléctrica, a qual tem adquirido
importância crescente no mercado energético a nível global.
Actualmente, a hidroenergia é a forma de energia renovável mais utilizada, assegurando cerca
de 16% da energia eléctrica consumida a nível mundial, com uma potência total instalada de
990 GW, excluindo os sistemas mistos, e uma produção média anual de cerca de 3700 Twh
em 2012 (REN21, 2012). Em Portugal, em 2012, a produção de hidroenergia foi de cerca de
6660 Gwh (DGEG, 2013), o que corresponde a cerca de 32% do total da energia gerada
através de fontes renováveis. A nível nacional a tendência é para o crescimento de produção
de energia eléctrica a partir da energia hídrica (Figura 1.1).
Figura 1.1 - Evolução da produção de energia eléctrica a partir de energias renováveis. Ano de
2013 provisório (Fonte: DGEG, 2013)
A produção de energia hidroeléctrica implica a construção de barragens, cujas albufeiras de
regularização alteram o regime natural do escoamento a jusante. O regime de escoamento a
jusante das centrais hidroeléctricas está condicionado pela necessidade de produção de
energia, que, por sua vez, depende dos consumos e da distribuição da produção pelos
diversos centros produtores. A rápida alteração dos caudais a jusante das centrais
hidroeléctricas decorrente da produção de energia para satisfação de consumos de ponta é um
dos factores que afecta as populações de peixes a jusante destes aproveitamentos, e dá
origem a um regime de escoamento habitualmente designado, de forma bastante compacta,
2
por hydropeaking, na terminologia anglo-saxónica. Este é o termo que se adoptará na presente
dissertação.
As variações rápidas de caudal, e as consequentes variações de nível, afectam o ecossistema
aquático, sendo um dos factores de maior stress, em particular, para a fauna piscícola (Scruton
et al., 2008). De forma a mitigar os impactes sentidos por estas populações, os abrigos laterais
para peixes são apontados como uma das mais promissoras medidas de mitigação estruturais
para o hydropeaking. Devido à dificuldade de execução de ensaios em protótipos, a
conjugação de ensaios em instalações experimentais com simulações numéricas dos regimes
de escoamento e das condições de habitat é o modo mais viável para testar a eficiência dos
abrigos.
Com o objectivo de avaliar a disponibilidade de habitat dos abrigos laterais para peixes, Ribi
(2011) realizou, no âmbito de uma dissertação de doutoramento, uma série de ensaios
experimentais cujos resultados são comparados com os obtidos através de simulações
numéricas. Validando o modelo numérico com base nos referidos ensaios, analisar-se-ão
geometrias alternativas para os abrigos testados por Ribi (2011), de forma a aumentar a
disponibilidade de habitat dos mesmos e ainda para extrapolar a sua utilização num curso de
água natural.
1.2 OBJECTIVOS
O presente estudo tem como objectivo principal aferir a eficiência de abrigos laterais para
peixes a jusante de centrais hidroeléctricas que funcionem em regime de hydropeaking. Para
concretizar o referido objectivo será necessário:
1. Efectuar a modelação numérica 2D dos escoamentos num canal rectangular com um
abrigo lateral para peixes, com diferentes configurações, em conformidade com o
testado por Ribi (2011);
2. Utilizar curvas de preferência de habitat, de forma a estudar a disponibilidade de
habitat proporcionada por cada tipo de abrigo para as diferentes espécies e estágios de
desenvolvimento;
3. Comparar os resultados das simulações numéricas e da instalação experimental, de
modo a verificar a validade das mesmas;
4. Estudar formas de abrigo alternativas às estudadas por Ribi (2011);
5. Estudar as condições de aplicação e a eficiência destes abrigos laterais para peixes
quando aplicados a um curso de água natural.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A presente dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos. No primeiro, de introdução,
apresenta-se o enquadramento do tema e enunciam-se os objectivos do estudo. No capítulo 2
é apresentado o conceito de hydropeaking e uma introdução à modelação hidrodinâmica
3
bidimensional e de habitat, sendo referidos alguns modelos computacionais presentemente
utilizados para o efeito, e são descritas as espécies piscícolas consideradas no estudo. No
capítulo 3 descreve-se a calibração do modelo e apresentam-se a comparação entre
resultados experimentais e de simulações numéricas. No capítulo 4 são apresentadas novas
configurações para os abrigos, que foram desenvolvidas com o objectivo de aumentar a
disponibilidade de habitat nos mesmos. No capítulo 5 são apresentadas as simulações
correspondentes à aplicação dos abrigos laterais a um curso de água natural, o rio Ocreza, e é
analisada a variação da disponibilidade de habitat no troço analisado. Por fim, no último
capítulo, são apresentadas as conclusões gerais desta dissertação e algumas recomendações
para trabalhos futuros.
4
5
2 SÍNTESE DE CONHECIMENTOS
2.1 HYDROPEAKING
2.1.1 CARACTERIZAÇÃO E CONDICIONAMENTOS DE ESTUDO
As centrais hidroeléctricas com albufeira de armazenamento destinadas à produção de
electricidade são responsáveis pelo fenómeno de hydropeaking (Ribi et al., 2009). A alteração
do regime natural de escoamento, causado pelos picos de produção de energia hidroeléctrica,
difere substancialmente dos regimes de cheias naturais, quer na frequência, quer na variação
temporal do caudal, quer na magnitude. Este fenómeno pode assim ser definido como a
variação rápida do caudal escoado num troço de um curso de água imediatamente a jusante
duma central hidroeléctrica. Estas variações abruptas e frequentes de caudal afectam o
ecossistema aquático a jusante, com especial incidência na fauna piscícola. As elevadas
velocidades de escoamento podem levar à morte dos peixes inclusive (Jungwirth et al., 2003) e
pelas reduções rápidas de habitat, que podem implicar a retenção dos peixes em zonas que,
por redução do nível, ficam isoladas do leito onde ocorre o escoamento.
Na Figura 2.1 são representados os parâmetros utilizados para classificar as rápidas flutuações
do caudal: razão entre caudal máximo e o caudal mínimo, taxa de variação da altura de
escoamento e taxa de variação do caudal.
A razão entre o caudal máximo e o caudal mínimo é obtida através da divisão do maior
valor de caudal registado pelo caudal de base. Este parâmetro pode ser também
utilizado para classificar cheias.
A taxa de variação da altura de escoamento é representada pela taxa de variação do
nível da água ao longo do tempo. Este rácio pode ser maior quando o caudal aumenta
devido a fenómenos de precipitação intensa.
A taxa de variação do caudal é o tempo decorrido entre dois picos no hidrograma. A
frequência com que estes picos ocorrem também pode ser um parâmetro de
caracterização das flutuações do escoamento.
Seria de esperar uma maior frequência nos períodos da manhã e do final do dia, quando as
necessidades de electricidade são maiores. No entanto, como consequência das alterações
existentes na utilização de energias renováveis, estes padrões têm sofrido mudanças nos
últimos anos.
Figura 2.1 - Parâmetros utilizados para classificar rápidas flutuações do escoamento
(Harby et al., 2013)
6
Os estudos em protótipo dos regimes de hydropeaking não são fáceis de realizar, dadas as
implicações que têm na operação das centrais hidroeléctricas, e consequentemente, na
produção de energia, pelo que, alternativamente, se recorre a ensaios em instalações
experimentais. Estes ensaios permitem mais facilmente analisar determinados aspectos
específicos de forma sistemática, desde que as condições sejam próximas das reais. A
reprodução de condições morfológicas naturais (como por exemplo o substrato, o escoamento
subterrâneo e a dinâmica de sedimentos) é difícil (Harby et al., 2013).
De forma a obter resultados válidos e conseguir reproduzir o regime de hydropeaking
aconselha-se assim a utilização de estudos em protótipo conjugada com simulações
numéricas.
2.1.2 CONSEQUÊNCIAS
As características físicas num rio podem ser variadas, nomeadamente no que diz respeito às
condições hidráulicas, temperatura, gelo, visibilidade, cobertura, substrato e erosão. No
entanto, as alterações introduzidas pelo homem nos cursos de água naturais podem levar a
severas alterações ambientais no rio e a criar condições insuportáveis para os organismos que
lá habitam. Assim, os impactes causados pelo hydropeaking num rio podem ser divididos em
três grupos: impactes morfológicos, na qualidade da água e biológicos.
Dentro dos impactes morfológicos no rio o denominador comum é a erosão. Este fenómeno
afecta não só as margens e leito do rio, como potencia a existência de sedimentos em
suspensão na coluna de água. Com uma diminuição da altura de escoamento podem ser
criadas zonas secas junto às margens. No que diz respeito à qualidade da água, o
hydropeaking pode criar alterações ao nível da temperatura da água, na sua turbidez e
aumentar a vegetação existente na massa de água.
Em termos de impactes biológicos, sentidos de uma forma directa pelos peixes, pode referir-se
a possibilidade de existirem peixes encalhados (i.e. que não conseguiram regressar a tempo ao
centro do canal durante a diminuição do caudal após o turbinamento), o aumento do stress
sentido pelos mesmos devido às constantes variações de caudal, a necessidade dos peixes
utilizarem mais energia para lidar com as elevadas velocidades de escoamento causando a
sua fadiga, a redução de áreas disponíveis para reprodução e o possível arrastamento pela
corrente, com especial incidência nos estágios juvenis.
Em rios de cabeceira, como nos Alpes por exemplo, a salmo trutta fario é uma das espécies
que mais sofre com este regime. Os leitos de desova correm o risco de ficarem secos e o
habitat junto às margens para as populações juvenis pode desaparecer (Liebig et al., 1998).
Sem um refúgio apropriado e com a necessidade de um maior uso de energia por parte dos
peixes para sobreviver, torna-se difícil a sua sobrevivência durante o Inverno.
7
2.1.3 MEDIDAS DE MITIGAÇÃO
Dentro das medidas de mitigação podem ser definidos dois grupos: medidas operacionais e
medidas estruturais.
As medidas operacionais dizem respeito à operação da central hidroeléctrica, e têm como
principais objectivos diminuir o caudal de ponta (ou pico) e diminuir a taxa de variação da altura
de escoamento. A melhor medida para evitar os impactes negativos do hydropeaking é alterar
o caudal restituído de uma forma tão lenta que permita aos organismos adaptarem-se às novas
condições de escoamento no rio, a jusante da central hidroeléctrica. Como medida adicional, e
se possível, pode ser útil aumentar ou diminuir o caudal escoado de uma forma lenta que
funcione como “sinal de alerta” para os peixes e restantes organismos. Estas medidas estão
directamente relacionadas com as válvulas de seccionamento e turbinas existentes nas
centrais, pelo que podem ser mais difíceis de executar.
Existem alguns riscos associados às medidas operacionais, como por exemplo:
A possibilidade de existirem peixes encalhados no leito do rio quando o hydropeaking
ocorre após um longo período de caudais elevados e quando a redução do caudal é
feita de forma abrupta;
A redução do caudal feita durante os períodos diurnos é mais preocupante uma vez
que os peixes tendem a refugiar-se visualmente no substrato ou junto a raízes e outros
detritos, podendo ficar encalhados nesses refúgios após a paragem das turbinas. No
Inverno, esta situação tende a ser mais alarmante devido aos baixos níveis energéticos
das espécies;
A possibilidade de efectuar manobras de fecho que coloquem em causa a segurança
da central hidroeléctrica, devido aos regimes transitórios.
Clarke et al. (2008) sugere três medidas de mitigação para as operações hidráulicas:
Assegurar que o caudal de base que ocorre num rio é suficiente para manter um
ecossistema sustentável;
O aumento do caudal deve mimetizar um aumento natural do caudal, como nas cheias
de pequena dimensão;
A taxa de variação de caudal deve ser ajustada aos comportamentos diurnos das
espécies existentes.
As medidas estruturais estão relacionadas com as alterações morfológicas do rio de forma a
melhorar as condições de habitat para os peixes. Estas alterações têm como base a criação de
estruturas artificiais.
Uma das opções a considerar pode passar por evitar a restituição do caudal turbinado para o
rio, utilizando um lago ou um canal paralelo ao rio para o efeito. Outra abordagem pode ser a
de uma restituição controlada do caudal turbinado com o objectivo de tornar o regime de
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escoamento próximo do natural, utilizando uma bacia de compensação. Por fim, pode ainda ser
feita uma melhoria das condições morfológicas do rio ou construir abrigos para os peixes nas
margens do rio.
A criação de uma bacia de compensação pode criar um espaço para fins de lazer ou ainda
permitir que a água seja turbinada novamente, caso a queda útil se revele favorável para a
produção de energia. Com a criação desta bacia, parte do caudal turbinado seria restituído
directamente no rio (aproximando a descarga a um regime natural), sendo o caudal excedente
restituído na bacia. Na Figura 2.2 pode ser observado um esquema de uma possível solução
com bacia de compensação.
Figura 2.2 - Esquema de bacia de compensação (Schweizer et al., 2009)
Com o objectivo de melhorar as condições morfológicas do rio podem ser criadas macro-
rugosidades nas margens do rio (Figura 2.3), que aumentam a resistência ao escoamento e
criam condições de abrigo.
Figura 2.3 - Esquema de ensaio laboratorial realizado por Meile (2008) com o objectivo de
estudar a influência das macro-rugosidades no escoamento
De forma a criar melhores condições de habitat para a fauna piscícola podem ser construídos
abrigos para os mesmos. Estes abrigos são instalados ou construídos nas margens do rio,
podendo ter diversas configurações, com o objectivo de criar padrões de velocidade atractivos
para as espécies que nele habitam. Com a introdução de obstáculos na zona de entrada do
abrigo é possível melhorar as condições hidráulicas do escoamento aumentando a efectividade
9
do mesmo. Na Figura 2.4 é possível observar um esquema de uma instalação laboratorial com
o objectivo de estudar a efectividade de um abrigo lateral para peixes.
Figura 2.4 - Esquema de instalação laboratorial de abrigo para peixes - planta (Ribi et al., 2009)
As medidas de mitigação teriam, preferencialmente, impactes positivos tanto nos rios como nas
espécies que lá habitam. No entanto nem todas as medidas têm só impactes positivos, pelo
que é necessário analisar também os impactes negativos que uma possível medida possa ter.
Na Tabela 2.1 é feito um resumo de possíveis medidas de mitigação e impactes associados.
Tabela 2.1 - Medidas de mitigação e impactes associados (+ impacte positivo, - impacte
negativo)
Medida de mitigação
Diminuição gradual do
caudal restituído
Aumento gradual do
caudal restituído
Bacia de compensação
Abrigos para
peixes
Impactes
Morfológicos Zonas secas junto às margens + +
-
Aumento da erosão
+ +
Qualidade da água
Alteração na temperatura da água + + + +
Alterações na turbidez + +
Biológicos
Encalhamento +
+ +
Fadiga + + + +
Arrastamento
+
+ *adaptado de Harby et al. (2013)
2.2 MODELOS HIDRODINÂMICOS DE HABITAT
2.2.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS
As características dos escoamentos em canais naturais é influenciada por diversos factores,
como por exemplo a existência de sedimentos, as características topográficas e a
permeabilidade do leito. O escoamento interage com os sedimentos e com as características
topográficas do rio criando complexos padrões de escoamento que variam não só no espaço
10
mas também no tempo (Crowder et al., 2000). Estas interacções entre o escoamento e as
características topográficas revelam-se fundamentais para compreender e determinar a
adequabilidade de habitat existente num rio. Os modelos hidrodinâmicos, quando utilizados de
forma isolada, nada dizem quanto à adequabilidade de um determinado habitat para uma certa
espécie. Desta forma, é necessário juntar a estes modelos um modelo biológico de selecção de
habitat, como por exemplo o Habitat Suitability Criteria (HSC) (Bovee, 1982).
As alterações provocadas pelo homem no regime natural de escoamento podem danificar ou
destruir totalmente os habitats existentes num rio sendo que, sempre que se regista alguma
alteração ao escoamento, são efectuados estudos para determinar as condições de habitat
disponíveis. Para efectuar estes estudos a Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD –
Computational Fluid Dynamics) tornou-se uma técnica fundamental para fornecer previsões
quantitativas não só temporais como espaciais das características do escoamento em cursos
de água naturais (Leclerc et al., 1995). É importante determinar as variações espaciais do
escoamento devido ao seu papel vital na determinação do tipo, qualidade e quantidade de
habitat disponível num curso de água.
Os métodos para previsão das características do escoamento podem ser divididos em quatro
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86
I
ANEXOS
ANEXO A – MALHAS DE ELEMENTOS FINITOS. CONFIGURAÇÕES C
Configuração Boundary Nodes (m) Uniform Fill (m) Ângulo (º) QI (-) Número de nós
C0 0,10 0,05 0 0.37 8594
C1 0,10 0,05 0 0.34 8638
C2 0,10 0,05 0 0.35 8689
C3 0,10 0,05 0 0.33 8672
C4 0,10 0,05 0 0.32 8670
C5 0,10 0,05 0 0.38 8686
C6 0,10 0,05 0 0.36 8676
C7 0,10 0,05 0 0.40 8579
C8 0,10 0,05 0 0.38 8512
C9 0,10 0,05 0 0.31 8721
C10 0,10 0,05 0 0.31 8700
C11 0,10 0,05 0 0.37 8520
II
III
ANEXO B – MALHAS DE ELEMENTOS FINITOS. NOVAS CONFIGURAÇÕES
Configuração Boundary Nodes (m) Uniform Fill (m) Ângulo (º) QI (-) Número de nós