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PCH Paracambi – Modelagem Hidrodinâmica para desvio do Rio – LIGHTGER 001/11 1/36

PCH PARACAMBI

MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO

Julho de 2011

LIGHTGER 001/11

Rev. Data Descrição da revisão Elaborado por Verificado por Autorizado por CE

Rev. Data Elaborado por Verificado por Autorizado por CREA CE

0 01-07-11 PC JCM JCM 34.040-D AP

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PCH PARACAMBI

MODELAGEM HIDRODINÂMICA PARA DESVIO DO RIO

LIGHTGER 001/11

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

1.1. Objetivos

1.2. Apresentação Geral 1.3. Desvio do Rio

2. METODOLOGIA

2.1. Modelo Hidrodinâmico

2.2. Dados Hidrológicos Disponibilizados

2.3. Construção do Modelo

3. RESULTADOS

3.1. Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu

3.2. Resultados da Calibração

3.3. Resultados da Simulação de Desvio Fase 2 para 3

3.4. Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 03/06/2011


4. CONCLUSÕES

5. REFERÊNCIAS

Foto da Capa: Rio Guandu (Fonte: Vertente Engenharia Ltda., 2011a)


LISTA DE QUADROS:

QUADRO 1 – Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”) QUADRO 2 – Etapas Construtivas da PCH Paracambi QUADRO 3 – Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo Hidrodinâmico para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da UHE Pereira Passos QUADRO 4 – Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem

LISTA DE FIGURAS:

FIGURA 1 – Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”) FIGURA 2 – Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”) FIGURA 3 – Dados Disponibilizados: Níveis d’Água FIGURA 4 – Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (09 a 19/01/2011) FIGURA 5 – Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das Contribuições Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo Hidrodinâmico FIGURA 6 – Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro Existentes ao Longo do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico FIGURA 7 – Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca: 33848m) no Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para a Fase 2-3 (Esquerda) e a Fase 3-4 (Direita) FIGURA 8 – Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem FIGURA 9 – Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 160m³/s e Manning de 0,045 FIGURA 10 – Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) - Manning de 0,045 FIGURA 11 – Correlação entre Níveis d’Água Simulados e Observados para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de 0,045 FIGURA 12 – Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com Manning = 0,045 FIGURA 13 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 240 m³/s


FIGURA 14 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 160 m³/s FIGURA 15 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos variável passando de 120m³/s para 160m³/s e Retornando a 120m³/s após 9 horas FIGURA 16 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3 FIGURA 17 – Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3) Realizada no Dia 03/06/11 FIGURA 18 – Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre Tempo de Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT) FIGURA 19 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 220 m³/s FIGURA 20 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Constante igual a 160 m³/s FIGURA 21 – Simulação da Transição entre as Fases 3 e 4 Com Defluência da UHE Pereira Passos Variável Passando de 160m³/s para 220 m³/s e Retornando a 160m³/s Após 12 Horas FIGURA 22 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 3 para 4 FIGURA 23 – Resultados da Simulação de Níveis e Vazões em Diversas Seções de Interesse para a Operação Recomendada para a UHE Pereira Passos durante a Operação de Fechamento da Comporta entre as Fases 3 e 4


1. INTRODUÇÃO

1.1. Objetivos

Este documento tem por objetivo apresentar os resultados encontrados com os estudos de modelagem matemática hidrodinâmica, realizados para apoiar o processo de tomada de decisão no que se refere ao planejamento e operação das atividades de desvio do Ribeirão das Lajes para implantação da PCH PARACAMBI, visando atendimento das condições técnicas, ambientais e regulatórias para este tipo de operação.

As atividades ligadas ao desvio do Ribeirão das Lajes para a construção da barragem do leito do rio da PCH Paracambi irão envolver redução temporária das vazões liberadas para jusante da obra, mudanças que podem impactar negativamente a operação da Estação de Tratamento de Água da CEDAE, no rio Guandu, mais a jusante.

Como a operação da UHE Pereira Passos, sob responsabilidade da LIGHT, pode contribuir para minimizar estes impactos, controlando as vazões liberadas para jusante, foi elaborado um modelo matemático hidrodinâmico capaz de descrever o comportamento do estirão do Ribeirão das Lajes desde a UHE Pereira Passos até sua confluência com o rio Santana, e do rio Guandu, desde esta confluência até à barragem de controle de níveis d’água da ETA Guandu.

O adequado planejamento e a integrada coordenação desta atividade deverão minimizar os possíveis impactos a jusante das obras de desvio, visando restaurar, no menor tempo possível, a vazão defluente mínima de 120 m³/s (conforme Resolução ANA-0211/2003), ao longo da calha do Ribeirão das Lajes até a captação da CEDAE (ETA GUANDU).

No presente estudo foram investigadas diversas regras alternativas de defluência da UHE Pereira Passos, visando atender ao objetivo de minimizar o desconforto da operação da ETA Guandu durante as duas principais operações de desvio (transição das fases 2-3 e 3-4). Foram ainda caracterizadas as condições prévias necessárias para início de cada operação, dadas pelos níveis d’água alcançados a montante da barragem.

Durante a transição das fases 3-4, quando o fluxo do Ribeirão das Lajes será totalmente seccionado, já está programada uma paralisação para manutenção da Estação de Tratamento de Água (ETA) GUANDU, conforme entendimentos mantidos entre LIGHTGER e CEDAE. Os resultados encontrados na modelagem matemática justificam a necessidade dessa paralisação, para minimização de riscos, validam os tempos de paralisação e estimam a evolução das vazões e níveis disponíveis junto à Captação da ETA, durante a realização desses trabalhos.

Para alcançar os objetivos dos estudos propostos, o trabalho realizado cumpriu com diversas atividades, conforme listadas abaixo.

• Análise dos Dados e da Documentação disponibilizada.

• Construção do Modelo Hidrodinâmico de Hidráulica Fluvial para o Trecho de Interesse.

• Calibração e Validação dos Parâmetros do Modelo.

• Simulação de Diversas Alternativas.

• Análise e Compilação dos Resultados.

• Elaboração de Apresentação e Nota Técnica com os Principais Resultados Encontrados.


A FIGURA 1 apresenta uma vista área do local da região de Captação da ETA Guandu, próxima a confluência do rio Guandu e os seus afluentes Queimados e Ipiranga.

FIGURA 1 – Foto da Região da Captação da ETA Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 –

“Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”)

1.2. Apresentação Geral

A PCH Paracambi localiza-se no trecho inferior do Ribeirão das Lajes, um dos formadores do Rio Guandu, no Estado do Rio de Janeiro. Esse curso d’água tem suas nascentes no arco orográfico formado pelas serras de São Brás, do Itaguaçú e da Mazomba, em altitudes superiores a 1.200 m.

Em seu alto curso encontra-se localizada a Barragem de Lajes, que controla uma bacia hidrográfica com área de 305 km². O reservatório, de proporções avantajadas em comparação com a dimensão da bacia hidrográfica, recebe além da contribuição natural da sua bacia a montante, vazões transpostas do Rio Piraí, através do Túnel de Tócos.

A jusante da Barragem de Lajes, o Ribeirão das Lajes recebe as águas utilizadas na geração da Usina Nilo Peçanha, transpostas do Rio Paraíba do Sul através do sistema de bombeamento Santa Cecília – Vigário, denominado Desvio Paraíba – Piraí.

Imediatamente a jusante da restituição de Nilo Peçanha acha-se localizada a UHE Pereira Passos, associada ao reservatório de Ponte Coberta, que recebe a contribuição natural de uma área de drenagem incremental de 17 km².

Finalmente, a PCH Paracambi controla uma área intermediária da ordem de 161 km² e acha-se distante da foz no Rio Guandu cerca de 33 km.

A região a ser estudada refere-se à bacia do rio Guandu, mais especificamente o trecho desde o canal de fuga da UHE Pereira Passos até a Captação de água da CEDAE para a Estação de Tratamento de Água (ETA) Guandu, correspondente a uma área de drenagem incremental da ordem de 957,5km2.


A FIGURA 2 apresenta esquematicamente a bacia do rio Guandu compreendo alguns dos principais afluentes e localização dos principais pontos de interesse para o presente estudo.

FIGURA 2 – Localização da Bacia do Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano

Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim”)

O regime fluvial no local de implantação da PCH Paracambi é totalmente artificial. É condicionado, por um lado, à operação do reservatório de Ribeirão das Lajes, que regulariza as vazões afluentes e armazena todos os hidrogramas de cheia (nunca houve vertimento na barragem). Por outro lado, depende da operação do sistema de transposição de vazões da bacia do Paraíba do Sul, através das estações elevatórias de Santa Cecília e Vigário, que alimentam a UHE Nilo Peçanha e a UHE Fontes Nova. A capacidade máxima da UEL de Vigário é de 190 m³/s.

Assim, as vazões em trânsito no local da PCH Paracambi correspondem à soma das vazões regularizadas pelo reservatório de Ribeirão das Lajes com as vazões bombeadas pela Elevatória de Vigário, e mais uma pequena contribuição intermediária de uma área de 178 km². Na maior parte do tempo, as maiores vazões são provocadas pela operação da UHE Pereira Passos em regime de ponta, com vazão turbinada máxima de 320 m³/s. O próprio vertedouro da UHE Pereira Passos, dimensionado para uma vazão de 350 m³/s, nunca foi acionado devido à ocorrência de uma cheia, tendo sido operado apenas em períodos de manutenção das unidades geradoras.

O QUADRO 1 apresenta a relação dos principais afluentes dos rios Ribeirão das Lajes – Guandu. Nota-se que a contribuição lateral média (afluentes) até o rio da Onça é de aproximadamente 2,48m³/s, deste até a foz do rio São Pedro é igual a 10,70m³/s e deste até a foz do rio Queimados igual a 3,89m³/s, correspondendo, respectivamente, a 15%, 63% e 23% da vazão afluente total no trecho de interesse (UHE Pereira Passos à Captação CEDAE).


QUADRO 1 – Disponibilidade Hídrica e Vazões Médias no Rio Guandu (Fonte: Sondotécnica & ANA, 2006 – “Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da

Guarda e Guandu Mirim”)

LOCAL Distância

Rio Guandu (km)

Q7,10 Afluente

(m³/s)

Vazão Média Afluente

(m³/s)

Contribuição Lateral

Acumulada (m³/s)

Área de Drenagem

(km²)

UHE Pereira Passos 0 - - - 333.8 Ribeirão da Floresta 1.2 0 0.22 0.22 12.5

Rio Cacaria 2.8 0.081 1.31 1.53 74 Rio da Onça 5.6 0.059 0.95 2.48 54.1

Córrego dos Macacos 12.2 0.054 0.87 3.35 49.7 Rio Macaco 16.2 0.083 1.34 4.69 76.3

Valão da Areia 17.8 0.032 0.52 5.21 27.4 Rio Santana 20.7 0.378 6.09 11.3 321

Rio São Pedro 25.9 0.117 1.88 13.18 99.7 Rio Poços, Queimados e Ipiranga 44.3 0.241 3.89 17.07 243.2

Foz 66.7 - - - 1385

1.3. Desvio do Rio

A sequência construtiva da barragem da PCH Paracambi foi dividida em 5 fases, que dão origem a três operações distintas de desvio, conforme descrito no QUADRO 2. Para todas as fases de desvio, no dimensionamento das estruturas, a vazão máxima dimensionamento das estruturas é 350m³/s, correspondente ao engolimento máximo da UHE Pereira Passos acrescido de 10% para considerar a contribuição da bacia incremental.

QUADRO 2 – Etapas Construtivas da PCH Paracambi

FASE Descrição Etapa de Desvio

Cotas de Segurança

1 Construção das obras localizadas na margem direita (Casa de Força e

Vertedouro/Adufas) mantendo-se o rio pelo leito natural e protegendo-se a obra por ensecadeira e septos naturais a montante e jusante.

Sem desvio Ensecadeira e Septos mont. e

jus. na El. 35,20 m

2 Desvio do rio pelos dois vãos rebaixados do vertedouro para remoção dos

septos e ensecadeira, construção das ensecadeiras e da barragem do leito do rio. Desvio por dois blocos rebaixados do vertedouro.

1ª Etapa de Desvio Ensec. Montante El. 37,00 m Ensec. Jusante El. 34,60 m

3 Continuação da fase anterior (construção da barragem do leito do rio). Desvio por apenas um bloco rebaixado do vertedouro.

2ª Etapa de Desvio Ensec. Montante El. 40,50 m Ensec. Jusante El. 34,60 m

4 Ainda continuação da construção da barragem do leito do rio Desvio por um vão do vertedouro, com a ogiva já concretada.

A barragem estará praticamente concluída nessa etapa.

3ª Etapa de Desvio Coroamento mínimo da barragem El. 48,00 m

5 Fechamento do desvio para enchimento do reservatório. -


2. METODOLOGIA

Para a avaliação dos efeitos no escoamento do rio devido às atividades de desvio planejadas para a PCH Paracambi, foi utilizado o programa HEC-RAS, versão 4.1, desenvolvido para simulação do escoamento em regimes permanente e não-permanente em rios e canais. Por meio deste programa pôde-se calcular os perfis de linha d’água dinâmicos, para rios de qualquer seção transversal, associados ao deslocamento, de um hidrograma de vazões de entrada, ao longo do trecho modelado, podendo apresentar situações de escoamento subcrítico ou supercrítico.

O processo de modelagem começa pela análise das informações disponíveis, incluindo as seções topobatimétricas levantadas e níveis d’água e vazões observadas. O ajuste dos parâmetros e critérios do modelo, que será realizado durante o período de calibração, pode ser atingido com o auxílio de informações e dados de campo. Após a construção e calibração do modelo, torna-se possível, a custos relativamente baixos, a realização de simulações capazes de antecipar possíveis impactos decorrentes das atividades de intervenção no curso d’água, favorecendo, assim, a tomada de decisões que possam minimizar ou mesmo evitar esses impactos, permitindo, ainda, a redução de custos e aumento da segurança relacionados a atividade de desvio.

2.1. Modelo Hidrodinâmico

2.1.1. Conceitos Gerais

As leis físicas que governam o escoamento hidrodinâmico em rios e canais são baseadas nos princípios da conservação de massa (equação da continuidade) e da conservação do momentum. Essas leis são expressas matematicamente em forma de equações diferenciais.

Cada trecho de rio é representado, no modelo, por duas seções transversais, uma em cada extremidade, que devem ser representativas do curso d’água no estirão. Essas seções devem ser locadas onde ocorrerem mudanças de declividade ou área molhada, rugosidade do canal e/ou obstáculos localizados.

A solução da equação diferencial do escoamento depende do estabelecimento de uma condição de contorno, que pode ser o nível d’água para a seção mais de jusante, no caso de escoamento subcrítico, ou o nível d’água da seção mais de montante, no caso de supercrítico. Os cálculos são processados de jusante para montante, no primeiro caso, ou em sentido oposto, no segundo. Caso não se conheça o nível de partida, o programa pode assumir a ocorrência de escoamento crítico ou normal na seção inicial.

Conforme já apresentado, o programa admite dois tipos de perda de carga ao longo do escoamento: perdas por atrito, distribuídas ao longo de cada trecho, e perdas localizadas, resultantes de transições bruscas no escoamento: Perdas por atrito e Perdas por transição.

Para a determinação das perdas de carga por atrito entre as seções, é utilizada a fórmula de Manning para o escoamento livre, na qual o coeficiente de rugosidade “n” é função de diversos fatores, tais como vegetação, configuração do fundo e das margens do canal, etc.

A adequada determinação dos coeficientes de Manning envolvidos nos diferentes trechos de rio representa um dos principais fatores para a obtenção de um modelo que bem caracterize os fenômenos hidráulicos envolvidos. Este coeficiente deve ser obtido por calibração, tendo em vista níveis d’água observados. Uma boa calibração é essencial para a consistência dos perfis


de linha d’água a serem simulados nas condições futuras, para as quais não se dispõe de mecanismo direto de aferição.

As perdas de carga localizadas ocorrem devido, em geral, à variação, mais ou menos brusca, das condições geométricas entre duas seções consecutivas (com alterações entre áreas das seções e, consequentemente, velocidades), que caracterizam uma contração ou expansão do escoamento.

Maiores detalhes sobre a metodologia e os conceitos teóricos utilizados na construção do modelo hidrodinâmico, aqui utilizado, podem ser encontradas nos manuais do Usuário e de Referência do próprio modelo HEC-RAS 4.1.

2.1.2. Calibração

A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar coeficientes e parâmetros do modelo hidrodinâmico de modo que as vazões e os níveis d’água simulados se ajustassem, o mais próximo possível, aos valores observados, considerando a simulação em regime de escoamento permanente e não-permanente.

Uma das principais dificuldades em estudos desta natureza refere-se ao número reduzido de seções transversais normalmente levantadas, seja por razões econômicas, seja por não se ter, no momento da programação da campanha de campo, todo o conhecimento do estirão fluvial a ser simulado. No modelo, esta limitação pode ser superada pela interpolação entre seções existentes, ou mesmo pela introdução de seções auxiliares que possam representar, mesmo que de maneira aproximada, as condições de controle hidráulica existentes no trecho.

Outro fator importante no ajuste (calibração) adequado do modelo hidrodinâmico refere-se a determinação dos coeficientes de Manning. Na modelagem hidrodinâmica, espera-se que o aumento nos valores do coeficiente de Manning tenha os seguintes impactos no comportamento hidráulico do sistema:

• Aumento de níveis d’água.

• Atenuação no pico dos hidrogramas.

• Aumento no tempo de viagem.

• Aumento do efeito de laço nas curvas-chave.

Resumidamente, alguns dos fatores que podem influenciar na precisão e ajuste do modelo são listados a seguir.

• Possíveis problemas com dados observados, decorrente da imprecisão nas medições de níveis d’água e vazões, características do comportamento cota-vazão nas seções de medição resultando em curvas-chave com “Laço”, ou mesmo influências dos níveis d’água decorrente do efeito de remanso de seções a jusante.

• Grande variabilidade dos coeficientes de Manning, podendo variar, normalmente, entre 0,025 a 0,055.

• Baixa representatividade das seções levantadas, tornando-se necessário a introdução de seções auxiliares para melhorar a representação dos controles hidráulicos e trechos modelados.

• Pouco conhecimento das contribuições laterais (Afluentes), para as quais, muitas vezes, não se disponibiliza de dados observados.


• Dificuldade de representação do armazenamento lateral em várzeas e planícies de inundação, as quais contribuem com a atenuação e o retardamento do hidrograma.

2.2. Dados Hidrológicos Disponibilizados

No momento de levantamento das seções topobatimétricas foi realizada, também, a medição de níveis d’água nas respectivas seções. O levantamento das novas seções realizado para o presente estudo foi executado pela Vertente Engenharia Ltda e PCH Paracambi, entre os dias 10 a 19/01/2011, compreendendo o trecho entre a Captação da CEDAE e o eixo da PCH Paracambi. O levantamento topobatimétricos entre a PCH e a UHE Pereira Passos, por sua vez, aconteceu entre os dias 31/08 a 13/09/2010, realizado por sua vez para subsidiar os estudos de remanso da usina. A FIGURA 3 apresenta, graficamente, os níveis d’água levantados para cada um desses períodos de dados.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

Nív

el d

'Águ

a (m

)

Distância à Captação ETA Guandu (m)

Nível d'Água Observado

Trecho entre a Captação (S-26) e PCH Paracambi :

10 a 19/1/2011

Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos:

31/8 a 13/9/2010

FIGURA 3 – Dados Disponibilizados: Níveis d’Água

Foram, ainda, disponibilizados informações de vazões do ribeirão das Lajes e rio Guandu, para período coincidente do levantamento das novas seções, estas informações incluem:

• Defluências da UHE Pereira Passos e precipitação observada, com frequência de 15-15 minutos, entre os dias 09 a 19/01/2011, disponibilizadas pela LIGHT.

• Vazões Observadas no Posto BR 116 e níveis d’água na Captação da ETA Guandu, com frequência horária, entre os dias 01/01 a 28/02/2011, disponibilizados pela CEDAE.

A FIGURA 4 ilustra, graficamente, as séries de dados disponibilizados de precipitação e vazões, em intervalos de 15 minutos, e a série de vazões observadas na estação BR-116, em frequência horária, para período comum de dados,.


0

25

50

75

100

125

150

1750

50

100

150

200

250

300

350

Ch

uva

(m

m)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo

Vazão Observada no Posto BR116 (horária)

Vazão Defluente UHE Pereira Passos (15-15min)

Precipitação Acumulada (24h)

FIGURA 4 – Dados Disponibilizados: Precipitação e Vazões (09 a 19/01/2011)

Com base nas defluências observadas na UHE Pereira Passos, fez-se um exercício simplificado para verificação da propagação dessas vazões até o local de instalação da estação fluviométrica BR-116 (correspondente à seção S-19 no modelo), podendo-se, assim, realizar uma estimativa inicial das características do escoamento hidrodinâmico no trecho estudado, sobretudo, no que diz respeito ao tempo de viagem e contribuições dos afluentes no trecho.

Esta estimativa inicial foi realizada por tentativa e erro, tendo sido identificado como o melhor ajuste a média móvel central de 7 horas das vazões defluentes da UHE Pereira Passos, defasada de 8 (oito) horas e somadas a uma estimativa de contribuição lateral constante, igual a 16m³/s, proveniente dos afluentes no trecho. O resultado desse exercício é apresentado na FIGURA 5, onde se observa o bom ajuste entre as vazões observadas na estação fluviométrica e as vazões defasadas, para período comum de dados.

Nota-se que a grande diferença, entre os valores observados e médios, constatada no dia 12/1, deve-se, provavelmente, ao aumento de contribuição lateral proveniente dos afluentes, decorrente da chuva observada no dia anterior (11/01). Lembrando que para esta análise foi considerada uma contribuição lateral total, constante, igual a 16m³/s, concentrada em dois diferentes pontos, próximos às confluências do ribeirão das Lajes com os rios da Onça e São Pedro, com vazões de 3 e 13m³/s, respectivamente.


0

25

50

75

100

125

150

1750

50

100

150

200

250

300

Ch

uva

(m

m)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo

Vazão Observada no Posto BR116

Média Móvel da Defluência a UHE P.Passos Defasada até o Posto BR116

Precipitação Acumulada (24h)

FIGURA 5 – Estimativa Inicial Referente à Determinação do Tempo de Viagem e das Contribuições

Laterais Para o Período de Dados Disponíveis para Calibração do Modelo Hidrodinâmico

2.3. Construção do Modelo

2.3.1. Topologia do Modelo

Para construção da topologia básica do sistema foi disponibilizado um conjunto de 44 seções topobatimétricas, incluindo 18 seções oriundas do levantamento realizado na ocasião do Projeto Básico da PCH Paracambi, utilizadas nos estudos de remanso, e mais 26 seções levantadas recentemente (janeiro/2011) visando a realização do presente estudo.

Para o estabelecimento do modelo, as seções disponíveis foram tabuladas em pares coordenados distância-cota, sendo cada identificada pelo estaqueamento segundo sua distância, em metros, começando na Captação da CEDAE até próximo o canal de fuga da UHE Pereira Passos.

A localização das seções levantadas em campo, bem como das principais estruturas implementadas no modelo ao longo do trecho modelado, como pontes e estruturas de desvio (vertedouro), é apresentada esquematicamente na FIGURA 6.


PCH Paracambi

Captação Guandu

UHEPereira Passos

-100 -50 0 50 100 15035

40

45

50

55

60RS=38375 Downstream (Bridge)

Station (m)

Ele

vati

on (

m)

Ponte BR116 (SB-2)

0 20 40 60 80 100 12026

28

30

32

34

36

38

40

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Ponte RJ125 (S-5) Ponte Ferroviária (S-8)

0 50 100 15018

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Station (m)

Ele

vati

on (

m)

Ponte RJ127 (S-9)

0 20 40 60 80 100 120 14015

20

25

30

35RS=22541 Downstream (Bridge)

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

0 20 40 60 80 100 120 140 1604

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Station (m)

Ele

vati

on (

m)

Ponte BR116 (S-19)

FIGURA 6 – Localização das Seções e Estruturas Como Pontes e Vertedouro Existentes ao Longo

do Trecho Estudado e Implantadas no Modelo Hidrodinâmico

Durante os trabalhos de calibração do modelo, conforme detalhado mais adiante, verificou-se, a necessidade de introdução de seções auxiliares (fictícias), derivadas das seções disponíveis, visando atingir uma melhor representatividade do escoamento no trecho modelado, sobretudo nos pontos de controle hidráulico ou ao longo dos estirões de rio que não tivessem bem representados pelas seções adjacentes disponíveis. Devido às características de entrada de dados no modelo, foi necessária, ainda, a duplicação de seções transversais para introdução no modelo das estruturas como pontes e barragem (vertedouro). Finalmente, para estirões com características similares ao longo do trecho, porém apresentando poucas seções no mesmo, optou-se pela interpolação automática das seções levantadas, a partir de ferramenta existente no programa HEC-RAS, visando favorecer a estabilidade numérica.

A seguir, são resumidas algumas das características da topologia do modelo construído:

• 44 Seções levantadas em campo, sendo 18 seções entre UHE Pereira Passos e PCH Paracambi (Estudos de Remanso) e 26 seções entre PCH Paracambi e Captação ETA (Presente Estudo).

• 7 seções Auxiliares de Controle Hidráulico.

• 5 Trechos de Travessia com Ponte

• 1 Estrutura de Desvio (Vertedouro), com duas alternativas de comportas com controle de fechamento, incluindo uma com 2 Vãos Rebaixados ou outra com 1 Vão Rebaixado e 1 Vão Com Ogiva.


O QUADRO 3 ilustra a topologia do modelo, apresentando o nome das seções, seu estaqueamento, distância até a Captação da CEDAE, cota de fundo mínima (talvegue), níveis d’água observados no momento do levantamento da seção e alguma descrição/observação pertinente sobre a seção.

QUADRO 3 – Listagem das Seções Topobatimétricas Implementadas no Modelo Hidrodinâmico para o Trecho Estudado desde a Captação da CEDAE até Jusante da UHE Pereira Passos

Seção Dist. à

Captação CEDAE

Cota Mín. de Fundo

(m)

N.A. Obs. (m)

Data e Hora do Levantamento

Descrição

S-26 0 3.60 11.299 19/1/11 11:55 Montante Captação CEDAE S-25 1887 -0.49 11.338 19/1/11 12:57 S-24 2537 -3.89 11.365 19/1/11 13:45 S-23 3761 0.20 11.380 19/1/11 14:35 S-22 4818 4.12 11.487 19/1/11 15:44 S-21 6567 3.01 11.488 19/1/11 16:20 S-20 7926 8.36 11.789 19/1/11 16:45

Cópia S-19 Jus 3 9067 5.96 Cópia S-19 Jus 2 9077 5.96 Jusante da Ponte BR116

PONTE 9092 Ponte BR116 (Jusante)

Cópia S-19 Jus 1 9107 5.96 S-19 9117 5.96 12.226 17/1/11 14:25 Entre Pontes da BR116

Cópia S-19 Mont 1 9127 5.96 PONTE 9142

Ponte BR116 (Montante) Cópia S-19 Mont 2 9157 5.96 Montante da Ponte BR116 Cópia S-19 Mont 3 9167 5.96

S-18 10453 6.37 13.013 17/1/11 16:30 S-17 12271 8.59 13.007 17/1/11 11:35

Cópia Modif. S-16 Jus 12558 11.62 Auxiliar Cachoeira S-16 12910 9.75 14.551 17/1/11 10:30



Cópia Modif. S-13 Jus 16150 16.24 Auxiliar Cachoeira S-13 16256 15.74 20.551 14/1/11 14:35 S-12 18127 15.34 21.140 14/1/11 15:25 Jusante da Foz São Pedro S-11 19421 16.00 21.255 14/1/11 16:10 S-10 20582 16.20 21.650 13/1/11 16:20

Cópia S-9 Jus 22516 15.97 S-9 22526 15.97 21.868 13/1/11 14:25 Jus. da Ponte RJ127

PONTE 22541 Ponte RJ127

Cópia S-9 Mont 1 22556 15.97 Mont. da Ponte RJ127 Cópia S-9 Mont 2 22566 15.97 Cópia Modif. S-8 22832 18.53 Aux. Cach. e Jus. da Foz Santana

Cópia S-8 Jus 24411 18.53 Auxiliar Ponte S-8 24421 18.53 23.327 13/1/11 12:02 Jusante da Ponte Ferroviária

PONTE 24436 Ponte Ferroviária

Cópia S-8 Mont 1 24451 18.53 Montante da Ponte Ferroviária Cópia S-8 Mont 2 24461 18.53 Auxiliar Ponte


Cópia Modif. S-6 Jus 26755 28.10 Auxiliar Cachoeira S-6 26881 28.10 31.302 12/1/11 9:45 Mont. Cachoeira e Jus. Foz Macacos

Cópia S-5 Jus 28590 26.72 S-5 28600 26.72 31.527 12/1/11 8:25 Jusante da Ponte RJ125

PONTE 28615 Ponte RJ125

Cópia S-5 Mont 28630 26.72 Montante da Ponte RJ125 Cópia S-5 Mont Mont 28640 26.72


Seção Dist. à

Captação CEDAE

Cota Mín. de Fundo

(m)

N.A. Obs. (m)

Data e Hora do Levantamento

Descrição

S-4 30199 27.76 31.487 11/1/11 14:05 S-3 31828 28.05 31.665 11/1/11 12:20 S-2 32979 29.26 32.551 10/1/11 14:30 S-1 33768 29.66 33.391 10/1/11 15:30

Cópia S-1 Mont 1 33808 29.00 VERTEDOURO 33848

Eixo PCH Paracambi

Cópia S-1 Mont 2 33888 29.00 Cópia S-1 Mont 3 33928 29.66

S-Q4 34535 30.42 33.480 10/9/10 0:00 S-Q5 34846 31.54 33.945 10/9/10 0:00 S-Q6 35272 32.31 34.613 13/9/10 0:00 S-Q7 36184 33.72 36.300 13/9/10 0:00 S-Q8 36500 33.62 36.541 13/9/10 0:00

S-Q10 37783 36.62 39.518 31/8/10 0:00 Cópia S-Q10 Mont 37811 37.72

S-Q11 38112 37.81 40.864 1/9/10 0:00 Cópia S-B2 Jus 38330 37.86

S-B2 38340 37.86 42.820 1/9/10 0:00 Jusante da Ponte BR116 PONTE 38375

Ponte BR116 Cópia S-B2 Mont 1 38410 37.86 Montante da Ponte BR116 Cópia S-B2 Mont 2 38420 37.86

S-M3 antiga 38684 39.56 29/9/99 0:00 S-M3 39137 39.56 43.402 3/9/10 0:00 S-Q13 39584 39.13 45.201 13/9/10 0:00 S-M4 39959 42.59 45.340 3/9/10 0:00 S-Q14 40392 41.32 45.103 3/9/10 0:00 S-M5 41000 41.66 45.220 3/9/10 0:00 S-M6 41567 42.81 45.475 1/9/10 0:00 S-M7 42508 43.28 46.030 13/9/10 0:00

S-M7 (Copia) 43508 43.28 46.030 13/9/10 0:00 Jusante UHE Pereira Passos

2.3.2. Modelagem das Estruturas de Desvio

A estrutura de desvio de rio, neste caso o próprio vertedouro com vãos rebaixados, em um primeiro momento, e, posteriormente, já com uma das suas ogivas construída, também, foram implementadas no modelo, através da utilização de componente existente especificamente para este fim. Observa-se, ainda, que essas estruturas são dotadas de comportas, as quais podem ser virtualmente operadas durante as simulações, aumentando, assim, o realismo da atividade de desvio e, consequentemente, a representatividade do modelo na transição entre as diferentes fases de desvio do rio.

A FIGURA 7 apresenta, esquematicamente, as duas condições de desvio a serem simuladas para a transição entre as diferentes fases de desvio. A primeira ilustração representa a condição da estrutura de desvio para o início da transição entre as Fases 2 e 3, quando um dos dois vãos rebaixados deverá ser fechado. A segunda ilustração mostra a condição das estruturas para o início da transição entre as Fases 3 e 4, onde se prevê o fechamento do vão rebaixado, transferindo o desvio do rio para o vão já com a ogiva do vertedouro finalizada.


0 50 100 150 20025

30

35

40

45

50

Paracambi Plan: Fase 2 para 3 R00 Armazena 29/03/2011

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Ground

Ineff

Bank Sta

.045 .045 .045

0 50 100 150 200

25

30

35

40

45

50

Paracambi Plan: Fase 3 para 4 R00 Armazena 29/03/2011

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Ground

Ineff

Bank Sta

.045 .045 .045

FIGURA 7 – Seção Transversal no Eixo da Barragem da PCH Paracambi (Estaca: 33848m) no

Modelo Hidrodinâmico Representando as Estruturas de Desvio do Rio para a Fase 2-3 (Esquerda) e a Fase 3-4 (Direita)

2.3.3. Modelagem das Áreas de Armazenamento Lateral

Quando a vazão no rio aumenta ocorrendo um transbordamento de suas margens, com inundação de suas planícies de inundações, o escoamento ocorre lateralmente enchendo essas regiões de “armazenamento”. Com o aumento do nível nessas áreas de inundação, pode ocorrer escoamento na direção de jusante, com distâncias e velocidades diferentes das observadas no canal principal. Com a diminuição dos níveis d’água no canal principal, a água acumulada nessas áreas de armazenamento tende a escoar das margens de volta ao canal principal, voltando a complementar o escoamento do próprio rio.

No modelo HEC-RAS, esse escoamento transversal de inundação das margens pode ser representado por áreas de armazenamento lateral, as quais trocam água com o escoamento pelo canal principal.

O aumento no armazenamento lateral, em geral, resultará nos seguintes impactos no escoamento no canal principal:

• Atenuação no pico dos hidrogramas.

• Aumento no tempo de viagem.

• Aumento no tramo final do hidrograma.

• Diminuição dos níveis d’água, porém pode ocorrer aumento dos mesmos, caso esteja-se trocando área de escoamento por área de armazenamento.

O QUADRO 4 apresenta as principais características das áreas identificadas de armazenamento lateral e incorporadas na modelagem do trecho estudado. Primeiramente, essas áreas foram identificadas e suas áreas foram aferidas a partir das imagens disponibilizadas no software GoogleEarth. Em seguida, essas áreas foram implementadas no modelo HEC-RAS. Através do processo iterativo de calibração, foram identificas fatores de majoração dessas áreas capazes de melhor ajustar os resultados dos modelos as condições observadas, chegando aos valores finais apresentados, a seguir, como área de armazenamento.


QUADRO 4 – Resumo das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem

ID Estaqueamento

da Estrutura Lateral (m)

Área (m²)

Área Levantada

(10³.m²)

Área de Armazenamento

(10³.m²)

Elev. Mín da Área

(m)

Elev. Soleira

Lateral (m)

Comprimento Conexão com

Canal (m)

A1 32900 29 500 30 59 30.92 30.92 500

A2 30100 60 600 61 121 30.90 30.90 600

A3 26800 18 800 19 38 30.40 30.40 200

A4 25000 24 300 24 49 21.50 21.50 350

A5A 22500 100 500 101 201 20.00 20.00 630

A5B 20400 26 600 27 53 20.00 20.00 580

A6 19300 36 400 36 73 19.80 19.80 300

A7 18100 86 100 86 172 19.80 19.80 800

A8 13600 30 400 30 61 13.00 13.00 100

A9 10400 63 400 63 127 10.00 10.00 50

A FIGURA 8 apresenta a localização das regiões identificadas e utilizadas como áreas de armazenamento lateral na presente modelagem. Estas regiões foram identificadas a partir da análise de imagens de satélite, com ajuda do software GoogleEarth, nas quais foram observados claramente regiões de acumulo de água, seja nas próprias margens do rio, seja por conexões mais estreitas com o mesmo.

A1A2

A3

A4

A5B

A5A

A6

A7

A8

A9

FIGURA 8 – Localização das Áreas de Armazenamento Lateral Consideradas na Modelagem


2.3.4. Contribuição Lateral de Afluentes

Como apresentado no item anterior, a partir de uma análise preliminar dos dados de vazões observadas na estação fluviométrica BR-116 e das defluências observadas na UHE Pereira Passos, foi possível a estimativa da contribuição total devido aos afluentes no trecho modelado, para o período de calibração do modelo, em torno de 16m³/s.

Para a fase de simulações, com base nos valores médios apresentados no capítulo anterior, considerado ainda o período do ano esperado para execução das atividades de desvio e, sobretudo, visando uma posição mais conservadora, foi a adotado o valor de 6m³/s como correspondente às contribuições laterais de todos os afluentes existentes ao longo do trecho modelado. Nota-se que este valor de 6m³/s é menor que a metade da afluência média de 17,07m³/s (QUADRO 1), até o local da Captação da CEDAE.

Esta contribuição lateral foi considerada no modelo de forma concentrada, afluindo próximo ao local da confluência com o rio São Pedro.


3. RESULTADOS

3.1. Características da Aplicação do Modelo ao Rio Guandu

No presente estudo, foram analisadas algumas atividades operacionais relativas às etapas de desvio de rio previstas para a PCH Paracambi, visando antecipar e minimizar possíveis impactos e, ao mesmo tempo, apoiar a tomada de decisões mais eficientes. Assim, as situações analisadas compreenderam o período de transição entre diferentes fases de desvio, quando deverá ocorrer o fechamento de um dos vãos do vertedouro. As etapas simuladas incluiu a transição entre as Fases 2 para 3 e Fases 3 para 4, visto que estes são momentos de maior relevância e que geram maior preocupação para os operadores e usuários do sistema em questão. Resumidamente, as etapas de desvios estudadas compreenderam as seguintes atividades:

• Transição entre as Fases 2 e 3: Fechamento de um dos dois vãos rebaixados, utilizados para desvio de rio.

• Transição entre as Fases 3 e 4: Fechamento do vão rebaixado e desvio de rio pelo vão já com a ogiva construída.

A instabilidade numérica é um problema comum para modelos hidrodinâmicos de qualquer tamanho ou complexidade. Muitos são os fatores que podem influenciar a estabilidade e a precisão numérica. Visando minimizar os problemas decorrentes de instabilidade, porém, ao mesmo tempo, sem perder a precisão da solução numérica, foram avaliadas diversas configurações de parâmetros para o modelo desenvolvido para o rio Guandu. Estas avaliações foram realizadas tanto através da aplicação de fórmulas existentes para este fim, como, por exemplo, equação de Freads e número de Courant, ou mesmos por tentativa-e-erro na determinação de parâmetros do modelo e de critérios de cálculo.

Alguns dos parâmetros e critérios de cálculo que resultaram nas melhores soluções numéricas para as simulações realizadas, para o presente caso do rio Guandu, são listados a seguir:

• Intervalo de tempo de Cálculo: 5 minutos (Intervalo de tempo dos Dados: 15 minutos ou 1 hora).

• Possibilidade de repartição do intervalo de Tempo (Time Slice).

• Aquecimento do Modelo (Warm-up)

• Interpolação entre seções a cada 1000 metros.

3.2. Resultados da Calibração

A calibração do modelo consistiu em procurar ajustar os coeficientes de Manning dos diversos trechos do estirão fluvial, de modo que os níveis d’água simulados se ajustassem, o mais próximo possível, aos níveis observados, em regime de escoamento permanente. Outro parâmetro ajustado durante o processo de calibração consistiu dos volumes de armazenamento lateral ajustados proporcionalmente aos volumes inicialmente identificados através das imagens de satélite.


Assim, o processo de calibração visou o ajuste dos níveis simulados aos observados a partir da simulação do modelo em regime de escoamento não-permanente, tendo sido necessário para tanto a apropriação dos horários correspondentes ao levantamento dos níveis observados.

Finalmente, buscou-se ajustar o modelo para representar, também, as vazões observadas na estação fluviométrica BR-116, considerando para tanto as mesmas condições de contorno do período analisado, incluindo as mesmas defluências de montante observada na UHE Pereira Passos para período comum de dados.

3.2.1. Calibração em Regime Permanente

Primeiramente, foram realizadas simulações com o módulo do modelo para escoamento permanente, considerando como balizador os níveis d’água observados durante o período de levantamento das seções transversais. Vale lembrar que esses níveis d’água foram levantados em momentos diferentes, para condições de escoamento bastante diferenciadas, podendo a vazão em trânsito nessas seções ter variado entre 120 a 360m³/s. De qualquer forma, buscou-se uma primeira estimativa dos coeficientes de Manning, tendo esta avaliação inicial indicado valores de Manning na faixa de 0,035 a 0,050. Esta primeira etapa possibilitou, sobretudo, uma verificação da geometria do trecho modelado e ajuste de seções auxiliares.

A FIGURA 9 apresenta um perfil de linha d’água simulado na etapa de calibração, em regime permanente, para uma vazão de 160m³/s, e os níveis d’água observados durante diferentes momentos.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

Nív

el d

'Águ

a (m

)


NA Observado

NA Simulado (n = 0,045)

Cota de Fundo (m)

Trecho entre a Captação (S-26) e PCH Paracambi (S-01) :

10 a 19/1/2011

Q = 160m³/s

Trecho entre PCH Paracambi e UHE P. Passos:

31/8 a 13/9/2010

FIGURA 9 – Perfil de Calibração em Regime Permanente para Vazão de 160m³/s e Coeficiente de

Manning de 0,045


3.2.2. Calibração Regime Não Permanente

Após a estimativa inicial dos coeficientes de Manning a partir da calibração com regime permanente, foram realizadas simulações em regime não-permanente, ou seja, em condições hidrodinâmicas, utilizando como dados de entrada valores observados em campo, visando o melhor ajuste do modelo, não só dos coeficiente de rugosidade, como também outros parâmetros e critérios da modelagem.

Nesta etapa da calibração, foi considerado como hidrograma de entrada ao sistema o mesmo apresentado no gráfico da FIGURA 4 (defluência a UHE Pereira Passos, entre os dias 9 e 19/01/2011). A condição de contorno de jusante foi definida como nível d’água constante, igual ao valor observado na respectiva seção, visto que nesta região, próxima a captação da CEDAE, existe uma estrutura de controle de níveis, a qual, ao longo do tempo, proporciona baixa variabilidade dos mesmos.

A FIGURA 10 apresenta o perfil longitudinal entre a Captação da CEDAE e a PCH Paracambi para o qual existem dados hidrológicos observados em frequência adequada a este tipo de análise, tendo sido plotados os níveis simulados e observados para o mesmo instante de tempo, premissa imprescindível na calibração e validação de modelos hidrodinâmicos.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Nív

el d

'Águ

a (

m)


Observado

Simulado (n = 0,045)

Cota de Fundo (m)

Trecho entre a Captação (S-26) e PCH Paracambi (S-01) :

10 a 19/1/2011

Vazão Variadan = 0,045

FIGURA 10 – Perfil de Calibração em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) - Manning de 0,045

A FIGURA 11 apresenta uma correlação entre esses mesmos níveis d’água, demostrando a adequação do modelo construído.


y = 1.0065xR² = 0.9983

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35

N.A

. Sim

ula

do

(m

)

N.A. Observado (m)

Níveis d'Água Observados no trecho entre as seções S-26

(Captação) e S-1 (33.768km) -período de 10 a 19/1/2011

FIGURA 11 – Correlação entre Níveis d’Água Simulados e Observados para o Período de Calibração

em Regime Não-Permanente (Hidrodinâmico) com Manning de 0,045

A FIGURA 12 apresenta o hidrograma de vazões simuladas contrastadas com o das vazões observadas no local onde se encontra instalada a estação fluviométrica BR-116, para a qual foram disponibilizados, pela CEDAE, os dados horários para o período de interesse (09 a 19/01/2011). Esta atividade priorizou, sobretudo, a representação adequada pelo modelo dos tempos de viagens, mais do que da amplitude de picos.

Os resultados desta simulação, utilizando coeficientes de Manning igual a 0,045, foram os que apresentaram melhor adequação as condições observadas, tanto para amplitude como em relação ao ajuste dos tempos de viagem dos picos. Para tanto foram estimadas, ainda, os locais e valores das áreas (volumes) de armazenamento lateral, além de outros parâmetros do modelo, como, por exemplo, espaçamento entre seções, intervalos de cálculo e coeficientes de estabilidade do modelo.

Ainda nesta figura, para efeitos comparativos, é apresentado o hidrograma resultante da simulação sem considerar os armazenamentos laterais, que ficou defasado em relação ao observado, indicando a necessidade dos armazenamentos para uma adequada representação do comportamento hidráulico do trecho estudado.

E a chuva observada durante o período de simulação, representada no eixo secundário do gráfico, permite explicar algumas discrepâncias entre os níveis simulados e observados, causadas certamente pelas vazões afluentes lateralmente, resultantes dessas precipitações (vide o ocorrido em 12/11).


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10050

100

150

200

250

300

Ch

uva

(m

m)

Vaz

ão (

m³/

s)

Tempo (15 minutos)

Observação (BR116)

Simulação Sem Armazenamento (BR116)

Simulação Com Armazenamento (BR116)

Precipitação Acumulada em 24h (mm)

FIGURA 12 – Série de Vazões Simuladas e Observadas para o Período de Calibração em Regime

Não-Permanente (Hidrodinâmico) na Estação Fluviométrica BR-116 com Manning = 0,045


Na transição entre as Fases 2 e 3, o primeiro vão rebaixado é fechado, para que seja feita a concretagem da ogiva, desviando-se as águas do Ribeirão das Lajes pelo segundo vão apenas (também rebaixado). No momento do fechamento do primeiro vão, a vazão defluente, que era igual à afluente, cai pela metade (mesmo nível d’água a montante, porém apenas um vão rebaixado, em vez de dois). A diferença de vazão (afluente – defluente) promove um enchimento parcial do reservatório, sendo paulatinamente diminuída, até que o nível d’água a montante do vertedouro alcance a elevação necessária para que a vazão defluente seja novamente igual à vazão afluente.

Assim, vale lembrar que para se obter condições iniciais mais favoráveis para realização do desvio, maior deverá ser a defluência da UHE Pereira Passos, o que, em contra partida, resultaria em maior perda de água armazenada e, assim, diminuição dos benefícios oriundos da geração hidrelétrica do sistema de jusante.

Foram ensaiadas 3 (três) situações operativas de defluência a usina de Pereira Passos e, por sua vez, igual a vazão de entrada no sistema modelado. A primeira simulação representa uma condição operativa pouco factível do ponto de vista operacional de Pereira Passos, porém com a qual não se espera nenhum impacto para a operação da ETA Guandu na região de captação. A segunda situação operativa visa avaliar um turbinamento de Pereira Passos que pudesse ser mantido por um período de tempo mais longo, mantendo-se o mínimo impacto nas vazões na região de Captação da ETA. Finalmente, o terceiro cenário simulado, representa um hidrograma de defluência variado, iniciando na vazão 120m³/s, passando para 160m³/s e retornando aos 120m³/s após 9 horas.


Em todas as simulações realizadas, observou-se que, depois da súbita redução de vazões a jusante da estrutura de desvio, devido ao fechamento de um dos vãos, a vazão a jusante fica inteiramente normalizada em menos de 6 horas. Enquanto isso, o nível d’água a montante da barragem da PCH Paracambi não se eleva mais do que 2,56m, atingindo a cota máxima de 35,50 m.

Nota-se, ainda, que a onda “negativa”, gerada pela queda de vazão a jusante da estrutura de desvio da PCH Paracambi, se propaga pelo ribeirão das Lajes e rio Guandu, se recuperando rapidamente, conforme pode ser verificado no hidrograma simulada no local da captação da ETA Guandu. Verificou-se que para os 3 cenários operativos considerados não foi observada vazão inferior à mínima necessária para operação adequada do sistema de Captação, que é 122m³/s.

A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de Captação da ETA Guandu.

A FIGURA 13 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas influenciadas pela atividade de desvio do rio para a PCH Paracambi, para o primeiro cenário operativo com defluência a UHE Pereira Passos constante igual a 240m³/s. Esta simulação demostra que o efeito do fechamento de um dos vãos rebaixados praticamente não deverá ser percebido no local de captação da ETA Guandu. Nessa Figura e nas seguintes, as linhas cheias referem-se a vazões enquanto que as linhas tracejadas correspondem aos níveis d’água.

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Tempo Simulação (5 minutos)

43508 - Canal de Fuga UHE PP (Cópia S-M7)

33848 - Vão Rebaixado 1

33848 - Vão Rebaixado 2

33768 - Jus. PCH Paracambi

9157 - Mont. da BR116 (Posto Fluv.)

0 - Captação CEDAE (S-0)

33928 - N.A. Mont. Barragem

FIGURA 13 – Simulação da Transição entre as Fases 2 e 3 Com Defluência da UHE Pereira Passos

Constante igual a 240 m³/s

A FIGURA 14 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para o segundo cenário operativo simulado, considerando uma defluência a Pereira Passos constante e igual a 160m³/s.


Esta situação ainda indica condições hidrológicas bastante positivas do ponto de vista operacional das vazões na região de Captação da ETA Guandu.

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33848 - Vão Rebaixado

33848 - Vão com Ogiva

33768 - Jus. PCH Paracambi (S-1)






Na FIGURA 15 é apresentada a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para a terceira condição operacional de defluência a Pereira Passos variável, considerando um hidrograma iniciando com vazão de 120 m³/s, subindo para 160m³/s e retornando ao patamar de 120m³/s, após 9 horas. Esta operação visa minimizar a utilização dos volumes armazenados em Ponte Coberta, sem comprometer a operacionalidade da Captação da ETA Guandu, visto que a vazão em trânsito neste último local poderá ser mantida sempre acima do patamar mínimo de 122m³/s.


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variável passando de 120m³/s para 160m³/s e Retornando a 120m³/s após 9 horas

Finalmente, a FIGURA 16 apresenta uma comparação dos hidrogramas simulados na seção próxima à Captação da ETA Guandu, resultante das três condições operacionais simuladas para a transição entre as Fases 2 e 3 de desvio.

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Captação CEDAE (Q afluente = variada = 120-160-120m³/s)

Captação CEDAE (Qafluente = constante = 160m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 240m³/s)

FIGURA 16 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu

Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 2 para 3


3.4. Avaliação do Desvio do Rio na Fase 2 para 3 Realizado em 03/06/2011

A partir dos resultados encontrados com as correspondentes simulações foi possível elaborar um plano operativo de defluência da UHE Pereira Passos, visando evitar vazões menores que 122m³/s na região de captação da ETA Guandu, durante a transição entre as Fases 2 e 3 de desvio do rio.

No dia 03/06/2011, foi realizado de fato o fechamento de um dos vãos rebaixados concretizando, assim, mais essa fase de desvio do rio.

Visando uma validação do modelo hidrodinâmico já calibrado para o trecho, foram coletados e analisados o conjunto de dados referente a este período.

A FIGURA 17 apresenta uma comparação das vazões observadas e simuladas para o local de instalação da estação fluviométrica junto à estação da BR116, localizada a montante da região de Captação da ETA. Nota-se que a onda negativa observada, resultante do fechamento de uns dos vãos, chega à seção da BR116 com tempo de viagem e amplitude compatível com os valores simulados.

Estes resultados ratificam os resultados encontrados com o modelo hidrodinâmico construído e calibrado para o trecho estudado, aumentando a sua confiabilidade e permitindo, assim, seu uso para a avaliação e determinação de cenários operativos mais adequados para a transição entre as Fases 3 e 4, tanto do que diz respeito a otimização dos recursos hídricos e energéticos, quando para minimização dos impactos nas vazões na região de captação da ETA Guandu.

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Tempo (15 Minutos)

Qobs BR116 (CEDAE)

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N.A. a Jusante do Eixo da Usina De

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FIGURA 17 – Comparação dos Hidrogramas Observado e Simulado na Seção a Montante da

Captação da ETA Guandu para a Operação de Desvio (Fases 2 para 3) Realizada no Dia 03/06/11



Na transição da Fase 3 para a Fase 4 do desvio, quando o segundo vão rebaixado é fechado para que o escoamento passe sobre o primeiro vão, já concretado, o fluxo para jusante é totalmente interrompido até que o NA de montante alcance a cota 39,00m, correspondente à soleira do vertedouro. A partir desse momento, a vazão defluente vai aumentando gradativamente, na medida em que o nível do reservatório sobe, até que seja alcançada a carga suficiente para que a vazão vertida por um vão (aquele cuja ogiva já havia sido concretada) iguale a vazão afluente.

Todavia, a completa interrupção do fluxo para jusante, mesmo que por um prazo curto, de cerca de algumas dezenas de minutos, deve ser considerada um impacto relevante, merecedor de todo o esforço possível para sua ampla compreensão, favorecendo assim tomada de possíveis ações mitigadoras.

Deve-se ter em mente que uma operação adequada da UHE Pereira Passos, aproveitando a elevada capacidade de engolimento de suas turbinas e a existência de um reservatório de regularização (Ponte Coberta), pode proporcionar condições para a minimização dos impactos a jusante decorrentes da passagem da Fase 3 para 4 do desvio do rio, sem comprometer demasiadamente a capacidade de armazenamento dos reservatórios de montante e a geração energética.

Se o fechamento da comporta do vão rebaixado do vertedouro for precedido pelo estabelecimento de um regime permanente de escoamento, com vazões mais elevadas, proporcionadas pela operação da UHE Pereira Passos, pode-se conseguir condições mais favoráveis para a realização da operação de transição das fases 3-4 pelos seguintes motivos:

• Para uma vazão mais elevada, o volume de reservatório da PCH Paracambi remanescente entre o nível d’água inicial e a crista do vertedouro diminui, porque é necessária uma carga maior para a passagem de uma vazão maior pelo vão rebaixado.

• Pelo mesmo motivo, o volume que fica armazenado na calha do Ribeirão das Lajes e do próprio Rio Guandu, no trecho entre a barragem e a captação da CEDAE, fica maior, atenuando os efeitos negativos da operação, pois, para que a vazão se “anule” nas proximidades da captação da CEDAE, seria preciso “esvaziar” toda a calha a montante, e isso levaria algum tempo.

A FIGURA 18 apresenta duas curvas de capacidade de regularização do reservatório de Ponte Coberta (UHE Pereira Passos), informando o período em que determinada vazão defluente pode ser mantida, esgotando-se a capacidade útil do reservatório e mantendo constante a vazão defluente. Nota-se que o turbinamento máximo da usina, em torno de 320m³/s, poderia ser mantido por um período de no máximo 8 horas, quando de uma afluência igual ou superior a 180m³/s.

A partir da análise da FIGURA 18 e de posse do modelo construído e calibrado para o trecho em estudo, torna-se possível o ensaio e a avaliação de diferentes cenários e regras operativas para a etapa de desvio entre as Fases 3 e 4. Este procedimento visou minimizar os impactos no local da captação da ETA Guandu, no que diz respeito à redução das vazões em trânsito, evitando porém a utilização excessiva de recursos armazenados no reservatório de Ponte Coberta.

Após diversas simulações prévias com o modelo, identificou-se a vazão de 220m³/s como sendo a mais factível operacionalmente para Pereira Passos, com a qual se poderia garantir a vazão mínima operativa da Captação da ETA Guandu, em aproximadamente 120m³/s. Por outro lado, a manutenção do turbinamento em 160m³/s, apesar de ser uma vazão que pode ser mantida por longos períodos de tempo, nas condições de desvio do rio poderia vir a comprometer a operação da ETA Guandu. Neste sentido, buscou-se encontrar um cenário operativo “ótimo”, o


qual fosse factível do ponto de vista operacional para a Usina de Pereira Passos, porém que resultasse no mínimo impacto a operação de Captação da ETA Guandu.

Após novas simulações, chegou-se a um cenário ótimo para operação da UHE pereira Passos durante a atividade de desvio entre as Fases 3 e 4. Para ilustração dos resultados encontrados, foram ensaiados 3 (três) situações hidrológicas com diferentes hidrogramas de entrada ao sistema (ou seja, defluência de Pereira Passos). A primeira simulação representa a condição de defluência de Pereira Passos constante com 220m³/s. Na segunda, considerou-se uma condição hidrológica com vazão também constante igual a 160m³/s. E, finalmente, foi simulado um hidrograma variável, considerando inicialmente uma vazão de 160m³/s, passando para o patamar de 220m³/s poucas horas antes de iniciado o desvio, mantendo-se esta vazão também por algumas horas após o mesmo.

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vazão (m³/s)

UHE Pereira Passos - Vazão Defluente x Tempo

Q Afluente = 180 m³/s Q Afluente = 150 m³/s

NA inicial = 86,50 m (100% VU)

NA final = 82,50 m ( 0% VU)

FIGURA 18 – Curva de Operação da UHE Pereira Passos Ilustrando a Relação entre Tempo de

Garantia (em Horas) e Vazão Defluente (Fonte: LIGHT)

A avaliação dos cenários operativos, apresentada a seguir, incluiu a análise de diversas variáveis hidrológicas simuladas pelo modelo hidrodinâmico, incluindo níveis a montante do vertedouro da PCH Paracambi, as vazões afluentes e defluentes a estrutura de desvio da PCH Paracambi, vazões no local da estação fluviométrica BR-116, como também na região de Captação da ETA Guandu.

A FIGURA 19 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas e influenciadas pelas atividades de desvio entre as Fases 3 e 4, para a primeira condição operativa simulada de defluência da Pereira Passos, considerou um hidrograma de turbinamento (afluente ao sistema) constante com vazão de 220m³/s. Nota-se que, embora o prazo necessário para a normalização da situação a jusante (retorno da vazão ao patamar de 220m³/s) seja relativamente alto (superior a 24 horas), a vazão de 120 m³/s já é atendida cerca de 4,6 horas após o início do desvio. Na região de Captação da ETA, a vazão mínima esperada resultante desta operação seria da ordem de 124m³/s. Enquanto isso, o nível d’água final, a montante da estrutura de desvio da PCH Paracambi, resultou na cota 45,2 m, representando uma elevação de 8,4 m.


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A FIGURA 20 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas decorrentes da atividade de desvio do rio entre as Fases 3 e 4, para uma situação operativa de defluência de Pereira Passos constante igual a 160m³/s. Esta situação representa uma condição operacional bastante confortável do ponto de vista da Usina de Pereira Passos, porém para a qual se espera uma redução das vazões na região da Captação bem inferior aos 120m³/s, ou seja abaixo do patamar acordado para adequada operação da Captação da ETA Guandu, chegando a 85m³/s.


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32979 - Jus. PCH Paracambi (S-2)






Da mesma forma que para a transição anterior, para as atividade de desvio que compreenderão a transição entre as Fases 3 e 4, quanto menor a afluência no local do barramento da PCH, mais desfavorável deverá se realizar as atividades de desvio, pois a recuperação das vazões afluentes deverá ocorrer de forma mais lenta.

Por outro, deve-se ter em mente que a operação contínua com o engolimento máximo da UHE Pereira Passos, visando manter a vazão afluente a PCH Paracambi em 320m³/s, em condições hidrológicas mais favoráveis, não é factível por longo período de tempo, devido às restrições de volume de regularização disponível no reservatório de Ponte Coberta, podendo este fato ainda repercutir de forma negativa na geração energética em momentos de maior demanda.

A FIGURA 21 ilustra a evolução das variáveis hidrológicas simuladas para a condição operativa “ótima”, onde se buscou minimizar a utilização dos recursos armazenados em Ponte Coberta, esperando assim, menor impacto na geração energética do sistema, porém também sem comprometer significativamente os níveis de vazão necessários para a operação da Captação da ETA Guandu. Assim, esta condição considera a utilização de um hidrograma defluente a Pereira Passos inicialmente igual a 160 m³/s, passando para 220m³/s e retornando para 160m³/s após aproximadamente 12 horas, sendo que o fechamento das comportas ocorre 7 horas após a elevação da vazão ao patamar de 220m³/s. Observa-se que esta operação poderá manter as vazões afluentes na Captação da CEDAE no limite operacional, em torno dos 120m³/s.


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Variável Passando de 160m³/s para 220 m³/s e Retornando a 160m³/s Após 12 Horas

Finalmente, a FIGURA 22 compara os hidrogramas, na região de Captação da ETA Guandu, resultantes da simulação das 3 situações operativas de defluência a Pereira Passos simuladas para a etapa de transição entre as Fases 3 e 4 de desvio do rio da PCH Paracambi.

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Captação CEDAE (Q afluente variada = 160-220-160 m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 160 m³/s)

Captação CEDAE (Q afluente = constante = 220 m³/s)

Limite OperacionalMínimo da ETA = 122m³/s

FIGURA 22 – Comparação dos Hidrogramas na Seção a Montante da Captação da ETA Guandu

Resultantes das Três Condições Hidrológicas Simuladas na Fase 3 para 4


4. CONCLUSÕES

O Ribeirão das Lajes a jusante da UHE Pereira Passos apresenta seu regime hidrológico natural totalmente alterado devido à operação do Complexo de Lajes. Recebe, além das vazões naturais, contribuições decorrentes da transposição de vazões do Rio Piraí através do Túnel de Tócos, bem como dos rios Piraí e Paraíba do Sul pelas Usinas Elevatórias Santa Cecília e Vigário.

A afluência ao reservatório da PCH Paracambi, completamente regularizada, é formada pela vazão efluente da UHE Pereira Passos e pela contribuição hidrológica incremental entre essas duas usinas, cuja área é de 161 km².

Uma operação adequada da UHE Pereira Passos, aproveitando a elevada capacidade de engolimento de suas turbinas e a existência de um reservatório de regularização (Ponte Coberta), pode proporcionar condições para a minimização dos impactos a jusante decorrentes das atividades de desvio do ribeirão das Lajes, para a PCH Paracambi, sobretudo no que tange a transição entre as Fases 3 e 4, quando se espera uma interrupção total das vazões, mesmo que por algumas dezenas de minutos.

No presente estudo, foram analisadas algumas atividades operacionais previstas para as etapas de desvio de rio para a PCH Paracambi, visando antecipar e minimizar possíveis impactos e, ao mesmo tempo, apoiar a tomada de decisões mais eficientes.

Assim, as situações analisadas compreenderam as atividades de fechamento de alguma das estruturas de desvio, correspondente à transição entre as Fases 2 para 3 e de 3 para 4, visto que estes são momentos de maior relevância e que geram maior preocupação para os operadores e usuários do sistema em questão. Resumidamente, as etapas de desvios estudadas compreenderam as seguintes atividades:

• Transição entre as Fases 2 e 3: Fechamento de um dos dois vãos rebaixados, utilizados para desvio de rio, com redução imediata das vazões liberadas a jusante da barragem e recuperação gradual.

• Transição entre as Fases 3 e 4: Fechamento do vão rebaixado e desvio de rio pelo outro vão, já com a ogiva construída, com interrupção temporária do fluxo para jusante e recuperação gradual.

Para a determinação dos níveis d’água associados a cada etapa de desvio do rio, bem como visando a compreensão da propagação das vazões ao longo do trecho, foram estabelecidos modelos matemáticos do escoamento nas diversas condições da obra, com auxílio do programa computacional HEC-RAS, versão 4.1.

Foi realizada a validação do modelo a partir da avaliação os resultados simulados com dados observados referente a etapa de desvio da Fase 2 para 3, realizada no dia 03/06/2011.

Os resultados dessas simulações, em ambas as etapas consideradas acima, não indicaram problemas para a região de captação da ETA Guandu, no que tange a vazão mínima necessária para sua operação. Apesar da interrupção total do escoamento logo a jusante das estruturas de desvio, na passagem da fase 3 para a fase 4 do desvio, os impactos nos níveis de vazão afluente na seção de Captação são pequenos, porque a interrupção ocorre por pouco tempo e exuste grande volume de água “armazenada” na própria calha do rio. Para que a vazão se “anule” nas proximidades da captação da CEDAE, é preciso “esvaziar” toda a calha a montante, e isso leva um certo tempo, conforme simulado no presente estudo.


O processo de enchimento do reservatório da PCH Paracambi se confunde com as etapas de desvio, porque na Fase 4 o rio está desviado por apenas um vão já concretado do vertedouro, ou seja, o nível d’água a montante já está acima da el. 39,00 m. A partir desse ponto, o enchimento do reservatório passa a ser feito de forma totalmente controlada (no tempo que for necessário), porque as vazões defluentes podem ser reguladas pela abertura das comportas. Assim, foram identificados hidrogramas defluentes que poderão ser operados pela UHE Pereira Passos, visando atingir os objetivos esperados.

Para a condição mais critica, ou seja, transição entre as fases 3 e 4, recomenda-se um hidrograma começando na vazão de 160m³/s, passando para um patamar de 220m³/s, e retornando a 160m³/s após 12 horas.

A condição ótima de operação a ser mantida durante a etapa de desvio entre as Fases 3 e 4 deve considerar a utilização de um hidrograma, de defluência a UHE Pereira Passos, inicialmente igual a 160 m³/s, com aumento para o valor de 220m³/s, podendo o fechamento do vão rebaixado ocorrer após aproximadamente 7 horas do início da defluência igual a 220m³/s. Em seguida, após aproximadamente 5 horas do fechamento do vão rebaixado, as vazões defluentes de Pereira Passos podem retornar ao patamar inicial de 160m³/s. Esta operação resultaria em uma vazão mínima junto a Captação da ordem de 120m³/s, conforme pode ser observado na FIGURA 23.

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Tempo de recuperação da vazão em 120m³/s = 4,6h.Elevação do N.A. a montante da barragem = 44,1mVazão Mínima na Captação ETA = 120m³/s

7horas antes Qdeflu ≥ 220m³/s

5 horas

20h antes do Fechamento, Qdeflu UHE PP ≥ 160m³/s

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FIGURA 23 – Resultados da Simulação de Níveis e Vazões em Diversas Seções de Interesse para a

Operação Recomendada para a UHE Pereira Passos durante a Operação de Fechamento da Comporta entre as Fases 3 e 4


5. REFERÊNCIAS

1. SPEC, 2010a. Projeto Básico Consolidado da PCH Paracambi. Belo Horizonte.

2. SPEC, 2010b. PCH Paracambi – Critérios de Projeto. Documento (N.º ST-801-E-NO-G10-001). Belo Horizonte.

3. SPEC, 2010c. PCH Paracambi – Memória De Cálculo – Dimensionamento Hidráulico das Estruturas (ST-801-E-CL-G27-0001). Belo Horizonte.

4. Vertente Engenharia Ltda., 2011a. Ribeirão das lajes e Rio Guandu - Levantamentos Topográficos - Seções Topobatimétricas - Memorial Técnico Descritivo. (MTD-PAR-01).

5. Vertente Engenharia Ltda., 2011b. PCH Paracambi - Trechos Identificados Com Pontos Erosivos - Ribeirão Das Lajes e Rio Guandu, RJ - Relatório Técnico Fotográfico (RF-PAR-01).

6. LIGHTGER, 2011. PCH PCH Paracambi – Planejamento das Etapas de Desvio do Ribeirão das Lajes - Plano De Trabalho.

7. U.S. Army Corps of Engineers, 2010. Hydrologic Engineering Center. River Analysis System (HEC-RAS) User’s Manual, Version 4.1.

8. U.S. Army Corps of Engineers, 2010. Hydrologic Engineering Center. River Analysis System (HEC-RAS) Hydraulic Reference Manual, Version 4.1.

9. Sondotécnica-ANA, 2006. Plano Estratégico de Recursos Hídricos das Bacias Hidrográficas dos Rios Guandu, da Guarda e Guandu Mirim.