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VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006

A IMPORTÂNCIA DA DISTRIBUIÇÃO DE VAZÃO NOS NÓS NA SIMULAÇÃO HIDRÁULICA UTILIZANDO O SOFTWARE EPANET

Daniel Mescoito Gomes1; Gilberto Caldeira Barreto; Lucy Anne Cardoso Lobão Gutierrez; Valdinei Mendes da Silva; José Almir Rodrigues Pereira.

Resumo – Comparação de diferentes metodologias para calcular a vazão especifica de distribuição da demanda de água nos Nós da rede de distribuição de sistemas de abastecimento de água. Foi utilizado software EPANET na simulação do desempenho hidráulico de sistema de abastecimento de água. A vazão especifica foi calculada, para os cenário 01 e 02, com base no comprimento de rede (l/s.m) e no número de economias (l/s.economia), respectivamente. Foi verificada grande diferença nos resultados dos relatórios de consumo, pressão e velocidade sendo que a distribuição dos consumo com base no número de economias é mais aproximada da realidade dos sistemas de abastecimento de água. Abstract – Comparison of different methodologies to calculate the flow specifies of distribution of the demand of water in the Knots of the net of distribution of systems of provisioning of water. The Software EPANET was used to simulate the hydraulic acting, being the flow specifies calculated us scenery 01 and 02 with base in the net length (l/s.m) and in the number of economies (l/s.economia), respectively. Great difference was verified in the results of the consumption reports, pressure and speed and the distribution of the consumption with base in the number of economies is approached of the reality of the systems of provisioning of water. Palavras-Chave: Economia, simulação hidráulica, sistema de abastecimento de água, EPANET.

1Universidade Federal do Pará – Campus Universitário do Guamá, Rua Augusto Côrrea, 01 CEP 66075-110 - Caixa postal 479 PABX +55 91 3183-2121 - Belém - Pará E-mail: [email protected]; [email protected]


INTRODUÇÃO A utilização de softwares como ferramenta na gestão operacional de sistemas de distribuição de água tem se tornado cada vez mais freqüente, certamente por possibilitará. A visão sistêmica do abastecimento de água e o acompanhamento contínuo dos parâmetros hidráulicos, complementando o conhecimento e experiência dos técnicos envolvidos no planejamento, projeto e o diagnóstico do funcionamento de tais sistemas. Dentre os modelos de simulação hidráulica já desenvolvidos, o EPANET pode ser destacado pela confiabilidade e quantidade de usuários existentes em muitos países. Esse programa é um software de domínio público, desenvolvido pela U.S. Environmental Protection Agency – EPA, que pode ser utilizado livremente por qualquer usuário (GOMES, 2004). Predominantemente a utilização EPANET pelos gestores de sistemas de abastecimento de água é voltada ao gerenciamento operacional de redes. O EPANET tem se tornado ferramenta estratégica no gerenciamento de sistemas de abastecimento porque possibilita entre outras atividades: a) Editar os dados descritivos da rede e dos cenários a modelar; b) Executar simulações hidráulicas e de qualidade da água, aferir o modelo e visualizar os

resultados em vários formatos; c) Examinar mapas da rede de acordo com códigos de cores, e organizar tabelas de dados; d) Desenhar gráficos em séries temporais, perfis de condutas, isolinhas, frequências e outros, e

ainda produzir relatórios específicos (energia, calibração e reação).

Observam Ormsbee e Lingireddy (1997), que apesar do software EPANET ser importante ferramenta na operação de sistemas de abastecimento de água, a eficiência/eficácia da sua aplicabilidade depende sempre da precisão dos dados e informações de entrada. Esses pesquisadores ainda ressaltam que a estimativa dos valores das demandas nos nós é, historicamente, um dos passos mais difíceis da simulação hidráulica de sistemas de abastecimento de água. Dentre os procedimentos necessários à simulação, a distribuição dos valores de vazão nos Nós merece atenção especial. Normalmente, na distribuição do consumo nos Nós é estimada a vazão específica do sistema, calculada a partir da razão entre a “vazão total distribuída” e a “extensão total” da rede de distribuição, ou seja, é considerada a distribuição linearmente uniforme da vazão, o que pode ocasionar falhas nos resultados da simulação. É importante observar que a distribuição da vazão é relacionada com a população abastecida por cada NÓ, o que, na maioria dos casos, é diferente nos NÒS de um mesmo setor. Em muitas simulações é utilizado o mesmo valor de densidade populacional para calcular o consumo em todos os NÓS, o que nem sempre representa a realidade do sistema de abastecimento de água. Assim, para verificar outros procedimentos para distribuição de vazão nos Nós, neste trabalho foi avaliada a distribuição de consumos na rede considerando as economias na área abastecida, ou seja, na simulação foram comparados resultados utilizando vazão especifica em l/s.m e em l/s.economia.


METODOLOGIA ÁREA DE ESTUDO A pesquisa foi desenvolvida utilizando informações do 23º setor de abastecimento de água, da Companhia de Saneamento do Pará - COSANPA, localizado na zona Central da Região Metropolitana de Belém - RMB. Na Figura 1 é mostrada a localização geográfica da área estudada. No 23º setor é atendida população da ordem de 6.500 habitantes, com per capita de 534 L/hab.dia, tendo 5.823 m de rede. Esse elevado valor de consumo per capita de água motivou a realização de estudos na área do 23º setor, para redução das perdas e melhor controle do sistema de abastecimento de água.

Figura 1. Localização do 23º Setor de abastecimento de água da Região

Metropolitana de Belém.

A fim de facilitar a realização desse trabalho, foi utilizado o software EPANET e consideradas diferentes populacionais densidades nas 3 áreas em que foi dividido o 23º setor de abastecimento de água (conjunto Benjamin Sodré). A área 1corresponde a condomínio de prédios com 4 Pavimentos e 4 apartamentos por pavimento; a Área 2, é formada por residências e prédios; e a Área 3 é predominantemente ocupada por residências, conforme representado na Figura 2.


SIMULAÇÃO HIDRÁULICA Neste trabalho foram realizadas duas simulações hidráulicas para o 23º setor de abastecimento da Região Metropolitana de Belém. Na primeira foi utilizada metodologia de distribuição de vazões nos NÓS baseada na distribuição linearmente uniforme, por meio da vazão específica em l/s.m, enquanto na outra foram consideradas diferentes áreas de densidades demográficas, com aplicação da vazão específica em l/s.economia. Para tanto, o comportamento hidráulico da rede de distribuição de água foi avaliado por meio de simulações no EPANET com comparação da distribuição da demandas nos nós em dois cenários hidráulicos diferentes:

Cenário 01 – Simulação hidráulica considerando o comprimento de rede (vazão específica em l/s.m) Cenário 02 – Simulação hidráulica considerando a densidade demográfica. (vazão específica em l/s.economia) Na realização das simulações no Cenário 01 e Cenário 02 foram consideradas as seguintes etapas:

• Etapa 1 - obtenção e tratamento de dados e informações do sistema de abastecimento.

Nessa etapa foram definidos os dados necessários para as simulações estáticas e dinâmicas do 23º setor de abastecimento de água, bem como realizada a sistematização dos dados. No Quadro 1 são apresentados os dados e informações obtidos na COSANPA.

Figura 2. Distribuição espacial do 23º setor de Abastecimento da Região Metropolitana


Quadro 1: Dados obtidos para simulações estáticas e dinâmicas do sistema de abastecimento de água do 23º setor da COSANPA.

UNIDADE DO SAA DADOS E INFORMAÇOES PARA SIMULAÇÃO

Elevatória Especificação dos CMBs: quantidade, potência, operação (horas diária de funcionamento em paralelos), Curva vazão x Hman,

Reservação Dimensões do reservatório elevado: volume (m3), profundidade útil (m), níveis operacionais, variação dos níveis operacionais. Hidrograma de vazão (saída do reservatório elevado). Traçado e dimensões de todos os trechos da rede (extensão, diâmetro e tipo de material). Rede de distribuição

Topografia da área de abrangência da rede.

• Etapa 2 – Simulação hidráulica do setor

Para a realização desta etapa foram adotadas as seguintes considerações:

a) A vazão adotada foi obtida por meio de macromedidor do tipo tubo de Pitot ligado a um Data Logger, instalados na saída da distribuição no período de 24 horas. b) Para a distribuição do consumo de água nos nós no Cenário 01 foi utilizada planilha do software Excel, considerando as variáveis: vazão específica e comprimento do trecho; c) Para a distribuição do consumo de água nos nós no Cenário 02 foi utilizada planilha do software Excel, considerando as variáveis: vazão total distribuida e número de economias por trecho. RESULTADOS DADOS E INFORMAÇÕES OBTIDOS Na tabela 1 são apresentados os dados e informações da rede de distribuição do 23º setor de abastecimento de água da Companhia de Saneamento do Pará.


Tabela 1: Caracterização das unidades constituintes do 23º Setor de abastecimento de água da Região Metropolitana de Belém. Características Operacionais

Subterrânea Manancial Sistema de Produção 2 poços

Diâmentro (mm) 150 Tubulação de chegada Material fofo Volume útil (m³) 334 Reservatório apoiado Área útil (m²) 119,20 Potência (cv) 7,5 Vazão nominal (l/s) 50 Estação Elevatória – CMB Altura manométrica (m) 70

Volume útil (m³) 150 Reservatório elevado Área útil (m²) 31,17 N. de trechos 84 N. de Nós 62 Cotas de 23,65 a 28 m Rede de distribuição Diâmetros e extensão (5.823 metros)

50mm (3.629m), 7mm (968m), 100mm (910m), 150mm (216m)

e 200mm (100m) Fonte: Adaptado de COSANPA (2004).

A curva da bomba foi gerada por meio da utilização software EPANET, com entradas dos dados de altura manométrica e vazão nominal da bomba, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3. Curva da bomba utilizada na simulação dos cenários

01 e 02 Na Figura 4 é mostrado o hidrograma de vazão na saída do reservatório elevado de distribuição do 23º setor de abastecimento, foi utilizado nos dois cenários pesquisados.


Figura 4. Hidrograma de vazão da saída do reservatório elevado do 23º setor de abastecimento de água da Região Metropolitana

de Belém. Como pode ser observado na Figura 4, nos horário de 00h00min a 03h00min o consumo de água é da ordem de 30% do consumo médio. Enquanto que às 07h00min, 12h00min e 18h00min os consumos variam entre 120% a 130% da vazão média. SIMULAÇÃO DOS CENÁRIOS 01 E 02 Análise dos consumos A análise da variação do consumo foi realizada em todos os pontos da rede de distribuição do 23º setor de abastecimento, em 1.472 ocorrências em cada cenário. No cenário 01 (simulação com distribuição por metro de rede), ocorreu variação de consumo de 0,01 l/s e 0,42 l/s (amplitude de 0,41 l/s), enquanto que no cenário 02 (simulação com distribuição por quantidade de economias) essa variação foi 0,03 l/s a 1,97 l/s (amplitude de 1,94 l/s). Com essa diferença de amplitudes é possível deduzir que a simulação feita com base na distribuição por economias apresenta distribuição de consumo mais ampla, e, portanto, mais heterogênea, como pode ser observado nas Figuras 05 e 06, e na Tabela 2.


Figura 5. Variação do consumo (l/s) de água para a simulação do 23º setor da COSANPA,

considerando distribuição das vazões nos NÓS pelo comprimento da rede (cenário 01).

Figura 6. Variação do consumo (l/s) de água para a simulação do 23º setor da COSANPA, considerando distribuição das vazões nos NÓS pela quantidade de economias (cenário 02).

Tabela 2: Freqüência dos consumos em l/s para os dois cenários de simulação do 23º Setor de

abastecimento de água da Região Metropolitana de Belém. CONSUMO - L/S CENÁRIO 01 CENÁRIO 02 0.000 |— 0.667 100.000 % 44.844 % 0.667 |— 1.333 0.000 % 54.002 % 1.333 |— 2.000 0.000 % 1.153 % Total 100.000 % 100.000 %


Análise das pressões A análise da variação do consumo foi realizada em todos os pontos da rede de distribuição do 23º setor de abastecimento, em 1.472 ocorrências em cada cenário. No cenário 01 (simulação com distribuição por metro de rede), ocorreu variação de pressão de 4,94 mca e 24,43 mca (amplitude de 19,49 mca), enquanto que no cenário 02 (simulação com distribuição por quantidade de economias) essa variação foi 3,43 mca a 23,86 mca (amplitude de 20,43 mca). Semelhantemente ao que ocorreu com a variação do consumo, em relação a diferença de amplitudes, a simulação feita com base na distribuição por economias apresenta uma distribuição de mais ampla, e portanto mais heterogênea. Portanto, como pode ser verificado nas Figuras 07 e 08, e na Tabela 3, há diferença na variação das pressões para os dois cenários. A simulação com distribuição por quantidade de economias, gerou resultados de pressão heterogêneos, apresentando-se como a metodologia mais coerentes com a ocupação da área estudada.

Figura 7. Variação da pressão (mca) de água para a simulação do 23º setor da COSANPA,



Figura 8. Variação da pressão (mca) de água para a simulação do 23º setor da COSANPA, considerando distribuição das vazões nos NÓS pela quantidade de economias (cenário 02).

Tabela 3: Freqüência das pressões em mca para os dois cenários de simulação do 23º Setor de

abastecimento de água da Região Metropolitana de Belém. PRESSÃO – mca CENÁRIO 01 CENÁRIO 02 0.0000 |— 10.0000 1.8318 % 17.5712 % 10.0000 |— 20.0000 23.4057 % 62.4830 % 20.0000 |— 30.0000 74.7626 % 19.9457 % total 100.000 % 100.000 % Análise das velocidades O mesmo procedimento para análise das variações de consumo e pressão pode ser realizada para a variação das velocidades, com obtenção de resultados semelhantes, ou seja, a distribuição das velocidades no cenário 02 foi mais heterogênea, como pode ser verificado nas Figuras 9 e 10, e na Tabela 4.


Figura 9. Variação da velocidade (m/s) da água para a simulação do 23º setor da COSANPA,


Figura 10. Variação de velocidade (m/s) da água para a simulação do 23º setor da COSANPA,

considerando distribuição das vazões nos NÓS pela quantidade de economias (cenário 02).


Tabela 4: Freqüência das velocidades em m/s para os dois cenários de simulação do 23º Setor de abastecimento de água da Região Metropolitana de Belém.

VELOCIDADE – m/s CENÁRIO 01 CENÁRIO 02 0.0000 |— 0.9000 100.000 % 74.4650 % 0.9000 |— 1.8000 0.000 % 21.4008 % 1.8000 |— 2.7000 0.000 % 4.1342 % total 100.000 % 100.000 %

CONCLUSÃO

Conforme pode ser verificado nas análises dos resultados de consumo, pressão e/ou velocidade, houve grande diferença entre as simulações dos cenários estudados. A simulação do cenário 02 (considerando a vazão específica em l/s.economia) foi considerada como sendo a mais apropriada para a previsão do comportamento hidráulico do sistema de abastecimento de água estudado, já que apresentou resultados de distribuições de consumo, pressão e velocidade mais amplos e heterogêneos, de acordo com as características da área abastecida pelo sistema. Portanto, é possível recomendar que a metodologia adotada para simulação do cenário 02 seja a mais adequada na simulação hidráulica utilizando o EPANET, no caso de redução de perdas e melhorias da distribuição de água em setores com características semelhantes as do 23º setor de abastecimento da Região Metropolitana de Belém. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do PROCEL SANEAR e da Companhia de Saneamento do Pará dado ao Grupo de Pesquisa Hidráulica e Saneamento. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRASIL. Secretaria Especial de Desenvolvimento Urbano/ Secretaria de Política Urbana. Programa nacional de combate ao desperdício de água: DTA-C3 medidas de redução de perdas elementos para planejamento. Brasília, 1999. COSANPA. Plano Diretor de Abastecimento de Água. Belém, 2004. GOMES. H.P. Sistemas de abastecimento de água: dimensionamento econômico e operação de redes e elevatórias. ed. 2. João Pessoa: Editora Universitária. 2004. ORMSBEE, L. E; LINGIREDDY, S. (1997). Calibrating Hydraulic Network Models. Journal of the American Water Works Association, v. 89, n. 2, p. 42-50.

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