Uso da teoria de valores extremos para estimar valores de pressões hidrodinâmicas em um ressalto hidráulico formado a jusante de um vertedouro : o caso da UHE Porto Colômbia

Abstract

A caracterização das ações hidrodinâmicas que ocorrem em estruturas de dissipação de energia é motivo de preocupação para muitos engenheiros ligados ao projeto de barragens. Tal preocupação resulta da necessidade de, durante a ocorrência de cheias, assegurar a estabilidade dos elementos estruturais dos órgãos de dissipação de energia face às intensas fiutuações de pressão ocasionadas pelos escoamentos turbulentos. Por isso, um método para estimativa dos valores extremos de pressão é de muita utilidade para os profissionais que atuam no dimensionamento das estruturas de dissipação de energia hidráulica. Desta forma, este trabalho consiste no ajuste da distribuição generalizada de valores extremos (GEV) e da distribuição generalizada de Pareto (GPD) aos dados de pressão instantânea registrados no protótipo do dissipador de energia por ressalto hidráulico da Usina Hidrelétrica (UHE) de Porto Colômbia, pertencentes a Fumas Centrais Elétricas. A qualidade do ajuste da GEV e da GPD foram avaliadas graficamente através dos gráficos PP-Plot e QQ-Plot e pela aplicação dos testes de Kolmogorov-Smirnov e de Cramér-von Mises, respectivamente. Os resultados obtidos indicam que a GEV é adequada para estudar as pressões máximas e mínimas para todas as vazões, enquanto, a GPD não descreveu de modo satisfatório o conjunto de valores excedentes formados, aproximadamente, por 1% e 2% do total de observações consideradas para análise. Os valores estimados de pressão, pelo ajuste da GEV aos dados, foram comparados com os valores medidos no protótipo da bacia de dissipação da UHE de Porto Colômbia e com os valores calculados segundo o método proposto por Wiest (2008) que considera a determinação do coeficiente estatístico de probabilidade. Quando a comparação é realizada com os valores medidos, os melhores resultados foram obtidos para as tomadas localizadas no trecho em curva para probabilidades inferiores a 10% e para as duas últimas tomadas da parte plana da bacia de dissipação para o intervalo de 1% a 99,9% de ocorrência, com erros relativos, em ambos os casos, inferiores a 10%. No entanto, para as tomadas localizadas na zona de maior fiutuação de pressão e para probabilidades de ocorrência inferiores a 80%, 90%, 95%, 99% e 99,9%, em média, o valor absoluto do erro relativo foi próximo a 20%. Quando comparamos as estimativas obtidas pelo ajuste da GEV e do método desenvolvido por Wiest (2008) evidenciamos que os melhores resultados obtidos pela GEV continuam sendo para as tomadas do trecho em curva. No entanto, em geral, o método proposto por Wiest (2008) apresenta melhores resultados nas estimativas para os valores de pressão para a quarta e quinta tomadas para as probabilidades de ocorrência no intervalo de 80% a 99,9%. Para as duas últimas tomadas, não foram caracterizadas diferenças expressivas entre os dois métodos para as diferentes probabilidades de ocorrência e os resultados foram entendidos como satisfatórios, pois, em média, o valor absoluto do erro relativo obtido é inferior a 6%. Cabe ressaltar, que 90% das estimativas obtidas para os valores de pressão pelo ajuste da GEV aos dados são a favor da segurança.

The characterization of hydrodynamic actions that occur in energy dissipation structures concerns many engineers who work with dams. Such concern is due ensure to the need to e the stability of structural elements for energy dissipation in the face of intense pressure fluctuations caused by turbulence during high discharge. A method for estimating extreme values of pressure therefore is necessary for professionals working in the dimensioning of hydraulic energy dissipation structures. This work therefore explores the use of the generalized extreme values distribution (GEV) and the generalized Pareto distribution (GPD) to instantaneous pressure data recorded in the energy dissipator prototype by hydraulic jump at the Hydroelectric Power Station (HPS) from Porto Colombia, which belongs to Furnas Centrais Elétricas. The goodness of fit of the GEV and the GPD were graphically evaluated through PP-Plot and QQ-Plot graphics and by the appliance of Kolmogorov-Smirnov and Cramér-von Mises tests, respectively. The results indicate that GEV is appropriate for studying maximum and minimum pressures for all outflows, while GPD did not describe satisfactorily the characteristics of exceedances which were, approximately, 1% and 2% of the total observations considered for analysis. The estimates of pressure, obtained by fitting GEV to the data, were compared with measured values in the dissipation basin prototype at the HPS from Porto Colombia, and with values calculated according to the method proposed by Wiest (2008), which considers the determination of the probability statistical coefficient. When compared with the measured values, best results were obtained for measurements points located at points with high curvature and for probabilities under 10%, and to the two last measurement points on the flat part of the dissipation basin for the interval from 1% to 99,9% of occurrence, with relative errors, in both cases, under 10%. However, for the measurement points located in the higher fluctuation zone of pressure, and for probabilities of occurrence under 80%, 90%, 95%, 99% and 99,9% on average, the absolute value of the relative error was about 20%. The estimates obtained by fitting GEV compared with the method developed by Wiest (2008) show that the best results obtained by GEV are for measurement points where curvature in the structure is high. Nevertheless, in general, the method proposed by Wiest (2008) presents better results in the estimates of the values of pressure for the fourth and the fifth measurement points and for to the probabilities of occurrence in the range 80% to 99,9%. For the last two measurement points, no marked differences were form the two methods for the different probabilities of occurrence, and the results are regarded as satisfactary, as on average the absolute value of the relative errar was lower than 6%. It is important to stress that 90% of the estimates obtained to the pressure values by GEV adjust to the data in on the side of safety.