AMPLIAÇÃO DE VERTEDORES DE APROVEITAMENTOS HIDRELÉTRICOS NO RIO GRANDE DO SUL DEVIDO ÀS MUDANÇAS CLIMÁTICAS

Eduardo de Oliveira BUENO
Engenheiro Civil – Pimenta de Ávila Consultoria
Adriano Rolim da PAZ
Professor Associado – Universidade Federal da Paraíba
João Vitor Dias da Silva LIMA
Graduando em Engenharia Ambiental – Universidade Federal da Paraíba
Pedro Lucas Bernardo COSTA
Graduando em Eng. Ambiental e Sanitária – Universidade Federal de Alagoas

RESUMO

Mudanças climáticas têm agravado intensidade e frequência de eventos extremos de precipitação e ampliado efeitos de fenômenos climáticos como o El-Niño/La-Niña, ao qual se associam os eventos extremos em 2023 e 2024 no RS, com consequências severas de perdas de vida, danos à infraestrutura e economia. Em 2024 uma nota técnica do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH-UFRGS) propôs critérios de majoração das vazões de projeto de obras hidráulicas, os quais foram adotados pelo governo do RS na contratação de projetos. Considerando tais critérios, este trabalho avaliou qual seria o impacto das mudanças climáticas na necessidade de ampliação de vertedores de aproveitamentos hidroelétricos de diferentes portes no RS, onde atualmente existem 137 usinas em operação, com áreas de drenagem variando de 9 a 45.662 km² e largura de extravasores entre 17 e 365 m. Foram trabalhadas 75 estações fluviométricas, com pelo menos 30 anos de dados históricos sem falhas, e estimadas as vazões máximas de diferentes períodos de retorno. Os resultados apontaram para necessidade de uma ampliação de 20 a 26% na largura dos vertedores de barragens à fio d’água, na hipótese de se manter a altura previamente dimensionada/construída para os extravasores, ou em um aumento de 13 a 17% na altura dessas estruturas hidráulicas, considerando a mesma largura vertente. Barramentos com área de drenagem menor que 1.000 km² precisariam de maior ajuste da altura/largura dos seus extravasores de superfície.

ABSTRACT

Climate change has intensified the frequency and severity of extreme precipitation events and exacerbated the effects of climate phenomena such as El Niño/La Niña, which were linked to the extreme events observed in 2023 and 2024 in Rio Grande do Sul (RS). These events resulted in severe consequences, including loss of life, infrastructure damage, and economic impacts. In 2024, a technical report issued by the Institute of Hydraulic Research at the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH-UFRGS) proposed criteria for increasing the design flows of hydraulic structures. The RS government subsequently adopted these criteria in project contracting processes. Based on these criteria, this study assessed the potential impacts of climate change on the need for spillway expansion in hydroelectric developments of varying sizes in RS, where 137 power plants are currently in operation. These facilities have drainage areas ranging from 9 to 45,662 km² and spillway widths between 17 and 365 m. The study analyzed data from 75 streamflow gauging stations with at least 30 years of continuous historical records to estimate peak flows for different return periods. The results indicate that spillway widths for run-of-river dams would need to be increased by 20 to 26%, assuming the originally designed or construction height is maintained. Alternatively, a 13 to 17% increase in spillway height would be required if the existing width is preserved. Dams with drainage areas smaller than 1,000 km² would require more significant adjustments to their spillway dimensions, either in height or width.

1 – INTRODUÇÃO

O potencial hidráulico é a principal fonte de energia elétrica no Brasil, com cerca de 52% de participação da matriz energética em 2024, em termos de potência outorgada (ANEEL, 2025). A nível nacional, são 1330 aproveitamentos hidroelétricos em operação atualmente, sendo 214 Usinas Hidroelétricas (UHE), 426 Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH) e 690 Centrais Geradoras de Hidroeletricidade (CGH).

O projeto dos aproveitamentos hidroelétricos envolve o dimensionamento de estruturas hidráulicas para verter volumes de água que excedem a capacidade de armazenamento dos reservatórios, evitando o galgamento e contribuindo para a segurança das barragens (Kelman, 1987). Atualmente, no Brasil não há uma normativa ou legislação que estabelece critérios para o dimensionamento de vertedores das barragens de aproveitamentos hidrelétricos. A literatura técnica, nacional e internacional, indica a adoção de vazões de projeto associadas à diferentes tempos de retorno (TR), de acordo com a altura do maciço e o volume do reservatório; ou conforme a consequência (dano potencial ou perigo) associado à falha (ruptura ou colapso) dos barramentos, considerando impactos econômicos, ambientais e, principalmente, em termos de riscos de perdas de vidas humanas (ANA, 2016; ABNT, 2024; ELETROBRÁS, 2000, 2003; USBR, 1987; CDA, 2013; ICOLD, 2022). Por exemplo: Cheia Máxima de Projeto para aproveitamentos com altura maior do que 30 m e volume maior do que 50 hm³; TR 500 anos para aproveitamentos com dano potencial Baixo em caso de falha, TR 1000 anos para consequência Média e TR 10000 anos para consequência Alta.

Para subsidiar o projeto dos vertedores, estudos hidrológicos determinam vazões associadas a diferentes tempos de retorno. Em geral, esses estudos se baseiam na análise de frequência de cheias a partir de séries históricas de vazões observadas em postos fluviométricos, adotando um procedimento padrão embasado no conceito de estacionariedade, ou seja, na ideia de que os sistemas naturais variam dentro de uma faixa constante de variabilidade (Milly et al., 2008). Assumir a estacionariedade de uma série hidrológica significa aceitar que a média, variância e distribuição de probabilidades não se alteram significativamente no tempo (Detzel et al., 2016). Na prática da engenharia, isso implica assumir que o período de retorno adotado no projeto da estrutura hidráulica será válido ao longo da vida útil dessa estrutura e, portanto, mantendo-se o mesmo risco associado de falha (Salas e Obeysekera, 2014).

A não-estacionariedade de séries hidrológicas afluentes à aproveitamentos hidrelétricos tem sido discutida e detectada em estudos a nível nacional, regional e local (Detzel et al., 2022, Chagas e Chaffe, 2018) e métodos tem sido trabalhados para avaliar a consequente incerteza associada à análise de frequência de cheias (Gomes et al., 2023). De modo geral, três processos principais podem resultar em alterações nos padrões de cheias de um rio (Bloschl, 2022): mudanças de uso e cobertura da terra, intervenções hidráulicas e mudanças climáticas. O último fator tem se destacado, tanto pelas observações quanto pelas projeções futuras. Eventos hidrológicos extremos sem precedentes tem sido registrados em várias partes do mundo (Yao et al., 2024; Kreibich et al., 2022; Zhou et al., 2022; Tang et al., 2023). Isso tem corroborado as projeções futuras de alteração nos padrões e severidade dos eventos extremos devido às mudanças climáticas, relativamente ao histórico observado, com propensão à maior frequência e maior intensidade dos eventos (Seneviratne et al., 2021).

Avanços acadêmicos tem sido realizados para incorporar as mudanças climáticas nos estudos de cheias, mas com limitações e raramente utilizados em aplicações comerciais ou regulatórias (Wing et al., 2022). Por exemplo, uma dessas abordagens é determinar curvas intensidade-duração-frequência baseadas nas projeções de cenários futuros de mudanças climáticas (Hassanzadeh et al., 2019; Silva et al., 2023). Existem diferentes métodos, com diferentes limitações e aplicabilidades (Shlef et al., 2023), e raras aplicações práticas. Algumas alternativas mais simples e já empregadas como diretrizes para estudos em alguns países incluem o aumento percentual das intensidades de chuva ou das vazões de cheias (Martel et al., 2021).

Uma abordagem prática e semelhante a essas foi proposta em 2024 em uma nota técnica do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Paiva et al., 2024), propondo critérios de majoração das vazões de projeto de obras hidráulicas no estado gaúcho como forma de melhor se preparar para as mudanças climáticas. A motivação decorreu dos consecutivos eventos extremos ocorridos em 2023 (setembro e novembro) e 2024 (maio) no Rio Grande do Sul. Esse último é apontado como o evento de grande escala mais intenso dentre os registrados no país, pelo menos ao considerar área de captação entre 2.000 e 100.000 km² e durações de chuva de 3 a 14 dias (Collischonn et al., 2024). Foram cerca de 2,4 milhões de pessoas afetadas no estado, mais de 800.000 desabrigados e mais de 200 mortes, sendo 478 cidades impactadas e severos danos à infraestrutura, como indústrias, pontes, estradas, sistemas de abastecimento de água e aproveitamentos hidroelétricos (Collischonn et al., 2025; Laipelt et al., 2025). Esse evento extremo de inundação foi associado ao aumento de chuvas provocado pelas condições do fenômeno El Niño em combinação com as condições atmosféricas relacionadas à Oscilação de Madden-Julian, as quais contribuíram com bloqueio atmosférico, aumento de temperaturas locais e atraso no progresso da frente fria (Simoes-Sousa et al., 2025).

Os valores incluídos nos critérios de majoração de vazões de projeto propostos pelo IPH-UFRGS (Paiva et al., 2024) para o Rio Grande do Sul (RS) foram baseados nos estudos de projeções de cenários de mudanças climáticas, com alguns resultados apresentados em Petry et al. (2025). Esses estudos predizem aumento da magnitude e da frequência de vazões máximas no sul do país no período 2025-2100, a partir de resultados de um conjunto de 28 modelos climáticos globais do Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC).

Nesse contexto, o presente artigo avalia o impacto da aplicação dos critérios de majoração de vazões propostos em Paiva et al. (2024) sobre a necessidade de ampliação de vertedores (projetados e/ou existentes) de aproveitamentos hidroelétricos de diferentes portes no RS, em termos do aumento da largura ou da altura dessas estruturas vertentes para acomodar maiores vazões de cheias devido às mudanças climáticas.

2 – ÁREA DE ESTUDO

2.1 Localização

 

O Estado do RS possui uma área de 281.707 km² e, de acordo com a Lei Estadual 10.350/1994, há três Regiões Hidrográficas (RH) em que as bacias hidrográficas do RS estão agrupadas para fins de gerenciamento: a RH do rio Uruguai, que coincide com a bacia nacional do Uruguai; a RH do Guaíba e a RH do Litoral, que coincidem com a bacia nacional do Atlântico Sudeste. O Decreto n° 53.885/2018 institui a subdivisão das RH em 25 bacias hidrográficas (Figura 1).

 

2.2 Caracterização climática

O clima do estado do RS é Temperado do tipo Subtropical, classificado como Mesotérmico Úmido (classificação de Köppen). Os verões apresentam-se quentes e os invernos são bem rigorosos. A latitude média em que o estado se localiza afeta as massas de ar oriundas da região polar e da área tropical continental e atlântica, que muito influenciam nas características climáticas da região. Eventos como o ENSO também entram em rota de colisão com a região.

O ENSO é um fenômeno natural que envolve flutuações nas temperaturas do oceano em regiões do Pacífico equatorial, acompanhado por mudanças na atmosfera. El Niño e La Niña são os componentes oceânicos desse fenômeno, enquanto a Oscilação Sul é a parte atmosférica, originando assim o termo completo Oscilação Sul/El Niño (WMO, 2014). A ocorrência de El Niño geralmente começa no meio do ano com um aquecimento em larga escala das águas superficiais em regiões do Oceano Pacífico equatorial (Figura 2). A partir desse aquecimento, ocorrem mudanças na circulação atmosférica tropical, com efeitos sobre os ventos, a pressão atmosférica e a precipitação. Em geral, o El Niño atinge seu pico entre novembro e janeiro e depois diminui na primeira metade do ano seguinte. Esse fenômeno ocorre a cada 2 a 7 anos (WMO, 2014). A duração típica do El Niño é de 9 a 12 meses, embora episódios prolongados tenham durado 2 anos ou até persistido por 3 a 4 anos, enquanto a La Niña tem duração usual de 1 a 3 anos (NOAA-CPC, 2024).

Figura 1 – Localização das Regiões Hidrográficas do Rio Grande do Sul, suas bacias hidrográficas e principais rios.

Figura 2 – Mapas de anomalias da temperatura da superfície do mar durante fases intensas de El Niño e La Niña (Fonte: adaptado de WMO, 2014).

Entre junho/2023 e agosto/2023, as condições de temperatura da superfície do mar e as características da atmosfera na região do Pacífico equatorial levaram ao reconhecimento do início da vigência do fenômeno El Niño.

O evento El Niño 2023/2024 foi classificado como de intensidade moderada a forte, embora com impactos significativos em várias partes do Brasil (INPE, 2024). Segundo tal fonte, os impactos no Brasil iniciaram em meados de 2023 e intensificaram-se na primavera e no verão. Um grande destaque desse efeito foi a influência na abundância de chuvas no Sul do país. Nessa região, os totais acumulados anuais foram excepcionalmente altos. O destaque de maiores precipitações acumuladas e da relação desses valores com a média observada no período de 2000 a 2022 foi dado aos meses novembro a outubro, como ilustrado para RH do Rio Uruguai na Figura 3.

Figura 3 – Precipitações acumuladas em setembro, outubro e novembro de 2023 e a razão desses valores em relação às médias acumuladas históricas no período de 2000 a 2022 na bacia nacional do Uruguai (Adaptado de Mattiuzi e Matos, 2023).

Entre abril e maio de 2024, os acumulados de chuva no sul do país foram muito elevados, com graves consequências de inundações, deslizamentos de terras e outros. O estudo de Collischonn et al. (2024) concluiu que as chuvas ocorridas no Rio Grande do Sul nesse período configuraram um evento que supera largamente os eventos de precipitação de grande escala espacial mais intensos historicamente registrados no Brasil, no período de 1961 a 2022.

 

2.3 Aproveitamentos hidroelétricos no RS

Os aproveitamentos hidrelétricos são estruturas geradoras de energia elétrica a partir da energia potencial das águas dos rios. Os tipos de aproveitamentos são: as Usinas Hidrelétricas (UHEs), as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) e as Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGHs). Cada uma difere em relação à potência de energia gerada. De acordo com a Resolução Normativa ANEEL N° 1070, de 29 de agosto de 2023, as CGHs possuem potência instalada de no máximo 5.000 kW, as PCHs possuem capacidade até 30.000 kW e acima desse valor estão as UHEs. De acordo com ANEEL (2025), atualmente, existem 137 aproveitamentos hidrelétricos em operação no RS, sendo 17 UHEs, 56 PCHs e 64 CGHs (Tabela 1 e Figura 4).

Tabela 1 – Distribuição dos aproveitamentos hidrelétricos em operação no RS.

Figura 4 – Aproveitamentos hidrelétricos em operação no Rio Grande do Sul.

Nota-se que a maioria das usinas estão instaladas na região norte do RS, nas RH do Uruguai e a Guaíba. Destaque para a Bacia Hidrográfica Taquari-Antas, na RH Guaíba, que possui 43 aproveitamentos hidrelétricos em operação. Os 137 aproveitamentos hidrelétricos em operação no RS, de diferentes portes, apresentam áreas de drenagem variando de 9 a 45.662 km², enquanto seus vertedores apresentam larguras de superfície de 17 a 365 m.

3 – METODOLOGIA

Este estudo foi desenvolvido em quatro etapas principais. Inicialmente foram selecionados postos fluviométricos representativos para simular locais hipotéticos onde estariam localizados os aproveitamentos hidroelétricos considerados para avaliar o impacto das mudanças climáticas sobre a necessidade de ampliação dos vertedores. A segunda etapa principal foi a estimativa de vazões máximas de eventos extremos para esses locais, via ajuste de distribuição estatística de Gumbel às séries de vazões máximas diárias anuais, com teste de aderência de Kolmogorov-Smirnov.

A terceira etapa principal foi aplicar os critérios propostos pelo IPH-UFRGS (Paiva et al., 2024) para definir a majoração das vazões máximas devido às mudanças climáticas. A quarta etapa consistiu em estimar a necessidade de ampliação dos vertedores de superfície de barramentos a partir da majoração das suas vazões de projeto, considerando um cenário de ampliação apenas da altura e outro cenário de ampliação apenas da largura. Essas etapas são detalhadas nos subitens a seguir.

 

3.1 Seleção de postos fluviométricos

Para este trabalho, foram selecionadas todas as estações fluviométricas localizadas no estado do RS com séries históricas de, no mínimo, 30 anos de dados diários de vazão disponíveis no HidroWeb da Agência Nacional de Águas e Saneamento. Foram consideradas as séries até o ano de 2022. O procedimento de seleção das estações considerou apenas anos completos sem ocorrências de falhas, mas sem a exigência de continuidade entre os anos para formar o período mínimo de 30 anos. Por fim, para seleção final das estações fluviométricas para o presente estudo, foram excluídas aquelas cuja amostra de vazões máximas diárias não se ajustavam à distribuição estatística de Gumbel, baseado no teste de aderência de Kolmogorov-Smirnov, conforme procedimento metodológico descrito adiante. Isso configurou um conjunto final de 75 estações fluviométricas distribuídas pelo RS (Figura 5), com áreas de drenagem variando entre 62 e 95.200 km², segundo valores disponíveis no banco de dados HidroWeb da Rede Hidrometeorológica Nacional (RHN).

Figura 5 – Localização das estações fluviométricas no RS.

3.2 Estimativa de vazões máximas de eventos extremos

3.2.1 Determinação de séries de vazões máximas anuais

Para cada um dos postos fluviométricos selecionados na etapa anterior foi gerada a série de vazões máximas anuais correspondente. No RS, em função da dinâmica climática e regime de chuvas, o ano hidrológico não é bem definido. Por esse motivo, a vazão máxima diária em cada ano foi estabelecida como a maior vazão da série segundo o calendário político, de janeiro a dezembro.

 

3.2.2 Ajuste de distribuição estatística de extremos tipo Gumbel

Nesta etapa, foi realizado um ajuste de distribuição de Gumbel, ou Distribuição de Valores Extremos do tipo 1, para a série de vazões diárias máximas anuais de cada posto fluviométrico. Foi utilizado o método dos momentos baseado na amostra representada pela série de cada posto. Segundo essa abordagem, os parâmetros de posição (m) e de escala (β) da distribuição de Gumbel são estimados pelas equações 1 e 2 a partir da média e desvio padrão da amostra.

Onde x̅ e α são, respectivamente a média e o desvio padrão de cada série de vazões diárias máximas anuais, e p = 3,141592…

Segundo a distribuição de Gumbel ajustada aos dados de cada estação, a vazão correspondente a um determinado tempo de retorno foi estimada pela equação 3 (Naghettini e Pinto, 2007).

Onde Q_TR é a vazão em m³/s estimada para o tempo de retorno TR em anos.

3.2.3 Teste estatístico de Kolmogorov-Smirnov

 

A adequação do ajuste da distribuição de Gumbel à série de vazões diárias máximas anuais de cada posto fluviométrico foi verificada pela aplicação do teste estatístico de Kolmogorov-Smirnov (KS). Trata-se de um teste não paramétrico que considera como estatística de teste a diferença máxima entre funções de probabilidades acumuladas empírica e teórica (Naghettini e Pinto, 2007) – equação 4. A função de probabilidade acumulada empírica foi obtida pelo ordenamento das vazões da série e emprego da equação 5, enquanto a função teórica é a derivada do ajuste da distribuição de Gumbel (equação 6).

Onde  é a estatística do teste KS, F_N(x) e F_G(x) são as distribuições de probabilidade acumulada empírica e teórica obtida via distribuição de Gumbel, respectivamente; x representa a série de vazões diárias máximas anuais, m é a ordem de classificação de cada elemento em x, N é a quantidade de dados de x.

O teste KS foi aplicado considerando um nível de significância de a = 0,05. Para cada estação, o ajuste da distribuição Gumbel foi considerado aceitável se a condição da equação 7 é atendida, em função do valor crítico da estatística do teste correspondente ao a escolhido e ao tamanho de cada série (; equação 8).

3.2.4 Definição dos tempos de retorno

 

Para o conjunto de estações fluviométricas cujas séries de vazões diárias máximas anuais tiveram ajuste aceitável da distribuição de Gumbel, segundo o teste de Kolmogorov-Smirnov, foram estimadas as vazões máximas extremas correspondentes a seis tempos de retorno: 500, 1000, 2500, 3500, 6000 e 8000 anos. Esses TRs são necessários como informação de entrada ao procedimento seguinte, de majoração de vazões devido às mudanças climáticas (Paiva et al., 2024).

 

3.3 Majoração das vazões máximas devido às mudanças climáticas

 

Em 2024, o IPH publicou uma nota técnica recomendando o aumento do período de retorno da vazão de cheia para o projeto de obras hidráulicas (Paiva et al., 2024), tendo em vista as projeções resultantes de 28 modelos climáticos globais (CGHs) do CMIP6, adotado no relatório do IPCC (AR6).

O procedimento de majoração de vazões máximas em função das mudanças climáticas neste estudo foi adotado seguindo o prescrito em Paiva et al. (2024). Para o presente estudo, as vazões de cheias consideradas para majoração foram as vazões correspondentes aos TRs de 500 e de 1000 anos, usualmente adotadas no dimensionamento de estruturas de vertimento de aproveitamentos hidroelétricos menores. Para vazões referentes a esses TRs, Paiva et al. (2024) recomenda aplicar três critérios sintetizados na Tabela 2. Para vazões com TR menores, outros critérios são indicados na nota técnica do IPH-RS (Paiva et al., 2024).

Para os TRs de 500 e 1000 anos, o primeiro critério é considerar um aumento fixo de 20% nas vazões máximas, sendo relacionado ao que se projeta de aumento da magnitude dos eventos extremos com as mudanças climáticas. O segundo critério é associado ao aumento na frequência dos eventos extremos. Esse critério tem recomendações distintas para as vazões máximas de TR 500 e 1000 anos. Para TR de 500 anos, a majoração consiste em adotar vazão máxima correspondente a um TR de 3500 anos, se a área de drenagem é inferior a 1000 km², ou a um TR de 2500 anos, quando a área de drenagem é superior a 1000 km². Para o TR de 1000 anos, o procedimento é análogo, mas com majoração referente às vazões de TR de 8000 e 6500 anos, como indicado na referida tabela. O terceiro critério é simplesmente adotar a vazão máxima histórica da série, caso seja superior às vazões majoradas obtidas pelos critérios anteriores. A recomendação final é de que a majoração seja considerada como o maior valor obtido dentre a aplicação dos três critérios.

Tabela 2 – Síntese dos critérios adotados para majoração de vazões máximas (TRs 500 e 1000 anos) devido às mudanças climáticas propostos em Paiva et al. (2024).

3.4 Estimativa da necessidade de ampliação de vertedores

Para o cálculo do incremento de largura ou altura dos vertedores (projetados e/ou vertentes) dos aproveitamentos hidrelétricos, frente aos efeitos das mudanças climáticas, conforme critérios da nota técnica do Paiva et al. (2024), algumas premissas foram admitidas:

• Barramentos com extravasores principais do tipo de superfície, com soleira livre (sem comportas), e desconsiderando estruturas hidráulicas complementares (como vertedores de emergência, tomadas d’água e descargas de fundo);
• Barramentos sem capacidade de amortecimento de cheias no reservatório, ou seja, vazões de projeto dos vertedores iguais às vazões de cheias afluentes;
• Manutenção da mesma borda livre (folga entre o N.A. máximo maximorum no reservatório e cota da crista), prevista no projeto inicial dos barramentos.

Para avaliar a adequação necessária nos vertedores dos barramentos para adaptação às mudanças climáticas, considerou-se vazões de cheias de TR de 500 e 1000 anos, geralmente adotadas em projetos de aproveitamentos hidrelétricos menores.

A equação geral de descarga para vertedores de soleira livre (USBR, 1987) foi a base metodológica para a avaliação da ampliação necessária na geometria (largura ou altura) nos vertedores de superfície devido às mudanças climáticas:

Onde: Q  é a vazão de projeto (em m³/s);  L e H  são, respectivamente, a largura e a altura do vertedor (em metros);  corresponde ao coeficiente de descarga do emboque do vertedor em soleira livre (em m^0,5/s).

A partir da equação 9, admitindo-se o mesmo coeficiente de descarga e, isoladamente, a mesma largura ou altura inicialmente projetadas, foram estabelecidas as equações abaixo para o cálculo da ampliação necessária na largura ou altura dos vertedores, a partir da relação entre a vazão de cheia majorada () devido às mudanças climáticas e a vazão de projeto original ():

Onde:  e  são, respectivamente, o aumento da largura ou altura necessária no vertedor (em %);  é a vazão de projeto majorada devido às mudanças climáticas (em m³/s), conforme critérios da nota técnica do IPH (Paiva et al., 2024) apresentado no item 3.3; e é a vazão de projeto originalmente obtida da análise de frequência dos dados históricos da estação fluviométrica (em m³/s), conforme metodologia apresentada no item 3.2.

 

4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Vazões máximas de eventos extremos

A qualidade do ajuste da distribuição de Gumbel aos dados de vazões diárias máximas anuais é exemplificada para três estações fluviométricas espacialmente distribuídas pelo estado (Figura 6): estação Ponte Cordeiro de Farias, com 386 km² de área de drenagem e localizada no Arroio Pelotas (RH das Bacias Litorâneas); estação Passo Carreiro, com 1.820 km² de área de contribuição e situada no Rio Carreiro (RH do Guaíba) e estação Jaguari, que drena 2.320 km² do rio Jaguari (RH do Uruguai). A análise visual do ajuste às três estações corrobora a adequação estatística da distribuição de Gumbel, verificada pelo teste de Kolmogorov-Smirnov.

As vazões máximas estimadas para o conjunto das 75 estações fluviométricas a partir da distribuição de Gumbel é sintetizada na Figura 6-d, para os seis tempos de retorno (TRs) trabalhados neste estudo. Há dois padrões principais de resultados. O primeiro é a amplitude das vazões dos diferentes TRs com comportamento relativamente semelhante entre os postos. Variações médias de 8%, 19%, 22%, 29% e 32% foram obtidas para as vazões máximas dos TRs de 1000, 2500, 3500, 6000 e 8000 anos, respectivamente, em relação à vazão máxima do TR de 500 anos.

O segundo comportamento é a relação entre o tamanho da área de contribuição da estação e a magnitude das vazões máximas, no sentido de aumento das vazões com o aumento da área, como esperado conceitualmente. Entretanto, foge ao escopo deste trabalho avaliar estatisticamente o ajuste matemático entre essas variáveis, bem como a dispersão entre valores de TRs distintos entre os postos.

Figura 6 – Ajuste da distribuição estatística de Gumbel (linha azul) às vazões máxima observadas (círculos pretos) nas estações Ponte Cordeiro de Farias (a), Passo Carreiro (b) e Jaguari (c); Vazões máximas estimadas para diferentes tempos de retorno para o conjunto de 75 estações, em função da área de drenagem (d).

4.2 Aumento de vazões devido às mudanças climáticas

O aumento de vazões devido às mudanças climáticas foi estimado segundo o procedimento descrito em Paiva et al. (2024), com a consideração de três critérios. Para o critério 1, que reflete o impacto do aumento da magnitude de eventos extremos, tem-se que todas as vazões de TR 500 ou TR 1000 anos são majoradas igualmente por um fator de 20%. Assim, o gráfico da majoração de vazões por esse critério apresenta-se como uma sequência de pontos segundo uma reta horizontal (Figuras 7-a e 7-b).

O aumento das vazões segundo o critério 2 se relaciona com a projeção do aumento na frequência de eventos extremos devido às mudanças climáticas. Como é feita a relação com as vazões de TR superior, os aumentos percentuais variaram entre as estações, em um intervalo de 10 a 26% e média de 20%. Esse segundo critério estabelece uma distinção entre bacias abaixo ou acima de 1.000 km², associando TR maiores para o primeiro caso. Assim, percebe-se um padrão de predominância de maiores aumentos para as áreas de contribuição de menor porte, segundo tal critério.

O critério 3 verifica se, na série histórica observada, há vazão máxima superior àquelas majoradas pelos critérios anteriores. Para o conjunto de dados de vazões das estações fluviométricas trabalhadas neste estudo, isso não ocorreu nenhuma vez.

O resultado da consideração simultânea dos três critérios, isto é, a superposição e seleção do critério que leva ao maior aumento de vazão, é ilustrado nas Figuras 7-c e 7-d. Nessas figuras, apresenta-se para cada uma das 75 estações fluviométricas apenas um ponto, correspondente ao aumento percentual final aplicado na majoração das vazões, com a simbologia do ponto indicando qual critério foi o considerado. Para os dois TRs estudados (500 e 1000 anos), os padrões são muito semelhantes entre si: i) em nenhuma estação o critério da vazão histórica superou os demais; ii) para as bacias menores (< 1.000 km²) de área de contribuição, há nítido predomínio do critério do aumento nas frequências dos eventos extremos; iii) para as bacias maiores (> 1.000 km²), predominou o critério do aumento das magnitudes dos eventos extremos.

Figura 7 – Aumento de vazões máximas de TR 500 (a) e 1000 anos (b) segundo os três critérios recomendados por Paiva et al. (2024); Indicação da majoração final obtida pelo critério com maior aumento para TR 500 anos (c) e TR 1000 anos (d).

4.3 Impacto das mudanças climáticas na ampliação dos vertedores

A partir das vazões de TR 500 e 1000 anos sem e com a majoração obtida pela adoção dos critérios recomendados pelo Paiva et al. (2024), apresentados anteriormente no item 4.2, aplicou-se as equações 10 e 11 para o cálculo do incremento na largura ou altura dos vertedores principais (projetados e/ou existentes) dos aproveitamentos hidrelétricos, para adaptação aos efeitos das mudanças climáticas.

A Figura 8 apresenta a avaliação do aumento da largura ou altura dos vertedores de superfície, necessária para adequação da segurança hidrológica dos barramentos às mudanças climáticas, conforme os critérios recomendados pelo Paiva et al. (2024).

Figura 8 – Aumento da largura (a) ou altura (b) dos vertedores de superfície necessário para adaptação às mudanças climáticas, segundo os critérios recomendados por Paiva et al. (2024).

Os resultados indicaram a necessidade de uma ampliação de 20 a 26% (na média 20,8%) na largura dos vertedores (projetados e/ou existentes) de barramentos no RS, na hipótese de se manter a altura previamente projetada (ou construída) para os extravasores; ou em um aumento de 13 a 17% (na média 13,5%) na altura das estruturas hidráulicas de descargas de cheias, considerando a mesma largura vertente. Além disso, observou-se que barramentos com área de drenagem menor que 1.000 km² precisariam de uma maior adequação da altura ou largura dos seus vertedores de superfície, frente aos efeitos das mudanças climáticas, seja para vazões de projeto de TR 500 ou 1000 anos.

 

5 – CONCLUSÕES

Admitindo-se os critérios hidrológicos recomendados pelo IPH-UFRGS (Paiva et al., 2024) para adaptação às mudanças climáticas, em termos de majoração das cheias (vazões de projeto) para obras hidráulicas na Região Sul do Brasil, os resultados do presente estudo apontaram para a necessidade de uma ampliação de 20 a 26% na largura dos vertedores (projetados e/ou existentes) de barramentos no RS, na hipótese de se manter a altura previamente projetada (ou construída) para os extravasores de superfície; ou em um aumento de 13 a 17% na altura dessas estruturas hidráulicas de descarga, considerando a mesma largura vertente. Barramentos com área de drenagem menor que 1000 km² precisariam de maior adequação na geometria dos seus vertedores. Ressalta-se que esses resultados foram obtidos considerando as premissas de: barramentos com vertedores de superfície (com soleira livre, sem comportas); desconsiderando estruturas hidráulicas complementares (como vertedores de emergência, tomadas d’água e descargas de fundo); reservatórios sem capacidade de amortecimento de cheias afluentes; e mantendo-se a mesma borda livre prevista no projeto inicial dos barramentos. Além disso, no presente estudo não foram analisadas questões de impactos ambientais e viabilidade técnica-financeira das ampliações dos vertedores. Por fim, entende-se que outras alternativas de adequação dos aproveitamentos hidroelétricos às projeções de cheias extremas devido às mudanças climáticas poderiam ser analisadas, mas não foram trabalhadas neste artigo, como a implantação de estruturas de descarga complementares (por exemplo, vertedores de emergência).

 

6 – PALAVRAS-CHAVE

Mudanças climáticas, eventos extremos, vertedores, barramentos, hidrelétricas.

 

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