Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira - Raiva - Fronhas

OTIMIZAÇÃO DA GESTÃO OPERACIONAL DE ALBUFEIRAS DE APROVEITAMENTOS DE FINS MÚLTIPLOS EM SITUAÇÕES DE CHEIA. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. FILIPE VALENTE SILVA Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA Orientador: Professor Doutor Rodrigo Jorge Fonseca de Oliveira Maia JUNHO DE 2015 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2014/2015 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2014/2015 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2015. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. A meus Pais Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. i AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, o professor Rodrigo Maia, pela orientação, pelas opiniões e críticas, assim como toda a disponibilidade demonstrada, que ajudaram no desenvolvimento deste trabalho. Gostaria igualmente de agradecer à Engenheira Juliana Mendes por todo o apoio, incentivo, disponibilidade, amizade e simpatia demonstrada ao longo do período de realização da tese. Aos meus pais que ao longo de todo um percurso académico me incentivaram e me deram possibilidades de concretizar todos os objetivos a que me propus. Por último, a todos os meus amigos que me acompanharam neste período da minha vida, por todo o apoio e amizade. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. ii Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. iii RESUMO Devido às suas caraterísticas hidrológicas Portugal é um país com uma grande rede de barragens nas suas bacias hidrográficas. As barragens formam albufeiras que podem ter vários fins. A sua gestão depende dos seus fins e da necessidade de os respeitar a todos. Isto leva a complexidade na criação de regras que irão ditar como é feita a gestão dos volumes de água, existentes na albufeira e que lhe são afluentes. Esta tese tem como objetivo a proposta de um conjunto de regras de gestão operacional de albufeiras de fins múltiplos, que devem definir os volumes descarregados pela barragem e as cotas do nível de água da albufeira em eventos de cheia. O caso de estudo escolhido foi o sistema de albufeiras Aguieira-RaivaFronhas, localizado no rio Mondego. Esta escolha deveu-se à ocorrência de múltiplos eventos de cheia nos últimos cem anos, alguns dos quais com consequências gravosas. As consequências destes eventos foram sentidas, nomeadamente, na cidade de Coimbra e a jusante da mesma. O controlo das cheias é feito pelo sistema das três barragens. Para efetuar o estudo desta zona foram escolhidos dois eventos, correspondentes a diferentes magnitudes de precipitação e escoamento (i.e., valores de caudais e volumes de cheia). O primeiro evento foi de menor magnitude e as suas consequências também menores, relativamente ao segundo, de grande magnitude com um elevado número de consequências, tanto a nível social como económico. Foi usado um programa de simulação de sistemas de albufeiras – HEC-ResSim - para a simulação dos dois eventos escolhidos, usando i) as regras de operação em uso atual ii) as regras de operação sugeridas no âmbito deste trabalho. Para tal, foram procuradas regras que tentassem controlar ou diminuir os impactes de ambos os tipos de eventos de cheia e, simultaneamente, respeitar os restantes fins das albufeiras, otimizando a capacidade de armazenamento de água. As regras propostas foram posteriormente validadas, através da comparação com as regras em vigor. Para o primeiro (menor) evento de cheia foi também efetuado um estudo económico do efeito do volume descarregado, pelas regras sugeridas, na produção de energia hidroelétrica. Constatou-se que as regras propostas permitiriam melhorar a gestão da capacidade de armazenamento da albufeira e conduzir a um amortecimento do caudal de cheia eficaz. Simultaneamente, não ocorreriam grandes perdas de receita a nível energético, pois o menor volume de caudal efluente seria compensado pelo seu armazenamento que viria a ser descarregado numa altura de margens de receita mais elevadas. Palavras-Chave: Cheias, Albufeiras, Otimização, Gestão de volumes, HEC-ResSim. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. iv Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. v ABSTRACT Due to its hydrological characteristics, Portugal is a country with a big network of dams in all basins. Dams form reservoirs that may have multiple purposes. Its management depend on its purposes and the need to respect all purposes. This leads to complexity in the creation of rules that will control the management of the water, inflow and outflow, in the dam. This thesis goal is the creation of a guideline of rules for the management of reservoirs with multiple purposes, that must define the dam discharges or/and height of water of the reservoir for a given moment during a flood event. For this purpose a case study was chosen, which was the Mondego River. This river was chosen because of the frequent occurrence of multiple flood events in the last hundred years, with minor or major consequences. In this basin the flood consequences are mainly felt in its biggest city, Coimbra, and downstream of it. The flood events are controlled by a three dams system. To study the flood control in this area two events were chosen because of their intensity differences, in rainfall and runoff. The first event was less intense and with less consequences and the second event was more intense and with catastrophic consequences. Using a reservoir system simulation program - HEC-ResSim - the two events were studied using i) the current operating rules and the rules suggested in this thesis. Being the aim of the simulation to propose rules that could control or diminish both type of flood events impacts and, simultaneously, respecting the dams other purposes, optimizing the water storage. The suggested rules were simulated and tested through the comparison with the current operating rules. For the less intense event there was also performed an economic study to study the benefits from the discharge proposed, by the rules suggested, in the production of power. It was concluded that the suggested rules would optimize the management of the reservoir storage capability and achieve an efficient flood control. Simultaneously the economic losses in the energy production would be balanced by the storage of more inflow that would be turbinated later, with higher profit. KEYWORDS: Floods, Reservoirs, Optimization, Volumes management, HEC-ResSim. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. xii Figura 51 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ caudal observado): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro ......................................................................................... 63 Figura 52 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ obs): Distribuição do caudal efluente da albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 64 Figura 53 Caudais afluentes para a albufeira de Fronhas entre os dias 2 e 12 de Fevereiro .............. 65 Figura 54 Alternativa 1 (Percentil 25): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 65 Figura 55 Alternativa 1 (Percentil 25): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro .......................................................................................................................................... 66 Figura 56 Alternativa 1 (Percentil 25): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 66 Figura 57 Alternativa 2 (Percentil 50): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 67 Figura 58 Alternativa 2 (Percentil 50): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro .......................................................................................................................................... 67 Figura 59 Alternativa 2 (Percentil 50): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 68 Figura 60 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 69 Figura 61 Alternativa 3 (Percentil 75): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro .......................................................................................................................................... 69 Figura 62 Alternativa 3 (Percentil 75): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................. 70 Figura 63 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ Obs): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ........................................................................................................ 71 Figura 64 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ Obs): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ............................................................................................................................... 71 Figura 65 Alternativa 4 (Obs c/ Percentil 50): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro ........................................................................................................ 72 Figura 66 Caudais afluentes à sub-bacia do rio Ceira no período de 2 e 12 de Fevereiro, para diferentes percentis de caudal .............................................................................................................. 73 Figura 67 Caudais afluentes à sub-bacia de Coimbra (entre Raiva e Coimbra) no período de 2 e 12 de Fevereiro, para diferentes percentis de caudal ..................................................................................... 74 Figura 68 Caudais, não regularizados, afluentes a Coimbra, com proveniência da sub-bacia de Coimbra e do rio Ceira, no período de 2 e 12 de Fevereiro, para diferentes percentis de caudal ....... 74 Figura 69 Alternativa 1 (Percentil 25): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro ......................................................................................... 75 Figura 70 Alternativa 2 (Percentil 50): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro ......................................................................................... 76 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. xiii Figura 71 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro ......................................................................................... 77 Figura 72 Alternativa 4 (Percentil 50 com caudal observado): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro.................................................. 78 Figura 73 Efeitos das cheias de Janeiro de 2001 (SNIRH, 2015) ........................................................ 80 Figura 74 Queda de ponte devido à cheia de Janeiro de 2001 (Lourenço, 2015) ............................... 80 Figura 75 Caudal observado afluente à albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ............................................................................................................................................................... 82 Figura 76 Caudal observado afluente à albufeira de Fronhas no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ............................................................................................................................................................... 83 Figura 77 Caudal previsto afluente à sub-bacia da albufeira de Raiva no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 .......................................................................................................................................... 83 Figura 78 Caudal previsto afluente à sub-bacia do rio Ceira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 84 Figura 79 Caudal previsto afluente à sub-bacia de Coimbra no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 84 Figura 80 Caudal afluente e efluente à albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 85 Figura 81 Nível de água na albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ................. 85 Figura 82 Diferenciação do caudal efluente da albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ....................................................................................................................................................... 86 Figura 83 Caudal afluente e efluente à albufeira da Raiva no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ... 87 Figura 84 Nível de água na albufeira de Raiva no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ..................... 87 Figura 85 Diferenciação do caudal efluente da albufeira de Raiva no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ....................................................................................................................................................... 88 Figura 86 Caudal afluente e efluente à albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 88 Figura 87 Nível de água na albufeira de Fronhas no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ................. 89 Figura 88 Diferenciação de caudais efluentes à albufeira de Fronhas no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 .......................................................................................................................................... 90 Figura 89 Caudais não-regularizados (total e parcial) e regularizado afluentes a Coimbra no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 ................................................................................................................... 91 Figura 90 Comparação entre caudais efluentes da Aguieira, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 ................................................... 92 Figura 91 Comparação entre caudais efluentes da Raiva, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 ................................................... 93 Figura 92 Comparação entre caudais efluentes da Fronhas, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 ................................................... 93 Figura 93 Comparação entre caudais regularizados afluentes a Coimbra, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 ........................ 94 Figura 94 Caudal efluente da Aguieira, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, com as regras apresentadas em vigor e para as regras propostas .................................................................................................... 95 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. xiv Figura 95 Caudal regularizado afluente a Coimbra, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras em vigor e para as regras propostas .................................................................................................... 96 Figura 96 Hidrograma do caudal afluente e do caudal efluente da Albufeira da Aguieira entre os dias 26 e 29 de Janeiro (Rodrigues et al, 2001) ........................................................................................... 97 Figura 97 Caudal afluente a Coimbra não regularizado previsto (linha a azul) e caudal observado (linha vermelha) entre os dias 23 e 29 de Janeiro (Rodrigues et al, 2001) .......................................... 98 Figura 98 Evolução do preço da energia entre os dias 2 e 21 de Fevereiro ...................................... 100 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. xv ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 Legislação aplicável às barragens. .......................................................................................... 8 Tabela 2 Tempo de retorno para a cheia de projeto (NPB) .................................................................... 8 Tabela 3 Nível de pleno armazenamento (NPA) dependente do caudal afluente à Aguieira. ............. 19 Tabela 4 Dados de entrada (Input) e dados de saída (output) do HEC-ResSim ................................. 28 Tabela 5 Limite do aumento/diminuição do caudal descarregado, de acordo com a cota do nível de água na albufeira da Aguieira. .............................................................................................................. 45 Tabela 6 Regras de descarga do aproveitamento da Raiva para mitigação do risco de ultrapassar o NMC ...................................................................................................................................................... 46 Tabela 7 Albufeira de Fronhas: regras de abertura do descarregador de fundo de acordo com o caudal afluente ...................................................................................................................................... 46 Tabela 8 Albufeira de Fronhas: alteração às regras de abertura do descarregador de fundo de acordo com o caudal afluente ........................................................................................................................... 47 Tabela 9 Análise de receita na barragem da Aguieira por motivos de produção de energética .......... 99 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. xvi ABREVIATURAS APA – Agência Portuguesa do Ambiente ANPC – Autoridade Nacional de Proteção Civil CNPGB – Comissão Nacional Portuguesa das Grandes Barragens CGA – Comissão de Gestão de Albufeiras CSB – Comissão de Segurança de Barragens EDP – Energias de Portugal IGOT – Instituto de Geografia e Ordenamento do Território da Universidade de Lisboa INAG – Substituído pela APA IPMA – Instituto Português do Mar e da Atmosfera NCB – Normas de Construção de Barragens NDO – Nível de Defesa de Obra NEB – Normas de Exploração de Barragens NmE – Nível mínimo de Exploração NMC – Nível Máximo de Cheia NOIB – Normas de Observação e Inspeção de Barragens NPA – Nível de Pleno Armazenamento NPB – Normas de Projeto de Barragens RSB – Regulamento de Segurança de Barragens SNPC – Serviço Nacional de Proteção Civil SVARH – Sistema de Vigilância e Alerta de Recursos Hídricos Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO Em Portugal os principais cursos de água são regularizados através de barragens - existindo cerca de 351 barragens com capacidade de armazenamento superior a 1hm3 ou com mais de 15 metros de altura (CNPGB, 2015). A estas barragens estão associadas albufeiras com um ou vários fins, como a produção de energia hidroelétrica, proteção contra cheias, abastecimento de água às populações, à indústria ou à agricultura ou para atividades de lazer. Em determinadas situações – nomeadamente em situações de escassez ou excesso de água –, as diferentes utilizações poderão ser concorrentes e entrar em conflito. Por este motivo, há a necessidade de criação de regras de gestão das albufeiras que tenham em conta a satisfação das diferentes finalidades da albufeira para vários cenários de afluências. Comummente, essas regras são definidas de acordo com as estações do ano, associando a cada estação diferentes níveis de procura e de risco. Um exemplo desta prática é a imposição da permanência, durante os meses húmidos, de um nível baixo de água nas albufeiras que têm como função a proteção contra cheias. Esta regra pretende garantir um volume livre na albufeira para encaixe e amortecimento de uma possível cheia, durante o período do ano em que a probabilidade da ocorrência desses eventos é maior. Contudo, essa regra conflitua com a maximização da produção hidroelétrica, uma vez que diminui o desnível hidráulico do aproveitamento, e consequentemente a sua potência útil. Além disso, se esse ano for especialmente seco, essa regra poderá pôr em causa a existência de uma reserva de água considerável para satisfazer as restantes utilizações nos meses seguintes, especialmente as mais prioritárias como o abastecimento doméstico, industrial e agrícola. Neste contexto, é fundamental analisar as restrições que as regras de proteção de cheias – ainda muito conservadoras –, representam a nível de gestão dos aproveitamentos hidráulicos, nomeadamente o impacto que poderão ter na satisfação das diferentes utilizações, sobretudo na produção de energia hidroelétrica. Em Portugal, não há ainda legislação para definição de regras de gestão operacional das albufeiras (ICOLD European Club, 2014). No entanto, seguindo as orientações da legislação europeia que prevê a implementação de medidas que contribuam para mitigar os efeitos das inundações e secas (CE, 2000), é importante analisar o papel das albufeiras nessas situações e de que forma a definição de Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 2 regras de gestão mais flexíveis podem contribuir para uma melhor satisfação das diferentes utilizações sem por em causa a função de proteção contra cheias. 1.2. OBJETIVOS O objetivo principal do trabalho consiste na proposta de regras de gestão operacional para albufeiras de fins múltiplos, incluindo a função de regularização de cheias, tendo em conta a otimização dos volumes armazenados para os diversos fins e a minimização dos impactos das cheias. O presente trabalho enquadrou-se no âmbito de uma tese de Doutoramento em desenvolvimento na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto pela Mestre Engª Juliana Mendes, cujo tema é “Previsão de Alerta de Cheias em Bacias Regularizadas. Aplicação ao caso de uma bacia portuguesa”. Neste contexto, este trabalho focou-se no estudo do sistema de albufeiras Fronhas-Aguieira-Raiva, localizado na bacia do rio Mondego, correspondente também à área de estudo da referida tese de Doutoramento. Desta forma, neste estudo utilizaram-se os mesmos dados de base e alguns resultados dessa tese, nomeadamente as previsões de caudais de cheia afluentes às secções de estudo, obtidas através de simulação hidrológica com dados de previsão de precipitação. O objetivo específico deste estudo consistiu na análise de medidas operacionais para o sistema regulado Fronhas-Aguieira-Raiva, que através da gestão interligada das três albufeiras, evitem ou minimizem as inundações fluviais na cidade de Coimbra e no vale a jusante. Para tal, primeiro foram selecionadas situações de cheia com registo de inundações em Coimbra e, com base nos dados existentes, foi analisado – para cada uma dessas situações – o efeito causado em Coimbra pela regularização dos caudais nas albufeiras de Fronhas, Aguieira e Raiva, através da aplicação das regras de exploração dessas albufeiras, em vigor à data da cheia correspondente. Depois, com base nos resultados da análise anterior, foram estudadas outras alternativas de gestão operacional do sistema, entrando em conta com previsões de caudais resultantes do trabalho de doutoramento referido. Neste estudo foi utilizado o modelo de simulação da gestão de albufeiras Hec-ResSim. 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho encontra-se estruturado em 7 capítulos, sendo esta introdução o primeiro. O segundo capítulo serve como contextualização do estudo em questão. São apresentados os principais conceitos referentes ao planeamento e à gestão de albufeiras assim como breves referências à previsão de caudais afluentes em situações de cheia. No terceiro capítulo apresenta-se uma caracterização do caso de estudo e descrevem-se os dados utilizados ao longo do trabalho. No quarto capítulo descreve-se a metodologia utilizada, que tem por base a simulação da gestão interligada das albufeiras, efetuada com o programa de simulação HEC-ResSim. No capítulo cinco são apresentados e discutidos os resultados das simulações de um evento de cheia, com as regras de exploração em vigor na data do evento em questão, servindo esta simulação para validar o modelo e para reflexão sobre quais as medidas que poderão ser alteradas no sentido de melhorar a gestão do sistema, tornando-o mais sustentável do ponto de vista das suas várias utilizações. O sexto capítulo apresenta os resultados do estudo das alternativas para a gestão operacional do sistema com base em previsões de caudais para dois eventos de cheia – um dos analisados já no capítulo anterior Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 3 e outro diferente, de magnitude superior –, definindo assim regras de gestão que possibilitem a manutenção de níveis elevados de água nas albufeiras durante os meses húmidos, sem por em causa capacidade de encaixe de cheias para o qual o sistema foi planeado. Finalmente, no sétimo capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho, bem como algumas propostas gerais para otimização da gestão operacional de albufeiras em situações de cheia. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 4 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 5 2 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TRABALHO 2.1. INTRODUÇÃO Neste subcapítulo vão ser referidos os principais conceitos utilizados neste trabalho e cujo conhecimento melhora a compreensão do mesmo. Vai ser feita uma revisão sobre albufeiras assim como sobre a previsão hidrológica, desde a previsão de precipitações até à previsão de escoamentos superficiais derivados da precipitação. 2.2. ENQUADRAMENTO Este trabalho, como já referido, foca-se no controlo de situações de cheia através do uso de albufeiras. Para melhor entender como este controlo se realiza é necessário compreender o funcionamento de uma albufeira nesta situação e conhecer a legislação existente nesta matéria. Também é importante entender o que se entende por cheias e como se podem obter previsões do escoamento nessas situações. Estes processos são explicados neste capítulo. As cheias correspondem a um fenómeno de elevação do nível de escoamento, frequentemente durante um período relativamente curto de tempo (horas/dias), até ser atingido um pico de caudal afluente após o qual o nível de água retrocede a um ritmo mais lento (WMO, 2009). É um fenómeno hidrológico extremo que, frequentemente, se traduz no transbordo do leito corrente do curso de água, originando a inundação dos terrenos ribeirinhos, terrenos vizinhos ao leito do curso de água. Este terreno é denominado leito de cheia. Neste contexto, existe a necessidade de controlar o comportamento dos cursos de água, tentando reduzir ou até mesmo eliminar os efeitos nocivos de uma cheia. O risco de cheia encontra-se sempre presente num curso de água; contudo é possível minimizá-lo através de soluções estruturais, não-estruturais ou (frequentemente, o ideal) usando os dois tipos (Maia e Ribeiro, 1998). As albufeiras são normalmente utilizadas para controlo de cheias, permitindo alterar as características dos caudais de cheia a jusante da mesma, através do armazenamento temporário de uma parte do volume afluente. Deste modo, é possível modificar o hidrograma de cheia e reduzir o caudal de pico efluente a determinado local, evitando ou minimizando – conforme as características do hidrograma de cheia e a capacidade de encaixe da albufeira – os efeitos que a mesma provocaria em regime não regularizado. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 12 Para obter a previsão do escoamento superficial através das previsões de precipitação é necessário o uso de modelos hidrológicos ou modelos precipitação-escoamento. Existem vários software com essa finalidade. Um dos software que permite simular o processo precipitação-escoamento ao nível das bacias hidrográficas é, por exemplo, o HEC-HMS, desenvolvido pelo Hydrologic Engineering Center dos US Army Corps of Engineers (Moore e Bell, 2011; Quintela e Portela, 2002). Este programa permite simular todos os processos que ocorrem na bacia hidrográfica aquando da precipitação prevista, possibilitando a realização de simulações com um passo temporal definido entre um minuto e um dia. Dessa forma, e sendo um programa de utilização livre e criado por uma entidade oficial com notoriedade na área a nível internacional, este software é muito utilizado a nível nacional e internacional. 2.6.3. SISTEMA NACIONAL DE PREVISÃO DE CHEIAS Em Portugal, o Sistema de Vigilância e Alerta de Recursos Hídricos (SVARH), desenvolvido e operado pela autoridade nacional da água - a Agência Portuguesa do Ambiente (APA) -, foi estabelecido pelo Decreto-Lei n.º 115/2010 de 22 de Outubro como o sistema de previsão e de alerta para salvaguarda de pessoas e bens em situações de cheias. Este sistema, apesar de ainda não integrar as previsões de precipitação emitidas pelo Instituto Português do Mar e da Atmosfera, IPMA, permite conhecer em tempo útil a informação referente aos rios e às albufeiras do país (caudais, níveis de água e volumes armazenados) através da rede da rede nacional de monitorização dos recursos hídricos. Das entidades que cooperam neste sistema destacam-se o Serviço Nacional de Proteção Civil (SNPC), as Direções Regionais de Ambiente e os Produtores de Eletricidade. Na cheia do rio Mondego ocorrida a 26-27 de Janeiro de 2001 – uma das cheias com maiores impactos registados na bacia – o SVARH permitiu conhecer em tempo real a evolução da situação e, através desse conhecimento, foi possível, ainda assim, tomar medidas ao nível da gestão das albufeiras da Aguieira e de Fronhas para reduzir os efeitos da cheia, reduzindo-se os caudais máximos descarregados (Rodrigues et al, 2001). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 13 3 CASO DE ESTUDO 3.1. INTRODUÇÃO A história do rio Mondego está marcada pela ocorrência frequente de cheias que provocam a inundação das zonas marginais da cidade de Coimbra e do vale do Baixo Mondego, a jusante dessa cidade, algumas das quais tiveram graves consequências económicas e sociais. Segundo a base de dados DISASTER, do Centro de Estudos Geográficos, do Instituto de Geografia e Ordenamento do Território da Universidade de Lisboa (IGOT), no período entre 1865 a 2010 ocorreram 153 eventos de cheia/inundação com efeitos danosos. A essas ocorrências corresponderam 20 mortos, 873 evacuados e 628 desalojados. Estas situações devem-se à ocorrência comum de fenómenos de precipitação intensos na bacia hidrográfica, cuja localização e topografia são fatores favoráveis a esses fenómenos. O sistema de albufeiras interligadas Fronhas-Aguieira-Raiva foi construído, a montante de Coimbra, com a finalidade de regular os caudais afluentes a essa zona e armazenar água para diferentes fins, entre os quais se destacam a produção hidroelétrica, o abastecimento urbano, a rega de explorações agrícolas e o controlo de cheias. Com esse fim, este sistema de reservatórios tem capacidade total de armazenamento de 512,21 hm3. Neste contexto, o sistema de albufeiras Fronhas-Agueira-Raiva foi escolhido como caso de estudo deste trabalho, devido i) à possibilidade de minimizar os impactos de inundações em Coimbra através da diminuição antecipada dos volumes de água armazenados nas diferentes albufeiras para encaixe dos caudais cheias e também ii) à necessidade de manter os níveis de água suficientemente elevados nas albufeiras, para satisfazer as restantes utilizações de água, nomeadamente a sua importante vertente hidroelétrica. Neste capítulo vão ser apresentados os dados da bacia hidrográfica e do referido sistema de albufeiras, relevantes para o conhecimento dos eventos de cheia em estudo e para as simulações que foram realizadas. Será, também, apresentadas as regras de operação das albufeiras em vigor, propostas pela EDP, e aprovadas pelo Instituto Nacional da Água, INAG (atualmente integrado na Agência Portuguesa do Ambiente, APA) Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 14 3.2. CARACTERIZAÇÃO FISIOGRÁFICA O rio Mondego nasce na Serra da Estrela, a uma altitude de 1525 m, e a sua foz localiza-se na Figueira da Foz. O seu traçado tem orientação de nordeste a sudoeste e um comprimento total de 258 km. A bacia hidrográfica do rio Mondego tem uma área de 6645 km2 e é limitada pelas bacias dos rios Vouga e Douro, a norte, e dos rios Lis e Tejo, a sul. Os principais afluentes, no caso de estudo, são o rio Dão, Alva e o Ceira. Ao longo do seu traçado, o rio Mondego atravessa vales com características distintas, distinguindo-se normalmente os seguintes troços:  Alto Mondego: localizado na Serra da Estrela, caracterizado por vales glaciares;  Médio Mondego: localizado entre as fraldas da Serra da Estrela e Coimbra, caracterizado pelo rio serpenteado através de vales encaixados. Nesta zona afluem os rios Dão, Alva e Ceira;  Baixo Mondego: localizado a jusante de Coimbra, zona de vales abertos em zonas de planície. Afluem neste troço os rios Arunca e Pranto. O presente trabalho focou-se no troço do médio Mondego, onde se localiza o sistema Fronhas-AguieiraRaiva e a cidade de Coimbra, que é a principal cidade afetada pelas cheias ocorridas na bacia. Portanto, neste trabalho apenas se consideraram as contribuições dos afluentes Dão, Alva e Ceira. Neste trabalho os caudais afluentes aos cursos de água vão ser limitados tendo em atenção Coimbra e o troço do baixo Mondego que é a zona da bacia hidrográfica com maior área de inundação (figura 4) apresentando maior risco de cheia que os restantes troços. Figura 4 Bacia Hidrográfica do Mondego e Zona de Risco de Inundação, Mondego (SNIRH, 2015) Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 15 O rio Dão nasce próximo de Aguiar da Beira, na freguesia de Eirado. Conflui com o rio Mondego na albufeira da barragem da Aguieira. Tem um desnível máximo de cerca de 800m, nascendo a cota 840m, e comprimento de 92km, drenando uma área de 1377km2. É o afluente do rio Mondego com maior área de bacia hidrográfica. O rio Alva nasce próximo de Sabugueiro, Serra da Estrela, e conflui com o Mondego a cerca de 4km de Penacova, a jusante do aproveitamento de Raiva, na freguesia de Oliveira do Mondego. A sua nascente encontra-se à cota 1700, tendo de vencer um desnível de cerca de 1650m, o seu comprimento é de 111km e a sua bacia hidrográfica drena uma área de 708km2. O rio Ceira nasce na Serra do Açor, próximo da cota 1150 m, e conflui com o rio Mondego em Coimbra. O seu comprimento é cerca de 100 km e a sua bacia hidrográfica drena uma área de 737 km². 3.3. CARACTERIZAÇÃO HIDRO-METEOROLÓGICA A nível meteorológico, a bacia hidrográfica do rio Mondego é caracterizada por um clima temperado, havendo aumento de humidade à medida que se verifica aumento da altitude. O clima é assim condicionado pelo relevo, pelo que a área da Serra da Estrela e Viseu têm características de clima húmido. A influência do oceano Atlântico provoca a entrada de superfícies frontais que, ao se deslocarem para o interior, irão encontrar as zonas de maior relevo, dando origem a maior ocorrência de precipitação. Portanto, a zona da Serra da Estrela e Viseu são marcadas por um aumento da precipitação em relação à restante bacia hidrográfica. A precipitação anual ponderada, na bacia hidrográfica do Mondego, varia entre 641 mm e 1836 mm, apresentando um valor médio de 1136 mm. Num ano médio, o escoamento superficial médio é cerca de 3800hm3, sendo observado que cerca de 76 % do volume de escoamento ocorre no semestre húmido. 3.4. CARACTERIZAÇÃO DOS APROVEITAMENTOS HIDRÁULICOS Como já referido, os aproveitamentos hidráulicos estudados fazem parte de um sistema de três barragens – a barragem de Fronhas, no rio Alva, e as barragens Aguieira e Raiva, no rio Mondego – cujas albufeiras funcionam como um sistema de reservatórios interligados (Figura 5 – esquema do sistema). Este sistema tem uma potência instalada de 360 MW e uma produtividade média anual de 254,8GWh (EDP, 2015). A montante existe o Sistema Hidroelétrico da Serra da Estrela que é constituído por nove albufeiras e cinco centrais hidroelétricas. Estas apresentam potência instalada de 47 MW e uma produção média anual de 160 GWh. (INAG,2001). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 16 Figura 5 Sistema regulado Aguieira-Fronhas-Raiva (ARH-Centro, 2011) A albufeira da Aguieira é o grande reservatório desse sistema, recebendo água: i) da bacia a montante da sua barragem, ii) do rio Alva, através do túnel de transvase existente entre as albufeiras de Fronhas e Agueira, e iii) da albufeira da Raiva, localizada a jusante, através do sistema de bombagem existente na barragem da Aguieira. Relativamente ao grau de risco, estas três barragens são todas de classe I, classe que, segundo o regulamento de segurança de barragens (RSB), é atribuída as barragens que possuam no vale a jusante, onde a onda de inundação pode afetar a população, os bens e o ambiente, um nível de população residente igual ou superior a 25 pessoas. Neste caso, só em Coimbra, a população é 143.396 habitantes (Censos, 2011). 3.4.1. ALBUFEIRA DA AGUIEIRA A barragem da Aguieira está localizada no rio Mondego, distrito de Viseu, no concelho de Mortágua. É uma barragem de abóbadas múltiplas, em betão, que entrou em funcionamento em 1981 (figura 6). Tem como funções a produção de energia hidroelétrica, o abastecimento de água para rega e o controlo de cheias. A barragem tem altura de 89 m, acima da fundação, e o desenvolvimento do coroamento tem 400 m. O coroamento encontra-se à cota 126 m (EDP, 2015). Tem como órgãos de descarga:  2 descarregadores de cheias sobre a barragem, sendo a sua descarga controlada por comportas. A correspondente soleira está à cota 111 e apresentam um desenvolvimento 2x9,5 m. O caudal descarregado máximo é de 2080 m3/s;  1 descarregador de fundo, que atravessa a barragem, controlado por comporta e com um caudal de projeto de 180 m3/s;  3 grupos geradores reversíveis (turbinas-bombas) que funcionam numa central localizada no pé da barragem. O caudal descarregado máximo das turbinas é de 3x180 m3/s; A albufeira da Aguieira tem como área inundada 2000ha e uma capacidade total de volume armazenado de 450hm3. O nível de pleno armazenamento (NPA) é variável e depende das regras de operação Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 17 enquanto o nível mínimo de exploração (NmE) é de 110 m e o nível máximo de cheia (NMC) é de 126 m (SNIRH, 2015) Figura 6 Barragem da Aguieira (Pinto, 2015a). 3.4.2. ALBUFEIRA DA RAIVA A barragem de Raiva está localizada no rio Mondego, distrito de Coimbra, no concelho de Penacova. É uma barragem de gravidade, em betão, que entrou em funcionamento também em 1981 (figura 7). Tem como funções a produção de energia hidroelétrica e o controlo de cheia. A barragem tem de altura 36 m, acima da fundação, e o desenvolvimento do coroamento tem 200 m. A cota do coroamento encontrase nos 64,5 m (EDP, 2015). Tem como órgãos de descarga:  2 descarregadores de cheias, sobre a barragem, sendo a sua descarga controlada por comportas, estando a sua soleira a cota 52 m, com desenvolvimento 2x20 m. O caudal descarregado máximo é de 2000 m3/s;  1 descarregador de fundo, que passa através da barragem, controlado por comporta e com um caudal de projeto de 45,5 m3/s;  2 turbinas tipo Bolbo que funcionam numa central localizada no pé da barragem. O caudal de descarregado máximo das turbinas é de 2x80 m3/s; A albufeira de Raiva tem como área inundada 300 ha e uma capacidade total de 21 hm3. O NPA é variável, encontrando-se entre 60 m e 61,5 m, enquanto o NmE é de 54 m e o NMC é de 61,5 m. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 18 Figura 7 Barragem da Raiva (CNPGB, 2015) 3.4.3. ALBUFEIRA DE FRONHAS A barragem de Fronhas está localizada no rio Alva, distrito de Coimbra, no concelho de Arganil. É uma barragem em Arco, em betão, que entrou em funcionamento em 1984 (figura 8). Tem como funções a produção de energia hidroelétrica e o controlo de cheias. A barragem tem de altura 62 m, acima da fundação, e o desenvolvimento do coroamento tem 250 m. A cota do coroamento encontra-se nos 140 m. Tem como órgãos de descarga:  2 descarregadores de fundo, que passam através da barragem, controlados por comportas, estando o eixo do orifício a cota 92,5 m. Para o nível de água correspondente ao primeiro nível de defesa de obra o caudal descarregado é igual a 2x125 m3/s;  2 descarregadores de meio fundo, que passam através da barragem, controlados por comportas, estando o eixo do orifício a cota 100 m. Para o nível de água correspondente ao primeiro nível de defesa de obra o caudal descarregado é igual a 2x125 m3/s; A albufeira de Fronhas tem como área inundada 535 ha e uma capacidade total de 89 hm3. O NPA é variável, enquanto o NmE é de 117 m e o NMC é de 140 m. Possui dois níveis de defesa de obra (NDO) o primeiro à cota 130,5 m e o segundo à cota 136,5 m. O nível de defesa de obra tem como finalidade definir, em conjunto com o NMC, a capacidade de amortecimento da cheia milenar. A albufeira de Fronhas possui um túnel de derivação, controlado com comportas, com um comprimento de 8,2 km, que permite o transporte de água até à albufeira da Aguieira. Este túnel permite aumentar o potencial hidroelétrico das albufeiras da Aguieira e da Raiva. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 19 Figura 8 Barragem de Fronhas (Pinto, 2015b) 3.5. REGRAS DE OPERAÇÃO As regras de operação atuais foram definidas pela EDP, em 2007, para as três albufeiras. As regras em vigor obedecem às anteriormente definidas em 1983 e 1988. Cada albufeira possui as suas próprias regras de operação, sendo que as de Raiva estão dependentes do nível de água da Aguieira. As regras dependem da altura do ano. Note-se que as regras em estudo são as definidas para a época de cheias (15 de Outubro a 14 de Abril). Para a Aguieira os níveis de água da albufeira correspondentes ao NmE e ao NMC são os originalmente definidos, isto é, correspondem à cota 110m e 126m, respetivamente. Já o NPA depende do caudal médio do dia anterior. Tabela 3 Nível de pleno armazenamento (NPA) dependente do caudal afluente à Aguieira. Caudal médio no dia t Nível a atingir na albufeira no dia t+1 0 a 25m3/s 124,45m 25 a 50m3/s 123,90m 50 a 100m3/s 121,40m 100 a 150m3/s 119,35m Superior a 150m3/s 117,85m Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 20 O nível de defesa de obra (NDO) definido é 123m. Esta capacidade é o volume disponível entre os dois níveis de água. Os descarregamentos dependem da cota do nível de água na albufeira da Aguieira. Para níveis de armazenamento entre as cotas 117,85m e 119,35m permitem-se oscilações de nível, entre essas cotas, se tal for aconselhado por razões energéticas. Todas as descargas são feitas somente através de turbinamento. Quando o nível de água na albufeira da Aguieira se encontra entre as cotas 119,35m e 123m, o caudal mínimo a ser lançado é de 150m3/s. O caudal máximo é o mínimo entre 450m3/s e o complemento para um escoamento máximo de 1200 m3/s em Coimbra. Este complemento tem a finalidade de analisar a totalidade dos caudais afluentes a Coimbra (regularizados e não-regularizados 1 ) e evitar caudais superiores a 1200 m3/s através da limitação dos volumes descarregados. O valor de 1200 m3/s é escolhido por ser o caudal de dimensionamento do leito do rio Mondego a jusante de Coimbra (Rodrigues et al, 2001), provocando cheias consideráveis quando ultrapassado. O caudal efluente deverá ser descarregado através das turbinas da central hidroelétrica. Quando o nível de água da albufeira da Aguieira atingir a cota 123 m, que é o correspondente ao NDO, o caudal é incrementado de 350 m3/s por hora até à abertura completa dos descarregadores de cheia. Se entretanto o nível da albufeira tiver tendência para estabilizar ou baixar, então o caudal descarregado passa a ser igual ao afluente, se este for superior a 600 m3/s, ou igual a 600 m3/s, se o caudal afluente for menor ou igual a este valor. Nas regras de exploração da albufeira de Raiva os níveis definidos são o NmE, igual 54m, o NPA, igual a 60m e o NMC, igual a 61,5m. Os caudais descarregados dependem do nível da albufeira de Aguieira. Quando o nível de água da Aguieira se encontra entre 117,85 e 119m, o caudal descarregado em Raiva nunca é superior a 450 m3/s ou ao complemento para 1200 m3/s em Coimbra. Se a cota da albufeira da Aguieira se encontram entre as cotas 119 e 123m, o caudal descarregado na Raiva tem as mesmas limitações que as indicadas para a Aguieira. Quando a cota na albufeira da Aguieira é superior a 123m, o caudal descarregado na Raiva tem as mesmas limitações que as indicadas para a Aguieira. No entanto, se existir uma tendência para a cota do nível de água na Raiva subir, então o caudal efluente tem de ser igual ao caudal afluente. Para a albufeira de Fronhas, os níveis definidos são o NmE, igual a 117m, o NMC, igual a 140m e o NPA, apesar de não ser definido, é possível observar, através de análise de outros eventos, que se encontra em volta da cota 122m. Estão definidos dois níveis de defesa de obra, NDO1 e NDO2, nas cotas 130,5m e 136,5m, respetivamente. As regras definidas para Fronhas, a nível de caudais descarregados, só dizem respeito aos NDO. Atingindo o primeiro deve-se proceder à abertura completa do descarregador de fundo; Atingido o segundo, deve-se proceder também à abertura do descarregador de meio fundo. Devido à falta de informação sobre as descargas quando o nível de água da albufeira de Raiva é inferior à cota 130,5m, foi necessário analisar as descargas que ocorreram em determinado evento em que se possuíam os caudais afluentes e os efluentes. Observando os caudais efluentes foi possível concluir que estes 1 Neste trabalho, entende-se por caudais regularizados os caudais descarregados pelas albufeiras e os caudais não-regularizados provenientes do rio Ceira e da sub-bacia de Coimbra. Por caudais não regularizados entende-se o somatório de todos os caudais não regularizados afluentes às cinco subbacias em estudo (ver subcapítulo 4.2.) Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 21 dependiam dos caudais afluentes. Quando os caudais afluentes são inferiores a 50 m3/s, o caudal descarregado é o caudal ecológico, que é 2,0m3/s. Quando os caudais afluentes se encontram entre 50 e 80 m3/s, o caudal descarregado é igual a 50 m3/s e enquanto os caudais afluentes se encontram entre 80 e 120 m3/s os caudais descarregados são iguais a 100 m3/s. Por fim, se o caudal afluente é superior a 120 m3/s, o caudal descarregado será igual a 150 m3/s. O túnel de derivação entre a albufeira de Fronhas e a da Aguieira transporta caudal gravitíciamente. Portanto, enquanto a cota do nível de água da albufeira de Fronhas for superior à da Aguieira, o túnel mantem-se em funcionamento. Se as cotas se igualam ou a cota do nível de água da albufeira da Aguieira é superior à de Fronhas o túnel é fechado através das comportas que fazem parte do mesmo. Dada a importância deste sistema em situação de cheia, a sua exploração em eventos de cheia é feita em cooperação com a Agência Portuguesa do Ambiente, a APA, fornecendo esta as indicações que considerar adequadas, sobrepondo-se às regras em vigor. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 28 5. Decidir que caudal efluente se aplica na situação, dependente de todas as limitações definidas e dos dados de input no momento da decisão; 6. Tomada de decisão e consequente cálculo do volume armazenado; Algumas regras de operação podem entrar em conflito entre elas. Nessa situação, o programa prioriza segundo três parâmetros. Por ordem de prioridade estão: i) as limitações físicas, ii) as regras definidas pelo utilizador, dependendo da prioridade escolhida pelo utilizador, e iii) o caudal que permite manter o nível de água desejado, NPA (Hanbali, 2014) É com base neste 2º módulo que se avaliam as alternativas a serem simuladas. Para cada alternativa são definidos o espaço temporal de decisão e das series temporais do input, o modo de cálculo a utilizar, as regras de operação a serem utilizadas, os dados de entrada (tabela 4) e as series temporais, que são introduzidos através do HEC-DSS. A existência de várias alternativas é útil pois permite, para o mesmo evento em estudo, efetuar comparações de operação nas diferentes situações definidas para cada alternativa. Tal permitiu, neste trabalho, comparar várias alternativas para um mesmo evento, nomeadamente o diferente comportamento das regras propostas neste estudo com as regras de operação atuais (ver subcapítulo 3.5.) e comparar o comportamento das regras sugeridas para situações de diferentes caudais afluentes. Tabela 4 Dados de entrada (Input) e dados de saída (output) do HEC-ResSim Dados de Entrada (Input) Dados de Saída (output) Caudal afluente para período anterior ao simulado e para o período da simulação Caudal efluente por órgão definido Caudal efluente por órgão definido para período anterior ao simulado Cota do nível de água Cota do nível de água ou volume armazenado para período anterior ao simulado Volume armazenado - Energia Produzida - Informação da abertura das comportas O terceiro módulo, Simulation, é o que permite realizar a simulação. Antes de efetuada a simulação é necessário configurá-la, definir o espaço temporal em que a simulação se vai realizar, data e hora inicial e final, e a data e hora dos dados iniciais, e escolher quais as alternativas, criadas no segundo módulo, que irão ser analisadas. Após configurada a simulação é possível obter o Output (tabela 4) em forma gráfica ou através de relatório. Os dados finais obtidos são, nomeadamente, os caudais descarregados, os níveis de água obtidos, aberturas de comportas e energia produzida por albufeira. 4.3.2. CRIAÇÃO DO MODELO DE CÁLCULO Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 29 O primeiro passo para a criação do modelo foi a definição da sub-bacia hidrográfica no HEC-ResSim. Inicialmente no módulo watershed, foi criada a sub-bacia definindo-se os troços dos rios Mondego, a jusante e a montante da foz do Rio Alva, do Alva e do Ceira, com confluência em Coimbra. Foram definidos nós no início dos troços e na confluência dos rios Alva e Ceira com o Mondego. Foi definido o local das albufeiras e das barragens da Aguieira e Raiva, no rio Mondego, e de Fronhas no rio Alva. Também foi definido o transvase da albufeira de Fronhas para a da Aguieira (figura 11). Ao definir o local das albufeiras e barragens, o programa automaticamente criou pontos de computação nas duas extremidades das obras, a montante e a jusante. Figura 11 Esquema da sub-bacia criada para a simulação Após a referida definição do módulo, watershed, foi criada a rede de ligações entre todas as obras e troços dos rios, no módulo Reservoir Network. O programa estabeleceu a localização das albufeiras e do transvase, de acordo com a configuração definida primeiro módulo. A estes locais associou pontos de cálculo. De seguida limitaram-se os troços de rio, a serem simulados, a montante das albufeiras de Aguieira e Fronhas, o troço de ligação entre as albufeiras de Aguieira e Raiva, os troços a jusante da albufeira de Raiva e Fronhas até à foz do Alva, o troço da foz do rio Alva até ao ponto correspondente à confluência com o rio Ceira e por fim o troço até Coimbra (Figura 12). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 30 Figura 12 Rede de ligação entre albufeiras e pontos iniciais e finais dos rios Após a criação gráfica da rede de reservatórios e dos rios em estudo foi necessário atribuir os dados físicos de cada obra e ponto de afluência de caudais. No caso das albufeiras, os dados requeridos são as relações entre a cota da água e: i) o volume armazenado e ii) a área da superfície do espelho de água (figura 13). Estes dados foram obtidos através das curvas de capacidade das albufeiras e das curvas de áreas inundadas. Além dos dados das albufeiras é necessário fornecer os dados das barragens. No caso da Aguieira, esta possui um descarregador de fundo e dois de cheia (ambos controlados por comporta) e uma central hidroelétrica com três grupos com funcionamento controlado através de comportas (figura 14). Na Raiva, existe um descarregador de fundo e dois de cheia e uma central hidroelétrica com dois grupos com funcionamento controlado através de comportas. Em Fronhas existem dois descarregadores fundo, dois de meio fundo e um transvase com afluência na albufeira de Aguieira. Figura 13 Relação entre a cota do nível de água e: i) o volume da albufeira e ii) a área do espelho de água. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 31 Figura 14 Curva vazão dos descarregadores da albufeira da Aguieira As informações sobre os descarregadores, sobre o funcionamento das centrais e do transvase de Fronhas para Aguieira foram obtidos através das curvas de vazão desses órgãos, definindo-se para determinadas aberturas de comportas ou para a abertura total. No caso da existência de centrais hidroelétricas é necessário fornecer a informação da cota imediatamente a jusante da barragem, tailwater, assim com as caraterísticas da mesma. No caso da Aguieira o nível de água a jusante vai depender da cota da albufeira de Raiva e no caso de Raiva vai depender da curva de vazão do açude a jusante desta. Também é necessário fornecer ao programa os dados relativos à central hidráulica, como, definir uma lei de vazão para o circuito hidráulico (relacionando o caudal máximo descarregável através do circuito hidráulico com a altura da água na albufeira), a potência instalada, a eficiência e as perdas hidráulicas. Estes valores vão permitir obter os dados da energia produzida para as simulações realizadas. Após definidos os dados físicos das albufeiras e das barragens é necessário indicar em que pontos irá ocorrer afluência de caudal na bacia criada. No caso em estudo aflui caudal através dos pontos a montante das albufeiras de Aguieira e Fronhas, no início do rio Ceira, a montante da albufeira de Raiva, referente à sua sub-bacia, e em Coimbra, também referente à sua sub-bacia. De seguida é necessário inserir as regras de operação das albufeiras. Para a primeira simulação foram usadas as regras de operação atual (ver subcapítulo 3.5.) para as três barragens (figura 15). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 32 Figura 15 Regras de operação inseridas com base nas regras de operação atuais Após definidas todas regras de operação é necessário criar a configuração da(s) alternativa(s) a ser utilizada na simulação (figura 16). Na configuração é escolhido o intervalo de tempo de análise (time step), que pode se encontrar entre de 5min a 24h - no caso em estudo escolheu-se 3h. O cálculo dos caudais é definida de modo a dar os valores instantâneos dos mesmos. Figura 16 Criador de Alternativas de Simulação Para as alternativas deve ser definido as regras de operação a serem simuladas, para cada albufeira. São fornecidos os dados de entrada das condições fronteira, podendo estes ser constantes ou fornecidos através do HEC-DSS e das condições para a simulação, fornecidos também através do HEC-DSS (figura 17). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 33 Figura 17 Dados a serem fornecidos para o funcionamento da alternativa criada O passo final, antes da simulação e da obtenção dos dados de saída, é criar uma simulação, fornecendo a data e hora do início das condições inicias, e do início e do fim da simulação e escolher as alternativas a simular (figura 20). Figura 18 Criação de uma simulação, escolha do período em estudo e das alternativas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 34 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 35 5 SIMULAÇÃO E VERIFICAÇÃO DO MODELO 5.1. INTRODUÇÃO Neste capítulo apresentam-se os resultados da validação do modelo, que foi realizada através da simulação da gestão do sistema com os dados dos caudais afluentes registados nas albufeiras de Fronhas e da Aguieira, para o período de 2 a 12 de Fevereiro de 2014, utilizando as regras de operação em vigor (ver subcapítulo 3.5.). Como as albufeiras da Aguieira e da Raiva estão muito próximas, considerou-se que as afluências à Raiva correspondem apenas às descargas da Agueira. A validação foi efetuada comparando os resultados das simulações com os valores das variáveis registadas – caudais descarregados, turbinados e transferidos e níveis de água – nas três albufeiras em estudo e com a finalidade de verificar a utilização das regras de operação em vigor para as três albufeiras. 5.2. EVENTO DE CHEIA OCORRIDO A 6 E 7 FEVEREIRO DE 2014 No dia 6 de Fevereiro de 2014, o Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) divulgou um comunicado onde previa um aumento generalizado de precipitação no país. Associado a este aumento, a Autoridade Nacional de Proteção Civil (ANPC) alertou para a possibilidade de cheias nas bacias de vários rios, entre estes, o Mondego. A zona de Coimbra encontrava-se em aviso laranja, que representa um risco moderado a elevado (JN, 2014 a). Como se pode verificar através dos meios de comunicação nos dias seguintes, ocorreram cheias em Coimbra nos dias 6 e 7 de Fevereiro de 2014, tendo inundado o designado Parque Verde, parque citadino que se localiza ao longo da margem direita do Mondego. Nas figuras 19 e 20 pode constatar-se a dimensão das inundações ocorridas. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 36 Figura 19 Efeito das cheias na cidade de Coimbra no dia 6 de Fevereiro (Cortez, 2015) Figura 20 Efeito das cheias no Parque Verde, Coimbra (Cortez, 2015) Também ocorreram cortes de estradas devido às chuvas fortes, nos municípios de Mira, Figueira da Foz e Montemor-o-Velho (JN, 2014 b). Para este evento de cheia houve acesso aos dados observados de caudal afluente às albufeiras da Aguieira e de Fronhas, e aos dados observados das três albufeiras (caudais efluentes e níveis de água). Os dados observados foram usados como dados de entrada, como dados fronteira. Os caudais afluentes observados, de 2 a 12 de Fevereiro, na albufeira da Aguieira e Fronhas são apresentados nos gráficos das Figuras 23 e 24, respetivamente. Figura 21 Caudais Afluentes à albufeira da Aguieira entre 2 e 12 de Fevereiro 0 200 400 600 800 1000 1200 Caudal ( m3/s) Aguieira Caudal Afluente Observado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 37 Figura 22 Caudais Afluentes à albufeira de Fronhas entre 2 e 12 de Fevereiro O Açude-Ponte de Coimbra foi concebido de forma a evitar que o nível de água do rio em Coimbra ultrapasse a cota 18.8 m para caudais até 1200 m3/s, a partir do qual se anteveem graves prejuízos nessa cidade e no vale a jusante. No período aqui analisado, a cheia registada não atingiu essas dimensões. No entanto, a partir dos 800 m3/s afluentes a Coimbra, as zonas marginais da cidade são inundadas, como foi o caso. 5.2.1. ALBUFEIRA DE FRONHAS Na albufeira de Fronhas as regras de operação atuais só fazem referência aos níveis de água na albufeira superior a 130,5m. Para os restantes foram deduzidas, através da análise de caudais observados noutros eventos além dos estudados. Estas não se encontravam definidas nas regras de operação apresentadas no subcapítulo 3.5., o que poderá indicar a não existência de condicionantes. De modo a estudar a albufeira foram então deduzidas e aplicadas as regras deduzidas para se tentar obter a operação de Fronhas na situação de o nível de água ser inferior ao nível de defesa de obra. Inicialmente vai-se efetuar uma análise às regras propostas (figura 23) e depois uma análise às regras deduzidas (figura 24). 0 50 100 150 200 250 300 Cota Do nível de Água (m) Fronhas Caudal Afluente Observado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 44 6.2.1. ALBUFEIRA DA AGUIEIRA Para a Aguieira foram sugeridos, no âmbito deste trabalho, os seguintes níveis de água:  NMC -126 m (Nível de Máxima Cheia), mantendo-se igual ao atual;  NmE – 117 m (Nível mínimo de Exploração), alterando o atual que se encontrava na cota 110 m;  NDO – 124,5 m (Nível de Defesa de Obra), alterando o atual que se encontrava na cota 123,5 m;  O NPA (Nível de Pleno Armazenamento), foi alterado, e é dependente do caudal afluente instantâneo, sendo que, para um caudal até 190 m3/s, o NPA corresponde à cota 119 m, e quando o caudal é superior a 190 m3/s, o NPA corresponde à cota 117,5 m. As regras para descarga de caudais foram definidas de acordo com o nível atual da albufeira (pontos 1 a 4, abaixo). Nos (3) níveis de análise correspondentes aos pontos 2 a 4, abaixo, são usados três controlos de caudal a jusante o complemento para 1200 m3/s e dois outros controlos. O complemento, como já definido em 3.5., é a diferença entre o caudal que se pretende limitar para um determinado ponto a jusante das albufeiras, estabelecido pelo utilizador, e o caudal afluente não regularizado a esse ponto. Essa diferença, ou complemento, corresponde ao valor máximo do caudal que deverá ser descarregado por todas as albufeiras. O software – HEC-ResSim -, através de iterações, analisa o caudal total afluente ao ponto de controlo (regularizado e não regularizado) e, com base nessa informação, condiciona o volume que deve ser descarregado de modo a limitar o caudal afluente a esse ponto de controlo de acordo com o valor limite definido. Neste caso iremos usar como ponto de controlo Coimbra e o complemento vai sempre limitar o caudal máximo nesse local. O primeiro complemento limita em Coimbra caudais afluentes de 800 m3/s, de modo a tentar evitar cheias na cidade de Coimbra, ao longo das margens do Mondego. O segundo complemento limita em Coimbra caudais de 1000 m3/s, servindo como um complemento intermédio entre 800 m3/s e 1200 m3/s de modo a tentar minimizar as consequências de se ter ultrapassado os 800 m3/s e baixar a probabilidade de se atingir os 1200 m3/s. 1. Quando o nível de água na albufeira estiver abaixo de 119 m consideram-se regras distintas para 3 situações:  Se o caudal afluente se encontrar entre os valores 190 m3/s e 250 m3/s e o nível da albufeira for superior a 117,5 m, o caudal descarregado é o caudal máximo de turbinamento da central hidroelétrica, que é igual a 540 m3/s. Este valor irá permitir esvaziar a albufeira até à cota 117,5 m. Os valores de caudal afluente definidos foram definidos com base na observação temporal dos caudais, que, habitualmente, antecedem eventos de cheia;  Se o caudal for superior a 300 m3/s, o caudal efluente é igual a 300 m3/s;  Entre 250 m3/s e 300 m3/s o caudal efluente é igual ao afluente. Tal, de modo a manter a cota obtida através do descarregamento inicial da albufeira através das turbinas, provocado pela operação descrita no primeiro ponto;  Quando o caudal afluente se encontra abaixo de 190 m3/s não há restrições a nível de caudal descarregado e/ou turbinado. Em todos os casos referidos, a descarga deve ser efetuada pela central hidroelétrica, mantendo-se o descarregador de cheia fechado. 2. Quando o nível de água se encontrar entre os níveis 119m e 121m, o caudal descarregado mínimo é igual a 400m3/s e o caudal máximo é o complemento para Coimbra de 800m3/s. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 45 3. Se o nível de água se encontrar entre 121m e 124,5m, o caudal mínimo descarregado é 500m3/s e o caudal máximo é o complemento para Coimbra de 1000m3/s. 4. Quando o nível de água atinge a cota 124,5m, correspondente ao NDO, o caudal é aumentado de acordo com o nível de água. O incremento horário de caudal segue a regra da tabela 5. As correspondentes regras, limites e valores da Tabela 5 são também aplicáveis em termos de decrementos do nível de água, para a limitação do decréscimo do caudal de acordo com o nível de água, quando o mesmo se encontra a cota superior a 124,5m. Tabela 5 Limite do aumento/diminuição do caudal descarregado, de acordo com a cota do nível de água na albufeira da Aguieira. Cota do nível de água na Aguieira (m) Limite de aumento/diminuição horário (m3/s/hr) 124.5 50.0 125.0 75.0 125.2 90.0 125.4 115.0 125.5 125.0 125.6 150.0 125.8 180.0 126.0 350.0 Para a situação do nível de água estabilizar, fixa-se um caudal mínimo igual a 700 m3/s e o caudal máximo de acordo com o complemento para 1200 m3/s para Coimbra, sendo a ultima a regra com menor prioridade em relação às restantes regras sugeridas para o 4 nível de análise. 6.2.2. ALBUFEIRA DE RAIVA Na albufeira de Raiva foram definidos os seguintes níveis de água (idênticos aos atuais, 3.5.):  NMC – 61,5m;  NPA – 60m;  NmE – 54m. As regras de operação na albufeira de Raiva funcionam de acordo com o nível de água na albufeira da Aguieira. Quando o nível de água na Aguieira é menor ou igual a 119m o caudal mínimo a descarregar será 100m3/s e o máximo será o complemento para Coimbra de 800m3/s. Se o nível de água na Aguieira é maior que 119m e menor que 121m então o caudal mínimo a descarregar é 400m3/s e o máximo o complemento para 800m3/s. Quando o nível de água na Aguieira é maior ou igual a 121 e menor que 124,5m o caudal mínimo a descarregar é igual a 500m3/s e o caudal máximo será igual ao complemento para Coimbra de 1000m3/s. Se a cota do nível de água na Aguieira é superior a 124,5m o caudal efluente deve ser igual ao afluente. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 46 No caso de a cota do nível de água na Raiva atingir a cota 61,4m o caudal efluente deve respeitar as regras de descarregamento indicadas na tabela 6. Tabela 6 Regras de descarga do aproveitamento da Raiva para mitigação do risco de ultrapassar o NMC Caudal Afluente em Raiva (m3/s) Caudal Efluente em Raiva (m3/s/) 0 400 400 400 800 800 1500 1500 6.2.3. ALBUFEIRA DE FRONHAS Na albufeira de Fronhas foram definidos os seguintes níveis de água (idênticos aos níveis em vigor):  NPA – 120m;  NMC – 140m;  NDO1 – 130,5m;  NDO2 – 136,5m;  NmE – 117m. Quando a cota do nível de água na albufeira de Fronhas é menor que 130,5m as regras de descarga pelo descarregador de fundo, são dependentes do caudal afluente e seguem as regras indicadas na tabela 7. Tabela 7 Albufeira de Fronhas: regras de abertura do descarregador de fundo de acordo com o caudal afluente Caudal Afluente m3/s Caudal descarregado m3/s. 0.0-40.0 20.0 40.0-80.0 50.0 80.0-150 100.0 150.0-180.0 120.0 180.0-200.0 140.0 200.0-250.0 160.0 250.0-300.0 200.0 300.0-400.00 220.0 >400.0 250.0 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 47 O caudal descarregado também vai depender da cota do nível de água da albufeira. Dependendo da sua curva de vazão pode não ser possível descarregar o caudal pretendido, sendo descarregado o caudal máximo limitado pela curva de vazão do descarregador de fundo. Uma situação favorável porque usa a capacidade de armazenamento da albufeira, que é o objetivo pretendido. Recorde-se que quando a cota é menor que 130,5 m o descarregador de meio fundo se encontra fechado. Quando a cota do nível da água atinge 130,5 m (NDO1), procede-se à abertura total da comporta referente ao descarregador de fundo, ocorrendo a descarga máxima do mesmo, 250 m3/s. A esta cota mantem-se o descarregador de meio fundo fechado. Se atingida a cota do nível da água 136,5 m (NDO2), deve-se manter a abertura do descarregador de fundo e proceder-se à abertura completa da comporta do descarregador de meio fundo. Para esta cota o descarregador de meio fundo efetua a sua descarga máxima, aproximadamente 250m3/s, o que permite, a partir desta cota, uma descarga conjunta de 500 m3/s. O transvase da albufeira de Fronhas para a albufeira da Aguieira é realizado gravíticamente. Como tal devem ser tidas em consideração as cotas do nível de água de ambas as albufeiras. Se a cota do nível da água da Aguieira for igual ou superior a de Fronhas, então procede-se ao fecho das comportas de modo a evitar que o caudal se desloque no sentido Aguieira – Fronhas, oposto ao desejado. No caso da análise do evento de 2014 para a quarta alternativa (6.3.3.5.) e para o evento de 2001 (6.4.2.4.) foi sugerida uma regra diferente da indicada quando o nível de água na albufeira de Fronhas se encontra a uma cota inferior a 130,5 m. O caudal descarregado foi alterado, passando a ser o apresentado na tabela 8. Tabela 8 Albufeira de Fronhas: alteração às regras de abertura do descarregador de fundo de acordo com o caudal afluente Caudal Afluente m3/s Caudal descarregado m3/s. 0.0-40.0 20.0 40.0-80.0 50.0 80.0-120 100.0 120.0-150 140.0 150.0-180.0 150.0 180.0-200.0 160.0 200.0-250.0 180.0 250.0-300.0 200.0 300.0-400.00 220.0 >400.0 250.0 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 48 6.3. EVENTO DE FEVEREIRO DE 2014 Neste subcapítulo são apresentados os resultados para a análise do evento de Fevereiro de 2014 (ver 5.2.). Para este evento são apresentados os resultados obtidos, a nível de caudais efluentes, cotas do nível de água e da discriminação do caudal efluente (dependendo do órgão em que a descarga foi efetuada) por albufeira e para cada alternativa estudada. Como referido em 4.1., os valores dos caudais afluentes utilizados nesta análise corresponderam aos percentis 25, 50 e 75 relativos ao conjunto de resultados da simulação hidrológica utilizando 51 previsões de precipitação do ECMWF, com alcance temporal de 10 dias. Foram utilizados também os caudais obtidos a partir da precipitação observada nas sub-bacias relativas às albufeiras da Aguieira e de Fronhas. Foram, portanto, utilizadas as 4 alternativas definidas no subcapítulo 4.2.. Os dados de entrada utilizados para as albufeiras correspondem aos dados observados no período anterior ao início do evento simulado, os mesmos dados utilizados no estudo realizado no capítulo 4. 6.3.1. AGUIEIRA 6.3.1.1. Caudais Afluentes Analisando a Figura 30, que apresenta os vários dados referentes ao caudal afluente à Aguieira, previstos e observado, atenta-se que a previsão de caudal que mais se aproximou do hidrograma observado foi a referente ao percentil 75. O volume afluente no percentil 75 é 5% inferior ao observado, enquanto no percentil 50 e no 25, o volume previsto é 26 e 40% menor que o observado, respetivamente. Devido às discrepâncias entre os caudais previstos e o observado, também se simulou com os mesmos, além dos previstos. Como se analisará mais à frente, foi nos últimos caudais de pico que houve maior dificuldade em amortecer o caudal de cheia afluente para as últimas duas alternativas (percentil 75 e caudal observado) enquanto nas duas primeiras (percentil 25 e 50) foi obtido um bom controlo de caudal de cheia com maior facilidade. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 49 Figura 30 Caudais afluentes à albufeira da Aguieira entre os dias 2 e 12 de Fevereiro 6.3.1.2. Caudais Efluentes – Alternativa 1 Nas Figuras 31 e 32 apresentam-se os resultados das simulações para a primeira alternativa estudada, para os caudais afluentes, referentes ao percentil 25. Figura 31 Alternativa 1 (Percentil 25): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro 0 200 400 600 800 1000 1200 Caudal (m3/s) Aguieira - Caudal Afluente Percentil 25 Percentil 50 Percentil 75 Obs 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Caudal (m3/s) Aguieira - Alternativa 1 Caudal Afluente Caudal Efluente Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 50 Figura 32 Alternativa 1 (Percentil 25): Nível de água na albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro Considerando as previsões relativas ao percentil 25, os valores dos caudais afluentes são relativamente reduzidos, portanto o amortecimento dos picos de cheia não implica o uso de um volume significativo da capacidade de armazenamento da albufeira. Utilizando as regras propostas em 6.2., verificou-se que o caudal efluente resulta maioritariamente, num caudal constante de 300 m3/s, e no fim do evento igual a 400 m3/s. Isto ocorre pois o caudal afluente é um caudal reduzido, o que permite que, com um caudal efluente igual a 300 m3/s, o nível de água só ultrapasse a cota 119m no fim do evento, quando ocorre o aumento do caudal afluente para 400 m3/s, devido à alteração de regras, consequente devido à alteração de nível de água. No início do evento é realizada a descarga da albufeira, justificando os caudais elevados de 794,46 m3/s e 540 m3/s. O modelo faz uma análise do nível de água e do caudal afluente de modo a definir o caudal efluente. Na primeira descarga mais elevada, entre o início do dia 2 e o fim do dia 3, o nível de água encontra-se ligeiramente superior a 119,0 m o que implica o respeito das regras referentes ao correspondente patamar (superior a 119 m mas inferior a 121 m); devido ao baixo caudal natural afluente a Coimbra e ao amortecimento do caudal em Raiva, foi possível efetuar uma maior descarga, respeitando o complemento para 800 m3/s, correspondente a um caudal efluente de 794,46 m3/s, que levou à diminuição do nível de água para um valor inferior a 119,0m. Após esta diminuição o modelo começa a respeitar as regras de descarregamento referentes ao nível de água à cota 119 m, mantendo se um caudal turbinado constante de 540 m3/s. No início do evento, ocorre um caudal efluente de 0 m3/s e um consequente aumento da cota do nível de água, valores que decorrem das condições iniciais fornecidas ao modelo e que se referem aos valores observados. Sendo as condições iniciais idênticas nas quatro alternativas, isto vai acontecer em todas as alternativas estudadas. Após o caudal afluente ultrapassar os 250 m3/s, o caudal efluente passa a ser igual ao afluente, até este atingir 300 m3/s; a partir deste valor o caudal efluente mantem-se constante e igual a 300 m3/s. Sempre que o caudal afluente se encontra inferior a 300 m3/s, o efluente volta a ser igual ao afluente, o que permite nestes períodos manter o nível de água. 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 Cota do Nivel de Água (m) Nivel de água - Aguieira Nível de Água - Percentil 25 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 51 Como se pode observar na figura 32, durante o dia 11 de Fevereiro, a cota do nível de água ultrapassa os 119m, aumentando o caudal mínimo de 300 m3/s para 400 m3/s, caudal que é turbinado até ao final do evento. Durante este evento só foi utilizado o descarregador de cheia durante o período de 3 horas em que se descarregaram 794.46 m3/s, sendo que no restante período correspondente ao evento simulado o caudal nunca foi superior a 540 m3/s, o que permitiu que o caudal efluente fosse sempre turbinado e nunca houvesse necessidade de abertura do descarregador de cheia. 6.3.1.3. Caudais Efluentes – Alternativa 2 Nas Figuras 33 e 34 apresentam-se os resultados das simulações para a segunda alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 50. Figura 33 Alternativa 2 (Percentil 50): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro Figura 34 Alternativa 2 (Percentil 50): Nível de água na albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro 0 100 200 300 400 500 600 700 Caudal (m3/s) Aguieira - Alternativa 2 Caudal Afluente Caudal Efluente 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 Cota do Nível de Água Aguieira - Nivel de Água Nível de Água - Percentil 50 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 52 Considerando as previsões relativas ao percentil 50, assistimos a caudais afluente mais elevados que na alternativa 1, com caudais de pico entre os 500 m3/s e os 600 m3/s. No início do evento, devido ao caudal efluente e à cota da albufeira, efetuou-se a descarga da albufeira, baixando a cota da albufeira de 119,17 m para 117,46 m. Após atingida a cota de 117,46m, o caudal efluente passou a ser igual ao afluente, mantendo o nível de água com a cota constante e igual a 117,46m. Quando se verificou um aumento do caudal afluente, ainda com o nível de água a uma cota inferior a 119m, o caudal efluente aumentou para 300 m3/s. Este caudal mantem-se constante até ao início do dia 8 de Fevereiro, no qual se ultrapassou a cota do nível de água 119m, e portanto o caudal mínimo passou de 300 m3/s para 400 m3/s. Verificando-se este caudal mínimo até ao fim do evento. No início do dia 9 de Fevereiro, houve um aumento do caudal efluente para 500 m3/s. Este caudal ocorreu respeitando a regra do complemento para 800 m3/s para Coimbra, voltando a baixar para o mínimo. Este aumento para 500m3/s ocorre devido à uma diminuição do caudal natural afluente a Coimbra, permitindo aumentar o efluente, sem ultrapassar o limite de 800 m3/s em Coimbra. O nível de água na Aguieira, na figura 35, demonstra o que foi discutido acerca dos caudais efluentes. Inicialmente temos o decréscimo devido à descarga inicial. No resto do evento verificamos uma tendência para o nível de água aumentar. 6.3.1.4. Caudais Efluentes – Alternativa 3 Nas Figuras 35 e 36 apresentam-se os resultados das simulações para a primeira alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 75. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Caudal ( m3/s) Aguieira - Alternativa 3 Caudal Afluente Caudal Efluente Figura 35 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 53 Figura 36 Alternativa 3 (Percentil 75): Nível de água na albufeira da Aguieira no período de 2 e 12 de Fevereiro No percentil 75, o caudal afluente apresenta caudais de pico mais elevados, sendo o maior afluente superior a 800 m3/s. O comportamento inicial será semelhante ao ocorrido nos restantes percentis com uma descarga inicial em que a cota do nível de água decresce até à cota 117,37 m, seguida de um período em que o caudal efluente é igual ao caudal afluente. Como a cota inicial, do nível de água, se encontra acima de 119m então a descarga inicial vai ser superior, porque as regras neste período dizem respeito ao patamar entre as cotas 119m e 121m. Com uso do amortecimento da albufeira de Raiva, pode-se descarregar 800 m3/s respeitando o complemento para 800 m3/s para Coimbra. Sendo esta descarga realizada pelas turbinas da central hidroelétrica mais o descarregador de cheia, que descarrega a diferença entre o máximo turbinável e o efluente total. Atingida a cota 119m, o descarregamento passa a ser efetuado somente pelas turbinas. Até ao fim do dia 4 e início do dia 5 o caudal mantem-se igual ao afluente, nessa altura, o afluente ultrapassa os 300 m3/s e, respeitando as regras, o caudal efluente passa a ser 300 m3/s até atingir o nível de água atingir a cota 119m. Isto acontece no dia 6, aumentando o caudal mínimo para 400 m3/s, caudal que se mantem constante até ao dia 9, quando o nível de água ultrapassa a cota 121m. Ultrapassada a cota 121m, o caudal mínimo passa a ser 500 m3/s mantendo-se este caudal até ao fim do evento, em que a cota do nível de água atinge os 123m. Estes caudais mínimos não vão conseguir impedir a ocorrência de cheias como se vai verificar no subcapítulo 6.5.. 6.3.1.5. Caudais Efluentes – Alternativa 4 Nas Figuras 37 e 38 apresentam-se os resultados das simulações para a primeira alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 50 e aos caudais obtidos através da precipitação observada. 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 Cota do Nível de Água (m) Aguieira - Nivel de Água Nível de Água - Percentil 75 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 60 Figura 46 Alternativa 2 (Percentil 50): Distribuição do caudal efluente da albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro 6.3.2.4. Caudais Efluentes – Alternativa 3 Nas Figuras 47 e 48 apresentam-se os resultados das simulações para a terceira alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 75. Na figura 49 apresenta-se a discriminação do caudal efluente, dependendo do órgão de descarga que foi utilizado. Figura 47 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro 0 100 200 300 400 500 Caudal (m3/s) Raiva - Alternativa 2 Caudal Turbinado Caudal - Descarregador de Cheia 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Caudal (m3/s) Raiva - Alternativa 3 Caudal Efluente Caudal Afluente Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 61 Figura 48 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro No percentil 75 voltamos a obter uma variação do nivel de água inicial, de modo a baixar o nivel para a cota 60m e cumprir o complemento para 800 m3/s para Coimbra. Até ao inicio do dia 5 de Fevereiro o caudal efluente mantem-se igual ao afluente, sendo o controlo de Coimbra efectuado pela albufeira da Aguieira. Após este dia começamos a ter variações do nivel de água. No dia 6 de Fevereiro ocorre um aumento do caudal afluente a Raiva e do caudal não regularizado a Coimbra. De modo a ser cumprido o complemento dos 800 m3/s, mantem-se um caudal efluente mais baixo, elevando o nivel de água. Quando este atinge os 61,5m, foi necessário descarregar um maior caudal que anteriormente de modo a rapidamente baixar a cota. Esta descarga de 773,2 m3/s não cumpre o complemento para 800 m3/s, mas cumpre o complemento para 1200 m3/s. Esta descarga vai inundar a zona marginal de Coimbra mas evita consequências mais gravosas nesse local e no vale a jusante pois o valor do caudal é inferior a 1200 m3/s. Após ocorrido o pico de caudal efluente o caudal volta a baixar, sendo este igual ao afluente e no início do dia 8 amortecendo o caudal, que vai provocar caudais em Coimbra na ordem dos 1000 m3/s. Este caudal manten-se até ao início do dia 9, onde mesmo com o amortecimento da Aguieira e de Raiva, o caudal afluente a Coimbra vai ultrapassar ligeiramente os 1200 m3/s, não cumprindo o complemento para 1200 m3/s. Rapidamente este caudal volta a diminuir, permitindo em Raiva uma descarga mais elevada, baixando novamente o nivel de água da albufeira, mas sem provocar caudais superiores a 1200 m3/s. O caudal efluente final, de dia 11, também vai provocar caudais elevados em Coimbra. Neste dia ocorrem os caudais de pico dos caudais não regularizados mais elevados, e como tal foi necessário o amortecimento de Raiva de modo a cumprir o complemento para 1200 m3/s para Coimbra, o que provocou um aumento do nível de água até à cota 61,5m. 57 57.5 58 58.5 59 59.5 60 60.5 61 61.5 62 Cota do Nível de Água (m) Raiva - Nivel de Água Percentil 75 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 62 Figura 49 Alternativa 3 (Percentil 75): Distribuição do caudal efluente da albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro 6.3.2.5. Caudais Efluentes – Alternativa 4 Nas Figuras 50 e 51 apresentam-se os resultados das simulações para a quarta alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 50 e ao caudal obtido através da precipitação observada. Na figura 52 apresenta-se a discriminação do caudal efluente, dependendo do órgão de descarga que foi utilizado. Figura 50 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ caudal observado): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro 0 100 200 300 400 500 600 700 Caudal (m3/s) Raiva - Efluente Caudal Turbinado Caudal - Descarregador de Cheia 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Caudal (m3/s) Raiva - Alternativa 4 Caudal Efluente Caudal Afluente Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 63 Figura 51 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ caudal observado): Caudal afluente e efluente para a albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro No início do evento correspondente à quarta alternativa ocorre o descarregamento da Albufeira, durante o qual o nível de Raiva obtido é o NPA. Durante este período, através do uso do nível de água na Raiva, foi possível descarregar a albufeira da Aguieira cumprindo o complemento para 800 m3/s. Seguiu-se um período em que o caudal efluente foi igual ao afluente, mantendo a cota igual ao NPA (figura 51) e mantendo o caudal afluente a Coimbra menor que 800 m3/s. No início do dia 6 verificou-se um aumento no caudal afluente de Raiva, devido à cota do nível de água da albufeira da Aguieira ter ultrapassado os 121m, e um aumento no caudal não regularizado afluente a Coimbra, proveniente da sub-bacia de Coimbra e do rio Ceira. Este aumento fez com que fosse necessário reduzir o caudal efluente de Raiva, de modo a cumprir o complemento para 800 m3/s, levando a um aumento do nível de água em Raiva, nível que foi baixado no início do dia 7 cumprindo o complemento para 800 m3/s para Coimbra. No início do dia 8, houve um aumento do caudal afluente a Raiva e do caudal não regularizado a Coimbra. Foi necessário diminuir o caudal efluente de Raiva, elevando o nível de água em Raiva até 61,3m. Apesar não ter sido possível cumprir o limite dos 800 m3/s, foi possível cumprir o limite dos 1000 m3/s. Este limite foi cumprido até ao fim do evento, através da gestão da Aguieira e Raiva e das respetivas capacidades de armazenamento. O caudal máximo afluente a Coimbra ocorreu durante o dia 9 de Fevereiro, caudal de valor igual a 1103 m3/s, e que não foi possível amortecer, apesar de ter sido evitado caudais mais elevados, porque este caudal máximo é coincidente com os caudais de pico dos caudais afluentes, tanto os regularizados como os não regularizados, que perfizeram cerca de 370 m3/s, e coincidente com o aumento do caudal efluente da Aguieira derivado da subida de nível de água, alterando as regras de descarregamento. Novamente, os caudais efluentes serão o caudal máximo turbinável somado ao caudal descarregado, que descarregará o resto do caudal efluente. 59 59.5 60 60.5 61 61.5 Cota do Nível de Água (m) Raiva - Nivel de Água Obs c/ Percentil 50 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 64 Figura 52 Alternativa 4 (Percentil 50 c/ obs): Distribuição do caudal efluente da albufeira da Raiva no período de 2 e 12 de Fevereiro 6.3.3. FRONHAS 6.3.3.1. Caudais Afluente No gráfico 53 podem observar-se os caudais afluentes referentes às várias alternativas simuladas. No caso de Fronhas, tal como na Aguieira, possuem-se os caudais obtidos através das precipitações observadas (4.2.). Os valores dos caudais previstos mais aproximados aos referidos caudais observados correspondem às previsões de caudal do percentil 75. Apesar dessa semelhança deverá salientar-se que a curva de caudais correspondente ao percentil 75 apresenta maior volume de cheia e maiores valores de picos de cheia. Tal como na Aguieira (6.3.), foi simulado também o caudal observado devido às diferenças entre os caudais previstos 0 100 200 300 400 500 600 Caudal (m3/s) Raiva - Efluente Caudal Turbinado Caudal - Descarregador de Cheia Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 65 Figura 53 Caudais afluentes para a albufeira de Fronhas entre os dias 2 e 12 de Fevereiro 6.3.3.2. Caudais Efluentes – Alternativa 1 Nas Figuras 54 e 55 apresentam-se os resultados (caudais e níveis de água, respetivamente) das simulações para a primeira alternativa estudada, para os caudais afluentes referentes ao percentil 25. Na figura 56 é apresentada a discriminação da distribuição do caudal efluente, entre o valor do transvase (para a Aguieira) e a descarga para jusante (através da descarga de fundo). Figura 54 Alternativa 1 (Percentil 25): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro 0 50 100 150 200 250 300 Caudal (m3/s) Fronhas - Caudal Afluente Percentil 25 Percentil 50 Percentil 75 Obs c/ Percentil 50 0 50 100 150 200 Caudal (m3/s) Fronhas - Alternativa 1 Caudal Afluente Caudal Efluente Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 66 Figura 55 Alternativa 1 (Percentil 25): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro Para o percentil 25 o caudal afluente é relativamente baixo. Os caudais de pico são inferiores a 200 m3/s, o que, segundo as regras definidas no subcapítulo 6.2.3., vai conduzir a caudais descarregados máximos, de 140 m3/s. Os reduzidos valores dos caudais afluentes vai conduzir a que o nível de água seja progressivamente descendente. Durante o evento analisado a cota do nível de água foi reduzida de 129,81m para 123,75m. Devido ao baixo caudal que, em simultâneo, aflui à albufeira da Aguieira, a cota do nível de água desta não vai igualar ou ultrapassar a cota do nível de água da albufeira de Fronhas, pelo que o transvase Fronhas-Aguieira se mantém em funcionamento durante todo o evento. Por outro lado, devido à tendência de diminuição do nível de água em Fronhas, o caudal transferido terá também tendência a diminuir. A alternativa analisada (percentil 25) não apresenta grandes problemas de gestão operacional dos caudais. Neste caso poderiam, até, ser descarregados pela descarga de fundo caudais mais baixos de modo a armazenar mais água na albufeira, o que permitiria aumentar o aproveitamento energético da Aguieira e Raiva. Figura 56 Alternativa 1 (Percentil 25): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro 117 119 121 123 125 127 129 131 133 135 137 139 Cota do Nível Água (m) Fronhas - Nivel de Água Percentil 25 0 50 100 150 Caudal (m3/s) Fronhas - Caudal Efluente Transvase Descarregador de Fundo Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 67 6.3.3.3. Caudais Efluentes – Alternativa 2 Nas Figuras 57 e 58 apresentam-se os resultados das simulações para a segunda alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 50. Na figura 59 apresentação a discriminação do caudal efluente, dependendo do órgão de descarga que foi utilizado. Figura 57 Alternativa 2 (Percentil 50): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro Figura 58 Alternativa 2 (Percentil 50): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro No caudal associado ao percentil 50, ocorre um caudal superior que influencia tanto a evolução da cota do nivel de água na albufeira como o caudal a ser descarregado e transferido. Esta alternativa, comparativamente com o percentil 25, tem uma cota mais elevada, não hé um decrescimo tão acentuado. A cota minima atingida é 126,48m. O facto de manter uma cota mais elevada permite ter um caudal transferido para a albufeira da Aguieira maior, superior a 25,568m3/s, e não há necessidade de fechar a comporta do transvase, já que a cota da albufeira da Aguieira nunca é superior a 126m, o seu NMC. 0 50 100 150 200 250 Caudal (m3/s) Fronhas - Alternativa 2 Caudal Afluente Caudal Efluente 117 119 121 123 125 127 129 131 133 135 137 139 Cota do Nível de Água (m) Fronhas - Nivel de Água Percentil 50 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 68 A nivel de caudal efluente descarregado através do descarregador de cheia, em média, é semelhante ao descarregado na alternativa usando o percentil 25. Sendo no primeiro, percentil 50, igual a 107,982m3/s e, no percentil 25, igual a 96,377m3/s. O que justifica a evolução da cota do nivel da água para a alternativa do percentil 50, comparativamente com a primeira alternativa, com uma cota superior a partir do primeiro caudal de pico afluente. Ou seja, nesta alternativa, há maior armazenamento do caudal de cheia e portanto um melhor amortecimento do caudal de cheia. Para os caudais afluente mais elevados, da ordem dos 200 m3/s o caudal descarregado vai ser 160 m3/s,. Podemos observar que para os caudais de pico a cheia é sempre amortecida. O caudal efluente vai ser importante neste amortecimento também porque impede a cota de atingir o NDO, que obrigaria a descargas mais elevadas, como ocorreu no caudal afluente do percentil 75, analisado de seguida. Figura 59 Alternativa 2 (Percentil 50): Distribuição do caudal efluente da albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro 6.3.3.4. Caudais Efluentes – Alternativa 3 Nas Figuras 60 e 61 apresentam-se os resultados das simulações para a terceira alternativa estudada, com os caudais afluentes referentes ao percentil 75. Na figura 62 apresentação a discriminação do caudal efluente, dependendo do órgão de descarga que foi utilizado. 0 50 100 150 200 Caudal (m3/s) Fronhas - Caudal Efluente Transvase Descarregador de Fundo Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 69 Figura 60 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal afluente e efluente para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro Figura 61 Alternativa 3 (Percentil 75): Nível de água para a albufeira de Fronhas no período de 2 e 12 de Fevereiro A terceira alternativa, percentil 75, é a alternativa que apresenta o maior caudal afluente à albufeira de Fronhas. Este caudal sendo mais elevado que o obtido pelas precipitações observadas é uma previsão conservativa. O caudal afluente inicial é superior a 80 m3/s mas inferior a 150 m3/s até ao início do dia 4, portanto o caudal a descarregar pelo descarregador de cheia é igual a 100 m3/s, caudal ao qual se soma o caudal transferido para a albufeira da Aguieira. Durante este período foi possível baixar o nível de água que inicialmente se encontrava nos 129,81 m até à cota 126,55m. No dia 5 ocorre o primeiro pico de cheia com caudal igual a 254,02 m3/s. O aumento do caudal afluente é acompanhado pelo efluente com caudais de 120 m3/s, 160 m3/s e atingindo 200 m3/s. Descendo posteriormente o caudal até aos 100 m3/s. 0 50 100 150 200 250 300 Caudal (m3/s) Fronhas - Alternativa 3 Caudal Afluente 75% - Caudal Efluente 117 122 127 132 137 Cota do Nível de Água (m) Fronhas - Nivel de Água Percentil 75 Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 76 Figura 70 Alternativa 2 (Percentil 50): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro Na segunda alternativa simulada, com o percentil 50, o caudal não regularizado apresenta risco de cheia em Coimbra. O caudal de pico máximo, de 1057,8 m3/s, ocorre dia 9 de Fevereiro, às 03:00 horas, e é superior ao limite de 800 m3/s. O caudal não regularizado apresenta outros dois caudais de pico que ultrapassam os 800 m3/s. Os restantes dois caudais de pico são de valor igual a 952 m3/s, dia 6 de Fevereiro e 1041,5 m3/s, dia 11 de Fevereiro. O caudal regularizado apresentar o mesmo comportamento inicial, um caudal elevado, influenciado pelo esvaziamento da albufeira da Aguieira para a cota 117,5m, de valor máximo igual a 780,17 m3/s. Após atingida a cota desejada na Aguieira, o caudal regularizado desce de valor, continuando a ser superior ao não regularizado. Quando se inicia um aumento do caudal não regularizado, no início do primeiro pico de cheia, o caudal regularizado começa a decrescer de modo a amortecer o caudal de cheia. No segundo pico de cheia, cujo caudal já é significativo para Coimbra, o caudal é amortecido para o valor máximo de 746,49 m3/s, mantendo o caudal regularizado inferior a 800 m3/s. No dia 08 de Fevereiro, foi regularizado um caudal que atinge e mantem-se igual a 800 m3/s. A incapacidade de cumprir o limite de 800m3/s para Coimbra foi influenciada pelo aparecimento de um caudal mais elevado por parte das sub-bacias de Raiva e do rio Ceira. A partir do dia 9, às 6:00 horas, o caudal afluente a Coimbra, regularizado, vai ser sempre igual a 800 m3/s até ao final do evento. Ultrapassado este caudal ligeiramente durante o dia 9, com 853,61 m3/s, sendo esta a única exceção Concluído, para as previsões do percentil 50 as regras de operação propostas foram capazes de evitar que os caudais afluente a Coimbra ultrapassassem os 800 m3/s, com exceção para o caudal de 853,61 m3/s que ocorre no dia 9. Portanto foi possível evitar cheias na cidade de Coimbra, apesar de ser possível a ocorrência de cheias durante um curto período no evento, associado ao caudal superior a 800 m3/s. 0 200 400 600 800 1000 1200 Caudal (m3/s) 50 % - Caudal Regularizado vs Não regularizado Caudal Não Regularizado Caudal Regularizado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 77 Figura 71 Alternativa 3 (Percentil 75): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro Na terceira alternativa simulada, com o caudal referente ao percentil 75, o caudal não regularizado, como se pode observar, apresenta risco elevado de originar cheias em Coimbra e a jusante. Isto verifica-se porque o caudal não regularizado apresenta um caudal de pico máximo de 1542,1 m3/s e caudais de pico com os valores de 1254,9 m3/s 1464,3 m3/s. Todos estes caudais são superiores a 1200 m3/s, caudal considerado como caudal de dimensionamento do leito central do Mondego a jusante do açude de Coimbra (Rodrigues et al, 2001) O efeito de caudais superiores foi possível verificar na cheia de Janeiro de 2001. Analisando o caudal regularizado afluente a Coimbra, tem-se inicialmente um caudal influenciado pelo esvaziamento da albufeira da Aguieira, que não atinge os 800 m3/s, seguindo-se por um caudal afluente semelhante ao não regularizado, até ao dia 4 de Fevereiro às 24:00 horas. No dia 4, o caudal não regularizado sofre um aumento acompanhado pelo aumento do caudal regularizado. O caudal regularizado mantem-se inferior a 800 m3/s até ao início do dia 5 onde atinge este valor. No início do dia 6 o caudal sofre um aumento até 1091,7 m3/s, devido a descarga efetuada na albufeira de Raiva. De seguida foi possível voltar a baixar o caudal. Após novo aumento do caudal não regularizado, não foi possível cumprir o complemento para 800 m3/s, mas foi possível manter o caudal abaixo dos 1200 m3/s. O cumprimento do complemento para 1200 m3/s só não foi possível no dia 8 de Fevereiro, em que o caudal regularizado atingiu o valor máximo de 1256,8 m3/s, durante 6 horas. Seguidamente foi possível baixar novamente o caudal que voltou a estar próximo dos 1200 m3/s no início do dia 10 mas não atingindo esse valor. Concluindo, foi possível limitar o caudal no complemento dos 800 m3/s para Coimbra, evitando cheias na mesma, até ao dia 5, a partir do qual o caudal ultrapassou este valor. O caudal regularizado chegou a atingir e ultrapassar os 1200 m3/s por 6 horas mas por valores reduzidos, criando a possibilidade de pequenas cheias a jusante, mas não evitando cheias em Coimbra. O caudal afluente a Coimbra é elevado devido à influência das sub-bacias não regularizadas, Coimbra e o rio Ceira, que possuem caudais afluentes elevados. 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Caudal (m3/s) 75% - Caudal Regularizado vs Não regularizado Caudal Não Regularizado Caudal Regularizado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 78 Figura 72 Alternativa 4 (Percentil 50 com caudal observado): Caudal regularizado e caudal não regularizado afluentes a Coimbra no período de 2 e 12 de Fevereiro A última alternativa em estudo é a referente aos caudais obtidos através precipitação observada para a albufeira da Aguieira e de Fronhas e aos caudais previstos para as sub-bacias de Raiva e Coimbra e para o rio Ceira, referentes ao percentil 50. Observando o caudal afluente não-regularizado, verifica-se que a partir do dia 5 de Fevereiro até ao fim do evento o caudal só é menor que 800 m3/s no fim do dia 6, durante 9 horas, o que impossibilitou evitar possíveis cheias em Coimbra. Tendo sido impossível evitar cheias em Coimbra, os complementos subsequentes, de 1000 m3/s e 1200 m3/s, têm como finalidade tentar evitar que o caudal regularizado cause prejuízos a jusante. O caudal não regularizado possui quatro picos de cheia, sendo o primeiro, dia 5 de Fevereiro, com um caudal de 1031,8 m3/s, o segundo, dia 8 de Fevereiro, com um caudal de 1234,0 m3/s, o terceiro e o mais elevado, dia 10 de Fevereiro, com um caudal de 1504,0 m3/s e o quarto, no fim do evento, dia 11 de Fevereiro com um caudal de 1258,1 m3/s. Como se pode verificar por análise do caudal regularizado, o caudal afluente a Coimbra nunca irá igualar ou ultrapassar os 1200 m3/s. Inicialmente existe um caudal regularizado mais elevado, não chegando a atingir os 800 m3/s, que é influenciado pelo esvaziamento da albufeira da Aguieira. Seguindo-se um período em que o caudal regularizado é semelhante ao caudal não regularizado. Quando o caudal não regularizado ultrapassou os 800 m3/s, o caudal regularizado diminuiu de modo a evitar que o caudal chegasse ou ultrapassa-se os 800 m3/s em Coimbra. Após o primeiro caudal de pico não regularizado, o caudal regularizado atingiu os 800 m3/s, coincidente com um caudal de pico do rio Ceira e da sub-bacia de Coimbra. Após atingido o caudal regularizado igual 800 m3/s e durante um período de 9 horas, caudal superado, no máximo, 35,1 m3/s, mas continuando constante nesse limite até ao dia 7 de Fevereiro. Nessa data o caudal reduziu, voltando a aumentar e ultrapassando os 800 m3/s. De seguida, ocorreu o segundo caudal de pico que foi amortecido, atingindo-se um caudal de 1000 m3/s, dia 8 de Fevereiro. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Caudal (m3/s) Obs c/ 50% - Caudal Regularizado vs Não regularizado Caudal Não Regularizado Caudal Regularizado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 79 O caudal regularizado máximo foi atingido no dia 9 de Fevereiro com um caudal de 1103,8 m3/s. Este deveu-se a um ligeiro aumento do caudal efluente da albufeira de Raiva, por motivos de gestão da cota do nível da água da mesma, e devido à coincidência da descarga de Raiva com um segundo cauda de pico do caudal não regularizado proveniente do Ceira e da sub-bacia de Coimbra. Após este caudal máximo ocorreu o maior caudal de pico, amortecido de 1504 m3/s para 942,7 m3/s. Por fim, o ultimo caudal de pico é amortecido e obriga a um caudal efluente máximo de 1010,9 m3/s, também devido aos efeitos do caudal de pico, que ocorreu anteriormente e obrigou a um aumento da cota do nível de água na Aguieira, que como se viu anteriormente é no fim do evento igual a 123,34m. Concluindo, neste evento não foi possível evitar possíveis cheias na cidade de Coimbra, limitando o caudal regularizado em 800 m3/s. Por outro lado foi possível, através do amortecimento dos caudais de pico, evitar que ocorressem caudais superiores a 1200 m3/s, evitando portanto que houvesse prejuízos nas áreas a jusante de Coimbra, e minimizando prejuízos em Coimbra. 6.4. EVENTO DE JANEIRO DE 2001 O evento de cheia de Janeiro de 2001, que ocorreu entre os dias 26 e 27, foi um fenómeno de grande magnitude, em que os valores de precipitação, entre as 9 e as 15 horas do dia 26 na zona noroeste da bacia, (zona do Caramulo), teve períodos de retorno bicentenários e, na encosta sudoeste, um período de retorno de 50 anos (Rodrigues et al, 2001). A magnitude do caudal regularizado afluente a Coimbra levou à rotura dos diques a jusante de Coimbra, e à necessidade de evacuação de centenas de pessoas de várias localidades devido a cheias (Figura 73). Foi cortada a linha ferroviária entre a Figueira da Foz e Coimbra e várias estradas, entre elas a Estrada Nacional 341 (TSF, 2001), tendo também sido provocada a ruína da ponte que liga Montemor e Alfarelos (figura 74) (Publico, 2001). Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 80 Figura 73 Efeitos das cheias de Janeiro de 2001 (SNIRH, 2015) Figura 74 Queda de ponte devido à cheia de Janeiro de 2001 (Lourenço, 2015) Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 81 A excecionalidade do evento levou, assim, a graves consequências socioeconómicas. É, portanto, um evento de interesse de estudo para esta bacia, não só por ser relativamente recente mas também porque existem dados de caudais observados, para Coimbra e para as albufeiras de Fronhas e da Aguieira. A simulação foi realizada usando os dados dos caudais observados afluentes às albufeiras da Aguieira e de Fronhas, recolhidos no relatório da APA sobre a cheia (Rodrigues et al, 2001), e os dados de caudal previsto, referentes ao rio Ceira e às sub-bacias de Coimbra e Raiva, utilizando-se o caudal médio previsto. O único dado em relação ao rio Ceira que se tem conhecimento, através do relatório da APA, é o caudal de ponta, de 660 m3/s no início do dia 27 de Janeiro. A análise do evento de 2001 é feita através da análise das três albufeiras, da comparação entre o caudal regularizado e o não-regularizado para Coimbra e comparando os caudais efluentes, considerando as regras sugeridas nesta Tese, com os caudais efluentes de acordo com as regras atualmente em vigor e com os caudais observados. Em situações de cheia a APA, Agência Portuguesa do Ambiente, tem o poder de decisão em relação à gestão de operação das Albufeiras, o que justifica o facto de em 2001 não se terem cumprido as regras correntes em vigor, propostas em tempo oportuno pela EDP, concessionária e responsável pela exploração do sistema Aguieira-Raiva-Fronhas. A falta de dados anteriores ao evento levou à necessidade de fornecer ao modelo dados iniciais propostos por este trabalho, dados escolhidos tendo em consideração os caudais afluentes e os níveis de pleno armazenamento como valores para o início do evento. Para os caudais efluentes, escolheram-se os dados iniciais de acordo com o NPA para cada albufeira. Para a albufeira da Aguieira definiu-se uma cota inicial de 119m, e descarga de 500 m3/s através das turbinas da central hidroelétrica. Na albufeira de Raiva definiu-se uma cota inicial de 60m, e um caudal efluente igual ao efluente da Aguieira, sendo distribuído em 160 m3/s na central hidrelétrica e 340 m3/s no descarregador de cheia. Finalmente, em Fronhas, definiu-se uma cota inicial de 120m, e um caudal descarregado igual a 100 m3/s e transferido igual a 17,36 m3/s, o máximo para a cota escolhida. 6.4.1. CAUDAIS AFLUENTES Nas Figuras 75 a 79 apresentam-se os caudais afluentes no período analisado. Os caudais afluente à albufeira da Aguieira e de Fronhas correspondem, como foi referido anteriormente, a valores observados, enquanto os restantes correspondem a caudais previstos, utilizando-se os dados de caudal previsto médio. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 82 Figura 75 Caudal observado afluente à albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 Na Aguieira (Figura 75), ocorreu um caudal de ponta de 1840,9 m3/s, havendo um período de aproximadamente 24 horas em que o caudal afluente é superior a 1200 m3/s. No início, entre o dia 24 de Janeiro, às 03:00 horas, e o dia 26 de Janeiro, às 12:00 horas, observa-se um caudal afluente médio de 590 m3/s, relativamente constante, com um máximo de 682,4 m3/s. Este período leva a caudais efluentes que, adicionados aos restantes caudais afluentes a Coimbra, conduzem a cheias na cidade de Coimbra e podem acarretar consequências a jusante da mesma, como se verá mais adiante. A partir do dia 26 de Janeiro, às 15:00 horas, o caudal afluente à Aguieira sofre um aumento significativo, de 684,5 m3/s para 1373,4 m3/s, e crescendo nas seis horas seguintes até um caudal de pico de 1840,9 m3/s. Até dia 27 às 9:00 horas o caudal afluente é superior a 1200 m3/s. No fim do evento o caudal afluente à albufeira da Aguieira sofre um decréscimo lento, decrescendo de 1014,1 m3/s para 511,1 m3/s em aproximadamente 36 horas. 0 500 1000 1500 2000 Caudal (m3/s) Aguieira Caudal Afluente Observado Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 83 Figura 76 Caudal observado afluente à albufeira de Fronhas no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 Em Fronhas ocorre um caudal de ponta de 727,16 m3/s. O caudal de Fronhas é um caudal elevado, mas que, como se verá na análise de Fronhas, possível de amortecer. O período de maior caudal, de caudal superior a 300 m3/s, dura aproximadamente 21 horas. Figura 77 Caudal previsto afluente à sub-bacia da albufeira de Raiva no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 Na sub-bacia da albufeira de Raiva observa-se um caudal, previsto, de ponta de 283,29 m3/s. Este caudal é importante pois, somado ao caudal efluente da albufeira da Aguieira vai aumentar significativamente o caudal afluente à albufeira de Raiva, e devido a reduzida capacidade de armazenamento de Raiva, vai obrigar a caudais efluentes mais elevados que os observados na Aguieira, como se demonstrará. 0 200 400 600 800 Caudal (m3/s) Fronhas Caudal Afluente Observado 0 50 100 150 200 250 300 350 Caudal (m3/s) Sub-bacia Raiva Caudal Previsto Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 84 Figura 78 Caudal previsto afluente à sub-bacia do rio Ceira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 O rio Ceira, não sendo regularizado, tem uma grande contribuição para as cheias em Coimbra. Durante o evento de Janeiro de 2001, o caudal de pico na foz do rio Ceira foi de 660 m3/s. Considerando o percentil 50 das previsões de caudais, obteve-se um o caudal de ponta de 554,4 m3/s. Este caudal é elevado tendo em atenção o caudal igualmente não regularizado referente à sub-bacia de Coimbra. A influência do rio Ceira e da sub-bacia de Coimbra é observada na análise que será feita mais adiante acerca do caudal afluente a Coimbra, regularizado e não regularizado. Figura 79 Caudal previsto afluente à sub-bacia de Coimbra no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 O caudal referente à designada sub-bacia de Coimbra não apresenta um caudal elevado mas, como já foi referido, amplifica os efeitos do caudal não regularizado afluente a Coimbra provindo do rio Ceira. O caudal de pico não regularizado (referente à bacia do rio Ceira e à sub-bacia compreendida entre a albufeira de Raiva e Coimbra) afluente a Coimbra, ou seja o caudal da sub-bacia de Coimbra e do rio Ceira, é 696,95 m3/s, ou seja, neste evento, somente este caudal não regularizado impossibilitam, à partida, o cumprimento do complemento para 800 m3/s para Coimbra, pois limita o caudal efluente do 0 100 200 300 400 500 600 Caudal (m3/s) Ceira Caudal Previsto 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Caudal (m3/s) Sub-Bacia Coimbra Caudal Previsto Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 85 sistema de albufeiras em 103,05 m3/s. Portanto garante no mínimo a ocorrência de cheias na cidade de Coimbra. 6.4.2. CAUDAIS EFLUENTES, CONSIDERANDO AS REGRAS PROPOSTAS 6.4.2.1. Aguieira As regras de operação que foram usadas na albufeira da Aguieira foram as mesmas que foram apresentadas no subcapítulo 6.2.3.. Os resultados da simulação deste evento na Aguieira são apresentados nas Figuras 80 e 81, onde se representam os hidrogramas dos caudais afluentes e efluentes na albufeira (Figura 80), assim como a evolução do nível de água na albufeira (Figura 81). Figura 80 Caudal afluente e efluente à albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 Figura 81 Nível de água na albufeira da Aguieira no período de 23 e 29 de Janeiro 2001 Inicialmente ocorre uma descarga feita pelas turbinas da central hidroelétrica de 500 m3/s durante duas horas e 540 m3/s durante uma horas, turbinamento ocorrido cumprindo o complemento para 800 m3/s para Coimbra. Este esvaziamento não pôde ser completo até à cota 117,5m devido ao aumento rápido do caudal afluente. A cota inicial, 119m, desce apenas até à 118,81m. 0 500 1000 1500 2000 Caudal (m3/s) Aguieira - Regras Propostas Caudal Afluente Caudal Efluente 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 Cota do Nível de Água (m) Aguieira - Regras Propostas Nivel de Água Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 92 Figura 90 Comparação entre caudais efluentes da Aguieira, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 Na Figura 90 é comparando o caudal efluente na Aguieira para as regras em vigor com as regras propostas por este trabalho (resultado apresentado no subcapítulo 6.3.1.5.), com dados iniciais idênticos. É possível observar um caudal inicial constante, segundo as regras em vigor, que também irá implicar um descarregamento da albufeira antes do início do evento. Após este descarregamento inicial ambos os caudais mantêm-se semelhantes ao afluente de modo a manter a cota mínima. Quando o caudal afluente sofre um aumento, o caudal das regras propostas mantem-se constante nos 300 m3/s, aumentando gradualmente consoante a cota da albufeira, mas mantendo-se mais baixo que o ocorrido nas regras em vigor, que aumenta até aos 540 m3/s, onde se mantem durante a maior parte do evento. As regras em vigor cumprem o complemento para 1200 m3/s, usando o caudal máximo turbinável, 540 m3/s, reduzindo em períodos com menor caudal afluente, como se pode observar na figura 89. No final do evento o caudal efluente reduz de modo a evitar caudais mais elevados em Coimbra, sendo a única altura em que o caudal é mais baixo que o efluente segundo as regras propostas. Na Figura 91 é apresentado o caudal afluente a Raiva, dependente maioritariamente do caudal efluente da Aguieira. Como tal verifica-se um maior caudal efluente na albufeira de Raiva segundo as regras em vigor, comparando com as regras propostas neste trabalho. Este caudal foi ultrapassado no final evento, altura em que igualmente o caudal efluente da Aguieira segundo as regras em vigor foi maior que as de Raiva. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Caudal (m3/s) Aguieira Caudal Efluente - Regras EDP Caudal Efluente - Regras Propostas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 93 Figura 91 Comparação entre caudais efluentes da Raiva, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 Em Fronhas (Figura 92), o caudal efluente inicial é semelhante nas regras em vigor e nas regras propostas. Após o aumento do caudal afluente, o caudal descarregado pelo descarregador de cheia, segundo as regras em vigor, mantem-se constante, só variando o caudal transferido para a albufeira da Aguieira pelo transvase. Ao contrário das regras propostas em que o caudal descarregado varia consoante o caudal afluente. Esta diferença permite manter um nível de água mais baixo, na albufeira de Fronhas, na simulação em que foram usadas as regras propostas. Figura 92 Comparação entre caudais efluentes da Fronhas, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 Na Figura 93 apresenta-se o caudal regularizado afluente a Coimbra para ambas as regras propostas. É em geral mais elevado quando usadas as regras em vigor, propostas pela EDP. Em ambos os casos não 0 100 200 300 400 500 600 700 Cota do Nível de Água (m) Raiva Caudal Efluente - Regras EDP Caudal Efluente - Regras Propostas 0 50 100 150 200 250 Caudal (m3/s) Fronhas Caudal Efluente - Regras EDP Caudal Efluente - Regras Propostas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 94 foi possível evitar caudais superiores a 800 m3/s, criando a possibilidade de cheias em Coimbra, mas foi possível evitar caudais superiores a 1200 m3/s, que seriam prejudiciais tanto para Coimbra como para jusante. No caudal afluente, gerado pelas regras propostas, foi possível evitar caudais superiores a 800 m3/s até ao dia 7, enquanto no caudal afluente gerado pelas regras em vigor, no final do dia 3 o caudal afluente a Coimbra é superior a 800 m3/s. Apesar de o valor máximo de caudal afluente a Coimbra ser semelhante em ambos os casos, o caudal gerado pelas regras em vigor é mais vezes superior a 1000 m3/s, o que no caudal gerado pelas regras propostas, que só ocorre no período do caudal máximo. Figura 93 Comparação entre caudais regularizados afluentes a Coimbra, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras propostas neste estudo com as regras apresentadas em 3.5 Concluindo, na figura 93 é possível observar que as regras propostas permitem melhorar o amortecimento do caudal de cheia, reduzindo o caudal regularizado afluente a Coimbra. Esta redução ocorre durante um longo período de tempo e permite reduzir as cheias ocorridas em Coimbra durante quase 4 dias, quando comparado com o ocorrido de acordo com as regras em vigor, porque nas regras propostas é respeitado o complemento para 800 m3/s que permite exatamente reduzir o caudal afluente em Coimbra. Após ultrapassado este limite, no caudal afluente devido as regras propostas, o caudal afluente em ambas as situações é relativamente semelhante. Em ambas as regras o caudal afluente a Coimbra não é superior a 1200 m3/s, respeitando o complemento para 1200 para Coimbra, utilizado em ambas as regras de exploração. No caso das regras propostas o caudal armazenado no final do evento é superior. O que permite um maior aproveitamento do caudal de cheia para outros fins, ao contrário do ocorrido no caso das regras de exploração da EDP. 6.5.1.2. Evento de Janeiro de 2001 Para o evento de 2001 foram comparados os valores de caudais para a Aguieira e para Coimbra porque são os locais onde existem registos de dados observados, que são apresentados no subcapítulo seguinte. 0 200 400 600 800 1000 1200 Caudal (m3/s) Coimbra Caudal Afluente - Regras EDP Caudal Afluente - Regras Propostas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 95 Figura 94 Caudal efluente da Aguieira, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, com as regras apresentadas em vigor e para as regras propostas Analisando a figura 94, refente aos caudais efluentes da albufeira da Aguieira, o caudal efluente inicial, obtido através das regras em vigor, é bastante semelhante ao afluente. Na altura do caudal de ponta o caudal efluente baixa para um mínimo de 150 m3/s, devido ao complemento para Coimbra de 1200 m3/s, o que leva a um aumento muito rápido da cota do nível de água da Aguieira, elevando rapidamente a cota para o nível de defesa de obra, onde o caudal efluente tem tendência para ser extremamente elevado, já que se impõe um aumento horário de 350 m3/s. Isto leva a um caudal efluente máximo de 2168,10 m3/s e a que ocorram mais 2 períodos de 3 horas com um caudal superior a 2000 m3/s. Este caudal efluente gera um caudal afluente em Coimbra de grandes dimensões como se pode ver no gráfico seguinte. Comparativamente com os caudais obtidos para as regras propostas, estas regras permitem que o caudal lançado seja mais elevado em alturas mais críticas, como no período de pico, limitando o caudal que aflui a Coimbra, sem a necessidade de grandes descargas posteriores. Comparativamente, o caudal máximo efluente da Aguieira, segundo as regras propostas é igual a 1255,6 m3/s, um valor quase 1000 m3/s inferior ao obtido com as regras em vigor. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Caudal (m3/s) Aguieira - Regras EDP Caudal Afluente Caudal Efluente - Regras em Vigor Caudal Efluente - Regras Propostas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 96 Figura 95 Caudal regularizado afluente a Coimbra, entre os dias 23 e 29 de Janeiro, para as regras em vigor e para as regras propostas O caudal regularizado afluente a Coimbra tem grande influência do caudal efluente da albufeira da Aguieira. Observando o hidrograma é possível observar que a sua forma é semelhante ao ocorrido na albufeira da Aguieira, ocorrendo os seus caudais de pico quando a Aguieira descarrega caudais mais elevados. Os caudais de pico, afluentes a Coimbra são superiores a 2500 m3/s, caudais muito elevados comparativamente com o obtido pelas regras propostas e com o que foi observado. Como se vai observar na análise aos caudais observados no relatório da APA. 6.5.2. REGRAS PROPOSTAS VS OPERAÇÃO REAL No relatório da APA sobre o evento de cheia de Janeiro de 2001 (Rodrigues et al, 2001) é apresentado um gráfico onde se apresenta o amortecimento do caudal obtido na albufeira da Aguieira (Figura 96) e outro gráfico com a comparação entre o caudal afluente a Coimbra observado e o que teria afluído em regime natural (Figura 97). 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Caudal (m3/s) Coimbra - Caudal Afluente - Regras EDP Caudal Não Regularizado Caudal Regularizado - Regras em Vigor Caudal Regularizado - Regras Propostas Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 97 Figura 96 Hidrograma do caudal afluente e do caudal efluente da Albufeira da Aguieira entre os dias 26 e 29 de Janeiro (Rodrigues et al, 2001) Observando a linha do caudal laminado, na figura 96, encontra-se alguma semelhança com o comportamento da Aguieira obtido através do uso das regras propostas onde foi também possível amortecer o período em que o caudal afluente apresentou maiores valores, mas com as regras propostas o caudal efluente da Aguieira, durante o período de caudal de pico, no dia 27, foi superior ao observado mas durante um período de tempo mais reduzido, que podemos observar traduz melhores resultados no caudal afluente a Coimbra. Após esse período durante cerca de 28 horas, o caudal efluente da albufeira da Aguieira foi superior a 1000 m3/s e apresentou um pico de 1100 m3/s. O caudal efluente obtido na simulação realizada com as regras propostas apresentou um caudal máximo superior ao efluente observado, igual a 1255,6 m3/s comparativamente com o observado de 1100 m3/s. Por outro lado, quando usadas as regras propostas, o caudal efluente só se mantem superior a 1000 m3/s durante 18 horas, menos 10 horas que o observado. Em conclusão, há uma semelhança entre o comportamento da albufeira da Aguieira em relação às regras criadas e o ao que aconteceu na realidade. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 98 Figura 97 Caudal afluente a Coimbra não regularizado previsto (linha a azul) e caudal observado (linha vermelha) entre os dias 23 e 29 de Janeiro (Rodrigues et al, 2001) Na Figura 97 está representado o caudal afluente a Coimbra, tanto o previsto em regime natural (linha azul) como o observado (linha vermelha). O caudal observado nos dias 27 e 28 de Janeiro apresentou dois picos, ambos superiores a 1950 m3/s. Após a ocorrência do segundo caudal de pico, o caudal em Coimbra demorou cerca de 40 horas a ser reduzido até atingir um valor inferior a 1000 m3/s. No caudal obtido através da simulação das regras propostas, os caudais de pico, afluentes a Coimbra, tem como máximo 1688,8 m3/s e 1860,7 m3/s, tendo o primeiro pico ocorrido durante o caudal de pico não regularizado e o segundo quinze horas após a ocorrência do caudal de pico, menor que o observado na figura 97. Por outro lado, a redução do caudal afluente a Coimbra também é lenta devido à necessidade de baixar a cota na albufeira da Aguieira. Concluindo, as regras propostas, criadas para o evento de 2014 e aperfeiçoadas, no caso de Fronhas para este evento, apresentam um comportamento semelhante ao observado, mas com resultados melhores comparando o caudal não regularizado em ambas as alternativas, que é mais elevado no caudal simulado. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 99 6.6. ANÁLISE DE PRODUÇÃO DE ENERGIA HIDROELÉTRICA No seguinte subcapítulo é apresentada a análise das receitas obtidas através da produção de energia hidroelétrica, comparativamente entre as quatro alternativas e o caudal obtido através da quarta alternativa com as regras de exploração em vigor. Através do conhecimento da potência instalada nas centrais hidroelétricas da Aguieira e da Raiva e considerando uma eficiência teórica de 85%, o HEC-ResSim permitiu calcular, para cada simulação realizada, a energia produzida ao longo do tempo, em ambas as centrais. Multiplicando a energia produzida pelo preço unitário correspondente, estimaram-se os ganhos, em euros, correspondentes a cada simulação. O preço da energia (por mega watt) considerado correspondeu ao preço médio a cada 3 horas estabelecido pelo mercado ibérico de eletricidade nas datas das simulações (MIBEL, 2015). Esta análise só foi efetuada para o evento de Fevereiro de 2014 porque, devido à excecionalidade do evento de 2001, o foco das regras de exploração nesse evento foi a limitação de caudal afluente a Coimbra, tentando reduzir os efeitos consequentes. Também, devido à grandeza dos valores descarregados, durante todo o evento é turbinado o máximo possível, 540 m3/s, e devido à falta de valores de custo de energia para as datas do evento. Na albufeira da Aguieira foram obtidos os preços de venda de eletricidade demonstrados na tabela 9. Tabela 9 Análise de receita na barragem da Aguieira por motivos de produção de energética Produção Hidroeletricidade - Aguieira Percentil 25 Percentil 50 Percentil 75 Caudal Obs. c/ Percentil 50 Caudal Obs. c/ Percentil 50 (Regras em vigor) Total € 135.379,14 € 140.608,12 € 149.758,14 € 155.379,76 € 171.579,72 Diferença c/ Regras em Vigor € - 36.200,57 € - 30.971,60 € - 21.821,57 € - 16.199,96 € - Cota Final (m) 118,95 120,72 123,02 123,34 121,29 Volume Útil Final Armazenado (hm3) 318,82 345,73 389,21 396,07 356,57 Observando a diferença do preço total das regras propostas com as regras em vigor, podemos verificar uma perda de cerca de 10% quando comparadas a 4ª alternativa com as regras sugeridas e as regras em vigor. Por outro lado, temos uma diferença de 39.5 hm3 de volume armazenado, volume que aumenta o potencial hidroelétrico. Em relação aos restantes eventos, às primeiras três alternativas, podemos observar que as diferentes previsões, quando falhadas, podem potenciar prejuízos elevados a nível de produção de energia. Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 100 Concluindo, as regras propostas permitem controlar melhor os caudais de cheia, afluentes a Coimbra, mas obtém uma receita menor por consequência da redução de volume de caudal turbinado. Por outro lado permite obter um maior volume armazenado útil que pode ser turbinado mais tarde e portanto, obter receita semelhante, em situações futuras. Este volume armazenado pode aumentar mais a receita se for tido em conta a capacidade do sistema de geradores reversíveis em bombear caudal da albufeira de Raiva para a albufeira da Aguieira em determinados períodos do dia. Neste caso observando os preços da energia nos seguintes dias, no MIBEL (figura 98), vemos que a receita obtida nesses dias seria superior ao obtido turbinando durante o evento. Durante os dias após o dia 12, o fim do evento, o preço da energia tem uma subida que se mantem até pelo menos o dia 20, pelo que teriam de ser analisados os dias seguintes de modo a poder analisar os benefícios de manter um maior volume de água no final do evento. Efetuado o cálculo médio de energia produzida para as horas seguintes teremos uma ideia da receita obtida para o período a seguir ao evento. Calculando a energia produzida por hora, com um caudal constante de 500 m3/s e altura da queda de água de 60 m, obtemos a energia produzida de 250,155 MWh. Como a capacidade útil final na simulação foi superior em 39,5 hm3, calculamos o tempo necessário para descarregar esse volume a um caudal constante de 500 m3/s, que é igual a 21,94 horas, que podemos arredondar para 22 horas. Nas 22 horas seguintes ao evento a energia teve um custo médio de 22,11€/MWh, portanto o lucro 121.680,4€, bastante superior aos -16.199,96€ que foi a perda de receita no final do evento. Figura 98 Evolução do preço da energia entre os dias 2 e 21 de Fevereiro Concluindo, e apesar de no dia inicio do dia 12 se terem obtidas perdas ao nível do receita através da produção de energia, o volume armazenado pode ter uma utilização mais eficaz através do uso da capacidade do sistema de geradores reversíveis ou, até mesmo, de regras de exploração que turbinem nos períodos de maior receita, durante o dia, e bombem da albufeira de Raiva para a da Aguieira durante o período de menor receita, durante a noite. Associado ao aumento do preço da energia nos dias seguintes ao evento e ao preço reduzido com que a energia foi vendida entre os dias 6 e 11 de Fevereiro, é possível concluir que apesar do menor lucro instantâneo, a receita futura, do volume armazenado e não turbinado, pode ser maior. A central hidroelétrica da albufeira de Raiva possui uma capacidade instalada bastante baixa, 24MW, o que vai levar a uma produção de energia baixa, e portanto o lucro para as diferentes alternativas estudadas não são tão significativas quanto na Aguieira. Também no caso de Raiva o armazenamento de caudal não é significativo. 0 20 40 60 80 100 120 Euros €/MWh Preço Energia Otimização da gestão operacional de albufeiras de aproveitamentos de fins múltiplos em situações de cheia. Aplicação ao sistema Aguieira – Raiva - Fronhas. 101 7 CONCLUSÕES Este trabalho propôs sugerir um conjunto de regras de gestão operacional de albufeiras de fins múltiplos para situações de cheia, tentando minimizar os efeitos destes eventos mantendo níveis de água compatíveis com a satisfação dos restantes fins. Este estudo foi realizado para a bacia do Mondego, mais propriamente para o médio Mondego, onde o sistema de albufeiras Aguieira-Fronhas-Raiva tem uma importante função de amortecimento de cheia. Devido à sua elevada capacidade de armazenamento, a albufeira da Aguieira é a mais preponderante no amortecimento de cheias. No sistema de albufeiras as regras de operação sugeridas no âmbito deste trabalho são para aplicação no período húmido - entre 15 de Outubro a 31 de Marçoe têm um maior foco no controlo de cheia, com vista à proteção de Coimbra e do Baixo Mondego contra a proteção de cheias. Para a realização deste estudo foram escolhidas duas situações de cheia. Ambas provocaram prejuízos socioeconómicos à região, mas de diferentes dimensões. A cheia estudada mais recente, referente ao início de Fevereiro de 2014, teve menores prejuízos, concentrados essencialmente na cidade de Coimbra, enquanto a cheia de Janeiro de 2001 teve um impacto considerável em toda a zona do baixo Mondego, provocando a evacuação de centenas de pessoas e elevados prejuízos económicos. A comparação dos valores dos caudais correspondentes à simulação dos eventos referidos com os valores dos caudais observados foi dificultada pela falta de dados, principalmente no rio Ceira. O escoamento ocorrido nesse rio tem especial influência no escoamento que ocorre em Coimbra, devido a caudais elevados que por vezes ocorrem na sua sub-bacia e não são regularizados. Devido á falta de dados em eventos de cheia, tanto para o rio Ceira como para a sub-bacia de Coimbra e da albufeira de Raiva, foram usadas previsões de caudal (ver 4.1.). De modo a estudar uma potencial melhoria na gestão das albufeiras em estudo em situações de cheia, em termos de gestão de volumes armazenados e descarregados, inicialmente foi feito o estudo dos eventos de cheia considerando as correspondentes regras de gestão operacional em vigor, oportunamente propostas pela empresa concessionária (EDP, Energias de Portugal) e aprovadas pela (então) Autoridade da Água (APA). Ao observar o comportamento do sistema segundo estas regras, simuladas com o programa HEC-ResSim, foram consideradas potenciais alterações àquelas regras de operação de modo a melhorar o comportamento das três albufeiras, com base nos dois eventos de cheia referidos. Também foi feita uma análise aos efeitos das regras ao nível da produção de energia hidroelétrica e às possíveis receitas de acordo com o preço da energia em vigor na altura em que foi produzida. Esta