Simulação Numérica aplicada ao Assoreamento do Reservatório Represa Velha

197 Pages·2009·12.59 MB·English

STENIO DE SOUSA VENÂNCIO

Simulação Numérica aplicada ao Assoreamento do
Reservatório Represa Velha

Tese apresentada à Escola de Engenharia de São
Carlos da Universidade de São Paulo, como
parte dos requisitos para obtenção do título de
Doutor em Ciências da Engenharia Ambiental

Área de concentração: Ciências da Engenharia
Ambiental

Orientador: Prof. Tit. Swami Marcondes Villela

São Carlos
2009

A minha esposa, Soraia, com
amor. Sua compreensão, renúncia, apoio e presença
incansável, também demonstrados na elaboração deste trabalho, me
deram forças para que pudesse concluí-lo.

Aos meus pais, Iêzo e Anísia.
Impossível seria chegar ao objetivo se não pela base
sólida do começo e pela ajuda incondicional ao longo da trajetória.
AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Professor Swami Marcondes Villela, pela confiança, diálogo, apoio e
incentivo pleno nas atividades de pesquisa e extra-acadêmicas. Com seus ensinamentos, muito
cresci no âmbito profissional e tão quanto como homem.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq, mantenedora
da bolsa de estudos.

Ao CEPTA/IBAMA pela viabilização das visitas ao reservatório Represa Velha, em especial
ao engenheiro José Henrique de Souza, pelo acompanhamento das mesmas, informações
sobre o reservatório, liberação e discussão de dados extra bibliotecários.

Ao professor Dr. André Gustavo Mazzini Bufon pela disponibilidade em discutir dados do
seu trabalho e ceder os não publicados, todos importantes e necessários para esta pesquisa.

A empresa DHI Water and Environment, em especial aos engenheiros PhD Bo Brahtz
Christensen pelo suporte técnico ao trabalho de simulação; e Msc. Alejandro Lasarte pela
assistência na substituição dos periféricos do MIKE 21C e orientação para o envio dos dados.

Ao professor Dr. Leonardo Barra Santana de Souza, pelo incentivo, apoio e colaboração com
críticas e sugestões em cada etapa deste trabalho, além da ajuda no trabalho de simulação.

Ao professores Dr. Harry Edmar Schulz e Dr. Rodrigo de Melo Porto, pela inspiração e minha
formação, desde o mestrado, e pela grande contribuição quando da participação na banca.

Ao professor Dr. Frederico Fábio Mauad pela contribuição ao trabalho quando da participação
na qualificação.

Aos professores Dra. Ana Inés Borri Genovez e Dr. Luís César de Souza Pinto, pela
contribuição ao trabalho quando da participação na banca.

A Pós-doutoranda Liliane Lazzari Albertin, pelas informações prestadas sobre os
equipamentos de medição de velocidade em rios.

A Coordenação, aos professores, funcionários e colegas do Programa de Pós Graduação em
Ciências da Engenharia Ambiental da EESC, pelos ensinamentos, apoio, incentivo e
principalmente pela amizade.

Aos meus sogros, Sebastião e Onedes, pelo apoio e orações, fortalecendo minha caminhada.

A toda minha família e aos amigos que estiveram juntos, torceram, colaboraram e motivaram-
me nesta empreitada. De forma mais estreita, Sabrina (irmã), Rodrigo, Natália, José
Francisco, Sílvia, Eudes, Maurício e Luiz Márcio.

A Rhana. Das coisas importantes na vida, como alegria, simplicidade e amor incondicional,
muitas vezes não praticadas pelo homem, encontramos nos animais.

A Deus, pelo dom da vida. Sem a Sua graça, nada disso seria possível.

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RESUMO

VENÂNCIO, S. S. Simulação Numérica aplicada ao assoreamento do reservatório Represa
Velha. 2009. 168 p + Anexos. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, São Carlos.

Todos os cursos de água carream sedimentos com maior ou menor intensidade, sendo
responsáveis pela redução da calha de rios e volume de reservatórios. O assoreamento dos
reservatórios reduz sua vida útil, comprometendo os sistemas de geração de energia, de navegação,
de irrigação, gerando problemas de ordem ambiental. Neste contexto, subsídios ao processo de
gerenciamento dos reservatórios pela predição do assoreamento, tornam-se necessários. O
Reservatório Represa Velha, situado na Bacia Hidrográfica do Mogi Guaçu, foi escolhido para
estudo de caso pela disponibilidade de dados batimétricos, de vazão e de sedimentos. Com os
recursos da dinâmica dos fluidos computacional (DFC), é utilizado o programa MIKE 21C. A
solução das equações hidrodinâmicas (Saint-Venant 2D) integradas na vertical, tiveram como
condição de contorno a vazão constante em cada período da medição, na entrada do reservatório, e a
altura de água constante, para cada dado de vazão, no canal de saída. A calibração do modelo
numérico foi feita para os dados temporais de vazão, concentração de sedimentos e batimetrias do
reservatório. Com dados da primeira batimetria e campanhas batimétricas sucessivas, foi realizada a
comparação entre os resultados obtidos pela simulação numérica e aqueles medidos em campo. As
dificuldades e limitações encontradas neste processo são comentadas.

Palavras-chave: simulação numérica; transporte de sedimento; assoreamento de reservatório.
ii

ABSTRACT

VENÂNCIO, S. S. Simulação Numérica aplicada ao assoreamento do reservatório
Represa Velha. 2009. 168 p + Anexos. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de
São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

All rivers transport sediments with bigger or smaller intensity, being responsible for
the reduction of their channel and volume of reservoirs. The sedimentation of reservoirs
reduces their useful life, compromising energy generation systems, navigation,
irrigation, and generating problems of environmental order. In this context, subsidies to
the process of reservoirs management for the prediction of sedimentation become
necessary. The Reservoir Represa Velha, located in the Mogi Guaçu's watershed, was
chosen as a case study because of its available data of bathymetry, flow and sediment
discharge. With the resources of computational fluids dynamics (CFD), the program
MIKE 21C was used. In the solution of the problem are used the hydrodynamic
equations (Saint-Venant 2D) integrated in the vertical. The boundary conditions are the
constant flow, in each period of the measurement, at the entrance of the reservoir, and
the constant water level, for each flow measured, at the exit channel. The calibration of
the numeric model was developed with data from previews work, of flow, sediment
concentration and reservoir bathymetry. The numerical data were compared with the
measured sedimentation. The difficulties and limitations found in this process are
commented on.

Key-words: numerical simulation, sediment transport, reservoir sedimentation.
i ii

LISTA DE SÍMBOLOS

Qst - descarga sólida total que entra no reservatório, Kg/s
Qed - descarga sólida que sai do reservatório, Kg/s
Qss - descarga de sedimento em suspensão no reservatório, Kg/s
Qsf - descarga sólida de arrasto de fundo, Kg/s
MST - material em suspensão total, mg/L
MSI - material em suspensão inorgânico, mg/L
MSO - material em suspensão orgânico, mg/L
M1 - peso inicial do filtro, g
M2 - peso do filtro com material coletado após secagem em estufa, g
M3 - peso do filtro após queima da matéria orgânica em mufla, g
V - volume de água utilizado para filtração, L
d - diâmetro do sedimento onde 50% do material do leito são mais finos, mm
50
h - profundidade do escoamento, m
d - altura do leito, m
ζ - elevação da superfície, m
p,q - vazões específicas, m3/s/m
u,v - velocidade média longitudinal e transversal respectivamente, m/s
w - velocidade média do escoamento na profundidade, m/s
C - coeficiente de Chezy, m1/2/s
g - aceleração gravitacional, m/s2
f (V) - fator de cisalhamento do vento
V - velocidade do vento, m/s
Ω - parâmetro de Coriolis, 1/s
p - pressão atmosférica, Kg/m/s2
a
ρ - massa específica da água, Kg/m3
w
- tempo, s
t
- coordenadas longitudinal, transversal e profundidade, m
x,y,z
- componente da tensão de cisalhamento efetiva
τ
t - instante de tempo, s
c - concentração de sedimentos em suspensão, g/m3
ε - coeficiente de difusão turbulenta
ws - velocidade de queda da partícula em suspensão, m/s
C - parâmetro de calibração de Smagorinsky
S