Notas de Aula UNIDADE 5 5. Assoreamento em reservatóriosheros.sites.ufms.br/files/2017/09/Unid5_TS.pdf · • Depósito de Remanso • Delta ... • Traça-se a curva chave de sedimentos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO DO SUL

Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo e Geografia

Transporte de Sedimentos e Mecânica Fluvial HEroS: Laboratório e Grupo de Pesquisa

Notas de Aula – UNIDADE 5

5. Assoreamento em reservatórios

5.1 Distribuição dos sedimentos em reservatórios. Previsão e

Prevenção de assoreamento em reservatórios.

5.2 Ferramentas computacionais para o cálculo de assoreamento em

reservatórios.





5.1 Distribuição dos sedimentos em reservatórios. Previsão e Prevenção de

assoreamento em reservatórios.

Sedimento Erodido

Enxurrada

Curso d’águaRedução de velocidade

Deposição

Em usinas hidrelétricas – Se

alcançar a soleira da tomada d’água, pode ocasionar obstrução

total

Ocorre em função:

• Geometria do lago

• Topografia

• Sinuosidade do curso d’água

• Operação do Reservatório

• Vazão Afluente

• Granulometria dos Sedimentos

Dinâmica do sedimento no reservatório

Distribuição dos depósitos de sedimentos em toda extensão do reservatório

Partículas grossas:

Depositam-se primeiro, formando o Delta

Partículas finas:

Transportadas mais facilmente para o interior doreservatório, atingindo a tomada d'água

Principal fator: Velocidade da água

Tamanho e forma dos sedimentos transportados;

Tamanho e forma do reservatório;

Método de operação do reservatório;

Relação entre a descarga afluente e

efluente

Tipos de Depósitos em Reservatórios

• Depósito de Remanso

• Delta

• Depósito de Leito

• Depósito de Margem

• Depósito de Várzea ou de Planície de Inundação

Depósito de Remanso

• Maior granulometria, se depositam no fim do remanso, ligeiramente acima do nível

máximo do reservatório

• Agravam problemas devidos às enchentes a montante

Depósito Delta

• Partículas do tamanho das areias ou maiores

• Depositam assim que o escoamento penetra o reservatório

• Extremidade de montante no nível médio de operação do reservatório

• Inclina-se para jusante (inclinação anterior - Ia) e depois para o fundo do reservatório

(inclinação posterior - Ip).

Provocam a elevação de seus níveis

d’água

Dentro do Reservatório

Cursos d’água

afluentes

Depósito de Leito

• Partículas da ordem de 0,001 mm (Silte e Argila)

• Podem impossibilitar a operação das comportas de órgãos de adução ou descarga

• Reduzem o volume morto

Monitoramento de reservatórios

• Postos hidrométricos e levantamentos batimétricos

• Medidas de níveis são realizadas em postos adequadamente posicionados, com

telemetria, e informação permanente a ANEEL e ANA

• Medições da carga sólida e levantamentos batimétricos sistemáticos dos

reservatórios

• Convém que as empresas responsáveis efetuem levantamentos batimétricos

periodicamente e através de um programa a ser estabelecido

Produtos do levantamento batimétrico

• Determinação do volume de água ou capacidade do reservatório nas condições

atuais (da época do levantamento);

• Determinação da nova área do espelho d’água;

• Desenho das novas curvas cota x área e cota x volume;

• Determinação da nova geometria do leito do reservatório;

• Desenho da curva de dejeção de sedimentos;

• Verificação das características físicas dos sedimentos acumulados;

• Quantificação do sedimento assoreado no período, por comparação com

levantamentos anteriores ou do mapa da época de formação do reservatório;

• Determinação da capacidade de retenção de sedimentos pelo reservatório;

• Determinação da descarga sólida média afluente;

• Verificação da porcentagem de sedimento depositado no reservatório, no volume

morto e o volume perdido na área do volume útil.

Valores aceitáveis de produção de sedimento

Informações para estimativa do volume de assoreamento

• Descarga sólida que entra no reservatório;

• Eficiência de retenção do reservatório;

• Distribuição dos depósitos de sedimento sem toda extensão do reservatório;

• Peso específico (γs) dos sedimentos depositados;

• Mecanismos

Previsão de assoreamento em reservatórios

• Tempo de assoreamento até a altura da tomada d’água (vida útil)

• Alturas de depósitos no pé da barragem para X anos.

• Distribuição de sedimentos no reservatório.

• Traçado das curvas cota x área x volume originais no tempo 0 e curvas com o

reservatório no tempo X (assoreado).

Tempo

Equação básica para o cálculo de assoreamento

Aumento da descarga sólida com o tempo

ap

rst EDRS

)1(

Esquema: Reservatório

Eficiência de Retenção

• Relação entre a descarga sólida que se deposita no reservatório e a descarga sólida

total afluente.

• Expressa em %

• Para grandes reservatórios (capacidade superior a 12 mi m³), a eficiência de

retenção pode ser considerada de 100%.

• Para pequenos reservatórios, materiais sólidos mais finos (ex: siltes e argilas) não

têm tempo suficiente para a sedimentação, não sendo, portanto, retidos.

R = taxa anual de variação do deflúvio sólido (aumento ou redução), fração.

Métodos de estimativa da eficiência de retenção

Brune (1953): Médios e grandes reservatórios. afl

res

V

V

Churchill (1948): Pequenos Reservatórios

•Velocidade do escoamento no reservatório;

•Velocidade de sedimentação dos sedimentos e;

•Geometria do reservatório.

Variáveis intervenientes

• Volume do reservatório = capacidade no nível médio de operação.

• Os pequenos reservatórios geralmente operam a fio d'água, sendo o volume do

nível médio a ser utilizado, o volume médio.

Brown, 1943

• Primeiro a estabelecer relação entre a eficiência de retenção com a razão

[=capacidade do reservatório (C)/área de drenagem da bacia contribuinte (W)].

• Apresenta dados com considerável dispersão

• Bacias com igual área de drenagem podem apresentar índices pluviométricos

bastante diferentes.

•

Heinemann, 1981

• Conclui que a curva mediana de Brune superestima a eficiência de retenção em 4

a 10% para esses casos.

• Reservatórios pequenos (área de drenagem inferior a 40 km²), normalmente cheios,

e com descarga de superfície

•

Na qual:

C= capacidade o reservatório;

I = volume afluente da água

IC

ICEr

/02,1012,0

/.6,1190,22

Peso específico do sedimento

• Composição granulométrica

• Processo de formação e localização dentro do reservatório

• Tempo de consolidação

Peso Específico Aparente do Sedimento

• γap : Peso específico aparente do depósito t/m3

• γi : Peso específico aparente inicial t/m3

• WC , Wm e Ws : pesos específicos aparentes iniciais de argila, silte e areia tabelados

segundo tipo de reservatório (tabelas 11.2 e 11.3);

• pc , pm e ps : frações de quantidade de argila, silte e areia contidas no sedimento

afluente;

• K : constante que depende da granulometria do sedimento;

• γ t : peso específico médio em T anos, t/m3

• T : tempo de compactação do sedimento, anos

ssmmccap pWpWpW ...

1

1.4343,0 LnT

T

TKiT

ssmmcc pKpKpKK ...

Modelo para avaliação de assoreamento de reservatórios

Método de Borland & Miller

Relação entre a forma do reservatório e a % de sedimentos depositados em diversas

alturas do lago.

Valor de “m”, classificando o tipo de reservatório no método de Borland & Miller [Strand, 1974]

Tipo de reservatório m Classificação

I 3,5 a 4,5 De zonas planas

II 2,5 a 3,5 De zonas de inundação a colinas

III 1,5 a 2,5 Montanhoso

IV 1,0 a 1,5 De gargantas profundas

As curvas servirão para o cálculo da altura de depósito no pé da barragem.

Curvas para determinar a profundidade de depósito no pé da barragem.

0,1

1

10

0,1 1 10 100 1000 10000

Volume

Pro

fun

did

ad

e

1,0 <= m < 1,5 (tipo IV)

1,5 <= m < 2,5 (tipo III)

2,5 <= m < 3,5 (tipo II)

3,5 <= m < 4,5 (tipo I)

Gráfico Profundidade x Volume para

determinação do tipo de reservatório

0,01

0,1

1

10

100

1000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Profundidade Relativa

Pro

fun

did

ad

e h

' p

I

II

IIIIV

Curvas de profundidade relativa versus área relativa - para avaliação da distribuição de

sedimentos ao longo do reservatório nas diversas altitudes.

Levantamento de dados em canais e reservatórios

Área de drenagem em Itaipu 820.000 km2

Área do reservatório 1.350 km2

Área de drenagem em Guaíra 802.150 km2

Extensão do reservatório 170 km

Vazão média 9.945,5 m3/s

Descarga sólida total 72.644,34 t/dia (26515184)

Granulometria média (susp.+leito)

Argila 32,6 %

Silte 41,8 %

Areia 25,6 %

Queda normal 118,4 m

Largura média 7 km

Nível d'água máximo normal 220 m

Volume no NA máximo normal 29.000 x 106 m

3

Cota superior do volume morto 197 m

Volume morto 10 x 109 m

3

Cota da soleira da tomada d'água 176 m

Volume até a soleira da tomada d'água 4.700 x 106 m

3

Cota da soleira do vertedouro 200 m

Volume até a soleira do vertedouro 11.500 x 106 m3

Ano de início de operação 1982

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00Profundidade relativa (P)

Áre

a r

ela

tiva (

a)

IV

IIII

II

Cota (m) Área (km2) Volume (hm3)

50 0 0

60 4,8 22

70 9,8 95

80 14,6 217

90 19,4 387

100 24,2 605

110 29 871

120 33,8 1185

130 38,6 1547

140 47 1966

150 62 2509

160 78 3209

170 95 4076

180 141 5200

190 306 7309

200 532 11490

210 845 18254

220 1343 29000

Exemplo ITAIPU

Série histórica de vazão líquida e descarga sólida (total ou suspensão)

• Traça-se a curva chave de sedimentos em papel bilogarítmico interpolando uma ou

mais retas entre os pontos Qst=a*Qn

Curva-chave de sedimentos – Rio Paraná, em Guaíba (ITAIPU Binacional)

• A transferência dos valores de descarga líquida e sólida de Guaíra para ITAIPU é

feita por uma simples relação de áreas de drenagem:

• O valor médio anual de deflúvio sólido em ITAIPU é de:

• O valor médio anual de descarga líquida e do deflúvio líquido afluente em ITAIPU é

de:

• Eficiência de retenção de sedimentos:

• Curva de Brune:

Er = 0,86 = 86%

• Peso específico aparente inicial:

1

1.4343,0 LnT

T

TKiT

Calculando o peso específico aparente para 24 e 50 anos:

• Cálculo do volume de sedimento assoreado:

Volume depositado anualmente, considerando γi = 1,002 t/m3:

Tempo para assoreamento do reservatório:

• Aplicação do Método de Borland & Miller:

Classificando o tipo de reservatório:

Para o ramo inferior foi obtido m=2 (tipo III – res. Montanhoso);

Para o ramo superior m=5,7>4,5 (tipo I - res. de áreas planas);

Foi escolhido res. do tipo II – topografia regional mais parecida com zonas de inundação

e colinas.

• Cálculo dos volumes de assoreamento

0,1

1

10

0,1 1 10 100 1000 10000

Volume

Pro

fun

did

ad

e

1,0 <= m < 1,5 (tipo IV)

1,5 <= m < 2,5 (tipo III)

2,5 <= m < 3,5 (tipo II)

3,5 <= m < 4,5 (tipo I)

Gráfico Profundidade x Volume para

determinação do tipo de reservatório

• Avaliação da altura no pé da barragem

A nova altura no pé da barragem em 50 anos será: 50 + 4,93 = 54,93 m

A soleira da tomada d’água está acima dessa altitude (cota=176m)

• Avaliação da distribuição de sedimento para 50 anos

• Traçado das novas curvas cota x área x volume

Softwares utilizados no Exemplo ITAIPU:

Tempo para o assoreamento alcançar a

tomada d’água





5.2 Ferramentas computacionais para o cálculo de assoreamento em reservatórios.

SURFER

Abri a planilha do Excel: Batimetria_Lago_Amor-

2008_2017.xls

Vão aparecer as abas existentes na planilha. Escolher uma de cada vez.

Salvar planilha: borda_data.bln

1

2

3

4

5

Formato: lago_2016.grd

1

2

3

Não precisa salvar!!!

1

2

5

4

3

1

2

3

4

No Excel

x

y

Período em meses/12

Em 21 anos o volume do lago

será zero e a área será zero em ~34

anos.

m³ m²

x

Y = 0

2008 + Período em anos

Visualização em 3D do Lago do Amor – 2017 (ArcGIS)

Google Earth Pro 09/2016 e 04/2002

Resumo Surfer

• Abrir nova planilha

• Inserir dados de batimetria > import

• Ajustar tabelas

• Transformar Z (-1) (C = - C)

• Criar nova planilha

• Copiar dados da borda na 2ª linha

• Inserir nº de dados da 1ª linha e salvar a aba (borda)

• Abrir o plot > grid > data

• Gerar grid com a planilha dos dados > krigagem > definir arq. saída

• Inserir no mapa (3D surface)

• Cortar com a borda > grid > blank > definir arq. saída

• Calcular volume e área

• Excel

SEDIMENT

1

2

Atenção com

unidade!

DEPOSIT

Salvar > Criar arquivo com resultados > nome.res

Abrir arquivo gerado no Sediment: nome.res

ATENÇÃO AO SISTEMA DE PONTUAÇÃO DO SEU COMPUTADOR

(pois, decimal pode ser representado por (.) ponto ou (,) vírgula

Vida útil do reservatório

• Ver no gráfico a cota da soleira na tomada d’água: 100m

• Ver no gráfico o tempo para chegar nessa cota: ~54 anos

• Vida útil = início de operação do reservatório + tempo de depósito

• 1990+54 = 2044

Notas de Aula UNIDADE 5 5. Assoreamento em reservatóriosheros.sites.ufms.br/files/2017/09/Unid5_TS.pdf · • Depósito de Remanso • Delta ... • Traça-se a curva chave de sedimentos

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