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O trabalho apresenta um estudo da bacia hidrográfica do Rio Maquiné (RS) com foco em seu potencial para geração de energia hidrelétrica. Utilizando ferramentas como ArcGIS e métodos hidrológicos (Thiessen, Isoietas, Strahler), foram analisadas características físicas e climáticas da bacia, incluindo relevo, precipitação e vazão. Com base em dados da estação fluviométrica e na declividade do terreno, foi estimado o potencial de uma Pequena Central Hidrelétrica (PCH) ou CGH. O estudo conclui que há viabilidade técnica preliminar, mas ressalta a necessidade de análises mais profundas para validar a implementação do projeto.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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CAMPUS ARARANGUÁ ENGENHARIA DE ENERGIA RECURSOS HÍDRICOS E APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO ESTUDO DE BACIA HIDROGRÁFICA PARA APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO NA BACIA DO RIO MAQUINÉ Diowana Mello de Oliveira Renato Nicoloso de Oliveira Araranguá, julho de 2024
No Brasil, segundo a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a matriz elétrica é majoritariamente constituída por fontes hídricas, representando 55 % do total, comparada aos anos anteriores, este percentual vem diminuindo com o aumento da fonte composta por energia solar e eólica no matriz. Além do Brasil ser excelência em geração por hidrelétricas, ressalta-se a importancia de barragens para geração de energia, pois além de ser uma forma alternativa de geração ainda evita enchentes e alagamentos em regiões próximas do recurso hídrico, porém outro fator importante é a consideração das características geomorfológicas em geral nos estudos para barragens para que assim sejam bem projetadas e não causem prejuízos tanto ambientais quando financeiros, por isso a importância dos estudos hidrológicos preliminares à construção de uma usina hidrelétrica (CALIL., 2012). O comportamento das bacias hidrográficas é influenciado por diversas características geomorfológicas, como a capacidade de drenagem do solo, padrões de precipitação, cobertura vegetal, declividade, morfologia, escoamento de água superficial e área da bacia hidrográfica (MICAELI., 2012). Aspectos socioeconômicos desempenham um papel crucial, como a proximidade com regiões de abastecimento, restrições em áreas de preservação ambiental, terras indígenas ou quilombolas, e locais onde os recursos do rio são a principal fonte de subsistência ou renda para a população, impõe normas e leis quanto ao uso do recurso hídrico. A instalação de uma usina hidrelétrica requer uma análise aprofundada de todos esses fatores que envolvem a bacia hidrográfica (LEÃO.,2008). No contexto deste estudo, a Sub-bacia do Rio Maquiné (BHRM), pertence à Região Hidrográfica do Litoral Norte do RS, e contribui para a Bacia Hidrográfica do Tramandaí, na porção nordeste do RS, a bacia está em uma região de transição entre a Planície Costeira e a Formação Serra Geral, existe uma grande variação altimétrica, com quase 900 metros, define-se claramente áreas de planícies e montanhas bem definidas ao longo do vale do rio Maquiné (SIRANGELO, F. R.; GUASSELLI, L. A., 2017). A escolha desta bacia se deu pela possibilidade de investigar os benefícios da instalação de uma PCH com barragem para minimização dos impactos das inundações que ocorrem quando a eventos climáticos extremos, que tem como consequência danos ambientais, estruturais e contra a vida humana na localidade da cidade de maquiné. Além disso, há atividade econômica agrícola que poderia se beneficiar da energia gerada para irrigação e outras finalidades.
Utilizando o método de classificação para clima de Köppen-Geiger que atualmente é o método mais utilizado para descrever o clima de uma determinada região, mostrado na Figura 2. Figura 2: Mapa de classificação climática de Koppen-Geiger para o Brasil. Fonte: IPEF - Instituto de Pesquisas e Estudos Florestais (2014). A região de estudo é então classificada como clima “Cfa”, "C" indica um clima temperado, "f" indica um verão úmido e "a" indica que a temperatura média do mês mais quente é superior a 22°C. De acordo com o mapa acima, a região de estudo pode ser classificada como "Cfa". Climas megatérmicos; Temperatura média do mês mais frio do ano > 18°C; Estação invernosa ausente; Forte precipitação anual (Alvares, C.A., Stape, J.L., Sentelhas, P.C., Gonçalves, J.L.M., 2013). A segunda letra, "f", nos mostra outras características do local, como clima úmido, ocorrência de precipitação em todos os meses do ano e inexistência de estação seca definida, com mais de 30 mm de chuva no mês mais seco, esse tipo de clima predomina no litoral do RS (EMBRAPA). A terceira letra, "a", é usada para distinguir climas que
possuem diferentes variações de temperatura do ar, no caso do local de estudo, indica que as temperaturas nos meses mais quentes são superiores a 22°C. A atual pesquisa tem como foco principal analisar o potencial de geração de energia hidrelétrica do Rio Maquiné, visando discutir cada dado encontrado neste estudo e se o mesmo está dentro dos parâmetros utilizados como referência.
3. MATERIAIS E MÉTODOS Foi utilizado o software ArcGis e Microsoft Excel para realizar todos os cálculos que serão apresentados neste trabalho. Segundo os desenvolveres (Esri), o ArcGis é uma ferramenta de simulação, utilizado em estudos topográficos ou para o aproveitamento hidrelétrico, é um software de Sistema de Informação Geográfica (SIG) usado para análise, visualização e gerenciamento de dados geoespaciais. Funciona capturando dados de diversas fontes, armazenando-os em bancos de dados geográficos e permitindo análises espaciais avançadas. 3.1 Ordem dos rios através do método de Strahler O método de Strahler consiste em hierarquizar os rios de uma bacia com números, neste estudo, de 1 até 4, os rios que recebem a hierarquia 1 não se encontraram com nenhum outro desde a sua nascente, quando dois rios de ordem 1 se encontram formam um de ordem 2, quando dois de ordem 2 se encontram formam um de ordem 3, e quando dois rios de ordem 3 se encontram formam um rio de ordem 4, que neste caso, é onde se tem o rio de interesse. Para essa figura, foi usado e representado o Modelo Digital de Elevação (MDE) da bacia hidrográfica, ele apresenta de forma mais precisa as cotas e variações de elevação presentes na bacia. Além disso, ele ilustra melhor visualmente o relevo dessa bacia por meio de um gradiente de cores que permite ao leitor interpretá-la mais facilmente junto com o formato de sua superfície, seguindo as legendas da figura. Esse MDE foi obtido através de dados do site da UFRGS e delimitado para a bacia hidrográfica que serviu como referência para esse estudo. A bacia hidrográfica do Rio Maquiné, vista na figura 3 possui uma área de drenagem de 440, km², 4º é a maxima ordem para esta bacia, segundo a classificação de Strahler, como ilustrada na Figura
bacia, declividade média da bacia e do rio principal. A figura 4 apresenta o rio principal, os rios em geral e a área delimitada da bacia hidrográfica de Maquiné. Figura 4: Delimitação da Bacia. Fonte: Próprio Autores, 2024. 3.3 Características físicas da bacia.
3.3.1 Área da bacia (A) A área é uma das características principais para o estudo hidrológico de uma bacia, quanto maior a área, no geral maior também será a vazão através do seu exutório. A área pode ser delimitada por divisores topográficos ou freáticos, sendo fundamental a análise das curvas de nível da região. Com o auxílio do programa ArcGis calculamos a área, a qual foi obtida ao delimitarmos a bacia através de uma nova “shapefile”, como comentado no item 3.2, e ao olharmos sua tabela de atributos, adicionamos uma nova coluna, programando-a para calcular a área, e assim obtivemos o valor de área de drenagem 440,6 3 𝑘𝑚^2. 3.3.2 Perímetro Total da Bacia ( P ) O perímetro da bacia assim como a área da bacia foi calculado utilizando o ArcGis, onde foi criado um novo parâmetro para que fosse calculado o perímetro da bacia hidrográfica, então foi obtido o valor em quilômetros de 127,32 km. 3.3.3 Largura média da bacia (Km) A largura média da bacia é encontrada pela divisão da área total (A) da bacia pelo seu comprimento axial (Lx), que corresponde ao comprimento do maior rio presente na bacia. 𝐵 = 𝐴/𝐿𝑥 𝐵 = 440,63/40,88 = 10,77 km Para obter os pontos de maior e menor altitude da bacia foram utilizados os pontos cotados do mapa extraído da base de dados do TOPODATA, e extrapolados pelo software ArcGis, nele foram coletados os pixels maior e menor valores de altitude, que correspondem a 14,8 m para cota mínima e 978,8m para cota máxima. 3.3.4 Comprimento do rio principal (L) Para calcular o comprimento do Rio Principal foi então selecionado, em uma tabela do próprio software ArcGis, cada um dos vetores que representavam o rio principal e então utilizando a função de somatório foi obtido 40,88 km de comprimento do rio principal, como ponto de referência para iniciar os cálculos foi utilizada a distância que o rio percorre do seu ponto mais afastado do rio até o seu exutório. O esboço do mesmo foi apresentado em preto na figura 4 e o seu perfil longitudinal se encontra
𝑆𝑟 = (ℎ𝑚𝑎𝑥 − ℎ𝑚𝑖𝑛) ÷ 𝐿𝑥 𝑆𝑟 = (8 79 – 14,8) ÷ 40886= 0,0211 m/m = 2,11% 3.3.6 Declividade média da bacia (Sb) A declividade da bacia é um parâmetro necessário dentro do estudo de uma bacia hidrográfica principalmente por influenciar diretamente no tempo de concentração da mesma, além de ter influência na drenagem e em outros processos hidrológicos que ocorrem em seu interior (KOBIYAMA, GRISON & MOTA, 2011). Figura 6: Curvas de nível da bacia do rio Maquiné. Fonte: Dos autores utilizando ArcGIS, 2024.
A declividade da bacia pode ser calculada com a diferença entre o ponto mais alto da bacia (cmax) e o ponto de exutório da bacia (cmin), dividida pelo comprimento do rio principal (L). E os resultados apresentados estão descritos na tabela 1: 𝑆𝑏 = (𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐𝑚𝑖𝑛)/𝐿𝑏 𝑆𝑏 = (978,8 – 14,8 )/ 40886 = 0,0235 m/m= 2, 35 % 3.3.7 Cálculo de Fator de Forma O fator de forma (Kf) usa como base de comparação um retângulo, quanto maior o valor para o fator de forma, maior o risco de enchentes. O índice de compacidade (Kc) é a relação entre o perímetro (P) da bacia e a circunferência de um círculo com área igual à da bacia (KOBIYAMA, GRISON & MOTA, 2011). Dependendo de qual foi o valor encontrado conclui-se o formato da bacia sendo ela circular, retangular ou quadrado. O Fator de compacidade (Kc) é dado por: 𝐾𝑐 = ( 0 , 282 ∗𝑃) √𝐴
( 0 , 282 ∗ 127 , 33 ) √ 440 , 63
O índice de compacidade (Kc) é a relação entre o perímetro (P) da bacia e a circunferência de um círculo com área igual à da bacia (KOBIYAMA, GRISON & MOTA, 2011) enquanto “A” corresponde a área da bacia. Se Kc = 1 → então a bacia é perfeitamente circular; Se Kc = 1,128 → então a bacia é quadrada; Se Kc > 3 → então a bacia é comprida. Com isso podemos dizer que com 1,7 1 a bacia pode ser considerada mais alongada, isto implica que a precipitação vai não vai escoar ao mesmo tempo sobre o mesmo trecho do rio principal, a figura 7 demonstra os formatos de bacias da maior para menor tendência para enchentes e da esquerda para a direita. Outros fatores serão apresentados e eles indicam maior potencialidade de produção de picos de enchentes elevados. O valor de 1,71 descreve uma bacia ramificada, não sujeita a grandes enchentes, porem, foi citado anteriormente que há relatos de enchentes decorrentes de grandes precipitações, o que pode ser resultado da acentuada declividade em certos pontos da bacia.
A densidade de drenagem leva em consideração o comprimento total dos canais (Lt) e a área da bacia (A). A densidade de drenagem possui um comportamento de relação inversa ao comprimento dos rios, pois quanto maior o valor numérico da densidade, menor o tamanho dos cursos de água (BARROS E STEINKE, 2009). Os resultados obtidos do ArcGIS e depois utilizando a equação abaixo tem-se a densidade de drenagem. 𝐷𝑑 =
A densidade de rios indica uma média de 0,07 rios por unidade de área, sendo relevante para avaliar a disponibilidade de fontes hídricas na bacia. A densidade de drenagem, com um valor de 0,42 aponta uma densidade baixa de canais de drenagem, influenciando na dinâmica do fluxo de água na região. Na tabela 1 , estão listadas as estações pluviométricas e uma fluviométrica em torno da sub-bacia do Rio Maquiné, que foram utilizadas para esse estudo e na figura 8 pode-se ver onde estão no mapa. Tabela 1 : Características das estações pluviométricas. Fonte: Elaborada pelos autores no Excel, 2024. Código da estação Tipo Local Lat. Lon. Alt. (m) Período ANA (2950018) Pluviométrica Lagoa dos Quadros - 29,65 - 50,12 03 1948 a 1978 ANA (2950020) Pluviométrica Morrinhos - 29,38 - 50,36 900 1943 a 1980 ANA (2950024) Pluviométrica Potreiro Novo - 29,41 - 50,30 860 1947 a 1970 ANA (2950030) Pluviométrica Santa Tereza - 29,46 - 50,36 840 1947 a 1978 ANA (2950034) Pluviométrica Serra do Pinto - 29,37 - 50,18 470 1961 a 2023 ANA (87317030) Fluviométrica Maquiné - 29,65 - 50,20 13 1982 a 2021
3.3.9 Curva Hipsométrica A curva hipsométrica é a representação gráfica da variação da elevação do terreno da bacia com referência ao nível médio do mar, cujo gráfico mostra a percentagem da área de drenagem que existe acima ou abaixo das várias elevações. Para calculá-la, utiliza-se o Modelo Digital de Elevação (MDE) e o divide-se em faixas para calcular as áreas existentes entre as curvas de nível por meio do software ArcMap. Na Figura 9 apresenta essa divisão por meio de classes (cotas). Através de sua tabela de atributos, é possível se obter a área ocupada por cada faixa de elevação. Figura 8 : Localização das estações pluviométricas. Fonte: Dos autores, no ArcGIS.
Fonte: Elaborada pelos autores, no Excel. Tabela 2: Dados da Curva Hipsométrica. elevação media elevação relativa cotas superf. km^2 superf. km^2 superf.relativa 950 1,00 (900-1000) 53,57 53,57 12% 875 0,92 (850-900) 91,18 144,75 33% 825 0,87 (800-850) 31,51 176,26 40% 775 0,82 (750-800) 14,78 191,03 43% 725 0,76 (700-750) 12,43 203,46 46% 675 0,71 (650-700) 11,96 215,42 49% 625 0,66 (600-650) 13,35 228,78 52% 575 0,61 (550-600) 16,98 245,76 56% 525 0,55 (500-550) 19,72 265,48 60% 475 0,50 (450-500) 20,41 285,89 65% 425 0,45 (400-450) 21,31 307,20 70% 375 0,39 (350-400) 21,08 328,28 75% 325 0,34 (300-350) 18,72 347,00 79% 275 0,29 (250-300) 17,36 364,36 83% 225 0,24 (200-250) 17,52 381,87 87% 175 0,18 (150-200) 17,78 399,65 91% 125 0,13 (100-150) 16,29 415,95 94% 75 0,08 (50-100) 14,66 430,61 98% 32 0,03 (14-50) 10,00 440,61 100% Fonte: Dos autores através do Excel, 2024. 3.3.10 Precipitação média da bacia por Thiessen e Isoietas O método de Thiessen foi utilizado para com um dos métodos para calcular a precipitação média na região que da bacia hidrográfica (𝑃𝑚𝑎), o método consiste em dividir a área da bacia hidrográfica em Figura 10: Curva hipsométrica da bacia de Maquiné.
áreas representativas, onde cada uma das áreas está associada a uma estação de medição de dados com a finalidade de fazer uma distribuição espacial dos dados. Onde: A : área total da bacia de estudo; Ai : área de influência da estação e, Pi : precipitação média da estação. Neste estudo os polígonos de Thiessen, figura 1 1 , foram utilizados para calcular a precipitação média, descrita na Tabela 3 na área da bacia hidrográfica do Rio Maquiné, pode-se perceber que a estação que menos influencia no cálculo é a de Morrinhos, tanto em precipitação quanto em área. 𝑃𝑚 = 721008 , 4 440 , 61
Figura 11: Polígonos de Thiessen. Fonte: Dos autores no ArcGIS, 2024.
