Blog do Tucci

Continuando a seqüência de artigos sobre o tema, nesta semana estamos analisando os potenciais efeitos sobre os recursos hídricos e seus usos, especificamente na produção de energia hidrelétrica.
Em artigos anteriores discutimos alguns destes aspectos, mas que serão tratados em conjunto neste artigo. Não serão analisados os efeitos sobre a demanda de energia que são evidentes como o aumento da temperatura, mas sobre um tipo de produção que é a hidrelétrica. No caso brasileiro a hidrelétrica tem um peso grande porque a sua geração é superior a 90%.
O insumo da produção de energia hidrelétrica é a água. Este é um insumo que varia no tempo e no espaço e está sujeito a variabilidade climática, mas também ao efeito do uso do solo. Estes efeitos podem ser cumulativos ou isolados. Quando aumenta a precipitação, poderá ocorrer aumento da vazão em proporção diferente, mas quando altera a chuva e também o uso do solo o efeito pode ser significativo como foi mostrado na bacia do rio Paraná. A tendência é de aumento do escoamento médio quando ocorre desmatamento de floresta e cultura permanente para cultura anual.
A variação temporal da vazão é regulariza pelo efeito da bacia hidrográfica (regularização natural da água subterrânea) e por reservatórios construídos. A única forma de armazenar grande quantidade de energia é através do armazenamento da água em reservatórios para geração de energia hidrelétrica. Em artigo anterior foi discutido que este reservatório está diminuindo devido as características das Usinas construídas nas últimas décadas.
No final a geração total da energia depende de duas variáveis a vazão e a carga hidráulica dada pela diferença de cota de jusante e montante de um empreendimento. A cota geralmente é mantida pelo reservatório e a vazão é a variável principal que se modifica ao longo de meses e anos.
Quando esta vazão aumenta ou diminui é possível gerar mais ou menos vazão. A energia firme no setor elétrico brasileiro é calculada com base no período de 1949 a 1956, que foi o período mais seco da bacia do rio Paraná onde a maioria das hidrelétricas com grande capacidade foram construídas. No entanto, este período crítico pode variar de rio para rio. O período crítico do rio Paraguai foi na década de 60 e o no Uruguai na década de 40. No entanto, para o sistema equivalente energético, são os anos citados acima. A energia firme de um empreendimento é o máximo que o empreender pode vender com contratos de longo prazo e, portanto, estima o valor que receberá pela sua operação dentro da arrecadação do sistema interligado. Este cálculo é regulamentado em lei.
Atualmente, quando se calcula a energia firme de um empreendimento se utiliza as vazões da década de 50. No entanto, se as chuvas fossem as mesmas as vazões seriam diferentes porque as bacias mudaram e o risco das vazões também. As vazões provavelmente seriam maiores e os empreendimentos poderiam contratar energia firme maior, representando um maior ganho para os empreendimentos e talvez um aumento da luz no país.
Olhando por este lado, a energia firme brasileira poderia estar subestimada, o que é fator favorável ao sistema instalado e a redução do risco de racionamento. De outro lado, olhando pelo lado da regularização, o sistema poderia ter mais risco de atender a um período com risco menor de ocorrer que o da década de 50. Além disso, será que a entrada de novas usinas no sistema o período crítico continua o mesmo? A vantagem da entrada atual de usinas na Amazônia onde o período crítico é diferente é de distribuição deste risco, pois algumas usinas complementam outras. Observa-se assim, como os fatores que atuam na bacia e no clima podem influenciar de forma decisiva num setor tão importante para os tempos modernos como a energia.
Esta análise lança hipóteses, mas para melhor comprová-las é necessário obter valores que confirme as hipóteses.

Nas últimas semanas os artigos têm abordado como a mudança das séries hidrológicas (série não estacionária) pode afetar os usos e os impactos sobre os recursos hídricos. Este é um tema de pesquisa para muitos alunos que hoje estão procurando um tema para sua tese ou dissertação. Para mostrar como isto pode ser realizado de forma simples preparei um exemplo no artigo desta semana.
Qual seria o efeito do aumento da precipitação sobre as inundações na drenagem urbana?
Considerando que todo aumento da chuva (percentual) gerará escoamento, o que é uma consideração razoável para chuvas extremas, já que a infiltração foi atendida. O coeficiente de escoamento deverá se alterar para o seguinte:

C2 = (C1 + r)/(1+r)

Onde C1 é o coeficiente de escoamento antes do aumento da chuva; C = Q/P, Q é a o escoamento total e P é a chuva total; r é proporção de alteração da chuva sobre a chuva total.
O aumento do escoamento irá aumentar o escoamento superficial total, exigindo mitigação para o mesmo risco de chuva. O custo por habitante para mitigar este aumento por meio de uma detenção é estimado por

Ce = 10 Cu(1-C1).r.P/[(1+r)DH]

Onde Ce é o custo para mitigação por habitante (escolha a moeda); Cu é o custo por m3 de detenção; P é a chuva pré-existente de projeto em mm/dia.
Considere agora as chuvas diárias máximas de Curitiba de 1888 a 2003. A anomalia da média móvel de 5 anos mostra aumento depois de 1930 e principalmente depois de 1970 (figura abaixo). Estimou-se este aumento em 9,7%.
Com o aumento citado de chuva, considerando que deve-se projetar em drenagem pelo menos para 24 horas de duração de chuva (assunto a ser abordado no futuro). Considerando uma bacia onde o coeficiente de escoamento é 0,4 e uma precipitação de projeto de 120 mm com custo unitário de R$ 50/m3 e densidade de 50 habitantes por hectar o custo unitário final de mitigação é de R$ 64/habitante.
Este tipo de análise pode ainda ser aprimorado com a incorporação de modelos sofisticados, mas este tipo de análise já permite uma informação importante.

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Nos artigos anteriores foram discutidos as principais causas das alterações das séries hidrológicas e alguns dos impactos sobre os recursos hídricos. Neste artigo vamos discutir alguns dos métodos de análise destas alterações e os primeiros métodos para considerar a não-estacionalidade.
Ao identificar uma anomalia nas séries históricas é possível verificar com técnicas estatísticas se os períodos possuem as mesmas estatísticas. O método mais simples para esta análise é o do teste de hipóteses das estatísticas principais como da média e do desvio padrão entre os dois períodos. O teste verificará se as médias dos dois períodos (e o desvio padrão) podem ser consideradas iguais de acordo com um determinado nível de significância. Esta metodologia pode ser encontrada nos livros de Estatísticas ou no anexo do meu livro “ Regionalização de vazão“ publicado pela ABRH.
A variabilidade temporal poderá mostrar pouca sensibilidade estatística e não ser detectada. Por exemplo, como foi mostrada nos artigos anteriores, a variação da chuva deve ser menor que a variação da vazão devido a elasticidade deste último. Portanto, uma não-estacionalidade na chuva pode não ser detectada, mas na vazão isto pode ocorrer.
A outra linha de metodologia que permite analisar este problema é o uso do modelo matemático, seja climático ou hidrológico. Existe uma grande variabilidade de modelos e precisões que se pode obter na análise deste problema. Um modelo hidrológico pode estimar a variação da vazão numa bacia devido a urbanização na qual ela está sujeita a o longo do tempo. A urbanização, devido a impermeabilização e canalização aumenta as vazões e os volumes máximos de escoamento. Quando o modelo incorpora estes efeitos na sua formulação é possível caracterizar este efeito. Da mesma forma, quando ocorre desmatamento e alteração do uso do solo é possível analisar o efeito destas alterações nas estimativas das vazões. Os modelos climáticos são utilizados para analisar as potenciais alterações climáticas. No entanto, estas ferramentas possuem importante grau de incertezas para estimativas de cenários.
O efeito da não-estacionalidade da série é de alteração do risco sobre o atendimento previsto pelos projetos de recursos hídricos. Existem dois cenários de análise: (a) antes de construir o empreendimento; (b) para empreendimentos existentes. No primeiro caso, as alternativas seriam de : (a.1) analisar a sensibilidade do projeto quanto as alterações percentuais possíveis das séries e introduzir esta condição no projeto esta incerteza; (a.2) utilizar um modelo matemático que permite avaliar a potencial alteração futura da série na avaliação do risco.
No segundo caso a principal medida de controle é a previsão de vazão durante a operação e planejamento das atividades dos projetos de recursos hídricos. A previsão em tempo real pode ocorrer em curto prazo, com antecedência de horas até 30 dias de antecedência dependendo do tempo de concentração da bacia hidrográfica. A previsão em tempo real ou de curto prazo é utilizada principalmente para operação de sistemas hídricos e alerta de população ribeirinha. A previsão de longo prazo ou denominada também sazonal é realizada com antecedência de 1 a 9 meses. Esta previsão que tem precisão inferior a anterior e é utilizada principalmente para o planejamento dos recursos hídricos.
A previsão deve ser vista como um ajuste ao longo do tempo das condições hidrológicas em função de sua variabilidade de curto e longo prazo no sentido de mitigar os efeitos desta incerteza temporal.

Nestas últimas semanas apresentamos quais as principais causas das séries hidrológicas mostrarem comportamento não-estacionário, que são uma ou mais das seguintes causas: (a) mudança climática; (b) variabilidade climática; (c) uso do solo. Neste artigo vamos discutir como isto pode afetar a gestão e a sustentabilidade dos recursos hídricos.
O ser humano está acostumado com sazonalidade (variação ao longo dos meses) da chuva e da vazão dos rios e pouco acostumado com grandes variabilidades do comportamento ao longo dos anos. Como mencionamos anteriormente existem mudanças maiores em seqüências de anos. Isto é captado pelos projetos quando se dimensiona o uso dos recursos hídricos por meio da série de hidrológica.
Um projeto de abastecimento de água calcula qual o volume de regularização utilizando a série histórica que o usuário dispõe. Quando a série é curta (< 15 anos) é provável que a mesma não capte de forma representativa o comportamento hidrológico e o reservatório possa estar sub ou super dimensionado. Da mesma forma quando se dimensiona uma hidrelétrica, um projeto de irrigação, a drenagem de uma cidade e mesmo o vertedor de segurança de uma barragem.
O princípio do dimensionamento em recursos hídricos é de que a série do passado é representativa (pelo menos nas estatísticas, como média e desvio padrão) do que ocorrerá no futuro. Portanto, devido a não-estacionalidade observada em muitas séries as obras de recursos hídricos podem possuir um risco maior que o utilizado no seu dimensionamento. Por exemplo, ao dimensionar o volume de um reservatório pode-se admitir um risco de 1%, no entanto, se a série não representar de forma adequada o que deverá acontecer no futuro o risco pode ser maior ou menor que o obtido.
Para exemplificar isto, veja o caso do Rio Grande do Sul na bacia do rio Uruguai. Ocorreu uma seca da década de 1942 a 1951 onde em todos os anos deste período a precipitação anual foi menor que a média do período 1924 a 1990. Quando são utilizados os dados de 1951 a 1990, cerca de 40 anos para dimensionar um reservatório, o volume estimado é metade do obtido com a série da década de 40. Portanto, é de esperar que uma década como esta ocorra no futuro e o risco de falha seja muito maior que o projetado, criando riscos importantes na infra-estrutura do Estado.
Um outro exemplo importante é o que acontece no setor elétrico brasileiro. Observa-se que na maioria dos rios da bacia do rio da Prata ocorreu um aumento de vazão depois de 1970, principalmente na bacia do rio Paraná, onde se encontra a maioria dos reservatórios de energia, portanto grande parte da capacidade instalada hidrelétrica brasileira. Neste período, para a mesma capacidade instalada foi possível gerar mais energia, aumentando o fator de capacidade (proporção de energia média gerada com relação a sua capacidade máxima) dos reservatórios naturalmente, mas será esta energia permanente ou poderá no futuro retornar aos fatores de capacidade de antes de 1970? Como o setor elétrico calcula a energia firme com base no histórico e, este histórico pode se alterar devido a: mudança climática, variabilidade climática e uso do solo, será correto dizer que a energia futura é igual a da série que iniciou em 1930 (ano que inicia a série para cálculo energético)? O efeito que esta incerteza pode produzir na produção energética brasileira pode ser muito grande, já que se os patamares antes de 70 voltarem a se repetir. Será que estamos preparados para isto?
A incerteza é a diferença entre as estatísticas da população e da amostra, que neste caso, são nossa vazão histórica. Como se observa, os impactos podem ser altos e poderão necessitar de investimentos importantes para reduzir seu impacto futuro.
Nos próximos artigos vamos discutir como os métodos de identificação da não-estacionalidade das séries, métodos para procurar retirar a não-estacionalidade nos estudos e como estas incertezas podem ser mitigadas ou avaliadas com antecedência.