Operação de Reservatórios Carlos de Oliveira Galvão Klécia Forte de Oliveira
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Operação de Operação de
ReservatóriosReservatórios
Carlos de Oliveira GalvãoCarlos de Oliveira GalvãoKlécia Forte de OliveiraKlécia Forte de Oliveira
O que é operação de O que é operação de
reservatórios?reservatórios?
Operaçãode
reservatórios
O Balanço Hídrico do O Balanço Hídrico do ReservatórioReservatório
St+1 = St + Pt + Qt – Et – Rt
t é o intervalo de simulação atual e t+1 é o próximo
St é o volume armazenado
Pt é o volume de água precipitado sobre o lago
Qt é a vazão afluente
Et é o volume de água de evaporação e infiltração
Rt é o volume retirado do reservatório para consumo
Restrições: o volume máximo (ou a capacidade) K e o volume mínimo (ou o volume morto) Smin:
Smin St K
Operaçãode
reservatórios
Modelos de Simulação Modelos de Simulação
para Operação de para Operação de
ReservatóriosReservatórios
Simulam computacionalmente o balanço hídrico do(s) reservatório(s), para auxiliar na tomada de decisões sobre sua operação.
Operaçãode
reservatórios
Componentes dos Modelos Componentes dos Modelos
de Simulaçãode Simulação
• Variáveis de entrada: são as quantidades hidrológicas (vazões afluentes, evaporação do lago), as demandas, os limites operacionais dos níveis do reservatório, etc.
• Variáveis de estado: variam durante a simulação, como os volumes armazenados nos reservatórios.
• Variáveis de saída: respostas da simulação, como as vazões liberadas para atendimento de uma certa demanda ou a escassez do sistema.
Operaçãode
reservatórios
Componentes dos Modelos Componentes dos Modelos
de Simulaçãode Simulação
• Parâmetros: variáveis que caracterizam o sistema, como o volume mínimo e a curva cota-área-volume do reservatório.
• Intervalo de tempo de simulação: intervalos mensais para estudos de conservação e intervalos diários para controle de cheias são os mais utilizados.
Operaçãode
reservatórios
Políticas de OperaçãoPolíticas de Operação
• Níveis e volumes metas: definidos os níveis desejados para o reservatório, o operador tenta mantê-los enquanto satisfaz as demandas. Esta política é conhecida como curva-guia.
• Curvas-guia condicionadas: as regras operacionais são função não só das curvas-guia como das previsões de vazões afluentes.Operação
dereservatórios
Políticas de OperaçãoPolíticas de Operação
• Zoneamento múltiplo de níveis: várias zonas de armazenamento são definidas e a cada uma corresponde um critério de liberação de água para consumo. Os reservatórios têm seus volumes armazenados alocados em faixas horizontais imaginárias, uma das quais é delimitada superiormente pelo nível de alerta. A política permite definir uma escala de prioridades de armazenamento para cada zona estabelecida.
Operaçãode
reservatórios
Níveis de Alerta como Níveis de Alerta como
estratégia de operação estratégia de operação
de reservatóriosde reservatórios
Cenário do Abastecimento Cenário do Abastecimento de Águade Água
• Demanda crescente
• Diminuição da disponibilidade hídrica
• Possibilidade de colapso dos sistemas
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Balanço:
Oferta x Demanda
usuários sofram reduções mínimas de
atendimento em caso de escassez hidrológica
Manejo do SistemaManejo do Sistema
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Solução emergencialSolução emergencial
RacionamentoRacionamentode águaNíveis de
Alertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
MotivaçãoMotivação
Racionamento:
– Início?
– Fim?
– Quanto?
– Garantia da qualidade da água
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Nível de AlertaNível de Alerta
– quando o volume acumulado no reservatório
estiver abaixo do seu "nível ou volume de alerta",
passa-se a racionar água, atendendo apenas uma
parcela da demanda total prevista.
– o objetivo implícito no conceito de nível de alerta
é o de proporcionar ao sistema, sempre, o
atendimento de alguma demanda, evitando o
colapso total.
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Nível de AlertaNível de Alerta
• Nível/volume do reservatório abaixo do qual
implanta-se o racionamento
• Define o início, o final e a magnitude do
racionamento
• Aumenta alcance do abastecimento
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Nível de AlertaNível de Alerta
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Definição de Níveis de Definição de Níveis de AlertaAlerta
Decisão final
Gerente ou Hidrólogo ResponsávelGerente ou Hidrólogo Responsável
Modelos de simulação ou
otimização
Bom conhecimento
Do comportamento hidrológico do sistema, dos procedimentos operacionais do reservatório, do comportamento dos usuários e dos modelos utilizados
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Estabelecimento de Estabelecimento de níveis de alertaníveis de alerta
- Volume mínimo, máximo e inicial
- curva C-A-V
- séries históricas de vazões
- evaporação sobre o lago
- demandas de água atuais
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Nível de AlertaNível de Alerta
Nível de alerta Nível de racionamento
de água
Redução do atendimento
Níveis deAlertacomo
estratégiade
operaçãode
reservatórios
Nível de AlertaNível de Alerta
Estudo de caso:Estudo de caso:o reservatórioo reservatório Gramame- Gramame-
MamuabaMamuaba
Níveis deAlerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Conflitos de UsoConflitos de Uso
• ETA Gramame
• ETA Marés
• a montante: projetos de irrigação
• a jusante: preservação dos ecossistemas
(descargas de efluentes de indústrias)
Demandas para o SistemaDemandas para o Sistema
Usuário Demanda (l/ s)ETA Gramame 1700ETA Marés 570Manutenção do rio Gramame 300Irrigação a montante 250Total 2820
Níveis deAlerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Cenários de demandas (l/s)Cenários de demandas (l/s)
Níveis deAlerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Cenário ETA Gramame
ETA Marés
Rio Irrigação Total
1 1700 570 300 250 2820
2 1700 570 300 155 2730
3 1700 300 155 2160
4 1700 85 75 1860
5 1700 1700
Níveis deAlerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
SimulaçõesSimulações
Modelo HEC-3
- Zoneamento múltiplo dos níveis
- Escala de prioridades de armazenamento
para cada zona
ObjetivoObjetivo
Cenário Nível de alerta
garantia integral do atendimentoNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via HEC-3Nível de Alerta via HEC-3
jan meses dez
50
30
10
volume
nível alerta (na) 1
nível alerta (na) 2
Figura 1 - Zoneamento e níveis de alerta obtidosa partir da simulação.
2730 l/s
2160 l/s
1860 l/sNíveis deAlerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica
jan meses dez
50
30
10
volume
na 1
na 2
Figura 2 - Zoneamento obtido por otimização:caso (A) - série completa.
2730 l/s
2160 l/s
1860 l/sNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
jan meses dez
50
30
10
volume
na 1
na 2
Figura 3 - Zoneamento obtido por otimização:caso (B) - 3 anos secos.
2820 l/s
2160 l/s
1860 l/s 1700 l/sNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica
jan meses dez
50
30
10
volume
na 1
na 2
Figura 4 - Zoneamento obtido por otimização:caso (C) - 5 anos secos.
2730 l/s
2160 l/s
1860 l/s
1700 l/sNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica
jan meses dez
50
30
10
volume
na 1
na 2
Figura 5 - Zoneamento obtido por otimização:caso (D) - anos úmidos.
2820 l/s
2160 l/sNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica
jan meses dez
50
30
10
volume
na 1
na 2
Figura 6 - Zoneamento obtido por otimização:caso (E) - vazões médias mensais.
2820 l/s
2160 l/sNíveis de
Alerta
Estudode caso:
Gramame -Mamuaba
Nível de Alerta via Nível de Alerta via Programação DinâmicaProgramação Dinâmica
Planejamento da Planejamento da
OperaçãoOperação
xx
Operação em Tempo Operação em Tempo
RealReal
Nível de AlertaNível de Alerta
horizonte de planejamento – diretrizes de referência
Simulação de cenáriosSimulação de cenáriosa curto prazoa curto prazo
horizonte de gerenciamento –alternativas de decisão paraoperação em tempo real
Planejamentoda
Operaçãox
Operaçãoem
Tempo Real
Planejamentoda
Operaçãox
Operaçãoem
Tempo Real
Horizonte de Horizonte de GerenciamentoGerenciamento
• Reavaliação das diretrizes de referência
• Simulações
várias estratégias operacionais (níveis de alerta)
vários cenários hidrológicos (previsão climática e
hidrológica)
Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica
xx
Operação de Operação de
ReservatóriosReservatórios
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica
Significativo progresso no desenvolvimento de
sistemas de previsão meteorológica de longo prazo.
Contribuem para a integração de dados a
modelagem hidrológica distribuída e os sistemas de
geoprocessamento.
Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica
Nas regiões tropicais, os mecanismos oceânicos
e atmosféricos que determinam a maior parte da
variabilidade climática interanual já estão
razoavelmente caracterizados, dando origem a
diversos métodos de previsão de longo prazo da
precipitação.
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica
Prever o comportamento da precipitação nas
principais estações chuvosas do ano
Previsão climlimática de curto prazo,
sazonal,
da variabilidade interanual, etc
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão MeteorológicaPrevisão Meteorológica
Aproveitamento da previsão meteorológica em
recursos hídricos
Dificuldades:
diferença de escalas, espacial e temporal, entre
os processos que controlam o clima no horizonte
sazonal e os processos hidrológicos relevantes
ao manejo de recursos hídricos
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Regime climático das 4 sub-regiões (norte, leste e
sul do NEB e pré-Amazônia)norte-NEB
leste-NEB
pré-Amazônia
sul-NEB
Piancó
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Sub-regiões climáticas do Nordeste do Brasil
(adaptada de Nobre e Molion, 1988, e Cadier, 1994).
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Mecanismos de geração de precipitação
- as frentes frias e os ventos alta subtropical
- El Nino
- zona de convergência secundária
- posição da ZCIT
- variação da TSM
- gradiente de temperatura norte-sul
- etc
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Previsão de precipitação sazonal
Previsão da variabilidade interanual da
precipitação na região sob várias abordagens:
- modelos univariados
- regressão múltipla e outros modelos
multivariados
- Modelos de Circulação Global (MCGs) e
- análise conceitual subjetiva de padrões das
principais variáveis atmosféricas e oceânicas
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Previsão de precipitação sazonal
Uso em manejo de recursos hídricos tipo de
informação:
- Categorizados probabilísticos
não probabilísticos
- Pontuais probabilístico
não probabilísticos
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Previsão de precipitação sazonal
Uso em manejo de recursos hídricos tipo de
informação:
- Categorizados probabilísticos
não probabilísticos
- Pontuais probabilístico
não probabilísticos
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão Climática no Previsão Climática no NordesteNordeste
Aplicação da previsão a operação de reservatórios
Pouco se utiliza previsões de vazões e/ou
volumes escoados sazonais
Prática corrente disseminar aos usuários, a partir
da pré-estação chuvosa, a previsão de precipitação
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão x ArmazenamentoPrevisão x Armazenamento
Métodos de previsão de precipitação: previsão
apresentada em três ou cinco categorias
Probabilidades de ocorrência para cada uma das
cinco categorias, para a próxima estação chuvosa
Incerteza associada à previsão
PrevisãoMeteorológica
xOperação
deReservatórios
Previsão x ArmazenamentoPrevisão x Armazenamento
Métodos de previsão de precipitação:
Diferentes formatos de entrada nos modelos
hidrológicos
Reamostragem estatística série sintéticaPrevisão
Meteorológicax
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Caracterização do problema
J. PESSOACITY
ATLA
NTIC
OCE
AN
BO Q U EIRÃ ORES ERVO IR
C. G RANDE CITYACA UÃ
DAM
BR AZILAT
LANT
IC O
CEAN
S TATE O F PAR AÍBA
R IO D EJAN EIR O
BR ASÍL IA
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Armazenamento histórico no açude
0
100.000.000
200.000.000
300.000.000
400.000.000
500.000.000ja
n/9
1
jan
/92
jan
/93
jan
/94
jan
/95
jan
/96
jan
/97
jan
/98
jan
/99
jan
/00
Arm
azen
amen
to (
m3 )
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Retiradas de água e perdas por evaporação em
1998-2000 no açude
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Jun
/98
Ag
o/9
8
Ou
t/98
Dez
/98
Fev
/99
Ab
r/99
Jun
/99
Ag
o/9
9
Ou
t/99
Dez
/99
Fev
/00
Vo
lum
e m
ensa
l (m
ilh
ões
m3 )
irrigação
evaporação
abastecimento urbano
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Metodologia de análise
Identificação das práticas de gestão
Proposição de práticas sustentáveis de gestão
de recursos hídricos
Simulação, em um modelo matemático de
operação do reservatório Boqueirão, de cenários
de gestão
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Resultados e discussão
A ausência de uma gestão adequada da
demanda
Construção descontrolada de outros
reservatórios na bacia hidrográfica a montante
Monitoramento deficiente
Confuso contexto institucional de gestão de
recursos hídricos
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Práticas sustentáveis de gestão na bacia hidrográfica
Controle das demandas urbanas
Controle do uso de fertilizantes e produtos
químicos nas áreas agrícolas
Controle da ação antrópica na bacia hidrográfica
Monitoramento adequado
Criação e consolidação do Comitê da bacia
hidrográfica do reservatório
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Simulação Dois cenários de gestãoIndicador
Cenário I “corrente”
Cenário II “sustentáve
l”
Armazenamento mínimo (milhões m3) 44 99
Meses com redução de oferta para abastecimento urbano (%)
24 7
Redução média da oferta para abastecimento urbano (%)
33 15
Anos com redução de oferta para irrigação (%) 20 20
Oferta média para abastecimento urbano e irrigação (m3s-1)
1,8 1,2
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
0
100.000.000
200.000.000
300.000.000
400.000.000
500.000.000ja
n-0
1
jan
-03
jan
-05
jan
-07
jan
-09
jan
-11
jan
-13
jan
-15
jan
-17
jan
-19
jan
-21
Arm
azen
amen
to (
m3 )
Cenário II
Cenário I
Exemplo:Exemplo:Reservatório Epitácio Reservatório Epitácio
PessoaPessoa
Simulação do armazenamento do reservatório
Operaçãode
Reservatórios
Exemplo:EpitácioPessoa
Níveis de alerta Níveis de alerta dinâmicos:dinâmicos:
representação do padrão representação do padrão dede
racionamento de água emracionamento de água em
reservatórios através de reservatórios através de regrasregras
ObjetivosObjetivos
• Ampliar o conceito de nível de alerta definindo o momento do racionamento e a quantidade
• Como: através de regras que os relacionam com o armazenamento do reservatório e a escassez futura de água Lógica Difusa
Formulação do ProblemaFormulação do Problema
• A operação do reservatório visa encontrar as liberações rt desejadas
• Restrições:– Balanço hídrico mensal:
st+1 = st + it - et - rt
– Capacidade K e vol. Morto smín
smín st K
MetodologiaMetodologia
• O momento e a quantidade do racionamento vão se relacionar através de regras com:
a) Armazenamento futuro:
St = st / s*t
b) Escassez relativa média:
Dm = Dt / n e Dt = (R*t – Rt) / R*
t
• S e Dm são transformados em valores difusos
Variáveis de DecisãoVariáveis de Decisão
• Valores difusos expressam os numéricos em expressões qualitativas
Variáveis de DecisãoVariáveis de Decisão• Regras para mudança no nível de controle
ARMAZENAMENTO
S
ESCASSEZ MÉDIA Dm
ZO P M G MG
VM GN GN MN PN ZO
MB GN MN PN ZO PP
B MN PN ZO PP MP
M PN ZO PP MP GP
N ZO PP MP GP GP
Estudo de CasoEstudo de Caso
Dados de EntradaDados de Entrada
• Evaporação
• Curva Cota-Volume
• Série de vazões mensais afluentes
• Demanda mensal
• Armazenamentos mínimo, máximo e inicial
• Armazenamentos desejados mensais
• Racionamento máximo
CenáriosCenários
Dois cenários:
• Cenário 1: sem controle da água
• Cenário 2: com restrição da demanda (racionamento)
Antes de atingir o vol. morto (situação de colapso) situação crítica: vol < 100 milhões de m3, qualidade da água comprometida
ResultadosResultadosAtendimento às demandas
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
Ate
ndim
ento
à d
eman
da
Cenário 1 (sem operação) Cenário 2 (com operação)
ResultadosResultadosEscassez e falhas
total média máxima
8,03 0,89 1 22,5139,7 0,27 0,5 77,16
Cenário 1 (sem operação)Cenário 2 (com operção)
CenáriosEscassez Relativa Armazenamento
mínimo (106 m3)
0 a 0,25 0,25 a 0,5 0,5 a 0,75 0,75 a 1,0
11,1 0 0 88,9 2967,1 32,9 0 0 5
Cenário 1 (sem operação)Cenário 2 (com operação)
Categorias das falhas (%) Nº. de meses com armazanamento crítico
Cenários
ResultadosResultadosArmazenamento
0
100
200
300
400
500
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
Arm
azen
amen
to (
106 m3 )
Cenário 1 (sem operação)
Cenário 2 (com operação)
Capacidade Máx. do reservatório
ConclusõesConclusões
• É possível estender a duração do atendimento às demandas pelo reservatório, evitando-se situações de colapso, através do racionamento preventivo;
• O caráter plurianual do reservatório determina o padrão do racionamento;
• O racionamento proposto pelo modelo de Lógica Difusa é suave e gradual.
ConclusõesConclusões
• O modelo é um instrumento para a gestão dos recursos hídricos;
• Deve ser utilizado como ferramenta para o planejamento da operação do reservatório, cabendo ao gestor, em tempo real, a tomada de decisão, determinando o quanto e quando racionar.
Melhoria no Ajuste do ModeloMelhoria no Ajuste do Modelo
• Estes resultados poderiam ainda ser modificados buscando-se outros conjuntos de regras.
• O melhor conjunto seria aquele que produzisse melhores resultados de minimização de escassez relativa total, escassez relativa média mensal, escassez relativa máxima, número de meses com escassez e volume extravasado; e maximização do armazenamento mínimo.
Comentários FinaisComentários Finais
A gestão operacional, administrativa e financeira das
redes de abastecimento supridas pelo manancial
deve considerar os riscos de redução de oferta.
A representação dos gestores no Comitê da Bacia
pode assegurar a sustentabilidade da oferta de
água, assim como a representação da sociedade
civil no Comitê tenderá a pressionar os gestores
das redes a manter níveis suportáveis de perdas
físicas nos sistemas de distribuição.
Operaçãode
Reservatórios
Conclusões
Comentários FinaisComentários Finais
Os sistemas de apoio à decisão para formulação e
simulação de cenários de gestão integrada oferta-
demanda são ferramentas tecnológicas muito
úteis na tomada de decisão e resolução de
conflitos pelo Comitê da Bacia.
Operaçãode
Reservatórios
Conclusões