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15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1
15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental
BALANÇO HÍDRICO DE LONGO TERMO – ESTUDO DE CASO DA
BARRAGEM BOCAIÚVA
Paulo Roberto Costa Cella1; Valéria Ferreira Coelho Micheluzzi2; Marco Aurélio Gomes Nascimento3; Gabriela Silveira Virgili4; Roberto Alvarenga Alvares5.
Resumo – Em ambientes de mineração, as simulações de balanço hídrico de longo termo estão entre os estudos hidrológicos mais importantes. Estes estudos são comumente empregados em sistemas componentes de unidades industriais que armazenam ou conduzem fluxos de água, tais como espessadores, britadores, linhas adutoras, etc., ou, em muitas aplicações, de forma global para a unidade industrial. O conceito de balanço hídrico, em linhas gerais, estabelece que, em um intervalo de tempo determinado, a quantidade de matéria que entra no sistema é igual à quantidade que sai do mesmo. Contudo, apesar de simplório, ao se desenvolver estudos desta natureza, deve-se atentar para a alguns fatores singulares e peculiares ao sistema a ser analisado. Diante disso, o presente trabalho insere-se nesse contexto e apresenta os desafios encontrados e soluções adotadas na elaboração do estudo de balanço hídrico e de massas da Barragem de Rejeitos Bocaiúva. Complementarmente, este trabalho também expõe, em virtude da alta permeabilidade da fundação da barragem, os cálculos realizados para a obtenção da taxa de infiltração, bem como a maneira pela qual se conseguiu agregar ao estudo o conceito de praia de rejeito 3D nas simulações realizadas, que teve como finalidade a obtenção de resultados mais assertivos e condizentes com a realidade.
Abstract – In mining environments, the water balance simulations of long term are among the most important hydrological studies. These studies are commonly used in industrial drive systems components that store, or leading the water flow, such as thickeners, crushers, supply lines, etc., or in many applications in total for the plant. The concept of water balance, in general terms, provides that, in a given time interval, the amount of material entering the system is equal to the amount coming out of it. However, although simple, to develop studies of this nature, one must pay attention to some natural and factors specific to the system being analyzed. Thus, the present work is part of that context and presents challenges encountered and solutions adopted in the preparation of the water balance of study and mass Dam Bocaiúva waste. In addition, this work also exposes, due to the high permeability of the dam foundation, the calculations performed to obtain the infiltration rate and the way in which one could add to study the concept of 3D beach reject the simulations, which was aimed at getting more assertive results and consistent with reality.
Palavras-Chave – Balanço hídrico; barragem de rejeitos e infiltração.
1 Geól., BVP Engenharia e Projetos, (31) 3263-3047, [email protected]
2 Eng., BVP Engenharia e Projetos, (31) 3263-4002, [email protected]
3 Eng., BVP Engenharia e Projetos, (31) 3263-3016, [email protected]
4 Eng., BVP Engenharia e Projetos, (31) 3263-3016, [email protected] 5 Eng., Vale SA, (31) 3916-2378, [email protected]
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1. INTRODUÇÃO
A mineração é um dos segmentos da economia que muito contribui para o desenvolvimento de um país viabilizando o avanço de tecnologias que promovem uma melhor qualidade de vida. Porém, a água está presente em quase todas as etapas da engenharia mineral, envolvendo situações que vão desde a sua surgência, como consequência de suas operações, até o seu uso/reuso e disponibilização final (CIMINELLI et al, 2006; MPF, 2007).
Tendo em vista que a utilização de água na mineração atinge valores elevados, e grande parte da água captada para fins industriais é devolvida como efluentes, a indústria mineral investe cada vez mais em obras e tecnologias que propiciem a reutilização da água, minimizando os custos de captação e otimizando o uso deste recurso nas minas.
Como atualmente a maioria das mineradoras brasileiras utiliza barragens de contenção de rejeito para o controle ambiental, destinadas à disposição dos rejeitos gerados no beneficiamento de minério, hoje as mineradoras têm se beneficiado com a recuperação do volume de água decantado no reservatório destas barragens para reuso no processo industrial, sendo que, através de um estudo de balanço hídrico da barragem, é possível avaliar a viabilidade e quantidade de recurso hídrico reutilizável.
Nesse sentido, o trabalho em questão apresenta um estudo de balanço hídrico e de massas da Barragem de Rejeito de Bocaiúva que define a melhor alternativa para viabilizar a recirculação de água no processo de beneficiamento de minério.
2. BALANÇO DE MASSAS
O balanço de massas do reservatório da Barragem Bocaiúva objetivou a compatibilização entre dados de produção dos rejeitos e capacidade volumétrica útil do reservatório, no qual, foram considerados dois cenários distintos, cujas características encontram-se listadas abaixo:
• Cenário 01: Considerou a produção de rejeitos apenas da planta de beficiamento existente da mina. Neste, empregou-se a taxa de 577 t/hora de massa total de polpa de rejeito (considerando a massa que vai direto para a barragem e a massa gerada pelo espessador) como referência para avaliação do comportamento do reservatório no tempo. Empregou-se, ainda, no balanço de massas a taxa de 122,46 t/hora de massa seca de rejeito, cuja percentagem de sólidos é de 21,212%; e
• Cenário 02: Considerou a produção de rejeitos da planta de beneficiamento existente da mina e de duas plantas móveis. Neste, empregou-se a taxa de 829 t/hora de massa total de polpa de rejeito (considerando a massa que vai direto para a barragem e a massa gerada pelo espessador da planta existente, além da massa gerada pelas plantas móveis) como referência para avaliação do comportamento do reservatório no tempo. Empregou-se ainda no balanço de massas a taxa de 214,21 t/hora de massa seca de rejeito, cuja percentagem de sólidos é de 25,80%.
2.1. Metodologia
O balanço de massas foi calculado aplicando as relações de Índices Físicos, conforme apresentado na Figura 1 e Tabela 1.
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Figura 1: Pesos e Volumes em um elemento de solo não saturado
Fonte: Int. Mec. dos Solos dos Estados Críticos; J.A.R. Ortigão 2000
Tabela 1: Índices Físicos
Nome Simbolo Equação
Índice de Vazios e e = Vv / Vs
Porosidade n n = Vv / V
Grau de Saturação s s = Vw / Vv
Umidade w W = Pw / Ps
Massa Específica aparente umida ρ ρ = M / V
Massa Específica aparente saturada ρsat Ídem, para S = 100% Massa Específica aparente
submersa ρsub ou ρ' ρsub = ρsat - ρw
Massa Específica aparente seca ρs ρs = Ms / V
Densidade dos Grãos Gs Gs= ρs / ρw
Adicionalmente, as massas específicas das fórmulas de correlação, quando necessário, foram substituídas pelo peso específico correspondente. A seguir, a Tabela 2 apresenta a composição do balanço de massas.
Tabela 2: Composição do balanço de massas.
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2.2. Resultados
As Tabelas 3 e 4 sintetizam os dados de entrada para o balanço de massas e os resultados obtidos, respectivamente.
Tabela 3: Dados de entrada para o balanço de massas da Barragem Bocaiúva
Dados de entrada Cenário 01 Cenário 02 Massa específica dos Sólidos ρs (t/m³) 3,88 3,88
Massa Específica Água ρw(t/m³) 1 1 Massa Específica da Polpa ρsat (t/m³) 1,19 1,24 Porcentagem de Sólidos na Polpa (%) 21,20% 25,80% Porcentagem de Água na Polpa (%) 78,78% 74,20%
Massa Específica Adensado a 80%(ρdry) 1,49 1,49 Índice de Vazios Rejeito Adensado eadensado 1,1 1,1
Operação Usina (h/ano) - (24Mpa - Rend. Op. Médio de 78,00%) 6.832,80 6.832,80 Massa total da Polpa de Rejeito(t/h)M 577 829
Massa de sólidos no Rejeito(t/h) Ms Massa seca) 122,46 214,21
Tabela 4: Resultados do balanço de massas da Barragem Bocaiúva
Item Cenário 01 Cenário 02
Massa base seca t/hora 122,46 214,21
Volume de rejeito adensado– (m³/hora) 82,19 143,76
Volume de água liberada – (m³/hora) 419,82 554,06
3. BALANÇO HÍDRICO
3.1. Premissas e Critérios
Para as simulações de balanço hídrico no reservatório foram adotadas as seguintes premissas e critérios de projeto:
• A declividade da praia de disposição de rejeitos emersa e submersa de 0,5% e 2,5%, respectivamente;
• As simulações hidrológicas foram realizadas em intervalos de tempos mensais, considerando a operação a partir de outubro de 2019;
• Lançamento do rejeito de montante para jusante, de modo a formar o lago próximo ao maciço da Barragem Bocaiúva;
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• Altura da barragem com crista na elevação 646,00 m e NA normal na elevação 643,00 m, correspondente à soleira do sistema extravasor de emergência;
• Manutenção do nível de água mínimo operacional do sistema de captação de água por bombeamento, do tipo “balsa”, igual a 2,00 m acima da superfície de rejeito adensado;
• Período de simulação correspondente à vida útil da barragem;
• A vazão afluente ao reservatório foi calculada considerando um coeficiente de escoamento de 0,50, ou seja, como sendo 50% do volume de chuva precipitado na área;
• Série de precipitação total mensal da estação pluviométrica Piraputanga (código ANA 1957005); e
• Série de evaporação total mensal proveniente de normais climatológicas da estação meteorológica de Corumbá (código 83552) do INMET. Foi considerada a evaporação corrigida igual a 80% da evaporação média mensal.
3.2. Determinação da Infiltração pelo Reservatório
Uma das parcelas mais importantes do presente balanço hídrico é a infiltração pela fundação do reservatório da barragem, diante as características hidrogeológicas das camadas de materiais que compõem o terreno natural.
Essa parcela foi determinada utilizando a seção longitudinal geológica-geotécnica na crista da Barragem Bocaiúva, apresentada na Figura 2, para determinar o coeficiente de permeabilidade da fundação.
Figura 2. Seção longitudinal geológica-geotécnica na crista da Barragem Bocaiúva Representação.
Tendo em vista a seção de referencia supracitada, nota-se que o fluxo passa perpendicularmente aos estratos de litotipos de diferentes permeabilidades. Portanto, definiu-se a permeabilidade equivalente do conjunto para fluxo em série, através da seguinte equação, apresentada por Das (2011):
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keq�l
l1k1�
l2k2�…�
lnkn
= �
∑��
��
(1)
Em que:
• (keq) denota coeficiente de permeabilidade hidráulica equivalente;
• (kn) denota o coeficiente de permeabilidade hidráulica de cada horizonte litológico; e
• (ln) denota a espessura desse horizonte paralelamente a direção do fluxo.
A Figura 3, a seguir, apresenta um esquema ilustrativo para o fluxo em série.
Figura 3: Esquema ilustrativo para fluxo em série.
No presente projeto, o keq (coeficiente de permeabilidade equivalente) varia ao longo das iterações das simulações do balanço hídrico, uma vez que a espessura da camada de rejeito sobre o terreno natural aumenta ao longo da vida útil da barragem.
Por fim, a vazão de infiltração foi determinada através da lei de Darcy, sintetizada na seguinte equação:
Q = k . i . A (2)
Em que:
• (Q) denota vazão de infiltração pela fundação do reservatório da Barragem Bocaiúva;
• (k) denota o coeficiente de permeabilidade hidráulica.
• (i) denota gradiente hidráulico, dado pela razão entre a diferença dos níveis de água de entrada e saída e o comprimento da seção transversal; e
• (A) denota a área do reservatório na qual ocorrerá efetivamente a infiltração.
3.3. Equalização do Balanço Hídrico
A operação simulada do reservatório foi realizada a partir da aplicação da equação do balanço hídrico entre afluências e defluências médias mensais, conforme conceito apresentado por Tucci (2007), a saber:
[ ] [ ]{ }RMACIÇOFUNDAÇÃOVERTIMENTOUSINATO)ÁGUA(REJEIAFLUENTEDIRETA EQQQQQQP∆t
∆V ++++−++= (3)
Em que:
• tV
∆∆
: corresponde à variação do volume em um intervalo de tempo;
• PDIRETA: Precipitação total sobre a superfície do espelho de água formado pelo reservatório;
• QAFLUENTE: Vazão natural da bacia de contribuição afluente ao reservatório, considerada apenas a área que drena superficialmente ao reservatório de Bocaiúva, à jusante da Barragem do Gregório (aproximadamente 4,20 km²);
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• QÁGUA(REJEITO): Vazão referente à água liberada pelo rejeito, obtida através do balanço de massas;
• QUSINA: Vazão para atender a demanda para uso industrial
• QVERTIMENTO: Vazão vertida pelo sistema extravasor da barragem;
• QFUNDAÇÃO: Vazão de infiltração percolada pela fundação do reservatório da barragem;
• QMACIÇO: Vazão de infiltração percolada pelo maciço da barragem; e
• ER: Evaporação incidente no espelho de água do reservatório.
Na Figura 4, a seguir, são apresentadas de forma esquemática as variáveis de entrada e saída de água, utilizadas na equação do balanço hídrico.
Figura 4. Representação esquemática do balanço hídrico do reservatório da Barragem Bocaiúva.
3.4. Inserção do conceito de praia de rejeito 3D
Para o presente estudo, foram utilizadas 05 (cinco) curvas cota-área-volume para o primeiro cenário (produção de rejeitos apenas da planta de beficiamento existente) e 04 (quatro) para o segundo cenário (produção de rejeitos da planta existente e de duas plantas móveis) no balanço hídrico da barragem de rejeitos Bocaiúva. A Figura 5 expõe, em quatro passos, de que forma conseguiu-se inserir o conceito de praia de rejeito 3D no balanço hídrico.
Figura 5. Mobilidade da Curva Cota x Área x Volume em quatro passos
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A seguir são apresentadas as equações que foram utilizadas na correção das elevações de fundo do rejeito e do nível de água, através da mudança da escala dos dados. Complementarmente, também na Figura 5, foram indicadas as principais variáveis das equações para o melhor entendimento.
Figura 6. Equação utilizada para a correção das elevações de fundo do rejeito
Figura 7. Equação utilizada para a correção das elevações do nível de água
3.5. Simulações Desenvolvidas
A simulação do balanço hídrico foi desenvolvida considerando-se a vazão de bombeamento mensal (146m³/h e 230 m³/s, para os cenários 01 e 02, respectivamente) necessária para a demanda da Usina existente e das duas plantas móveis a partir de outubro de 2019 até o final da vida útil da Barragem Bocaiúva.
A partir da série histórica (janeiro/1994 a outubro/2013), foram considerados os dados do período mais crítico, ou seja, aquele que apresenta menor valor no somatório das precipitações mensais em um intervalo de tempo definido pela vida útil da barragem. Adianta-se que esse período é o mais restritivo quanto à capacidade hídrica de abastecimento à Usina e plantas móveis.
3.6. Resultados
A Tabela 5, a seguir, apresenta as variáveis de entrada para o balanço hídrico.
Tabela 5: Variáveis de Entrada
Cenário Área de Drenagem Rejeito Adensado Água liberada pelo rejeito Taxa de sedimentação km² m³/h m³/h m³/ha.ano
1 4,4 82,19 419,82 10 2 4,4 143,76 554,06 10
Através do balanço hídrico, o maciço inicial apresentou uma vida útil de 07 (sete) anos e 10 (dez) meses, acumulando um total de 5.676.217 m³ de sólidos, para o primeiro cenário e 04 (quatro) anos e 7 (meses) meses, acumulando um total de 5.791.430 m³ de sólidos, para o segundo cenário. A praia de rejeito atingiu a elevação aproximada de 634,00 metros no contato com o maciço do dique (elevação mínima), em ambos cenários.
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As simulações no balanço considerando a captação necessária para a operação da Usina existente e da mesma com as plantas móveis (146 m³/h e 230 m³/h) não indicaram falhas na operação, bem como não apresentaram um nível de água inferior a 02 (dois) metros, assumidos neste estudo para a operação da bomba. Os Gráficos 1 e 2 sintetizam os principais resultados obtidos na simulação.
Gráfico 1: Resultados do balanço hídrico – Barragem Bocaiúva – Cenário 01.
Gráfico 2: Resultados do balanço hídrico – Barragem Bocaiúva – Cenário 02.
Complementarmente, o Gráfico 3 apresenta a evolução da vazão de infiltração ao longo do tempo para os dois cenários estudados. Neste, é possível observar a sazonalidade da vazão de infiltração, que varia conforme o volume precipitado, bem como a redução do coeficiente de permeabilidade ao longo da vida útil da barragem. Este decréscimo se deve à atenuação da infiltração pela camada de rejeito formada sobre a fundação. Nota-se também, a importância da
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Nível de água Crista Soleira Rejeito Afluências Defluências
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Ele
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o (m
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Tempo
Nível de água Crista Soleira Rejeito Afluências Defluências
Crista: El. 646,00
Soleira: El. 643,00
Soleira: El. 643,00
Crista: El. 646,00
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inserção do conceito de praia de rejeito 3D após os dois primeiros anos de simulação, reduzindo consideravelmente o coeficiente “k”.
Gráfico 3: Evolução da vazão de infiltração ao longo do tempo.
4. CONCLUSÕES
O estudo de caso apresentado neste artigo visou avaliar a possibilidade de reutilização dos recursos hídricos da mina em questão, através de um balanço hídrico da Barragem Bocaiúva. Essa reutilização de água na Usina, além de ser favorável ao meio ambiente, é também um fator econômico de grande importância, que, em certas circunstâncias, pode determinar a viabilidade de um empreendimento.
Através da consolidação de todas as informações necessárias, sistematização do circuito da água no sistema de operação da mina e realização do balanço hídrico na Barragem Bocaiúva, foi verificada que a possibilidade de reutilização da água acumulada na mesma é viável, atendendo a captação necessária para a operação da Usina em ambos cenários estudados.
REFERÊNCIAS
ANA – Agência Nacional de Águas – HIDROWEB. Séries Históricas – estações pluviométricas e fluviométricas. hidroweb.ana.gov.br
CIMINELLI, V.S.T; SALUM, M.J.G.; RUBIO, J.; PERES, A.E.C. Águas doces no Brasil: capital ecológico, uso e conservação. Organizadores: Rebouças, A.C.; Braga, B.; Tundisi, G.. Escrituras editora, 3ª edição, São Paulo, 2006.
DAS, BRAJA M. Fundamentos de Engenharia Geotécnica. Tradução da 6ª edição. São Paulo: Thomson Learning,2007.
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia. Normais Climatológicas do Brasil 1961 – 1990. Brasília, DF: INMET, 2009.
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220.000
440.000
660.000
880.000
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TempoCoeficiente k - Cenário 01 (m/s) Coeficiente k - Cenário 02 (m/s)
Infilltração - Cenário 01 (m³/mês) Infilltração - Cenário 02 (m³/mês)
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ORTIGÃO, J.A.R. Introdução a mecânica dos solos do estado crítico. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1993.
TUCCI, C. E. M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. 4ª.edição. Porto Alegre: Editora da UFRGS/ABRH, 2007.
