Avaliação de performance computacional de simplificações da Equação de Saint-Venant aplicadas na operação da UHE Três Marias, MG

Autor: Kuwajima, Julio Issao
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2016
Předmět:
Druh dokumentu: Tese de Doutorado
Popis: O gerenciamento integrado de recursos hídricos envolve partes com usos conflitantes entre si. Portanto o gerenciamento eficiente dos reservatórios é importante para atender múltiplos objetivos operacionais: abastecimento hídrico, navegação, geração hidroelétrica, requisitos ambientais e controle de cheias. Recentemente desenvolvimentos na previsão numérica climática, dados de radares meteorológicos e aquisição de dados hidrológicos e meteorológicos on-line resultaram em um crescente interesse em processamento de importação de dados. Implementando controle preditivo com horizonte de previsão de curto prazo, é possível prever condições de estresse ou de pico de vazão, que auxilia os tomadores de decisão a agir antecipadamente, assim minimizando os impactos negativos destes eventos. Para eventos de cheia, os operadores podem verter previamente água do reservatório alocando volume de reservação adicional para mitigar os danos de inundação nas margens à jusante do corpo d\'água. Neste cenário, para obter estimativas do escoamento a jusante referentes às mudanças de vertimento do reservatório, é necessário um modelo de escoamento robusto e rápido. Avaliou-se neste contexto cinco modelos diferentes quanto suas potencialidades de implementação em um modelo de controle preditivo para o reservatório de Três Marias, localizado na bacia do Alto São Francisco, Brasil. Estes modelos são: i) SOBEK que utiliza a equação hidrodinâmica de Saint-Venant; ii) SPRNT que utiliza a equação hidrodinâmica de Saint-Venant utilizando técnicas de aceleração para cálculo; iii) MGB-IPH (Modelo Hidrológico de Grandes Bacias - Instituto de Pesquisas Hidráulicas), modelo chuva-vazão semi-distribuído que utiliza o método de Muskingum-Cunge para determinar o escoamento nos canais de interesse; iv) um modelo de onda difusiva; e v) um modelo simplificado de propagação de ondas em reservatório, equivalente à onda cinemática. Os dois últimos modelos estão implementados no pacote de ferramentas do RTC-Tools, a ferramenta de cálculo de controle em tempo real. Em geral os resultados entre os modelos simplificados do RTC-Tools e o modelo mais sofisticado SOBEK são comparáveis, no entanto os dois métodos com abordagem hidráulica, SOBEK e o modelo difusivo do RTC-Tools, apresentam difusão numérica por causa da baixa resolução espacial. No modelo de propagação de vazão por reservatórios simples a adoção de advecção pura através de um retardamento temporal mostrou-se uma correção eficiente para a difusão numérica excessiva apesar da baixa resolução espacial. Do ponto de vista de controle preditivo, esta abordagem possui melhor \"custo-benefício\" entre robustez, eficiência computacional e precisão.
Integrated Water Resources Management involves parties with conflicting interests. Therefore an effective reservoir management is important to meet multiple operating objectives such as water supply, navigation, hydroelectricity generation, environmental obligations and flood protection. Recent upcomings in numerical weather forecast, radar data and online data acquisition resulted in an interest for data import processes. By implementing a predictive control approach over a short-term forecast horizon, it is possible to foresee stress conditions or peak flow events and support decision-makers to take actions before these events happen to minimize their negative impacts. In the case of flood events, this technique enables the operators to pre-release water from a reservoir for allocating additional storage before the flood event occurs in order to mitigate flood damage along downstream river reaches. In this scenario, a robust and fast routing model is required to obtain quick and reliable estimates of downstream flow conditions related to release changes of the reservoir. In this context, five different models are assessed concerning their implementation in a predictive control of the Três Marias reservoir located at the Upper River São Francisco in Brazil: i) a fully dynamic model using the software package SOBEK; ii)SPRNT a fully dynamic model using acceleration calculation techniques; iii) a semi-distributed rainfall-runoff model with Muskingum-Cunge routing for the flow reaches of interest, known as MGB-IPH (Modelo Hidrológico de Grandes Bacias - Instituto de Pesquisas Hidráulicas); iv) a diffusive wave model and v) Kinematic Wave equivalent simplified reservoir routing. The last two models are implemented in the RTC-Tool toolbox, a software for real-time control applications. In general, we find comparable results between the simplified models in RTC-Tools and the more sophisticated SOBEK model and a lower performance of the MGB model. However, both hydraulic modelling approaches, i.e. the SOBEK model as well as the diffusive wave model in RTC-Tools, suffer from too much numerical diffusion in case of course grids. In the reservoir routing approach, the introduction of pure advection by time lags offers an efficient solution for excessive numerical diffusion even on courser grids. From the predictive control point of view, this approach shows the best compromise in terms of robustness, computational efficiency and accuracy.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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