Análise da macroturbulência do escoamento em escadas para peixes por bacias sucessivas

Abstract

Os mecanismos de transposição de peixes (MTP) são estruturas ou sistemas que possibilitam a migração da ictiofauna entre as partes de jusante/montante/jusante de uma barragem. As escadas para peixes representam um dos tipos de MTP mais conhecidos no mundo e apresentam diversas configurações geométricas. A escolha do tipo de escada deve atender às características natatórias dos peixes selecionados para transporem o obstáculo. Para algumas espécies, como o salmão, já se conhecem geometrias adequadas, entretanto, para a maioria das espécies isto não ocorre e muitos projetos têm demonstrado desempenho insatisfatório. No Brasil, encontra-se uma imensa diversidade de espécies de peixes, cujas características natatórias diferem em muito das apresentadas pelos salmonídeos. Este fato, associado à crescente exigência da implantação de MTP nos barramentos, através de leis estaduais ambientais, torna necessária a definição de estruturas adequadas à ictiofauna brasileira. A validação dos critérios de projeto passa, obrigatoriamente, por estudos que avaliem as características hidráulicas das estruturas propostas e a interação do fluxo com os padrões natatórios da ictiofauna. O número de pesquisas relacionadas ao funcionamento hidráulico de escadas para peixes vem crescendo, entretanto ainda são insuficientes, não existindo um consenso sobre os critérios, seja para sua caracterização completa, seja para definir sobre quais parâmetros devem ser considerados. Os padrões de turbulência do escoamento em escadas para peixes, cujas características supõem-se relacionarem-se com o grau de aceitação ou rejeição das espécies, são praticamente desconhecidos. Neste trabalho realizou-se a caracterização hidráulica através do estudo experimental, de três tipos de escadas para peixes: (1) com ranhura vertical; (2) com descarregador de superfície e (3) com orifício de fundo. As estruturas foram construídas nos laboratórios do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul – IPH/UFRGS e no Laboratório Nacional de Engenharia Civil – LNEC – Portugal. As seguintes medições foram realizadas: velocidades em três direções, em diferentes planos dos tanques, com velocímetros acústicos Doppler (ADV) e níveis de água da superfície livre com pontas linimétricas e réguas graduadas. Para a estrutura com ranhura vertical ainda foram medidas as pressões médias e suas flutuações, junto ao fundo do canal, com transdutores piezoresistivos. Para cada uma das estruturas realizaram-se ensaios com três descargas. Além de definidas as características médias do escoamento, os dados de velocidades, que passaram por um processo de aplicação de filtros sem substituição, possibilitaram a avaliação de parâmetros de turbulência, entre eles a energia cinética da turbulência, a intensidade da turbulência e as tensões de Reynolds. No modelo da escada para peixes com ranhuras verticais verificou-se que os parâmetros hidráulicos estão de acordo com estruturas similares da bibliografia, entre eles, coeficiente de descarga, vazão adimensional e coeficiente de cisalhamento. Os campos de pressão junto ao fundo refletem o comportamento da superfície livre do escoamento. Através do mapeamento das velocidades dentro do tanque da escada do tipo ranhura vertical, foi possível caracterizar as duas zonas de recirculação e a região do jato principal. Os máximos valores médios de velocidade encontram-se na seção da ranhura, não excedendo 1,00 m/s (no modelo). Além disso, foi possível reconhecer as regiões de maior energia cinética da turbulência que apresentaram valores de até 1000 cm2/s2 na região do jato principal, as quais coincidem com as zonas de maiores tensões de Reynolds da ordem de até 30 N/m2. A partir das velocidades médias e em função das velocidades de nado dos peixes obtidos na literatura, foi possível a identificação de locais que atuam como “barreiras” ao deslocamento de determinada espécie. A avaliação qualitativa do comportamento da trajetória dos peixes dentro dos tanques mostrou-se de acordo com a definição destas “barreiras” hidráulicas e com a avaliação do comportamento dos campos de energia cinética da turbulência e das tensões de Reynolds. No modelo da escada do tipo descarregador de superfície observaram-se as máximas velocidades médias sobre o descarregador, com valores de até 1,73 m/s. Verifica-se que na maior parte do tanque as velocidades médias não ultrapassam 40% da velocidade potencial. Foram encontrados valores de energia cinética da turbulência até 2000 cm2/s2, com valores na maior parte do tanque em torno de 200 cm2/s2. Quanto aos campos de tensões de Reynolds, têm-se, na maior parte do tanque, os valores entre −5 e 5 N/m2, sendo que na região do jato mergulhante, os valores chegam até 30 N/m2. Na escada com orifícios de fundo verificaram-se as maiores velocidades médias nos planos sob influência do fluxo principal proveniente do orifício. Não foi possível a medição da velocidade na seção da abertura, sendo que os valores medidos no tanque não ultrapassaram 50% da velocidade potencial. Os máximos valores de energia cinética da turbulência atingem até 2000 cm2/s2 junto ao fundo, enquanto na região central do tanque, o valor médio é um pouco inferior a 200 cm2/s2. Os valores de tensão de Reynolds encontram-se entre −30 e 30 N/m2, com a maioria das regiões entre −5 e 5 N/m2. Os valores máximos e médios de energia cinética da turbulência e tensões de Reynolds para os modelos com descarregador de superfície e com orifício de fundo encontram-se na mesma faixa. Isto indica que, sob o ponto de vista técnico, possivelmente o critério de escolha entre essas duas estruturas recai nas características da ictiofauna. A passagem com ranhura vertical permite a escolha da profundidade preferencial de nado. No entanto, nessa estrutura, verificase que as componentes médias e turbulentas, nas regiões de descanso, comparando-as com os valores máximos do jato principal, são superiores proporcionalmente, às observadas nas zonas de recirculação das outras duas estruturas. As informações biológicas disponíveis na literatura não permitem a definição de condições preferenciais em relação aos parâmetros de turbulência entre as estruturas aqui avaliadas. No entanto, as informações obtidas nesse trabalho indicam que a energia cinética da turbulência e as tensões de Reynolds podem ser indicativos da tolerância ou preferência dos peixes até certos níveis de turbulência.

Fish facilities are structures or systems that enable fish passage through dams or obstructions. Fishways represent one of the most common fish facilities types worldwide, presenting different geometries and designs. The choice and design of these structures must attend the fish swimming performance and biological characteristics. For some species, as salmon, there are defined designs that can be successfully applied, however, that does not occur for the majority of the species and many projects have showed unsatisfactory efficiency. In Brazil, there is an immense diversity of fish species, whose swimming characteristics are strongly different than the other known species like the salmons. This fact, associated with the increasing requirement of fish facilities implantation in dams, mainly through environmental State Laws, requires the definition of structures adapted to the Brazilian fish. The design criteria validation needs, necessarily, studies to evaluate hydraulic characteristics on structure proposals and the interaction of the flow with swimming abilities. The number of researches related to the hydraulic functioning of fishways is increasing, however they are still insufficient and there is not a consensus on the criteria, either for its complete characterization, either to define which parameters should be considered. The flow turbulence patterns in fishways, whose characteristics are assumed to be related with the degree of acceptance or rejection of the species, are practically unknown. In this study a hydraulic characterization was carried out through an experimental study, including three kinds of fishways: (1) with vertical slots; (2) with rectangular notches and (3) with bottom orifices. The facilities were set up in the Hydraulic Research Institute of the Federal University of Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS) and in the National Laboratory of Civil Engineering – LNEC - Portugal. The following measurements were carried out: three-direction velocities, in a 3D-mesh in one pool of each structure, with Acoustic Doppler Velocimeters and water level of the free surface with a point gauge and scales. In the vertical slot fishway it was carried out complementary measurements of pressure in the bottom of the channel, with transducers. For each structure three discharges were tested. Besides defining the mean flow characteristics, the velocity time data, filtered (through a digital process) without substitution, allowed to analyze some turbulence parameters, as turbulence kinetic energy, turbulence intensity and Reynolds’ shear stresses. In the vertical slot fishway model it was verified that the hydraulic parameters are in agreement with similar structures of the literature, among them, discharge coefficient, adimensional discharge and friction factor. The bottom pressure field agrees with the behavior of the free-surface flow. Two recirculation zones and the area of the main jet were characterized through the velocities distribution inside the vertical slot fishway pool. The maximum mean velocity values were found in the slot section, not exceeding 1.00 m/s (in the model). Moreover, it was possible to recognize the areas with larger turbulence kinetic energy that presented values of up to 1000 cm²/s² in the main jet area, which correspond to the largest Reynolds’ shear stresses values of up to 30 N/m². Considering mean velocities data and fish swimming capabilities, it was possible to identify regions that are insurmountable by the fish. The qualitative approach of the fish trajectory inside the structure agrees with the insurmountable regions described through mean velocities and with the distribution of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses. In the fishway model with rectangular notches, the maximum mean velocities were observed on the weir, with values of up to 1.73 m/s. In the major part of the pool, mean velocities do not surpass 40% of the potential velocity. Values up to 2000 cm²/s² for turbulence kinetic energy were found, with values in the major part of the pool close to 200 cm²/s². For Reynolds’ stresses, the major part of the structure works with values in the range of −5 and 5 N/m², and in the jet entrance pool region the values are of up to 30 N/m². In the fishway with bottom orifices the largest mean velocities were verified in the plans under influence of the main flow connecting consecutive orifices. The measurement of the velocities in the orifice section was not possible and the values measured in the pool did not exceed 50% of the potential velocity. The maximum values of turbulence kinetic energy reached up to 2000 cm²/s² close to the bottom channel, while in the central area of the pool, the mean value is lower than 200 cm2/s2. The values of Reynolds’ shear stresses are between −30 and 30 N/m2, with the major part between−5 and 5 N/m2. The maximum and mean values of turbulence kinetic energy and Reynolds’ stresses in the models with rectangular notches and with orifice are in the same range. It indicates that the choice between these two structures relapses in the fish swimming characteristics. The passage with vertical slot allows the choice of the swimming depth preference. However, in the resting areas of this structure, it is verified that the mean and turbulent components when compared with the maximum values of the main jet, are higher proportionally, to the ones observed in the recirculation zones of the other two structures. The biological information available in the literature does not allow the definition of preferential conditions in relation to the turbulence parameters among the structures here appraised. However, the information obtained in this work indicates that the turbulence kinetic energy and Reynolds’ shear stress can be indicatives of the tolerance or preference of the fish to certain turbulence levels.