apostila teórica - modelagem, calibração e aplicações

Modelagem Hidráulica, Calibração e Aplicações

Práticas utilizando o software livre EPANET

2012

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Apostila Teórica Modelagem e calibração

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Apresentação

A SANOVA é uma empresa catarinense especializada em serviços relacionados à

modelagem hidráulica de sistemas de abastecimento de água para as companhias de

saneamento brasileiras.

Neste segmento, há diversas empresas que oferecem bons produtos ao mercado,

porém poucas delas realizam treinamentos específicos para que o cliente tenha

autonomia e não fique dependente do fornecedor.

Percebendo esta deficiência, a SANOVA não só oferece soluções inovadoras aos seus

clientes, como também garante um treinamento especializado para que o mesmo, se

assim o desejar, possa dar continuidade aos projetos de forma autônoma.

O curso de EPANET, com aplicações práticas, proporciona aos clientes da SANOVA a

capacitação necessária para obter o máximo proveito dos modelos hidráulicos de

seus sistemas, fazendo uma abordagem completa desde a sua construção até suas

aplicações em situações reais de operação.

Para a SANOVA, fica evidente que o uso de novas tecnologias, como a modelagem

hidráulica, utilizadas como ferramentas de tomada de decisão, aliadas à experiência

dos operadores, contribuem consideravelmente para uma gestão moderna e

integrada do sistema, elevando também a qualidade dos serviços prestados à

população.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO A SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA (SAA) 8

1.1. EVOLUÇÃO DOS SAA NO BRASIL E NO MUNDO 8

1.1.1. PRIMEIROS SISTEMAS DE ADUÇÃO DE ÁGUA NO BRASIL E NO MUNDO 8

1.1.2. POLÍTICAS DE IMPLANTAÇÃO DE SAA 9

1.1.3. RELAÇÃO CUSTO/BENEFÍCIO PARA O BRASIL 9

1.2. SITUAÇÃO ATUAL DOS SAA NO BRASIL 10

2. MODELOS DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA 11

2.1. MODELOS HIDRÁULICOS 12

2.1.1. BASE DE DADOS 12

2.1.2. SOFTWARE DE MODELAGEM 13

2.2. ANÁLISE NUMÉRICA DE REDES 14

2.3. REGRAS DE RESOLUÇÃO 15

2.4. SIMULAÇÃO DE MODELOS HIDRÁULICOS 16

2.4.1. STEADY-STATE OU ESTÁTICA 16

2.4.2. EXTENDED PERIOD SIMULATION (EPS) OU DINÂMICA 16

2.5. APLICAÇÕES 16

2.5.1. PLANEJAMENTO DE LONGO PRAZO 16

2.5.2. REABILITAÇÃO 17

2.5.3. ESTUDOS DE INCÊNDIO 18

2.5.4. CONTROLE DA QUALIDADE DE ÁGUA 18

2.5.5. CONTROLE DE PERDAS E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 19

2.5.6. OPERAÇÃO DIÁRIA 20

2.6. ETAPAS DE CONSTRUÇÃO 20

3. INTRODUÇÃO AO EPANET 23

3.1. SURGIMENTO DO PROGRAMA 23

3.2. FUNCIONALIDADES 23

3.2.1. O QUE É POSSÍVEL SIMULAR COM O EPANET 23

3.3. INTERFACES DO PROGRAMA 24

3.3.1. ÁREA DE TRABALHO 24

3.3.2. TIPOS DE ARQUIVOS PARA TRABALHAR 26

3.4. PRINCIPAIS COMPONENTES DO PROGRAMA 26

3.4.1. RECURSOS PARA A CONSTRUÇÃO DE UM MODELO HIDRÁULICO 26

3.4.1.1. Componentes físicos 26

3.4.1.2. Componentes não-físicos 29

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4. LEVANTAMENTO DOS DADOS 30

4.1. IDENTIFICAÇÃO DO QUE SERÁ MODELADO 30

4.2. OBTENÇÃO DOS DADOS DE CADASTRO DE REDE 31

4.3. ELEVAÇÃO DO TERRENO 31

4.3.1. TIPOS DE MAPAS 34

4.3.2. PLANO DE FUNDO PARA O MODELO 36

4.3.2.1. Importação de arquivos 36

4.4. TUBULAÇÕES DA REDE 40

4.4.1. COMPRIMENTO 40

4.2.2. DIÂMETRO 41

4.4.3. RUGOSIDADE 41

4.5. REGISTROS, VÁLVULAS E OUTRAS SINGULARIDADES DA REDE 42

4.6. ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS 46

4.6.1. CURVA DAS BOMBAS 46

4.6.2. CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA ELEVATÓRIO 47

4.6.3. INSERÇÃO DAS CURVAS NO EPANET 52

4.7. PRODUÇÃO E RESERVAÇÃO DE ÁGUA DO SISTEMA 54

4.7.1. RESERVATÓRIOS DE NÍVEL FIXO 54

4.7.2. RESERVATÓRIO DE NÍVEL VARIADO 55

4.8. DEMANDA DE ÁGUA 56

4.8.1. VARIAÇÃO DIÁRIA 57

4.8.2. VARIAÇÕES HORÁRIAS 58

4.8.3. INSERÇÃO DE PADRÃO DE CONSUMO NO EPANET 59

4.9. DADOS DE CONTROLES OPERACIONAIS 60

4.9.1. CONTROLES SIMPLES 61

4.9.2. CONTROLES COM CONDIÇÕES MÚLTIPLAS 62

4.9.3. EDITOR DE CONTROLES 64

5. CONSTRUÇÃO E SIMULAÇÃO DO MODELO HIDRÁULICO 65

5.1. MAPA DA REDE 65

5.2. ESQUELETIZAÇÃO 65

5.3. RESERVATÓRIOS 66

5.4. ELEVATÓRIAS DE ÁGUA TRATADA 67

5.5. VÁLVULAS E OUTROS COMPONENTES 67

5.6. INSERÇÃO DAS PROPRIEDADES DE CADA ELEMENTO 67

5.6.1. EDITOR DE PROPRIEDADES 67

5.7. SIMULAÇÃO DA REDE HIDRÁULICA 79

5.7.1. VERIFICAÇÃO DE POSSÍVEIS ERROS GERADOS 80

5.7.1.1. A BOMBA NÃO CONSEGUE BOMBEAR VAZÃO OU FORNECER ENERGIA 80

5.7.1.2. A REDE ESTÁ DESLIGADA 81

5.7.1.3. Ocorrência de Pressões Negativas 81

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5.7.1.4. Equilíbrio Não Atingido 81

5.7.2. VISUALIZAÇÃO DOS RESULTADOS SIMULADOS 83

5.7.2.1. Submeter uma Consulta no Mapa 84

5.7.2.2. Visualizar Resultados através de Gráficos 85

5.7.2.3. Visualizar Resultados através de Tabelas 90

5.7.2.4. Visualizar Relatórios Específicos 91

6. CALIBRAÇÃO DE MODELOS HIDRÁULICOS 96

6.1. CONCEITOS BÁSICOS 96

6.2. RAZÕES PARA SE CALIBRAR UM MODELO HIDRÁULICO 97

6.2.1. GRAU DE CONFIABILIDADE DO MODELO 97

6.2.2. COMPREENSÃO DO SISTEMA 98

6.2.3. SOLUÇÃO DE PROBLEMAS 98

6.3. FONTES DE ERRO NO PROCESSO DE CALIBRAÇÃO 98

6.3.1. DIÂMETRO NOMINAL E DIÂMETRO INTERNO 99

6.3.2. COEFICIENTE DE RUGOSIDADE DAS TUBULAÇÕES 99

6.3.3. DISTRIBUIÇÃO DE DEMANDAS DE ÁGUA 101

6.3.4. QUALIDADE DO CADASTRO 101

6.3.5. ERROS DE CONECTIVIDADE 102

6.3.6. SIMPLIFICAÇÃO DA REDE 102

6.3.7. CURVA CARACTERÍSTICA DAS BOMBAS 103

6.3.8. MEDIDORES DE CAMPO 103

6.4. PROCESSO DE CALIBRAÇÃO 104

6.4. CRITÉRIOS DE CALIBRAÇÃO 106

7. ESTUDO DE PERDAS DE ÁGUA 109

7.1. TIPOS DE PERDAS 109

7.2. AVALIAÇÃO DE PERDAS REAIS 111

7.2.1. MÉTODO DO BALANÇO HÍDRICO ANUAL 111

7.2.2. MÉTODO DAS VAZÕES MÍNIMAS NOTURNAS (VMN) 113

7.3. RELAÇÃO ENTRE VAZAMENTOS E PRESSÃO 115

7.4. CONTROLE DE PERDAS REAIS 117

7.4.1. VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO 117

7.4.2. SETORIZAÇÃO 119

7.5. APLICAÇÃO PRÁTICA 121

7.5.1. APRESENTAÇÃO DO ESTUDO 121

7.5.2. APLICAÇÃO PRÁTICA 126

7.5.2.1. Instalação de uma VRP 126

7.5.2.2. Instalação de uma VRP Otimizadora 128

7.5.2.3. Setorização 129

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7.5.3. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS 131

8. ESTUDO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 133

8.1. UNIDADES CONSUMIDORAS DE ENERGIA ELÉTRICA DENTRO DO SAA 133

8.2. REDUÇÕES DE CUSTOS COM ENERGIA ELÉTRICA 135

8.2.1. SEM DIMINUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA 136

8.2.2. COM DIMINUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA 136

8.2.3. ALTERAÇÃO DO SISTEMA OPERACIONAL 137

8.2.3.1. Sistema bombeamento-reservação 137

8.2.3.2. Projetos de otimização 139

8.2.3.3. Redução da demanda no horário de ponta 139

8.2.3.4. Otimização da reservação 140

8.2.4. AUTOMAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA 141

8.2.5. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 141

8.3. HORÁRIO DE PONTA 141

8.4. SISTEMA TARIFÁRIO DE ENERGIA ELÉTRICA 143

8.4.1. CLASSIFICAÇÃO DOS CONSUMIDORES 143

8.4.2. COMPONENTES DA TARIFA 144

8.4.2.1. Tarifas do grupo A 145

8.4.2.2. Tarifas do grupo B 151

8.5. APLICAÇÃO PRÁTICA 152

8.5.1. PARÂMETROS INICIAIS 153

8.5.2. SIMULAÇÕES INICIAIS 157

8.5.3. SIMULAÇÕES FINAIS 159

9. ESTUDO DE VÁLVULAS 163

9.1. TIPOS DE VÁLVULAS E SUA DENOMINAÇÃO NO EPANET 163

9.1.2 VÁLVULA DE MANOBRA (REGISTRO DE MANOBRA) – TCV 163

9.1.3 VÁLVULA SUSTENTADORA DE PRESSÃO – PSV 164

9.1.4 VÁLVULA REDUTORA DE PRESSÃO – PRV 166

9.1.5 VÁLVULA REGULADORA DE VAZÃO – FCV 166

9.1.6 VÁLVULAS DE PERDA DE CARGA FIXA – PBV 167

9.1.7 VÁLVULAS GENÉRICAS – GPV 167

9.2. APRESENTAÇÃO DO ESTUDO COM VÁLVULAS 167

9.2.1. USOS COMUNS - ENTRADA POR CIMA EM RESERVATÓRIOS 167

9.2.2. SITUAÇÃO CRÍTICA - ROMPIMENTO DE ADUTORAS 170

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10. ESTUDO DE QUALIDADE DA ÁGUA 176

10.1 INTRODUÇÃO 176

10.2 APLICAÇÕES 176

10.3. SIMULAÇÃO DE QUALIDADE DA ÁGUA 178

10.3.1 TEMPO DE PERCURSO OU IDADE DA ÁGUA 178

10.3.1 CONCENTRAÇÃO DE PARÂMETROS NÃO-CONSERVATIVOS: DECAIMENTO DO CLORO RESIDUAL 178

10.3.1.1 Introdução 178

10.3.1.2 Generalidades 178

10.3.1.3. Determinação das constantes cinéticas de decaimento 179

10.3.1.4. Legislação 181

10.3.2 TRIHALOMETANOS 182

10.4. APRESENTAÇÃO DO ESTUDO DE QUALIDADE DE ÁGUA 182

10.4.3 TEMPO DE PERCURSO 183

10.4.4 DECAIMENTO DO CLORO RESIDUAL 186

10.4.5 FORMAÇÃO DE TRIHALOMETANOS 190

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 191

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1. Introdução a sistemas de abastecimento de água (SAA)

Este tópico abordará de forma sucinta a origem dos primeiros sistemas de

distribuição de água no Brasil e no mundo, as políticas de implantação destes

sistemas, a importância de se ter água tratada e de boa qualidade nas residências,

além de alguns dados mostrando a situação atual dos sistemas pelo Brasil.

1.1. Evolução dos SAA no Brasil e no mundo

1.1.1. Primeiros sistemas de adução de água no Brasil e no mundo

As primeiras obras visando o abastecimento de água com tubulações pressurizadas

foram construídas na cidade de Knossos, Creta, por volta do ano 1500 a.C sendo o

aqueduto de Jerwan, na Assíria em 691 a.C., o primeiro sistema público de

abastecimento de água registrado. Os romanos por volta de 100 d.C. já haviam

construído diversos aquedutos e no Brasil, a primeira cidade a ter sistema de

abastecimento de água foi o Rio de Janeiro, que em 1561 teve seu primeiro poço

escavado e seu primeiro aqueduto aduzindo água do Rio Carioca, terminado em

1723. Em 1810 a cidade contava com mais de 20 chafarizes e em 1860 o sistema de

abastecimento de água distribuía 8 milhões de litros por dia.

São Paulo teve seu primeiro chafariz público em 1744 e o primeiro projeto de adução

e distribuição de água elaborado em 1842. Outros sistemas executados no Brasil,

ainda no século 19 foram: Porto Alegre (1861), Santos (1870), Campinas (1891) e

Belo Horizonte (1897).

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1.1.2. Políticas de implantação de SAA

A principal experiência brasileira na implementação de sistemas de abastecimento de

água se deu através do PLANASA – Plano Nacional de Saneamento, nas décadas de

1970 e 1980, que permitiu ampliar de 54% para 76% o número de domicílios

urbanos com fornecimento de água pela rede pública, sendo financiado pelo Banco

Nacional de Habitação – BNH. O PLANASA teve fim em meados da década de 1980,

levando a um período de estagnação dos investimentos em Saneamento Ambiental

em nosso país.

No ano de 2007 foi dado um grande impulso ao setor do saneamento com a

aprovação da lei 11.445/07 que estabelece as diretrizes nacionais para o saneamento

básico e para a política federal de saneamento básico.

1.1.3. Relação custo/benefício para o Brasil

É fato que quanto melhor as condições de saneamento básico oferecido à população,

melhor será a saúde das pessoas. Heller e Pádua (2006) avaliaram o alívio

orçamentário pela redução dos gastos com consultas e procedimentos médicos,

tratamento medicamentoso, exames laboratoriais e de apoio ao diagnóstico,

internação hospitalar, acrescidos das estimativas do equivalente aos dias de trabalho

e de aulas perdidos. Chegaram à relação de US$ 1.16, para cada dólar gasto com

serviços de água e esgotos.

Considerando-se os benefícios associados a valores subjetivos como conforto, bem-

estar, desenvolvimento econômico, por exemplo, essa relação pode chegar a US$

3.50 para cada dólar gasto em água e esgotos. Isso tudo, sem considerar o custo de

não fazer, que nesse caso pode significar morte em vez de saúde para a população.

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1.2. Situação atual dos SAA no Brasil

Em 2007, o índice médio de atendimento em relação à população total dos

prestadores de serviços participantes do Sistema Nacional de Informações sobre

Saneamento – SNIS foi de 80,9% para água, tendo o índice médio de atendimento

urbano de 94,2%. Os níveis de atendimento de água e esgotos de acordo com cada

região brasileira podem ser visualizados na Figura 1.1.

Figura 1.1: Níveis de abastecimento de água e esgotos segundo

a região geográfica (SNIS, 2007).

Em relação ao índice de atendimento total com abastecimento de água, observa-se a

maior quantidade de estados nas faixas de 80,1% a 90,0% (11 estados) e de 60,1%

a 80,0% (9 estados). Na primeira, os estados distribuem-se nas regiões Sul, Sudeste,

Centro-Oeste e Norte, enquanto que na segunda faixa, os estados concentram-se

principalmente na região Nordeste, mais um estado da região Sul. Apenas dois

estados, o Pará e o Acre, situaram-se na menor faixa (< 40%) e dois estão na maior

faixa, São Paulo e Distrito Federal (> 90%).

O índice médio de perdas de faturamento do conjunto de prestadores de serviços

participantes do SNIS foi de 39,1%. Segundo as regiões geográficas, o valor médio

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foi de 56,7% no Norte, 44,0% no Nordeste, 38,8% no Sudeste, 28,1% no Sul e

35,5% no Centro-Oeste, como pode ser observado na Figura 1.2.

Em uma quantificação estimada para os sistemas de abastecimento do conjunto de

prestadores de serviços participantes do SNIS foi possível identificar os volumes das

perdas de água aparentes e reais, bem como calcular os valores monetários dessas

perdas.

Figura 1.2: Índice de perdas de faturamento médio, segundo abrangência

e região geográfica (SNIS, 2007).

Assim, admitindo que 60% das perdas reais e aparentes são recuperáveis, então o

ganho monetário poderia chegar ao montante de R$ 4,4 bilhões no ano. Este é um

número avassalador, se considerarmos que a demanda anual de investimentos em

água e esgotos no país é avaliada como sendo ao redor de R$ 12,0 bilhões por ano

para atingirmos a universalização em vinte anos.

2. Modelos de distribuição de água

Este tópico abordará alguns conceitos básicos da modelagem hidráulica, mostrará os

principais requisitos que um software de modelagem deve apresentar, quais as

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Versão 2012

principais aplicações de um modelo hidráulico, além de um esquema representativo

da construção de um modelo.

2.1. Modelos Hidráulicos

Os modelos hidráulicos são representações de uma parte ou de todo o sistema real

de distribuição de água existente ou que será projetado. Segundo Walski et al

(2003), o modelo é formado por duas partes: uma base de dados e um software

de modelagem. A base de dados contém informações que descrevem a infra-

estrutura do sistema (tubulações, reservatórios, estações elevatórias), demandas de

água, características operacionais do sistema, entre outros. Já o software de

modelagem é responsável por compilar todas essas informações e equacioná-las em

termos da equação de energia, da continuidade, transporte e otimização de modo a

fornecer respostas como: pressão e vazão na rede, flutuação dos níveis dos

reservatórios, posição das válvulas, status de bombas entre outros.

2.1.1. Base de dados

Os dados físicos de um modelo hidráulico qualquer sempre serão representados por

dois tipos de elementos: nó e trecho. Os nós representam pontos na rede associados

às junções, pontas de rede, localização de cotas, alocação de demandas de água e

representação dos reservatórios. Já os trechos representam as tubulações, bombas e

válvulas.

As características mais comuns para os nós são as cotas topográficas e as demandas

de água. No caso de reservatórios, seus níveis operacionais e suas dimensões.

Para os trechos, tem-se comprimento, diâmetro e tipo de material (rugosidade) para

as tubulações. Para bombas e válvulas, terão suas características específicas, como

curva de operação e setpoint, respectivamente.

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Versão 2012

Como foi visto até aqui, os dados de entrada de um modelo são indispensáveis para

a sua construção. Sua credibilidade será maior à medida que a qualidade desses

dados forem confiáveis e constantemente atualizados pela companhia.

2.1.2. Software de Modelagem

Além de uma boa base de dados, um algoritmo de solução de sistemas é primordial

para um modelo hidráulico. O algoritmo é responsável pela resolução de equações

hidráulicas e de transporte. Dependendo do algoritmo, pode haver mais tipos de

equações a serem resolvidas. Algumas das principais são as de continuidade e de

energia (ver item 2.2), transporte (relacionada com a qualidade de água) e de custo

(relacionada ao custo de energia com bombeamento).

Associado ao método de resolução do modelo, o software deve apresentar alguns

requisitos, de modo a facilitar a interação entre usuário e software. São eles:

a) Análise e simulação de cenários em período estático e dinâmico: Após

modelar o sistema, é necessário verificar como os dados de entrada estão se

comportando frente a compilação que o software de modelagem executou. Este tipo

de análise é primordial em softwares de modelagem. Para mais detalhes, ver item

2.4.

b) Modelo de interface gráfica: o software deve ser capaz de representar

graficamente o esquema da rede de distribuição na tela do usuário no qual

selecionando determinado nó ou trecho, seja possível ver suas propriedades e

resultados de simulação como pressão e vazão. Além de resultados numéricos,

gráficos também devem ser gerados para que o usuário compreenda melhor o

processo.

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Versão 2012

c) Relatório de erros: É muito provável que o modelo, ao longo de seu

desenvolvimento, apresente diversos tipos de erros. Esses erros devem ser

visualizados através de um relatório, onde se mostra a fonte do erro para que o

usuário possa providenciar alterações necessárias.

d) Gerenciamento de dados: O usuário deve ser capaz de importar e exportar os

dados do modelo e seus resultados de uma aplicação para outra através de planilhas

(Excel), base de dados (Access) e GIS (Geographic Information System).

e) Geração de cenários: Independente da complexidade do modelo hidráulico, o

software deve fornecer ao usuário condições de variações e combinações dos

componentes do modelo, como múltiplas demandas em nós, diversas regras de

operações para elementos, como bombas e reservatórios para que o usuário seja

capaz de representar as complexidades de seu sistema.

f) Qualidade de água: Uma das grandes utilidades de um modelo hidráulico é a

possibilidade de simular qualidade de água, como decaimento de cloro residual e

idade da água. Esse pacote é fundamental nos softwares de modelagem.

2.2. Análise numérica de redes

Equação da Conservação da Massa

A soma das vazões que chegam a um nó deve ser igual à soma das vazões que saem

do nó, sendo Qi,j a vazão do trecho entre o nó i-j e Ei a vazão concentrada no

respectivo nó (1.1).

∑ =+∆ 0, iji EQ

(1.1)

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Versão 2012

Equação da Conservação de Energia

A soma algébrica das perdas de carga nos trechos i-j em um circuito hidráulico deve

ser nula, sendo i o nó inicial e j o nó final (1.2).

∑ =∆ 0, jiH

2.3. Regras de resolução

O módulo de simulação hidráulica do EPANET calcula a carga hidráulica nos nós e a

vazão nos trechos, para um conjunto fixo de níveis nos RNFs, alturas nos

reservatórios de nível variável e consumos para uma sucessão de pontos, ao longo

do tempo. Em cada passo de cálculo, os níveis de água nos reservatórios de nível

fixo e os consumos nos nós são atualizados, de acordo com o padrão temporal que

lhes está associado, enquanto que a altura de água no reservatório de nível variável

é atualizada em função da vazão de saída.

A solução para o valor da carga hidráulica e para a vazão num ponto particular da

rede, em determinado instante, é obtida resolvendo, simultaneamente, a equação da

continuidade (conservação da massa), para cada nó, e a equação da conservação da

energia, para cada trecho da rede.

Este procedimento, designado por “Balanço Hidráulico” da rede, requer a utilização

de técnicas iterativas para resolver as equações não lineares envolvidas. O EPANET

emprega o “Método do Gradiente”, proposto por Todini e Pilati (1987) para atingir

este objetivo.

(1.2)

16


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2.4. Simulação de modelos hidráulicos

As simulações de modelos hidráulicos estão divididas em duas categorias:

2.4.1. Steady-State ou estática

É uma simulação que prevê o comportamento de um sistema de distribuição de água

durante uma condição hipotética, onde todos os efeitos de operação do sistema e de

demanda não variam com o tempo. De uma maneira simples, é como se fosse uma

foto do sistema para uma determinada condição. Apesar de não ocorrer na

realidade, este tipo de simulação é bastante útil para verificar erros de construção do

modelo e situações específicas como consumo de pico. Sua etapa é fundamental

para a simulação seguinte.

2.4.2. Extended Period Simulation (EPS) ou dinâmica

É uma simulação que ocorre ao longo de um determinado período, como se fossem

varias simulações estáticas seqüenciais. Simulações deste tipo são extremamente

úteis no que diz respeito ao funcionamento das bombas, válvulas, enchimento e

esvaziamento de reservatórios, parâmetros de qualidade de água, entre outros. Esta

etapa de simulação se torna mais fácil com uma análise prévia de um cenário

estático, já mencionado anteriormente.

2.5. Aplicações

Existem inúmeros usos e aplicações para o modelo hidráulico. Alguns dos mais

importantes e voltados para a área do saneamento são:

2.5.1. Planejamento de longo prazo

Sem dúvida nenhuma, uma das principais necessidades de uma companhia é

planejar seu sistema em longo prazo. Mas este planejamento requer um estudo

cuidadoso e detalhado em todos os aspectos. Dentre as demandas futuras do

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Versão 2012

sistema, podemos citar o crescimento populacional, instalação de novos

empreendimentos residenciais e comerciais, entre outros.

O modelo hidráulico pode ser usado não só para identificar zonas potencialmente

problemáticas, tais como futuras áreas de baixa pressão ou áreas com problemas de

qualidade de água devido a novas demandas de água, mas também na alocação de

novas instalações na rede como estações elevatórias e reservatórios para que antes

destas novas demandas começarem a afetar o sistema, de antemão já se conheça

seus efeitos e possíveis soluções. O operador deve ter em mente que é muito melhor

planejar do que reabilitar um sistema.

2.5.2. Reabilitação

Um sistema de abastecimento de água precisa passar por reabilitações periódicas

nos seus componentes já que ao longo do tempo podem apresentar desgastes

naturais nas suas tubulações, bombas, válvulas e reservatórios. No caso específico

das tubulações, por exemplo, as incrustações em seu

interior podem resultar em perda de energia no sistema,

já que a água encontrará uma barreira a mais para

chegar ao seu destino, e perda na qualidade da água.

Com um modelo hidráulico, é possível testar algumas

soluções como substituir antigas tubulações por novas

com diâmetro maior ou instalar uma nova tubulação em

paralelo. Todas estas decisões podem e devem estar

associadas a questões técnicas e econômicas.

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Versão 2012

2.5.3. Estudos de incêndio

É comum um sistema de abastecimento de água ser requisitado para fornecer água

em virtude da ocorrência de incêndios. É sabido que dependendo da magnitude de

um incêndio, a quantidade de água retirada de determinado

hidrante pode prejudicar ou até mesmo interromper o

fornecimento de água à população caso o sistema esteja mal

dimensionado.

Com um modelo hidráulico, é possível simular situações

deste tipo e verificar se determinado caso critico resultará

em um desabastecimento à população. Caso seja verificado

que sim, pode-se redimensionar sua rede com a instalação de novas bombas,

reservatórios e tubulações para que tal situação crítica não venha a ocorrer

novamente.

2.5.4. Controle da qualidade de água

Conforme visto no início desta apostila, a situação dos sistemas de abastecimento de

água no país é preocupante no que diz respeito às perdas de água. Um sistema que

possui altos índices de perdas não deve se

preocupar com qualidade de água sem antes

controlar suas perdas. Mesmo assim, essa

questão de qualidade de água já vem sendo

abordada por muitas companhias.

Problemas como rastreamento de substâncias

perigosas, idade da água e níveis de cloro pode ser trabalhadas com a ajuda de um

modelo hidráulico. Com ele é possível rastrear substâncias e identificar quais

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Versão 2012

consumidores poderão ser afetados, pode-se traçar estratégias operacionais para

que a água circule mais pelo sistema e simular o decaimento de cloro na rede.

2.5.5. Controle de perdas e eficiência energética

Controlar as perdas de água e otimizar o consumo de energia elétrica no sistema são

cruciais para uma gestão de excelência por parte das companhias. Sistemas com

grandes quantidades de perdas de água forçam

as bombas a trabalharem mais, tanto para

fornecer água aos consumidores e reservatórios

como para “abastecer” os vazamentos. Outro

aspecto importante é com relação ao

funcionamento das bombas em horários de pico,

onde as companhias pagam multas altíssimas

caso alguma bomba, fora do acordo de contrato, venham a funcionar devido a algum

erro, desconhecimento do operador ou mesmo necessidade de ligá-la já que

determinada região ficou desabastecida.

Com um modelo hidráulico é possível representar perdas de água através de orifícios

e traçar alternativas de sua redução como novas

setorizações e instalação de válvulas redutoras

de pressão. Para otimizar o consumo de energia

elétrica, é possível constatar como estão

funcionando os reservatórios e estudar novas

alternativas de seu funcionamento, ou seja, fazer

a bomba trabalhar mais durante o dia para que

no horário de pico ela seja desligada, economizando energia e dinheiro sem

comprometer a qualidade do serviço.

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Versão 2012

2.5.6. Operação diária

Os profissionais encarregados de operar um sistema possuem uma grande

responsabilidade e geralmente trabalham sob pressão, pois qualquer decisão

equivocada pode trazer grandes prejuízos à

companhia. Sem a ajuda de um modelo

hidráulico, os operadores ajustam vazões e as

pressões da rede, abrem e fecham bombas,

regulam válvulas e controlam os níveis dos

reservatórios de acordo com a sua experiência

e muitas vezes sem um embasamento mais

técnico.

Com um modelo hidráulico disponível, é possível testar e identificar quais as

melhores alternativas para operar o sistema no dia-a-dia tornando-o mais eficiente e

seguro, pois suas decisões estarão respaldadas pelo modelo hidráulico.

2.6. Etapas de construção

Até agora, foi mostrado à importância de se modelar um sistema de abastecimento

de água. Mas efetivamente, qual o primeiro passo a ser dado neste processo? A

Figura 2.1, ilustra todo o procedimento padrão para construção de um modelo.

Inicialmente, deve-se definir o que será modelado. Apenas um setor para realizar um

estudo de abastecimento? Modelar um loteamento para ver seu impacto no sistema?

Ou modelar todo seu sistema? Essa definição é fundamental para a continuidade do

processo, pois esta definição orientará as estratégias para a coleta de dados e

informações.

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Versão 2012

Com a definição do que será modelado, é preciso coletar os dados necessários para

o modelo como curvas de bombas, mapa topográfico, demandas de água, etc. Inicia-

se então a esqueletização da rede e inserção das respectivas propriedades para no

fim, validar os dados através de simulações estáticas e dinâmicas.

Depois de efetuar as simulações, identificar os erros de construção do modelo e

certificar-se que o mesmo já se encontra funcionando de acordo com a realidade,

parte-se para uma calibração de modo a ajustar o modelo o mais próximo possível à

realidade. O detalhamento maior do processo de calibração é apresentado no

Capítulo 2.

Com o modelo já ajustado e calibrado, já é possível utilizá-lo para realizar os estudos

propostos no inicio da sua construção. Caso o modelo venha a representar um

sistema que será constantemente aplicado, vale lembrar que ele periodicamente

precisa ser atualizado com novos dados e recalibrado. Todo esse processo será

repetido de tempos em tempos de acordo com o grau de alteração do modelo.

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Versão 2012

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Versão 2012

3. Introdução ao EPANET

Este tópico trará uma abordagem sobre o software de modelagem EPANET, onde

será mostrada a origem do programa, quais seus recursos disponíveis e como

modelar com ele.

3.1. Surgimento do programa

O EPANET foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Investigação sobre Gestão

de Riscos - National Risk Management Research Laboratory, da Agência de Proteção

Ambiental dos Estados Unidos - U. S. Environmental Protection Agency. O link para

download do software pode ser encontrado no próprio site da agência

(http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/dw/epanet.html).

Atualmente existe uma versão em português do EPANET disponível na página do

Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) da

Universidade Federal da Paraíba (http://www.lenhs.ct.ufpb.br/?page_id=34).

3.2. Funcionalidades

3.2.1. O que é possível simular com o EPANET

O EPANET consegue atender perfeitamente as principais demandas associadas à

modelagem hidráulica em diversos aspectos, como:

• Dimensão (número de componentes) da rede a analisar é ilimitada;

• Cálculo da perda de carga utilizando as fórmulas de Hazen-Williams, Darcy-

Weisbach ou Chezy-Manning;

• Consideração das perdas de carga singulares em curvas, alargamentos,

estreitamentos, etc.;

• Modelação de bombas de velocidade constante ou variável;

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Versão 2012

• Cálculo da energia de bombeamento e do respectivo custo;

• Modelação dos principais tipos de válvulas, incluindo válvulas de seccionamento,

de retenção, reguladoras de pressão e de vazão;

• Modelação de reservatórios de armazenamento de nível variável de formas

diversas, através de curvas de volume em função da altura de água;

• Múltiplas categorias de consumo nos nós, cada uma com um padrão próprio de

variação no tempo;

• Modelação da relação entre pressão e vazão efluente de dispositivos emissores;

• Possibilidade de basear as condições de operação do sistema em controles

operacionais.

3.3. Interfaces do programa

3.3.1. Área de trabalho

O EPANET possui uma área de trabalho para desenvolvimento dos projetos bastante

simples e com rápidos acessos. Na Figura 3.1, pode-se visualizar e identificar seus

principais ícones:

• Mapa da Rede: É o espaço onde será construído o modelo hidráulico.

• Barra de Ferramentas principais: Possui os principais ícones do EPANET onde

é possível criar e salvar arquivos, executar simulações, visualizar resultados e

inserir novos elementos no modelo.

• Janela Navegador: É o local onde é possível gerenciar os componentes do

modelo, através da aba Dados do projeto e selecionar qual propriedade deseja-se

visualizar no Mapa da Rede, além de acompanhar o tempo de simulação, através

da aba Mapa do projeto.

• Status Auto-Comprimento: Neste campo é possível visualizar se o seu projeto

está com a opção de Auto-Comprimento ativada ou não.

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Versão 2012

Figura 3.1: Área de trabalho do EPANET e seus principais ícones.

• Sistema de unidades do projeto: Neste campo é possível visualizar em qual

sistema de unidades encontra-se o projeto.

• Status da simulação: Neste ícone, pode-se observar se alguma simulação já foi

executada. Caso a imagem da “torneira” esteja sem água, nenhuma simulação foi

feita, ao passo que se a imagem apresentar a “torneira” com água saindo dela,

uma simulação já foi executada.

• Zoom do mapa: Neste campo é possível observar qual o Zoom encontra-se o

modelo.

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Versão 2012

• Coordenadas do mapa: Ao movimentar o cursor do mouse pelo Mapa da

Rede pode-se ir acompanhando qual coordenada encontra-se determinado

elemento da rede.

3.3.2. Tipos de arquivos para trabalhar

O EPANET utiliza basicamente dois tipos de arquivos:

• .NET: arquivo principal do software que contém todas as informações da rede.

Sempre ao salvar um novo projeto, este arquivo será gerado. Para salvar um

novo projeto basta ir em Arquivo -> Salvar e escolher o local de destino.

• .INP: É possível exportar o projeto salvo (.NET) para um arquivo .INP, o qual é

legível no bloco de notas, onde consta toda a estrutura da rede, separada por

campos (nós, tubulações, bombas, curvas, etc.). O modelo pode ser editado por

este arquivo e aberto pelo EPANET. Para exportar um arquivo .NET para .INP,

basta ir em Arquivo -> Exportar -> Rede e escolher o local de destino.

3.4. Principais componentes do programa

3.4.1. Recursos para a construção de um modelo hidráulico

A construção de modelos hidráulicos está associada por dois tipos de componentes:

os físicos e não-físicos. Os componentes físicos dos modelos são formados por

junções, tubulações, reservatórios, válvulas e bombas. Já os componentes não-

físicos são formados por demandas de água, regras operacionais e curvas diversas.

3.4.1.1. Componentes físicos

O EPANET modela um sistema de distribuição de água como sendo um conjunto de

trechos ligados a nós. Os trechos representam as tubulações, bombas e válvulas de

controle. Os nós representam conexões, reservatórios de nível fixo (RNF) e

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Versão 2012

reservatórios de nível variável (RNV). A Figura 3.2 ilustra o modo como estes objetos

podem ser unidos entre si, para constituir uma rede:

Figura 3.2: Componentes físicos de um sistema de distribuição de água.

a) Nós: são os pontos da rede onde se representam as ligações entre as tubulações,

mudanças de material e diâmetro, pontos de medição, topografia, entre outros.

Podem ainda apresentar outras características como:

• Padrão de consumo variável no tempo;

• Possuir múltiplas categorias de consumo associadas;

• Constituir origens de qualidade da água, onde os respectivos parâmetros de

qualidade entram na rede;

• Conter dispositivos do tipo orifício, simulando as perdas de água do sistema.

Aos nós pode ou não estar associado uma demanda base. A Figura 3.3 ilustra a

situação real de um trecho do sistema de abastecimento de água, com seus

respectivos lotes. Uma rede abastece as residências através dos ramais. Para

representar essa vazão em marcha no modelo, é realizada uma simplificação,

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Versão 2012

associando o consumo de uma região a um nó, como podemos visualizar na Figura

3.4.

Figura 3.3: Distribuição de vazão em marcha (q), situação real.

Figura 3.4: Os consumos de todos os lotes ficam associados a um nó.

b) Reservatórios de nível fixo (RNF): Os reservatórios de nível fixo são nós

especiais que representam um volume de armazenamento de água, de capacidade

ilimitada e carga hidráulica constante. São utilizados para simular qualquer tipo de

captação de água, além de Estações de Tratamento de Água.

Q

q

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Versão 2012

c) Reservatórios de nível variável (RNV): São também nós especiais da rede,

possuindo uma capacidade de armazenamento limitada, com variação no seu volume

ao longo do tempo. São os reservatórios internos do sistema que são responsáveis

por abastecer as diversas zonas de abastecimento.

d) Tubulações: São trechos que transportam água entre os vários pontos da rede.

Esse transporte ocorre sob pressão em todas as tubulações, ao longo da simulação.

e) Bombas: As bombas são trechos da rede que depositam energia no sistema,

elevando a carga hidráulica de um ponto a outro.

f) Válvulas: São trechos que limitam a pressão ou vazão num ponto particular da

rede.

3.4.1.2. Componentes não-físicos

Descrevem o comportamento e os aspectos operacionais de um sistema de

abastecimento de água, com curvas, padrões e controles.

a) Curvas: são objetos que contém pares de dados representando uma relação

entre duas grandezas. Um modelo simulado através do EPANET pode utilizar os

seguintes tipos de curvas:

• Curva da bomba;

• Curva de rendimento;

• Curva de volume;

• Curva de perda de carga.

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Versão 2012

b) Padrões temporais: É um conjunto de fatores multiplicativos aplicados a uma

determinada grandeza (demanda de água, carga hidráulica em RNF, parâmetros de

qualidade de água) de forma a representar sua variação ao longo do tempo.

c) Controles: É um conjunto de instruções e regras para estabelecer o modo de

funcionamento da rede ao longo do tempo, onde é possível determinar certas

condições associados ao tempo, níveis de reservatórios e tomadas de pressão em

pontos específicos da rede.

4. Levantamento dos dados

Este tópico abordara o levantamento de dados necessários para modelagem de

determinado sistema. Serão mostrados quais são os dados essenciais e principais

fontes de pesquisas dos mesmos.

4.1. Identificação do que será modelado

Os primeiros passos para qualquer modelagem é a definição da utilidade,

necessidade e/ou finalidade do mesmo, tanto em projetos de curto e/ou de longo

prazo. Com já foi dito anteriormente, o direcionamento da coleta de informações

está diretamente relacionada com a identificação do que será modelado.

Durante todo o processo da escolha do propósito da modelagem, até sua elaboração

e utilização, é fundamental ter um comprometimento das pessoas envolvidas neste

projeto. Todas as áreas da companhia precisam se comunicar de maneira rápida e

eficiente de modo a tornar o processo de obtenção de informações rápido e sem

burocracia. Após definir a utilização do modelo, questões como a extensão do

modelo, grau de detalhamento, esqueletização e critérios de calibração, deverão ser

estudadas.

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Versão 2012

É importante também que a previsão de tempo da construção do modelo seja

suficiente para ser desenvolvido e calibrado. Diversos projetos de modelagem ficam

longe de suas metas para o uso, devido ao grande consumo de tempo e recursos,

onde não há tempo suficiente para compreender toda a gama de soluções e

alternativas para os problemas.

4.2. Obtenção dos dados de cadastro de rede

Existem diversas fontes que estão disponíveis para a obtenção dos dados necessários

para gerar um modelo de distribuição da água, bem como uma grande variação de

utilidade para o usuário. As seções a seguir discutem algumas dos dados comumente

utilizados, incluindo sistema de mapas, cadastros de rede, captação, reservatórios,

estações elevatórias e dados eletrônicos.

4.3. Elevação do terreno

Os sistemas de mapas são normalmente os documentos mais úteis para adquirir uma

compreensão global de um sistema de distribuição de água, uma vez que ilustram

uma grande variedade de características essenciais para o modelo. O sistema de

mapas pode incluir informações como:

• Tubulação da rede, setores do sistema, material, diâmetro, etc.;

• As localizações de outros componentes de sistema, tais como registros, válvulas,

reservatórios, etc.;

• Zonas de pressão;

• Topografia;

• Referências de reservatórios e suas características;

• Informações gerais, tais como a localização de estradas, riachos, urbanização,

etc.;

• Outros elementos que compõe um sistema de distribuição.

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Versão 2012

Um mapa topográfico utiliza conjuntos de linhas de contornos e curvas onde indicam

as elevações da superfície do terreno. As curvas topográficas representam um

conjunto de pontos que representam a altitude e podem ser pensadas como o

esboço de uma "fatia" horizontal da superfície do solo.

Sobrepondo a rede de distribuição em um mapa topográfico, é possível realizar a

interpolação das elevações do terreno na junção dos nós e de outros locais do

sistema. Naturalmente, quanto menor o intervalo de contorno, mais precisamente as

elevações são estimadas. Caso os mapas topográficos não apresentarem o nível de

precisão necessário, outras fontes de elevação de dados precisam ser consideradas.

Mapas topográficos estão também disponíveis na forma de modelos de elevações

digitais (MED), que podem ser utilizados para interpolar eletronicamente as altitudes

do terreno a ser trabalhado. Os resultados dos MED’s são tão precisos quanto os

dados topográficos que lhes servem de base, sendo assim, é possível calcular

elevações em uma grande escala tendo uma precisão significativa. A Figura 4.1

mostra um exemplo de mapa digital de uma cidade.

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Versão 2012

Figura 4.1: Exemplo de mapa topográfico (WALSKY, 2003).

Quando se utiliza mapas desatualizados, diversas modificações ocorridas no sistema,

como ampliações de rede, novos reservatórios, inclusão de registros e válvulas, não

são incluídas nos arquivos, gerando assim uma discordância do cadastro com a

realidade. Para que se tenha sempre um modelo atualizado do sistema, é necessária

a criação de hábitos de atualizar o cadastro da rede sempre após uma modificação

dentro do sistema. Em alguns casos, uma pessoa responsável pela atualização pode

até mesmo ser usada para garantir cadastro eficiente. Este hábito pode fornecer

dados confiáveis sobre as descrições dos componentes de sistema tais como

reservatórios e estações de bombeamento.

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Versão 2012

4.3.1. Tipos de mapas

Muitas concessionárias de distribuição de água têm alguma forma de representação

dos seus sistemas em formatos que podem variar de uma base de dados não gráfica,

de uma só de gráficos Computer-Aided Drafting (CAD), ou um Sistema de

Informação Geográfica (SIG) que combinam gráficos e dados.

a) Dados não gráficos: É comum encontrar, pelo menos, alguns dados digitais

neste formato, tais como uma série histórica de monitoramento de dados, ou mesmo

um arquivo de dados em formato de texto. Estas fontes de dados podem ser

bastante úteis para acelerar o processo de construção do modelo. Mesmo assim, o

cuidado deve ser tomado para garantir que a caracterização da rede esteja correta,

pois um simples erro digitado em uma rede pode ser difícil de detectar.

b) Computer-Aided Design (CAD): A ascensão da tecnologia de sistemas de

informação levou a muitas melhorias em todos os aspectos da gestão de um sistema

de distribuição da água, e o mapeamento não é exceção. Com a utilização de

sistemas CAD, tornou-se muito mais fácil de ligar os dados dos sistemas de

distribuição, combinar vários dados a partir de diferentes fontes, e de outra forma de

manter e atualizar mapas rapidamente e com uma confiabilidade maior.

c) Sistemas de Informação Geográfica (SIG): Um sistema de informação

geográfica é uma ferramenta baseada em um procedimento que se baseia em

mapear e analisar objetos e eventos que acontecem dentro do sistema. A tecnologia

de SIG integra uma base de dados comum, como a parte gerencial, comercial e

operacional de um sistema de abastecimento. Esta ferramenta armazena dados

sobre diversas áreas em camadas ligadas entre si geograficamente, diferentes fontes

de dados podem ser combinadas para determinar relações entre os dados e para

gerar novas informações. A Figura 4.2 mostra um exemplo de uma rede de

distribuição de água.

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Versão 2012

Figura 4.2: Exemplo de um modelo de uma rede de distribuição sobre uma imagem área

(WALSKY, 2003).

O SIG pode ser utilizado para diversos fins como aproximar análises (identificação

dos clientes dentro de uma determinada área de abrangência de um nó),

superposição análise (determinação de que todas as ligações estão completamente

dentro de uma determinada área de zoneamento), análise de rede (como identificar

qual região estará sendo afetada por uma ruptura na tubulação), e visualização

(visualizador e comunicador utilizando ferramentas gráficas).

Com um modelo hidráulico ligado diretamente a um SIG, os benefícios podem se

estender para além do que um processo de construção de modelo e pode incluir

esqueletização, geração de demanda do consumo e muitas outras operações.

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Versão 2012

4.3.2. Plano de fundo para o modelo

O EPANET permite que seja mostrada uma imagem de fundo do mapa, onde será

desenhado o traçado da rede. A imagem de fundo pode ser um mapa de ruas, de

serviços, um plano de urbanização ou outro tipo de figura ou desenho que possa ser

útil.

4.3.2.1. Importação de arquivos

A imagem de fundo deve ser um arquivo do tipo Windows Metafile (.WMF) ou bitmap

(.BMP) do Windows. Uma vez importada, as suas características não podem ser

editadas, embora a sua escala e extensão variem à medida que a janela do mapa é

redimensionada e movimentada. Por esta razão, trabalhos em arquivos Metafile são

preferíveis aos do tipo bitmap, uma vez que não perdem a resolução quando são

redimensionados. A maioria dos programas CAD e GIS permitem que os seus

desenhos e mapas sejam gravados ou exportados para este tipo de arquivo.

1) Exportando um arquivo do DWG para WMF

Com o arquivo aberto no Autocad, por exemplo, selecione o pedaço da rede a ser

exportado. Depois, clique em File (arquivo) e selecione a opção Export (exportar),

conforme a Figura 4.3.

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Versão 2012

Figura 4.3: Janela do AutoCAD, opção export.

Selecionada a opção Export, selecione o destino1 de sua preferência. O ideal é

salvar o arquivo na pasta onde se encontra salvo o modelo em EPANET. Em seguida

dê um nome para o arquivo e selecione na opção Files of Type: (Tipo de Arquivo) -

> Metafile (*.mwf)2, logo após clique em Save (salvar)3 e o arquivo do mapa já

estará salvo, conforme Figura 4.4.

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Versão 2012

Figura 4.4: Janela Export Data do Auto CAD, arquivo metafile.

2) Inserindo o mapa no EPANET

Abra o modelo no EPANET e insira a imagem de fundo criada no item anterior

selecionando Visualizar -> Imagem de Fundo -> Abrir a partir da Barra de Menu

Principal. Depois de inserida a imagem, além do comando Abrir, existem outros

comandos:

• Abrir (carrega um arquivo de imagem de fundo do mapa para o projeto);

• Retirar (descarrega a imagem de fundo do mapa a partir do projeto);

• Alinhar (alinha a rede com a imagem de fundo);

• Mostrar/Ocultar (ativa/desativa a visualização da imagem de fundo).

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Versão 2012

Quando carregado pela primeira vez, a imagem de fundo é colocada com o

respectivo canto superior esquerdo coincidente com o canto superior esquerdo da

fronteira da rede. A imagem de Fundo pode ser reposicionada relativamente ao Mapa

da Rede selecionando Visualizar -> Imagem de Fundo -> Alinhar. Isto permite

que o traçado da rede seja movido através da imagem de Fundo (movimentando o

mouse com o botão esquerdo pressionado), até que aquele esteja adequadamente

alinhado com a imagem de fundo. O nome do arquivo da imagem de fundo e o seu

alinhamento atual são salvados juntamente com os restantes dados do projeto,

sempre que o projeto é salvado para um arquivo. Para a obtenção de melhores

resultados na utilização de uma imagem de fundo:

• Utilize um arquivo do tipo metafile e não bitmap;

• Dimensione o Mapa da Rede de modo a que o respectivo retângulo de fronteira

tenha a mesma relação proporcional (razão entre a largura e a altura) que a

imagem de fundo.

3) Configurar as Dimensões do Mapa

Para configurar corretamente o mapa e a rede em EPANET de modo que ambos

possuam a mesma escala, basta abrir a planilha Fator de Escala – Software

EPANET.xls contido no CD deste curso e seguir os passos indicados.

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Versão 2012

4.4. Tubulações da rede

A tubulação transmite um fluxo de água que se move a partir de uma junção ou um

nó para outro em uma rede. No mundo real, condutos individuais são geralmente

fabricados em comprimentos com 6 metros, que são posteriormente montados em

série. Na realidade a rede também pode ter vários acessórios, tais como cotovelos,

para lidar com mudanças bruscas na direção, ou o uso de válvulas para fechar os

fluxos através de uma determinada seção da tubulação.

Para fins de modelagem, os vários segmentos do tubo e seus respectivos acessórios

podem ser representados por um único trecho. O modelo de um tubo deve ter as

mesmas características (comprimento, diâmetro e rugosidade) durante todo o seu

comprimento.

4.4.1. Comprimento

O comprimento atribuído a um tubo deverá representar a totalidade da distância de

um nó para o próximo, e não necessariamente a distância em linha reta entre o final

do nó, considerando as curvas, cotovelos, etc.

O EPANET permite ao utilizador indicar a dimensão ou o comprimento das tubulações

definidos pelo usuário. Quando não há uma escala digital dos comprimentos das

tubulações, é exigido que o usuário insira manualmente cada distância com base no

cadastro da rede. Um modelo que é utilizado comprimentos inseridos manualmente é

definido como um modelo esquemático. A rede global de um modelo deve ser

idêntica ao que se tem em campo, mas a qualidade da representação é mais

semelhante a uma caricatura do que uma fotografia.

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Versão 2012

4.2.2. Diâmetro

As tubulações possuem diferenciação no que diz respeito ao diâmetro nominal e

diâmetro interno. Essa diferença é devida a espessura da parede da tubulação e em

certos casos, do seu tipo de revestimento interno. Para efeitos hidráulicos, o que

importa para a água é o contato interno que ela possui dentro da tubulação. Porém,

sabe-se que as tubulações possuem um processo natural de deterioração e que ao

longo do tempo, suas características internas descaracterizam. E identificar com

precisão, seu diâmetro interno é bastante trabalhoso. Por isso, na modelagem utiliza-

se o diâmetro nominal do tubo. No Capítulo 2, na parte de calibração, será visto que

essa simplificação feita no diâmetro do tubo é ajustada na rugosidade.

4.4.3. Rugosidade

Em uma rede real, a tubulação pode mudar sua característica ao longo do tempo

sofrendo diversos efeitos como corrosão, sedimentação e incrustação. A corrosão

está relacionada com as reações químicas na superfície interna das tubulações,

principalmente as de Ferro Fundido. A sedimentação ocorre devido a depósitos de

sólidos na tubulação. Por fim, a incrustação é devida principalmente a fatores como a

alcalinidade e dureza da água, presença de sólidos em suspensão, temperatura,

velocidade e estado da superfície interna das tubulações.

Para cada material que compõe a tubulação é determinado um coeficiente de

rugosidade. O coeficiente C depende da natureza e do estado das paredes do tubo,

que com o tempo são modificados. A inserção deste coeficiente no modelo é

necessária para os cálculos de perda de carga ocorrida na tubulação, portanto, deve

se conhecer pelo menos o material e a idade da tubulação que está sendo modelada

para se ter uma ideia de qual coeficiente será utilizado. Os efeitos citados acima nas

tubulações podem ser vistas na Figura 4.6.

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Versão 2012

Figura 4.6: Exemplo de incrustação em tubulação de ferro fundido dúctil sem revestimento

(WALSKY, 2003).

4.5. Registros, válvulas e outras singularidades da rede

As válvulas são trechos que limitam a pressão ou a vazão num ponto particular da

rede. Os principais dados de simulação a serem introduzidos são:

• Nós inicial e final;

• Diâmetro;

• Parâmetro de controle da válvula;

• Estado.

O parâmetro de controle da válvula deverá ser levantado para a inserção nos

controles no modelo. Por exemplo, na simulação de uma válvula redutora de pressão

(PRV) deverá ser inserido o valor de pressão que estará sendo reduzido na

tubulação, ou seja, se em campo esta válvula reduz 20 m.c.a., é este valor que

deverá ser colocado no parâmetro de controle.

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Versão 2012

Os principais resultados produzidos pela simulação de válvulas são vazão e a perda

de carga. Os principais tipos de válvulas modelados pelo EPANET são:

• Válvula de Controle da Pressão a jusante ou Válvula Redutora de Pressão, PRV

(Pressure Reducing Valve);

• Válvula de Controle da Pressão a montante ou Válvula Sustentadora de Pressão,

PSV (Pressure Sustaining Valve);

• Válvula de Perda de Carga Fixa, PBV (Pressure Breaker Valve);

• Válvula Reguladora de Vazão, FCV (Flow Control Valve);

• Válvula de Controle de Perda de Carga ou Válvula de Borboleta, TCV (Throttle

Control Valve);

• Válvula Genérica, GPV (General Purpose Valve).

As Válvulas Redutoras de Pressão (PRV) limitam a pressão de saída na válvula em

um determinado ponto da rede. O EPANET simula as seguintes situações de

funcionamento para este tipo de válvula:

• Parcialmente aberta (i.e., ativa), para que a pressão a jusante seja igual a um

valor pré-definido, quando a pressão a montante é superior a este valor;

• Completamente aberta, se a pressão a montante está abaixo do valor pré-

definido;

• Fechada, se a pressão a jusante excede a pressão a montante, não permitindo

que o sentido do escoamento inverta (neste caso funciona como válvula de

retenção).

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Versão 2012

As Válvulas Sustentadoras de Pressão (PSV) mantêm o valor da pressão de entrada

na válvula, num determinado ponto da rede. O EPANET simula as seguintes

situações de funcionamento para este tipo de válvula:

• Parcialmente aberta, (i.e., ativa) para que a pressão a montante seja igual a um

valor pré-definido, quando a pressão a jusante está abaixo deste valor;

• Completamente aberta, se a pressão a jusante é superior ao valor pré-definido;

• Fechada, se a pressão a jusante excede a pressão a montante, não permitindo

que o sentido do escoamento inverta (neste caso funciona como válvula de

retenção).

As Válvulas de Perda de Carga Fixa (PBV) provocam uma perda de carga fixa na

válvula. O escoamento através da válvula pode ocorrer em qualquer sentido. Este

tipo de válvulas não constitui um componente físico da rede, no entanto pode ser

utilizado para modelar situações em que existe uma perda de carga fixa que é

conhecida.

As Válvulas Reguladoras de Vazão (FCV) limitam o valor da vazão. O programa emite

uma mensagem de aviso se a vazão não puder ser mantida sem que haja um

aumento da carga hidráulica na válvula (i.e., mesmo quando a vazão não pode ser

mantida com a válvula completamente aberta).

As Válvulas de Borboleta (TCV) simulam válvulas parcialmente fechadas, ajustando o

coeficiente de perda de carga singular da válvula. A relação entre o grau de

fechamento da válvula e o correspondente coeficiente de perda de carga singular é

fornecida usualmente pelo fabricante da válvula.

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Versão 2012

As Válvulas Genéricas (GPV) são utilizadas para representar um trecho com uma lei

de escoamento especial, diferente das expressões utilizadas para os restantes

elementos já apresentados. Podem ser utilizadas para simular turbinas, o

escoamento em poços, ou válvulas de retenção de vazão reduzida.

As válvulas de seccionamento e as válvulas de retenção, que podem ser modeladas

como estando completamente abertas ou fechadas, não são consideradas como

elementos separados das tubulações, mas sim como uma propriedade da tubulação

onde se localizam.

Cada tipo de válvula é caracterizado por um parâmetro de controle diferente, que

descreve o ponto de operação desta (pressão para as PRV, PSV e PBV; vazão para as

FCV; coeficiente de perda de carga singular para as TCV e curva de perda de carga

para as GPV).

As instruções de controle das válvulas podem ser anuladas se for especificado na

propriedade Estado Fixo que está aberta ou fechada. O estado da válvula e as

respectivas condições de operação podem ser alterados durante a simulação

utilizando a opção Controles.

Devido ao modo como as válvulas são modeladas, deve-se ter atenção as seguintes

regras quando se inserem novas válvulas na rede:

• Uma PRV, PSV ou FCV não pode ser ligada diretamente a um reservatório de

nível fixo ou a um reservatório de nível variável (utilize sempre uma determinada

extensão de tubulação para separar os dois componentes);

• Duas PRVs não podem partilhar a mesma tubulação de jusante nem podem estar

ligadas em série;

46


Versão 2012

• Duas PSVs não podem partilhar a mesma tubulação de montante nem podem

estar ligadas em série;

• Uma PSV não pode ser ligada ao nó de jusante de uma PRV.

4.6. Estações elevatórias

Para a simulação do modelo se faz necessário o fornecimento das curvas de bomba

das estações elevatórias. O ideal para um cadastro de estações elevatórias, é que se

tenha um arquivo de todas as curvas de bombas de cada conjunto motor-bomba em

utilização no sistema. Mas geralmente isso não ocorre por uma falta de gestão

técnica nas operadoras.

Dentro os diversos modos para a obtenção destas curvas, os mais utilizados são:

• Pontos de trabalhos da bomba através das curvas de projeto, altura manométrica

pela vazão (m x m³/h);

• Digitalização das curvas das bombas por meio de algum software;

• Levantamento em campo das curvas.

Neste módulo só iremos focar o primeiro item, utilizando os pontos de trabalho das

bombas a partir das curvas dos fabricantes, os outros itens são facilmente descritos

por algumas bibliografias.

4.6.1. Curva das bombas

As bombas centrífugas são máquinas que podem trabalhar à mesma rotação, sob

diferenças condições de vazão e de altura manométrica. Existe, entretanto, uma

interdependência bem definida entre esses valores, de conformidade com a vazão

bombeada e a altura manométrica da bomba, operando a uma velocidade constante,

que é obtido através de ensaios. As curvas de vazão (normalmente em m³/h) contra

47


Versão 2012

a altura manométrica total (em metros), a potência consumida (em kW ou HP), a

eficiência da bomba e o NPSH (Net Positive Suction Head) são conhecidos como

curvas características das bombas.

É de fundamental importância conhecer as curvas características das bombas, pois

cada bomba é projetada, basicamente, para elevar uma determinada vazão (Q) a

uma altura manométrica total (H) em condições de máximo rendimento, e à medida

que o par Q e H se afastam das condições ótimas de operação, o rendimento da

bomba tende a cair. Na Figura 4.7 são apresentadas esquematicamente as curvas

características de uma bomba centrifuga.

4.6.2. Curva característica do sistema elevatório

É a que relaciona a altura manométrica total do sistema de elevação do líquido com

a vazão de bombeamento. Esta curva é obtida através de um gráfico de vazão (Q)

no eixo X e sua correspondente altura manométrica (H) no eixo Y.

Para o traçado da curva H x Q do sistema elevatório é necessário definir os

diâmetros das tubulações de sucção, recalque e do barrilete. No cálculo das perdas

de carga para a construção da curva Q x H da tubulação não se deve utilizar

coeficientes que levem a valores da perda de carga superiores aos que efetivamente

ocorrerão, com o intuito de se obter maior segurança nos cálculos. Tal procedimento

conduzira a informações falsas sobre o funcionamento do sistema elevatório,

podendo mesmo ocasionar uma escolha inadequada das bombas.

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Versão 2012

Figura 4.7: Curvas características de uma bomba fornecida pelo fabricante.

Fonte: www.schneider.com.br (2009).

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Versão 2012

Quando as tubulações mudam suas características de rugosidade por

envelhecimento, devem-se traçar curvas Q x H do sistema elevatório para a

rugosidade da tubulação nova e para a tubulação após um período de tempo de

operação do sistema.

Pelo que se observa na Figura 4.8, a interseção da curva da bomba com a do

sistema, representa o ponto de funcionamento da bomba, no qual são definidas a

vazão e a altura manométrica de operação do sistema elevatório.

Figura 4.8: Curva da bomba e do sistema (Adaptado de Tsutiya, 2006).

No EPANET podem-se representar as seguintes curvas:

• Curva da Bomba

• Curva de Rendimento;

• Curva de Volume;

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Versão 2012

• Curva de Perda de Carga.

a) Curva da Bomba

A Curva da Bomba representa uma relação entre a altura de elevação e a vazão,

definindo as condições de funcionamento desta, para uma velocidade de rotação

nominal. A altura de elevação representa a energia fornecida ao escoamento pela

bomba e é representada no eixo das ordenadas da curva em metros. A vazão é

representada no eixo das abscissas, nas unidades respectivas a esta grandeza. Uma

curva da bomba válida deve apresentar alturas de elevação decrescentes com o

aumento da vazão.

O EPANET define uma forma diferente para a curva da bomba segundo o número de

pontos fornecidos (Figura 4.9):

Curva com um ponto: Para se definir uma curva com um ponto basta fornecer um

único par de valores de vazão – altura de elevação, referente ao ponto ótimo de

funcionamento da bomba.

Curva com três pontos: Para se definir uma curva deste tipo é necessário fornecer

três pontos de operação: ponto de Vazão Mínimo (vazão e carga para o ponto de

vazão nulo ou mínimo), ponto de Vazão Nominal (vazão e carga para o ponto ótimo

de funcionamento), ponto de Vazão Máximo (vazão e a carga para o ponto de vazão

máximo). O EPANET ajusta uma função contínua do tipo: �� aos três

pontos fornecidos, de forma a definir a curva completa da bomba. Nesta função tem-

se que hg = altura de elevação, q = vazão e A, B e C são constantes.

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Versão 2012

Curva com múltiplos pontos: Uma curva deste tipo é definida se forem fornecidos

quatro ou mais pontos com valores de vazão – altura de elevação. O EPANET cria

uma curva completa ligando os vários pontos entre si por segmentos de reta. Para

bombas com o número de rotações variável, a curva da bomba altera-se consoante o

valor da propriedade regulação de velocidade. Os valores de vazão (Q) e de altura de

elevação (H) relacionam-se com as respectivas velocidades de rotação N1 e N2 de

acordo com as seguintes expressões:

�

� ��

�

� ��

Para associar a uma Bomba a respectiva curva característica, deve-se indicar o ID da

curva na propriedade Curva da Bomba.

b) Curva de Rendimento

Uma curva deste tipo relaciona o rendimento do grupo (eixo das ordenadas em

porcentagem) com a vazão bombeada (eixo das abscissas em unidades de Vazão).

Esta curva deve representar o rendimento do conjunto motor-bomba que levam em

conta as perdas mecânicas na própria bomba e as perdas elétricas no seu motor. A

curva é utilizada apenas para cálculos energéticos. Se esta curva não for fornecida,

para uma bomba específica, deve-se fixar um valor global constante para o

rendimento, através do editor de Opções de Energia. Para associar a uma Bomba a

respectiva curva de rendimento, deve-se indicar o ID da curva na propriedade Curva

de Rendimento.

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Versão 2012

Figura 4.9: Exemplo de curvas de bombas.

4.6.3. Inserção das curvas no EPANET

O meio mais fácil de obter as curvas das bombas é com o fabricante (desde que o

modelo e números de serie sejam conhecidos). Com as curvas em mãos, pegam-se

os principais pontos na curva e transfere-os para o editor de curvas no EPANET,

sempre tomando o devido cuidado com as unidades de vazão.

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Versão 2012

No exemplo a seguir, será levantado os principais valores na curva da Figura 4.10,

resultando na Tabela 4.1. A partir dos pontos da curva é feito a entrada destes

dados no editor de curvas do EPANET, resultando na curva em que o modelo

utilizara nas simulações, Figura 4.11.

Figura 4.10: Exemplo de curva de vazão e altura de bomba.

Figura 4.11: Curva gerada com a entrada dos pontos da curva de fabrica.

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Versão 2012

4.7. Produção e reservação de água do sistema

4.7.1. Reservatórios de nível fixo

O termo reservatório de nível fixo (RNF) tem um significado específico no que diz

respeito à modelagem de um sistema de distribuição de água que pode ser um

pouco diferente do uso da palavra em condições normais de construção e operação.

Este tipo de reservatório representa a “entrada” de água de um sistema (captação,

ETA, poço subterrâneo, e outras formas de pontos onde a água é inserida). Este

reservatório representa um nó no inicio de um modelo que significa o fornecimento

de água com uma grande capacidade hidráulica, onde diz ter uma capacidade infinita

e constante de água. Esta infinidade de volume significa que teoricamente pode-se

manipular qualquer entrada ou saída de volume por qualquer período de tempo, sem

ocorrer seca ou transbordamento. Na realidade, não existe tal fonte infinita, mas

para fins de modelagem, no entanto, há situações em que entradas e saídas de água

têm pouco ou nenhum efeito sobre balanço hídrico em um nó.

Os RNF’s são usados para modelar qualquer fonte de água onde a o balanço

hidráulico é controlado por outros fatores como a taxa de utilização da água. Lagos,

cavidades subterrâneas, e poços, no tratamento de águas são muitas vezes

representados como reservatórios. Para fins de modelagem, um sistema municipal

que adquiri água a partir de um fornecedor pode definir a conexão com o vendedor

como um reservatório.

Para um este tipo de reservatório, as duas principais informações exigidas são a linha

hidráulica (a cota de elevação da água) e a qualidade da água. Por definição de

modelo, o armazenamento não é uma preocupação para os reservatórios.

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Versão 2012

4.7.2. Reservatório de nível variado

Um reservatório de nível variável (RNV) de armazenamento é também um nó, mas

ao contrário de um RNF, a linha hidráulica de um tanque oscila de acordo com a

entrada e saída de água. Os RNV’s têm uma quantidade finita de armazenamento, e

é possível encher completamente ou ocorrer o transbordamento (embora a maioria

dos sistemas reais seja concebida para evitar os transbordamentos). Os reservatórios

estão presentes na maior parte dos sistemas de distribuição, e as relações entre um

reservatório real e seu modelo é tipicamente simples.

Quando uma simulação estática é executada, o reservatório é visto como um nível de

elevação hidráulica conhecido, e os modelos calculam a pressão de água que está

fluindo para dentro ou para fora do tanque. Dada a mesma configuração da altura da

carga hidráulica, o reservatório hidráulico é idêntico à de uma simulação estática

executada. Em uma simulação com variação de tempo, o nível de água do

reservatório permite uma alteração ao longo do tempo. Para acompanhar como um

RNV varia, a relação entre a elevação do nível hidráulico e a armazenagem do

volume deve ser definida. Para tanques cilíndricos, o desenvolvimento desta relação

é uma simples questão de identificar o diâmetro do reservatório e sua altura, mas

para os de formas desconhecidas é complexo expressar suas características,

podendo ser representadas através de equações matemáticas.

Alguns tipos de modelos não suportam estas formas de reservatórios, forçando o

modelador a aproximar sua característica, determinando um diâmetro equivalente

baseado na altura e capacidade. Esta aproximação, naturalmente, tem o potencial

para gerar erros significativos no nível hidráulico.

Independentemente da forma do reservatório, as alturas são importantes para fins

de modelagem. O nível máximo representa até onde vai a capacidade de enchimento

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Versão 2012

do reservatório, e é normalmente determinado pela configuração de como este

reservatório é operado. O nível de água em que um reservatório começa a

transbordar representa o nível máximo superior. Do mesmo modo, o nível mínimo é

a menor altura de água que o reservatório deve ter. Uma base ou referência da cota

topográfica é um dado no quais os níveis de reservatório são medidos.

As características físicas e os níveis operacionais necessários para a construção do

modelo são facilmente conseguidos através do cadastro de cada reservatório, caso

não haja um, é coerente fazer um levantamento em campo para determinar seus

diâmetros, alturas, comprimentos, níveis operacionais, etc.

4.8. Demanda de água

Em um sistema de abastecimento de água, a quantidade de água consumida varia

continuamente em função do tempo, das condições climáticas, hábitos da população,

etc. Normalmente, o consumo doméstico apresenta uma grande variação, enquanto

que um consumo industrial a variação é menor. Quanto aos consumos comerciais e

públicos, a variação de consumo situa-se m uma posição intermediária.

De um modo geral, para o abastecimento de água de uma determinada área

ocorrem variações anuais, mensais, diárias, horárias e instantâneas do consumo de

água:

• Variação anual: o consumo de água tende a crescer com o decorrer do tempo,

devido ao aumento populacional e, às vezes, o aumento do consumo per capita é

devido à melhoria dos hábitos higiênicos da população e do desenvolvimento

industrial;

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Versão 2012

• Variação mensal: nos meses de verão, o consumo supera o consumo médio,

enquanto que, no inverno, o consumo é menor;

• Variação diária: o consumo diário geralmente é maior que o consumo médio

diário anual, sendo que, o consumo maior no verão, e menor no inverno;

• Variação horária: o consumo varia com as horas do dia, geralmente o maior

consumo ocorre entre as 10 às 12 horas;

• Variação instantânea: ocorrem nas extremidades da rede, quando atendem a

prédios desprovidos de reservatórios domiciliares.

Dentre essas diversas variações no consumo de água, os mais importantes para o

dimensionamento e operação dos sistemas de abastecimento de água são as

variações diárias e horárias, os quais são apresentados a seguir.

4.8.1. Variação diária

A relação entre o maior consumo diário verificado no período de um ano e o

consumo médio diário neste mesmo período, considerando-se sempre as mesmas

ligações, fornece o coeficiente do dia de maior consumo (K1), ou seja:

�� á��é��á��

A Figura 4.12 apresenta a variação do consumo de água em um ano. Obtêm-se o

valor do coeficiente do dia de maior consumo (K1), dividindo o valor máximo do

consumo pelo consumo médio anual.

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Versão 2012

Figura 4.12: Variações do consumo no ano.

Para determinação dos valores do consumo médio diário, do coeficiente do dia de

maior consumo e do coeficiente da hora de maior consumo, devem ser excluídos os

consumos dos dias em ocorreram acidentes no sistema, ou fatos excepcionais

responsáveis por alterações no consumo de água. Para a determinação do K1,

recomenda-se que sejam considerados, no mínimo, cinco anos consecutivos de

observações, adotando-se a media dos coeficientes determinados.

4.8.2. Variações horárias

A relação entre a maior vazão horária observada num dia e a vazão media horária do

mesmo dia, define o coeficiente da hora de maior consumo (K2), ou seja:

�� !ã��á��

�!ã��é��

A Figura 4.13 apresenta a variação da vazão de água em um dia. Obtêm-se o valor

do coeficiente da hora de maior consumo (K2), dividindo-se o valor máximo da vazão

horária pela vazão média do dia.

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Versão 2012

Figura 4.13: Variações do consumo diário.

4.8.3. Inserção de padrão de consumo no EPANET

Para a execução de uma simulação dinâmica, deve criar-se um Padrão Temporal

utilizando a curva de variação horária do sistema em estudo, para representar a

variação periódica dos consumos nos nós ao longo do tempo.

Para criar o padrão, selecione a categoria Padrões a partir da aba de Dados da

janela Navegador, e clique no botão Adicionar. Um novo padrão (default, o

Padrão1) será criado e a caixa de diálogo do Editor de Padrão é mostrada (ver

Figura 4.14).

Introduza os fatores multiplicativos da curva horária para os períodos de tempo de 1

a 24, os quais traduzem o padrão com duração de 24 horas. Os fatores

multiplicativos são utilizados para modificar o consumo, a partir de um valor base,

em cada instante de tempo. Uma vez que a simulação tem uma duração total de 72

horas, o padrão é repetido no início da cada intervalo de 24 horas.

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Versão 2012

É necessário associar o ID do Padrão à propriedade Padrão de Consumo para

todos os nós da rede que possuem alguma demanda associada. Na Figura 4.14

pode-se visualizar uma curva padrão de consumo com os seus fatores

multiplicativos.

Figura 4.14: Editor de padrão de consumo.

4.9. Dados de controles operacionais

Os Controles são um conjunto de instruções que estabelecem o modo como a rede

opera ao longo do tempo. Eles especificam o estado dos trechos selecionados em

função do tempo, alturas de água num reservatório de nível variável e valores de

pressão em pontos específicos da rede. Existem duas categorias de controles que

podem ser utilizadas:

• Controles Simples;

• Controles com Condições Múltiplas.

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Versão 2012

4.9.1. Controles Simples

Os controles simples alteram o estado ou as propriedades de um trecho com base

nos seguintes parâmetros:

• Altura de água num reservatório de nível variável,

• Pressão num nó,

• Instante de simulação,

• Instante do dia.

As instruções podem ser escritas num dos seguintes formatos:

LINK x status IF NODE y ABOVE/BELOW z

LINK x status AT TIME t

LINK x status AT CLOCKTIME c AM/PM

x Rótulo de ID do trecho

Status ABERTO (OPEN) ou FECHADO (CLOSED), parâmetro de regulação da velocidade de rotação de uma bomba ou parâmetro de controle de uma válvula.

y Rótulo de ID do nó. z Pressão em um nó ou a altura de água em um RNV.

t Tempo desde o início da simulação em notação decimal ou em horas: minutos.

c Instante do dia (período de 24 horas).

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Versão 2012

A seguir, são apresentados alguns exemplos de controles simples:

Instruções de controle Significado

LINK 12 CLOSED IF NODE 23 ABOVE 6 Fechar o trecho 12 se a altura no RNV 23 exceder 6 m.

LINK 12 OPEN IF NODE 130 BELOW 30 Abrir o trecho 12 se a pressão no nó 130 for inferior a 30 m.

LINK 12 1.5 AT TIME 16 Ajustar a regulação de velocidade da bomba 12 para 1.5 às 16 horas de simulação.

LINK 12 CLOSED AT CLOCKTIME 10 AM O trecho 12 é repetidamente fechado as 10 AM ao longo da simulação.

LINK 12 OPEN AT CLOCKTIME 8 PM O trecho 8 é repetidamente aberto às 8 PM ao longo da simulação.

Não existe limite para o número de controles simples que podem ser utilizados.

Notas:

a) Os controles relativos a níveis são estabelecidos em termos de altura de água

acima do fundo do reservatório de nível variável e não em relação ao nível (carga

hidráulica total) da superfície livre.

b) A utilização de um par de controles relativos às pressões, para abrir e fechar um

trecho pode tornar a simulação instável se os valores de pressão adotados forem

muito próximos entre si.

Neste caso, a utilização de um par de Controles Programados pode aumentar a

estabilidade.

4.9.2. Controles com Condições Múltiplas

Os Controles Programados permitem que o estado e as propriedades dos trechos

dependam da combinação de um conjunto de condições que podem ocorrer na rede,

após o cálculo das condições hidráulicas iniciais. Apresentam-se, a seguir, alguns

exemplos de Controles com Condições Múltiplas:

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Versão 2012

Exemplo 1: Este conjunto de regras permite desligar a bomba e abrir a tubulação

de by-pass, quando a altura de água no reservatório de nível variável excede um

determinado valor, e efetuar a operação inversa quando a altura de água está abaixo

de outro valor.

Instruções de controle Significado RULE 1 IF TANK R1 LEVEL ABOVE 15 THEN PUMP CB1 STATUS IS CLOSED AND PIPE 10 STATUS IS OPEN

Se o nível do RNV R1 for acima de 15 m então desligue a bomba CB1 e ligue o trecho 10.

RULE 2 IF TANK R1 LEVEL BELOW 10 THEN PUMP CB1 STATUS IS OPEN AND PIPE 10 STATUS IS CLOSED

Se o nível do RNV R1 for abaixo de 10 m então ligue a bomba CB1 e feche o trecho 10.

Exemplo 2: Estas regras alteram a altura de água no reservatório de nível variável

para a qual a bomba é ligada, dependendo do período do dia.

Instruções de controle Significado

RULE 3 IF SYSTEM CLOCKTIME >= 8 AM AND SYSTEM CLOCKTIME < 6 PM AND TANK 1 LEVEL BELOW 12 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

Se no instante do dia for >= 8 AM e < 6 PM e o nível do RNV 1 for abaixo de 12 m, então ligue a bomba 335.

RULE 4 IF SYSTEM CLOCKTIME >= 6 PM OR SYSTEM CLOCKTIME < 8 AM AND TANK 1 LEVEL BELOW 14 THEN PUMP 335 STATUS IS OPEN

Se no instante do dia for >= 6 PM e < 8 AM e o nível do RNV 1 for abaixo de 14 m, então ligue a bomba 335.

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Versão 2012

4.9.3. Editor de Controles

Para inserir um controle no EPANET, entre na janela do Navegador e escolha a opção

controles, de acordo com a Figura 4.15. Dentro da janela Controles escolha qual será

a controle a ser inserido (Simples ou Programados/Múltiplos), de acordo com a

Figura 4.16. Após a escolha do tipo de controle, aparecerá a janela Editor de

Controles, mostrado na Figura 4.17, que é uma janela de edição de texto utilizada

para editar controles simples e controles com condições múltiplas. Apresenta um

menu principal de edição de texto que é ativado clicando com o botão direito do

mouse em qualquer parte do Editor. O menu contém comandos para Desfazer,

Cortar, Copiar, Colar, Apagar e Selecionar Tudo.

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Versão 2012

5. Construção e simulação do modelo hidráulico

Neste tópico serão abordadas as etapas de inserção dos componentes físicos e não-

físicos do modelo hidráulico, além das suas propriedades. Também serão feitas

simulações e verificações de alguns erros básicos do modelo, além de demonstrações

das principais formas de visualizar os resultados obtidos com a simulação.

5.1. Mapa da rede

O primeiro passo na construção de um modelo no EPANET é a inserção do mapa de

arruamento da localidade contendo o cadastro completo da rede a ser modelada

(tubulações, elevatórias, ETA, reservatórios, válvulas, registros, etc.).

5.2. Esqueletização

A esqueletização corresponde à representação do traçado da rede de distribuição e

pode representar somente as tubulações principais (primárias), ou representar além

destas, as tubulações secundárias (tubulações de menor diâmetro) da rede. O grau

de detalhamento do modelo será definido de acordo com as aplicações:

a) Aplicações que permitem maior esqueletização

Figura 4.17: Inserindo uma nova regra de controle.

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• Planos Diretores;

• Estudos regionais de qualidade da água;

• Estudos de energia.

b) Aplicações que exigem menor esqueletização

• Projetos (na área de interesse);

• Elaboração de programas de redução de perdas;

• Estudos detalhados de qualidade de água.

Também se devem considerar algumas diretrizes, tais como, incluir os pontos de

maior interesse ou preocupação, considerar grandes usuários de água, usar pontos

de amostragem ou pontos de pressão conhecida, inserir pontos nos quais se deseja

conhecer o que esta acontecendo, incluir todas as tubulações de um dado diâmetro

ou maiores, entre outros.

É recomendado ainda verificar se o modelo é capaz de simular todos os tubos, se os

custos para montar, carregar e rodar o modelo são significativos e o grau de

esqueletização necessário.

5.3. Reservatórios

A partir do esqueleto da rede, são inseridos os principais pontos de entrada de água

no sistema e as unidades de reservação (RNV e RNF). Estes objetos são

indispensáveis ao modelo, exigindo muita atenção com as suas respectivas

propriedades, principalmente em relação às cotas, diâmetros e níveis operacionais de

água.

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Versão 2012

5.4. Elevatórias de água tratada

Os conjuntos motor-bomba devem ser os próximos a serem incluídos no modelo,

identificando-os com as suas respectivas curvas. Caso haja alguma regra de controle

associado a alguma bomba, é necessário criar esta regra dentro do modelo.

5.5. Válvulas e outros componentes

Todo tipo de válvula e registro deve ser representado no modelo com as suas

respectivas propriedades. Devido aos diversos tipos de válvulas existentes, deve

atentar ao tipo de válvula inserida.

5.6. Inserção das propriedades de cada elemento

5.6.1. Editor de propriedades

A janela do Editor de Propriedades é utilizada para editar as propriedades de objetos

que podem ser visualizados na janela do Mapa da Rede (Nós, RNFs, RNVs,

Tubulações, Bombas, Válvulas ou Rótulos). Para editar um destes objetos, selecione

o objeto no mapa ou a partir da página de Dados da janela Navegador, a seguir

clique no botão Editar da página de Dados (ou, simplesmente, clique duplamente

sobre o objeto no mapa), irá aparecer a janela de propriedades de cada objeto

apresentado nas Figuras 5.1 a 5.6. As propriedades associadas a cada um destes

tipos de objetos encontram-se descritas nas Tabelas 5.1 a 5.7.

Nota: O sistema de unidades, no qual as propriedades dos objetos são expressas,

depende das unidades adotadas para a vazão. Utilizando a vazão expressa em litros

poe segundo ou em metros cúbicos por hora, significa que se adotam as unidades do

Sistema Internacional (SI) para todas as grandezas. Utilizando a vazão expressa em

pés cúbicos, galões americanos ou em acre-pé, por unidade de tempo, significam

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Versão 2012

que se adotam as unidades do Sistema Americano (US). As Unidades de Vazão são

selecionadas editando a aba Hidráulica, acessado a partir do Menu Projeto ->

Configurações Pré-Definidas.

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Versão 2012

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Versão 2012

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Versão 2012

Tabela 5.1: Propriedades do nó.

Propriedade Descrição

ID do Nó (Junction ID)

Um único rótulo é utilizado para identificar o nó. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Não podem existir dois nós com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.

Coordenada X (X-Coordinate)

Localização horizontal do nó no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o nó não aparecerá na janela do Mapa de Rede.

Coordenada Y (Y-Coordinate)

Localização vertical do nó no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o nó não aparecerá na janela do Mapa da Rede.

Descrição (Description)

Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre o nó.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar um nó a um parâmetro, como uma zona de pressão.

Cota (Elevation)

Cota em unidades de comprimento acima de um determinado referencial comum. Esta é uma propriedade necessária. A cota é utilizada apenas para calcular a altura piezométrica do nó. Não interfere no resultado de qualquer outra grandeza.

Consumo-Base (Base Demand)

O valor médio ou nominal do consumo de água da categoria principal de consumo no nó, medido em unidades correntes da vazão. Um valor negativo é utilizado para indicar a existência de uma origem externa de vazão no nó. Se for deixado m branco, assume-se como consumo nulo.

Padrão de Consumo (Demand Pattern)

O rótulo ID do padrão temporal é utilizado para caracterizar a variação do consumo com o tempo para a principal categoria de consumo no nó. O padrão fornece um conjunto de fatores multiplicativos que são aplicados ao consumo-base para determinar o consumo corrente em um determinado instante de tempo. Se for deixado em branco, o Padrão Temporal default associado às Opções de Hidráulica será adotado.

Categorias de Consumo (Demand Categories )

Número de diferentes categorias de consumo definidas no nó. Clique no botão de escolha (ou pressione a tecla Enter) para que seja mostrado um Editor especial de Consumos, o qual permitirá associar consumos base e padrões temporais a múltiplas categorias de consumo no nó. Ignore esta opção se pretender associar ao nó uma única categoria de consumo.

Coeficiente de Vazão do Dispositivo Emissor (Emitter Coefficient)

Coeficiente de vazão do dispositivo emissor (aspersor ou bocal) localizado no nó. O coeficiente representa a vazão (em unidades correntes de vazão) para uma queda de pressão de 1 psi (ou metro). Deixe o campo em branco se não existir dispositivo emissor no nó.

Qualidade Inicial (Initial Quality)

Nível de qualidade da água no nó no início do período de simulação. Pode ser deixada em branco se não pretender efetuar uma simulação de qualidade da água ou se a qualidade inicial no nó for nula.

Origem de Qualidade (Source Quality)

Qualidade da água que entra na rede através do nó. Clique no botão de escolha (ou pressione a tecla Enter) para mostrar o Editor de Origem de Qualidade.

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Versão 2012

Tabela 5.2: Propriedades do Reservatório de nível fixo (RNF).


ID do RNF (Reservoir ID)

Um único rótulo é utilizado para identificar o Reservatório de Nível Fixo. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Note que não podem existir dois objetos com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.


Localização horizontal do Reservatório de Nível Fixo no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o RNF não aparecerá na janela do Mapa da Rede.


Localização vertical do Reservatório de Nível Fixo no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o RNF não aparecerá na janela do Mapa da Rede.


Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre o Reservatório de Nível Fixo.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar um Reservatório de Nível Fixo a um parâmetro, como uma zona de pressão.

Nível da Água Total (Head)

Carga hidráulica (cota + altura piezométrica) do Reservatório de Nível Fixo (nível de água) em unidades de comprimento (metros, pés), desprezando o termo cinético. Esta é uma propriedade necessária.

Padrão de Nível (Head Pattern)

Rótulo de ID de um padrão temporal utilizado para modelar a variação da carga hidráulica com o tempo no reservatório de nível fixo. Deixe o campo em branco se esta propriedade não for aplicável. Esta propriedade é útil se o Reservatório de Nível Fixo representar uma ligação a outro sistema, na qual a pressão varia com o tempo.


Nível de qualidade da água no reservatório de nível fixo. Pode ser deixada em branco se não pretender executar uma simulação de qualidade da água ou se a qualidade inicial for nula.

Origem da Qualidade (Source Quality)

Qualidade da água que entra na rede através do Reservatório de Nível Fixo. Clique no botão de escolha (ou pressione a tecla Enter) para mostrar o Editor de Origem de Qualidade.

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Versão 2012

Tabela 5.3: Propriedades do reservatório de nível variável (RNV).


ID do RNV (Tank ID)

Um único rótulo é utilizado para identificar o Reservatório de Nível Variável. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Note que não podem existir dois objetos com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.


Localização horizontal do Reservatório de Nível Variável no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o RNV não aparecerá na janela do Mapa da Rede.


Localização vertical do Reservatório de Nível Variável no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Se for deixado em branco, o RNV não aparecerá na janela do Mapa da Rede.


Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre o Reservatório de Nível Variável.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar um Reservatório de Nível Variável a um parâmetro, como uma zona de pressão.

Cota (Elevation)

Cota acima de um referencial comum em unidades de comprimento (p.ex., metros, pés) do fundo do reservatório de nível variável. Esta é uma propriedade necessária.

Altura inicial da Água (Initial Level)

Altura, em unidades de comprimento (por exemplo, metros, pés), da superfície livre, no interior do RNV, acima da respectiva cota de fundo, no início da simulação. Esta é uma propriedade necessária.

Altura mínima da Água (Minimum Level)

Altura mínima, em unidades de comprimento, da superfície livre acima da cota do fundo do RNV, a qual se manterá fixa. Não será permitido que a altura de água seja inferior a este valor mínimo. Esta é uma propriedade necessária.

Altura máxima da Água (Maximum Level)

Altura máxima, em unidades de comprimento, da superfície livre acima da cota do fundo do RNV, a qual se manterá fixa. Não será permitido que a altura de água no RNV seja superior a este valor máximo. Esta é uma propriedade necessária.

Diâmetro (Diameter)

Diâmetro do reservatório de nível variável em unidades de comprimento. Para reservatórios cilíndricos, corresponde ao diâmetro do fundo. Para reservatórios quadrados ou retangulares, pode utilizar-se o diâmetro igual a 1,128 vezes a raiz quadrada da área transversal. Para reservatórios cuja geometria seja descrita por uma curva (ver adiante), pode fixar-se qualquer valor. Esta é uma propriedade necessária.

Volume Mínimo (Minimum Volume)

Volume de água no reservatório de nível variável quando a altura de água é mínima, em unidades de volume (por exemplo, metros cúbicos, pés cúbicos). Esta é uma propriedade opcional, útil principalmente para descrever a geometria do fundo de reservatórios não cilíndricos onde uma curva de volume em função da altura de água não seja fornecida (ver abaixo).

Curva de Volume (Volume Curve)

O rótulo de ID de uma curva é utilizado para descrever a relação entre o volume no reservatório de nível variável e a altura de água. Se não for fornecido qualquer valor para esta propriedade, assume-se que o reservatório é cilíndrico.

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Versão 2012

Modelo de Mistura (Mixing Model)

Tipo de modelo de mistura de qualidade da água que ocorre no interior do reservatório de nível variável. As opções incluem: • MISTURA COMPLETA, • 2 COMPARTIMENTOS (mistura com dois compartimentos), • FIFO (escoamento em êmbolo “first-in-first-out”), • LIFO (escoamento em êmbolo “last-in-first-out”).

Fração do Volume (Mixing Fraction)

A fração do volume total do RNV que compreende o compartimento de entrada-saída do modelo de mistura com dois compartimentos. Pode ser deixado em branco se outro tipo de modelo de mistura for utilizado.

Coeficiente de Reação (Reaction Coefficient)

Coeficiente de reação no volume do escoamento referente às reações químicas que ocorrem no interior do reservatório de nível variável. É expresso por unidade de tempo para reações de 1ª ordem (i.e., /dia). Utilize um valor positivo para reações de crescimento e um valor negativo para reações de decremento. Deixe o campo da propriedade em branco se o Coeficiente de Reação no Volume do Escoamento, especificado no editor de Opções de Reações, a partir da página de Dados da janela Navegador, for aplicável.


Nível de qualidade da água no reservatório de nível variável no início do período de simulação. Pode ser deixado em branco se não pretender executar uma simulação de qualidade da água ou se a qualidade inicial no reservatório de nível variável for nula.

Origem da Qualidade (Source Quality)

Qualidade da água que entra na rede através do Reservatório de Nível Variável. Clique no botão de escolha (ou pressione a tecla Enter) para mostrar o Editor de Origem de Qualidade.

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Versão 2012

Tabela 5.4: Propriedades da Tubulação.


ID do Trecho (Pipe ID)

Um único rótulo é utilizado para identificar o Trecho. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Note que não podem existir dois objetos com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.

Nó Inicial (Start Node) ID do nó onde o trecho começa. Esta é uma propriedade necessária.

Nó Final (End Node) ID do nó onde o trecho termina. Esta é uma propriedade necessária.


Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre o trecho.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar um trecho a um parâmetro, como uma zona de pressão.

Comprimento (Length)

Comprimento real da tubulação em unidades de comprimento (p.ex., metros, pés). Esta é uma propriedade necessária.


Diâmetro da tubulação em unidades de comprimento (p.ex., milímetros, polegadas). Esta é uma propriedade necessária.

Rugosidade (Roughness)

Coeficiente da fórmula de perda de carga na tubulação. É adimensional nas fórmulas de Hazen-Williams e Chezy-Manning e tem unidades de comprimento (mm) na fórmula de Darcy-Weisbach. Esta é uma propriedade necessária.

Coeficiente de perda de carga singular (Loss Coefficient)

Coeficiente adimensional associado a curvas, alargamentos, estreitamentos, etc. É assumido o valor zero se o campo for deixado em branco.

Estado Inicial (Initial Status)

Determina se o trecho está inicialmente aberto, fechado ou se possui uma válvula de retenção. Se for especificado que possui uma válvula de retenção, o sentido do escoamento na tubulação é fixo, processando-se sempre do nó inicial para o nó final e o estado do trecho não pode ser alterado utilizando a opção de Controles. Se for associado à tubulação o estado ABERTO/FECHADO, este pode ser alterado utilizando a opção de Controles.

Coeficiente de reação no volume do escoamento (Bulk Coefficient)

Coeficiente de reação no volume do escoamento no interior do trecho. É expresso por unidade de tempo para reações de 1ª ordem (i.e., /dia). Utilize um valor positivo para reações de crescimento e um valor negativo para reações de decaimento. Deixe o campo da propriedade em branco se o Coeficiente de Reação no Volume do Escoamento, especificado no editor de Opções de Reações, a partir da página de Dados do Navegador, não for aplicável.

Coeficiente de reação na parede do trecho (Wall Coefficient)

Coeficiente de reação na parede da tubulação. É expresso em unidades de Comprimento/Tempo para reações de 1ª ordem. Utilize um valor positivo para reações de crescimento e um valor negativo para reações de decaimento. Deixe o campo da propriedade em branco se o Coeficiente de Reação na Parede, especificado no editor de Opções de Reações, a partir da página de Dados do Navegador, não for aplicável.

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Versão 2012

Tabela 5.5: Propriedades da Bomba.


ID da bomba (Pump ID)

Um único rótulo é utilizado para identificar a bomba. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Note que não podem existir dois objetos com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.

Nó Inicial (Start Node)

ID do nó do qual parte o circuito de aspiração da bomba. Esta é uma propriedade necessária.

Nó Final (End Node)

ID do nó ao qual chega o circuito de impulsão da bomba. Esta é uma propriedade necessária.


Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre a bomba.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar a bomba um parâmetro, como uma idade, dimensão ou localização.

Curva da Bomba (Pump Curve)

Rótulo de ID da curva da bomba utilizada para descrever a relação entre a altura de elevação e a vazão na bomba. Deixe o campo em branco se a bomba fornecer uma altura de elevação constante (ver adiante).

Potência (Power)

Potência fornecida pela bomba (HP). Assume-se que a bomba fornece a mesma energia independentemente da vazão bombeada. Deixe o campo em branco se for utilizada uma curva da bomba. Utilize esta propriedade quando não existir informação disponível sobre a curva da bomba.

Regulação de Velocidade (Speed)

Regulação de velocidade da bomba (adimensional). Por exemplo, uma regulação de velocidade de 1.2 significa que a velocidade de rotação da bomba é 20% mais elevada que o respectivo valor nominal.

Padrão (Pattern)

Rótulo de ID de um padrão temporal utilizado para controlar as condições de operação da bomba. Os fatores multiplicativos do padrão são equivalentes a valores de regulação de velocidade. Um fator multiplicativo nulo implica que a bomba será desligada durante o intervalo de tempo correspondente. Deixe o campo em branco se não for aplicável.

Estado Inicial (Initial Status)

Estado da bomba (ligada ou desligada) no início do período de simulação.

Curva de Rendimento (Efficiency Curve)

Rótulo de ID da curva que representa o rendimento do grupo motor-bomba (em porcentagem) em função da vazão. Esta informação é apenas usada para calcular a energia utilizada. Deixe o campo em branco se não for aplicável ou se tiver sido fornecido um valor global para o rendimento a partir da caixa de diálogo de Opções de Energia.

Preço de Energia (Energy Price)

Valor médio ou nominal do preço de energia em unidades monetárias por kWh. Utiliza-se apenas para calcular o custo da energia utilizada. Deixe o campo em branco se não for aplicável ou se tiver sido fornecido um valor global a partir da caixa de diálogo de Opções de Energia.

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Versão 2012

Tabela 5.6: Propriedades da Válvula.


ID da válvula (ID Label)

Um único rótulo é utilizado para identificar a válvula. Este pode ser constituído por um conjunto máximo de 15 números e/ou caracteres. Note que não podem existir dois objetos com o mesmo ID. Esta é uma propriedade necessária.

Nó Inicial (ID Label)

ID do nó de montante ou do lado de entrada do escoamento na válvula (as PRVs e as PSVs permitem que o escoamento ocorra apenas num único sentido) Esta é uma propriedade necessária.

Nó Final (End Node)

ID do nó de jusante ou do lado de saída do escoamento na válvula. Esta é uma propriedade necessária.


Opção de escrita de texto adicional que permite descrever informação relevante sobre a válvula.

Zona (Tag)

Opção de escrita de texto (sem espaços) utilizada para associar a bomba a uma categoria, como baseada no tipo e localização, por exemplo.


Diâmetro da tubulação em unidades de comprimento (p.ex., milímetros, polegadas). Esta é uma propriedade necessária. Tipo de válvula (PRV, PSV, PBV, FCV, TCV ou GPV). Consulte o tema Válvulas no item 3.1 para descrição dos vários tipos de válvulas. Esta é uma propriedade necessária.

Tipo (Type)

Tipo de válvula (PRV, PSV, PBV, FCV, TCV ou GPV). Consulte o tema Válvulas no item 3.1 para descrição dos vários tipos de válvulas. Esta é uma propriedade necessária.

Parâmetro de controle na válvula (Setting)

Parâmetro necessário para descrever as condições de operação da válvula. Tipo de Válvula Parâmetro de controle na válvula

PRV Pressão (m ou psi)

PSV Pressão (m ou psi)

PBV Pressão (m ou psi)

FCV Vazão (unidades de vazão)

TCV Coeficiente de perda de carga singular (adimensional)

GPV ID da curva de perda de carga Coeficiente de perda de carga singular (Loss Coefficient)

Coeficiente de perda de carga singular, adimensional, que é aplicável quando a válvula está completamente aberta. É assumido o valor zero se o campo for deixado em branco.

Estado Fixo (Fixed Status)

Estado da válvula no início da simulação. Se for fixada a opção ABERTO ou FECHADO, a propriedade parâmetro de controle na válvula é ignorada e esta comporta-se como um trecho aberto ou fechado, respectivamente. Se for fixada a opção NENHUM, a válvula comporta-se como planejado. O estado fixo da válvula e o parâmetro de controle na válvula podem ser variáveis ao longo da simulação utilizando instruções de controle. Se o estado da válvula tiver sido fixado ABERTO/FECHADO, o parâmetro de controle na válvula pode ser ativado novamente utilizando controles operacionais.

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Versão 2012

Tabela 5.7: Propriedades do Rótulo do Mapa.


Texto (Text)

Texto do rótulo.


Localização segundo a horizontal do canto superior esquerdo do rótulo no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Esta é uma propriedade mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Esta é uma propriedade


Localização segundo a vertical do canto superior esquerdo do rótulo no mapa, medida em unidades de comprimento do mapa. Esta é uma propriedade necessária.

Nó-Âncora (Anchor Node)

ID do nó que serve como ponto de âncora do rótulo (ver Nota “a” abaixo). Deixe o campo em branco se o rótulo não estiver associado a um nó-âncora.

Tipo do Medidor (Meter Type)

Tipo de objeto a ser registrado pelo rótulo (ver Nota “b” abaixo). As opções são: Nenhum, Nó ou Trecho.

ID do Medidor (Meter ID) ID do objeto (Nó ou Trecho) a ser registrado.

Fonte (Font)

Mostra um botão de escolha que, quando selecionado, permite a edição de uma caixa de dialogo para a seleção da fonte, tamanho e estilo do rótulo.

Notas:

a) A propriedade nó-âncora do rótulo é utilizada para posicionar o rótulo

relativamente a um determinado nó no mapa da rede. Quando o mapa é ampliado, o

rótulo aparece à mesma distância relativa ao nó-âncora. Esta opção previne que os

rótulos se desviem demasiado dos objetos que pretendem descrever quando o mapa

é ampliado.

b) As propriedades Tipo de Medidor e respectivo ID determinam se o rótulo funciona

como um medidor. Os rótulos do tipo medidor mostram o valor do parâmetro

atualmente visível (escolhido a partir da página do Mapa da Janela Navegador)

debaixo do texto do rótulo. O Tipo de Medidor e o ID devem referir-se a um nó ou

trecho existente na rede. Caso contrário, apenas aparecerá o texto do rótulo.

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Versão 2012

5.7. Simulação da rede hidráulica

O EPANET permite realizar simulações estáticas e dinâmicas do comportamento

hidráulico e de qualidade da água. Para executar uma simulação, selecione Projeto

-> Executar Simulação ou clique no botão da Barra de Ferramentas

Principal.

Para uma simulação estática, a opção Duração Total da Simulação, na janela Tempos

Opções deve ser igual a 0 (zero). Para uma simulação dinâmica, o campo deve ser

preenchido de acordo com o tempo de duração desejado, como mostrado abaixo:

Para simulações dinâmicas dispõe-se de um maior número de possibilidades de

visualização dos resultados:

• A barra de deslocamento dos controles de Tempo, na página do Mapa da janela

Navegador, é utilizada para visualizar as características da rede em diferentes

instantes, ao longo do período de simulação;

Tempo igual a zero, simulação

estática (instantânea).

Para uma simulação dinâmica,

o campo deve ser preenchido

com o tempo desejável para a

simulação.

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Versão 2012

• Os botões de vídeo, na janela Navegador, permitem fazer uma animação do

mapa ao longo do tempo. Clique no botão Para Frente para começar a animação

e no botão Parar para terminar;

• Insira setas de direção do escoamento na rede (selecione Visualizar -> Opções,

selecione a página de Setas de Escoamento, a partir da caixa de diálogo de

Opções do Mapa, e verifique o estilo de setas que pretende utilizar). A seguir,

comece novamente a animação e observe a mudança de sentido do escoamento

na tubulação que liga ao reservatório, à medida que este enche e esvazia ao

longo do tempo.

Nem sempre a execução de uma simulação será bem sucedida. É natural que

durante todo o processo de elaboração do modelo, alguns erros de inserção de

propriedades dos elementos, topologia da rede e regras de funcionamento não

estejam de acordo com o modelo real, podendo gerar algumas mensagens de erros

e avisos. A seguir, serão vistos alguns erros comuns.

5.7.1. Verificação de possíveis erros gerados

O EPANET emitirá mensagens de Erro e de Aviso específicas quando são

identificados problemas na execução da simulação hidráulica/qualidade da água. Os

problemas mais comuns são apresentados em seguida.

5.7.1.1. A Bomba não Consegue Bombear Vazão ou Fornecer Energia

O EPANET emitirá uma mensagem de aviso quando uma bomba for solicitada para

operar fora do intervalo de valores de sua curva. Se a bomba for solicitada para

fornecer uma altura de elevação, superior à altura correspondente a vazão nula, o

EPANET desliga a bomba. Esta situação pode levar ao EPANET a isolar trechos da

rede, impedindo que a água chegue até eles.

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Versão 2012

5.7.1.2. A Rede está Desligada

O EPANET classifica uma rede como estando desligada se não existir possibilidade de

fornecer água a todos os nós com demanda associada. Isto pode ocorrer caso não

exista qualquer caminho composto por trechos abertos entre um nó com demanda e

um reservatório de nível fixo, um reservatório de nível variável ou um nó com

consumo negativo.

Se o problema for causado por um trecho fechado, o EPANET continuará calculando

a solução hidráulica (provavelmente com pressões negativas muito elevadas) e

identificará o problema do trecho no Relatório de Estado. Se não existir um trecho de

ligação, o EPANET não consegue resolver as equações de equilíbrio hidráulico, e

emitirá a mensagem de erro 110 no momento em que a simulação é efetuada.

Durante uma simulação dinâmica é possível que determinados nós fiquem isolados à

medida que o estado de certos trechos é alterado ao longo do tempo.

5.7.1.3. Ocorrência de Pressões Negativas

O EPANET emitirá uma mensagem de aviso quando são detectadas pressões

negativas nos nós que têm consumo positivo. Este fato indica usualmente que existe

algum problema relacionado com o modo como a rede foi concebida ou como esta se

encontra funcionando. Pressões negativas podem ocorrer quando partes da rede

recebem vazão apenas através de trechos que tenham sido fechados. Nestes casos,

uma mensagem de aviso adicional informando que a rede se encontra desligada,

também é emitida.

5.7.1.4. Equilíbrio Não Atingido

Uma condição de “Equilíbrio Não Atingido” pode ocorrer quando o EPANET não

consegue convergir para uma solução hidráulica num determinado passo de cálculo,

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Versão 2012

com o número máximo de iterações fixado. Esta situação pode ocorrer quando

válvulas, bombas ou tubulações alteram sucessivamente o seu estado entre

iterações, à medida que o procedimento de cálculo para encontrar uma solução

hidráulica avança. Por exemplo, os limites de pressão que controlam o estado de

uma bomba podem ter sido estabelecidos dentro de uma pequena gama de valores.

A curva da bomba pode também apresentar um intervalo de variação da altura de

elevação pequeno (i.e., uma curva da bomba muito achatada), o que faz com que

esta bomba seja continuamente ligada/desligada. Para eliminar a condição de

“Equilíbrio não Atingido” pode-se tentar aumentar o número máximo de iterações

permitido ou o erro máximo de convergência admitido. Ambas as opções

apresentadas podem ser configuradas na caixa de diálogo de Opções de Hidráulica, a

partir da página de Dados da janela Navegador. Se a condição de “Equilíbrio não

Atingido” persistir, outra opção de hidráulica, rotulada por “Se não Convergir”,

fornece duas possibilidades para contornar o problema. O primeiro deles consiste em

terminar a simulação quando a condição for encontrada. A outra consiste em

continuar procurando uma solução hidráulica, efetuando mais 10 iterações, com o

estado de todos os trechos congelados com os valores correntes.

Se a convergência for atingida é emitida uma mensagem de aviso sobre a

possibilidade de o sistema ser instável. Se a convergência não for atingida, uma

mensagem de aviso “Equilíbrio não Atingido” será emitida. Em qualquer caso, a

simulação prossegue para o passo de cálculo seguinte.

Se uma simulação, num determinado passo de cálculo, termina com a mensagem

“Equilíbrio não Atingido”, o usuário deverá reconhecer que os resultados da

simulação hidráulica para este passo de cálculo não são exatos. Dependendo das

circunstâncias, erros nas vazões afluentes ou efluentes de reservatórios de

83


Versão 2012

armazenamento, por exemplo, podem afetar também a exatidão dos resultados em

todos os passos de cálculo seguintes.

5.7.2. Visualização dos resultados simulados

Na própria área de trabalho do modelo hidráulico (Mapa da Rede), é possível

visualizar uma grande quantidade de resultados simulados, como por exemplo:

• Para os parâmetros selecionados na aba do Mapa da janela Navegador, os nós

e trechos no mapa serão coloridos de acordo com o código de cores utilizado nas

Legendas do Mapa (ver Figura 5.7). As cores no mapa serão atualizadas à medida

que um novo instante de tempo é selecionado na janela Navegador.

• Quando as legendas são ativadas, conforme item anterior é possível posicionar o

mouse sobre um nó ou um trecho para que sua propriedade seja visualizada sem

a necessidade do duplo clique para acessar a tabela de propriedade do elemento.

• Pode-se animar a visualização dos resultados no mapa da rede, quer

progressivamente quer regressivamente no tempo, utilizando os botões de

Animação da página do Mapa da janela Navegador. A animação apenas é possível

84


Versão 2012

quando os valores do parâmetro do nó ou trecho a visualizar resultarem da

simulação (p.ex., a vazão nos trechos pode ser animada, mas o diâmetro não).

5.7.2.1. Submeter uma Consulta no Mapa

Uma Consulta no Mapa permite identificar os nós ou trechos na rede que satisfazem

um determinado critério específico (p.ex., nós com pressão inferior a 30 m.c.a,

trechos com velocidade superior a 1.0 m/s, etc.). Para submeter uma consulta no

mapa:

1. Selecione o instante de tempo em que pretende fazer a consulta no mapa a partir

da aba do Mapa da janela Navegador;

2. Selecione Visualizar -> Consultar ou clique na Barra de Ferramentas

principais no ícone .

3. Preencha a seguinte informação nos campos da caixa de diálogo de Consulta que

é mostrada:

• Selecione qual tipo de consulta será feita (Nós ou Trechos);

• Selecione o parâmetro a comparar;

• Selecione Acima, Abaixo, ou Igual;

• Introduza um valor para comparar.

4. Clique no botão Submeter. Os objetos que satisfaçam o critério estabelecido

serão realçados no mapa;

5. À medida que um novo instante de tempo é selecionado na janela Navegador, os

resultados da consulta são automaticamente atualizados;

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Versão 2012

6. Pode-se submeter outra consulta utilizando a caixa de diálogo ou fechá-la,

clicando no botão no canto superior direito;

7. Após a caixa de diálogo de Consulta ser fechada, o mapa retornará ao modo de

visualização original.

5.7.2.2. Visualizar Resultados através de Gráficos

Os resultados, assim como os parâmetros de simulação, podem ser visualizados

utilizando diferentes tipos de gráficos. Os gráficos podem ser impressos, copiados

para o Clipboard do Windows ou salvos como arquivo de dados ou como metafile do

Windows.

Para criar um gráfico:

1. Selecione Relatório -> Gráfico ou clique no ícone na Barra de

Ferramentas principais.

2. Selecione as opções a partir da caixa de diálogo de Seleção de Gráfico que é

mostrada.

3. Clique no botão OK para criar o gráfico.

A caixa de diálogo de Seleção de Gráfico, tal como se mostra na Figura 5.8, é

utilizada para selecionar o tipo de gráfico e as respectivas opções de visualização.

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Versão 2012

Figura 5.8: Caixa de Diálogo de Seleção de Gráfico

Esta caixa de diálogo é composta pelas seguintes opções, detalhadas pela Tabela

5.1, onde cada tipo de gráfico é detalhado pela Tabela 5.2 e os respectivos tipos de

gráficos podem ser visualizados na Figuras 5.9 à 5.13, para cada exemplo citado na

Tabela 5.2.

Tabela 5.1: Descrição dos itens dos tipos de gráficos

Item Descrição Tipo de Gráfico Seleciona o tipo de gráfico. Parâmetro Seleciona um parâmetro a representar.

Tempo Seleciona um instante de tempo a representar (não é aplicável aos Gráficos de Séries Temporais ou de Balanço de Vazões).

Tipo de Objeto Seleciona os nós ou trechos (apenas os nós podem ser representados nos gráficos de Perfil e de Isolinhas).

Objetos a Representar Seleciona os objetos representados (aplicável apenas a gráficos de Séries Temporais e de Perfil).

Tabela 5.2: Descrição dos tipos de gráficos disponíveis no EPANET

Tipo de Gráfico Descrição Aplicável à

Gráfico de uma Série Temporal

Representa os valores de um parâmetro em função do

Nos trechos ou nós específicos, em todos os instantes de

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Versão 2012

tempo. tempo.

Gráfico de Perfil Representa os valores de um parâmetro em função da distância.

Uma lista de nós em um instante de tempo específico.

Gráfico de Isolinhas

Mostra o mapa segundo zonas onde os valores de um parâmetro se inserem em intervalos específicos

Todos os nós num instante de tempo específico.

Gráfico de Freqüências

Representa os valores de um parâmetro em função da fração de objetos que se encontra abaixo de um determinado valor.

Todos os nós ou trechos num instante de tempo específico.

Gráfico de Balanço das Vazões

Representa a vazão total produzida e consumida em função do tempo.

Vazão fornecida e consumida para todos os nós, ao longo de todos os instantes de tempo.

Nota: Quando um único nó ou trecho é representado num Gráfico de uma Série

Temporal, este mostrará também quaisquer dados de medições contidos num

Arquivo de Calibração que tenha sido registrado com o projeto.

Figura 5.9: Exemplo de gráfico de perfil.

88


Versão 2012

Figura 5.10: Exemplo de gráfico de freqüência.

Figura 5.11: Exemplo de gráfico de séries temporais.

89


Versão 2012

Figura 5.12: Exemplo de gráfico de balanço de vazão.

Figura 5.13: Exemplo de gráfico de isolinhas.

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Versão 2012

5.7.2.3. Visualizar Resultados através de Tabelas

O EPANET permite que sejam visualizados dados e resultados de simulações em

formato de tabela:

• Uma Tabela da Rede lista as propriedades e os resultados para todos os nós ou

trechos num instante de tempo específico.

• Uma Tabela de uma Série Temporal lista as propriedades e os resultados para um

nó ou trecho específico em todos os instantes de tempo durante a simulação.

Para criar uma Tabela:

1. Selecione Relatório -> Tabela ou clique no ícone na Barra de

Ferramentas principais.

Figura 5.14: Caixa de Diálogo de Seleção de Tabela

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Versão 2012

A Caixa de diálogo de Opções de Tabela é composta por três abas, conforme visto na

Figura 5.14.

2. Utilize a caixa de diálogo (Figura 5.14) de Opções de Tabela que é mostrada para

selecionar:

• O tipo de tabela;

• Os parâmetros listados em cada coluna;

• Qualquer filtro aplicado aos dados representados.

Na Figura 5.15, pode-se visualizar uma tabela criada para nós da rede para um

horário específico para determinados parâmetros estabelecidos.

Figura 5.15: Exemplo de uma Tabela de Nós na Rede.

5.7.2.4. Visualizar Relatórios Específicos

Adicionalmente aos gráficos e tabelas, o EPANET dispõe de um conjunto de relatórios

especializados. Estes relatórios encontram-se divididos nas seguintes categorias:

• Relatório de Estado;

• Relatório de Energia;

• Relatório de Calibração;

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Versão 2012

• Relatório de Reação;

• Relatório Completo.

Todos estes relatórios podem ser impressos, copiados para um arquivo ou para o

clipboard do Windows (o Relatório Completo apenas pode ser salvado para um

arquivo).

Relatório de Estado

O EPANET escreve todos os erros e mensagens de aviso geradas durante uma

simulação para um Relatório de Estado. Informação adicional sobre quando foi

alterado o estado dos objetos também pode ser escrita para este relatório, se a

opção de Relatório de Estado, acessada a partir das Opções de Hidráulica no menu

Projeto, estiver configurada como Simples ou Completo. Para visualizar o relatório

de estado da simulação mais recente, selecione Relatório -> Estado a partir da

barra de menu principal.

Relatório de Energia

O EPANET pode gerar um Relatório de Energia que mostra as estatísticas sobre a

energia consumida por cada bomba e o respectivo custo associado ao longo de uma

simulação (Figura 5.16). Para criar um Relatório de Energia, selecione Relatório ->

Energia a partir da barra de menu principal. A caixa de diálogo do relatório é

composta por duas páginas. A primeira mostra a energia utilizada pela(s) bomba(s)

num formato de tabela. A segunda faz uma comparação estatística, para o

parâmetro energético selecionado, dos valores obtidos para a(s) bomba(s) da rede,

utilizando um gráfico de barras, na Figura 5.17 é apresentado o relatório da

utilização de cada conjunto motor-bomba em um determinado período.

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Versão 2012

Figura 5.16: Tabela do relatório de energia.

Figura 5.17: Relatório de energia através de gráficos.

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Versão 2012

Relatório de Reação

Um Relatório de Reação, disponível quando se modela o destino de um constituinte

reativo de qualidade da água, representa graficamente as taxas de reação globais

que ocorrem através da rede nos seguintes locais:

• No volume do escoamento;

• Na parede da tubulação;

• No interior dos reservatórios de nível variável.

Um gráfico circular mostra a porcentagem da taxa de reação global que ocorre em

cada localização. A legenda do gráfico mostra as taxas médias em unidades de

massa por dia. Uma nota de pé de página no gráfico mostra a massa total no

sistema por unidade de tempo.

A informação fornecida pelo Relatório de Reação permite mostrar, em primeira

aproximação, que mecanismo é responsável pelo crescimento ou decaimento de uma

substância na rede. Por exemplo, se for observado que a maior parte do decaimento

do cloro no sistema ocorre nos reservatórios de nível variável e não nas paredes da

tubulação, pode inferir que uma estratégia corretiva baseada na limpeza e remoção

de tubulações terá um efeito reduzido no aumento do cloro residual ao longo do

sistema.

A caixa de diálogo de Opções de Gráfico pode ser chamada para modificar a

aparência do gráfico circular selecionando Relatório -> Opções ou clicando com o

botão direito do mouse em qualquer local sobre o gráfico.

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Versão 2012

Relatório Completo

Quando o ícone aparece no item de Estado da Simulação da Barra de Status,

um relatório dos resultados da simulação para todos os nós, trechos e instantes de

tempo pode ser salvado para um arquivo, selecionando Completo a partir do menu

Relatório. Este relatório, o qual pode ser visualizado ou impresso externamente ao

EPANET utilizando qualquer editor de texto, contém a seguinte informação:

• Título do projeto e notas;

• Uma tabela com a lista dos nós inicial e final, comprimento e diâmetro para cada

trecho;

• Uma tabela com uma lista estatística da utilização de energia para cada bomba;

• Um par de tabelas para cada instante de tempo com a lista dos valores simulados

para cada nó (consumo, carga hidráulica, altura piezométrica e qualidade) e cada

trecho (vazão, velocidade, perda de carga e estado).

Esta possibilidade do EPANET é útil para documentar os resultados finais da análise

de uma rede de dimensões pequenas a moderadas (arquivos de relatórios completos

para redes de grandes dimensões, ao longo de vários instantes de tempo, podem

facilmente ocupar vários megabytes de memória em disco).

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Versão 2012

6. Calibração de modelos hidráulicos

6.1. Conceitos básicos

Dentro do processo de coleta de dados, visto nos capítulos anteriores, foram

discutidos aspectos relacionados à sua importância e as principais fontes de

pesquisa. Além disso, foi enfatizada a questão da sua qualidade, ou seja, quão

confiável está aquela informação.

A base de dados coletada para a construção do modelo hidráulico e inserida dentro

do software de modelagem (EPANET) não garante que as respostas fornecidas pelo

modelo tenham um grau de confiabilidade adequado, pois o software de modelagem

simplesmente resolve as equações de continuidade e conservação de energia. Logo,

as qualidades dos dados de entrada proporcionarão uma melhor qualidade nas

respostas.

A calibração consiste no processo de comparação dos valores simulados pelo

software de modelagem com os valores coletados e observados de campo e, se

necessário, ajustar os dados que descrevem o sistema até o ponto em que o modelo

forneça respostas confiáveis para uma determinada quantidade de condições

operacionais.

O processo de calibração pode incluir mudanças no sistema de demanda de água,

ajuste dos coeficientes de rugosidade das tubulações, alteração das condições

operacionais de bombeamento, etc.

Como já foi notado, o conceito de calibração envolve fundamentalmente a questão

de dados de campo. Somente será possível calibrar um modelo dispondo de dados

coletados em campo. Caso contrário, esse procedimento não poderá ser realizado.

97


Versão 2012

Essencialmente, as principais grandezas que refletem o comportamento hidráulico de

um sistema de abastecimento de água sob pressão são as vazões (água que entra e

sai do sistema e o que circula na rede) e a pressão (relacionada aos níveis dos

reservatórios). Do ponto de vista das medições, as vazões são preferencialmente

medidas em entradas e saídas de setores e as pressões em pontos como entrada e

saída das estações elevatórias e em pontos na rede de grande concentração de

ramais.

6.2. Razões para se calibrar um modelo hidráulico

Segundo Alegre (1990); Cesario (1995) e Walski el al. (2003), a fase de calibração

permite que sejam atingidos os seguintes objetivos:

6.2.1. Grau de confiabilidade do modelo

Conforme já foi dito, ao modelar um sistema real,

não é garantido que ele irá representar de maneira

fiel o comportamento da rede, salvo em situações

de modelagem envolvendo dimensionamentos de

uma rede ou expansões da mesma. Portanto, o

uso de modelos descalibrados não é aconselhável.

Durante o processo de calibração, os dados de entrada e os dados modelados serão

colocados a prova e servirão para demonstrar a capacidade do modelo em reproduzir

as condições existentes, aumentando assim a confiança que o engenheiro terá no

modelo para prever o comportamento do sistema e realizar os estudos necessários.

98


Versão 2012

6.2.2. Compreensão do sistema

A calibração servirá para mostrar ao operador do

sistema determinados funcionamentos e

desempenhos da operação do sistema que antes

ele não conseguia visualizar. Além disso, é

possível identificar áreas mais sensíveis e que

poderão ter mais impacto em termos da utilização

pretendida do modelo. Eventualmente, novos

profissionais que serão encarregados de operar o sistema, poderão utilizar o modelo

para aprender mais sobre ele.

6.2.3. Solução de problemas

A fase da calibração permite ao profissional

corrigir erros sobre a própria visão que o

mesmo possuía sobre o sistema, como por

exemplo, determinado caminho que a água

fazia na rede ou faixas de pressão em

determinadas localidades. Outra

funcionalidade bastante importante da calibração refere-se a elementos não

cadastrados pela companhia. São eles: válvulas enterradas e/ou com setpoints

errados, ligações abertas ou fechadas entre setores.

6.3. Fontes de erro no processo de calibração

Até o presente momento, se discutiu que durante a fase de calibração, é necessário

ajustar os erros encontrados entre os valores simulados e observados, mas não foi

especificado que erros são esses e quais suas origens.

99


Versão 2012

Os desvios encontrados entre os valores observados e simulados podem ser

originados de diversas fontes de erro. É sabido que as maiores incertezas associadas

ao processo de calibração abrangem os coeficiente de rugosidade das tubulações e

as demandas de água por serem variáveis que podem apenas serem estimadas, ao

contrário do comprimento e diâmetro das tubulações, por exemplo, que possuem

valores fixos. Dentre as fontes de erro, pode-se citar:

6.3.1. Diâmetro nominal e diâmetro interno

É bem comum durante a elaboração do

modelo a adoção de diâmetros nominais

ao invés do diâmetro interno das

tubulações. A pequena diferença entre

esses valores se dá pelo tipo de

revestimento do tubo ou por incrustações no seu interior devido à ação do tempo.

Por isso, para efeitos de modelagem, adota-se o diâmetro nominal do tudo e tenta

ajustar esse erro a partir dos coeficientes de rugosidade. Vale ressaltar que

alterações nos valores de rugosidade causam um impacto menor em comparação ao

ajuste do diâmetro interno.

6.3.2. Coeficiente de rugosidade das tubulações

A rugosidade das tubulações é uma das principais incógnitas, e

consequentemente um dos principais fatores de incerteza,

associado na construção de um modelo. Os valores atribuídos

devem levar em consideração o tipo de material das tubulações

e sua idade de implantação. Na Tabela 6.1, são listados os

principais materiais e seus valores de rugosidade conforme a

idade das mesmas.

100


Versão 2012

Tabela 6.1: Relação dos coeficientes C de rugosidade das tubulações

(Adaptado de AZEVEDO NETTO et al, 1998).

Tipo de material das tubulações Novos Usados

± 10 anos

Usados

± 20 anos

Aço corrugado 60 - -

Aço Galvanizado roscado 125 100 -

Aço rebitado, novos 110 90 80

Aço soldado, comum 125 110 90

Aço com revestimento epóxico 140 130 115

Chumbo 130 120 120

Cimento-amianto 140 130 120

Cobre 140 135 130

Concreto, bom acabamento 130 - -

Concreto, acabamento comum 130 120 110

Ferro Fundido, revestimento

epóxico

140 130 120

Ferro fundido revestido de cimento 130 120 105

Grés cerâmico 110 110 110

Latão 130 130 130

Madeira, em aduelas 120 120 110

Tijolos 100 95 90

Vidro 140 - -

Plástico (PVC) 140 135 130

101


Versão 2012

6.3.3. Distribuição de demandas de água

Tanto o consumo de água quanto a sua

variação temporal representam a outra

fonte de incerteza no processo de

calibração. A simplificação adotada na

modelagem em representar o consumo de

água de uma determinada área em apenas

um nó é valida a partir do momento em

que esse nó não esteja muito distante da

área delimitada, já que os valores de perda

de carga podem ser diferentes conforme a

intensidade do consumo. Os desvios encontrados neste parâmetro devem ser

cuidadosamente avaliados. Grandes vazamentos podem influenciar no erro bem

como a atribuição errada de grandes consumidores aos nós de consumo.

6.3.4. Qualidade do cadastro

A qualidade das informações do

cadastro técnico da companhia é

uma fonte importante de erros no

modelo. É no cadastro onde

encontram-se as principais

informações lançadas no modelo

como diâmetro, comprimento e

rugosidade das tubulações (em

muitos casos, sua idade não é levada em conta), distribuição espacial das demandas

de água e status de válvulas, fundamentais na operação do sistema. Quaisquer

incoerências nestas informações geram erros ao modelo.

102


Versão 2012

6.3.5. Erros de Conectividade

Durante a elaboração do modelo, podem

ocorrer erros de conectividade. Esses erros

representam ligações de trechos e nós que

não correspondem com a realidade. Sua

fonte pode estar associada ao erro

humano, durante a construção do modelo,

ou até mesmo na importação de redes

provenientes de cadastros digitais para

softwares de modelagem.

6.3.6. Simplificação da rede

Na primeira etapa da modelagem, onde são

definidos os propósitos do modelo, é

comum haver uma simplificação na

representação da rede em termos de

diâmetro das tubulações. Esta simplificação

elimina uma faixa pouco representativa de

diâmetros (por exemplo, diâmetros abaixo

de 100 mm), mas que pode causar um

grande problema na calibração se

determinados trechos eliminados forem

cruciais para o funcionamento do sistema.

103


Versão 2012

6.3.7. Curva característica das bombas

Os maiores exemplos de erros relativos à modelagem de

bombas estão associados aos conjuntos mais antigos e sua

curva de operação. Por exemplo, um sistema que possui

suas bombas instaladas e operando a mais de 20 anos, não

possuem o mesmo rendimento e eficiência de operação

atualmente. A informação que o modelo necessita é a curva

de operação do conjunto fornecida pelo fabricante na época

de sua fabricação. Dependendo das condições de

manutenção das instalações ao longo dos anos, a resposta

fornecida pelo modelo poderá ser bem diferente da resposta fornecida em campo.

No caso da ausência da curva de operação do fabricante, é necessário realizar

ensaios de campo para obter essa curva.

6.3.8. Medidores de campo

Nem sempre os problemas encontrados na calibração são

de responsabilidade dos dados cadastrais da companhia.

Às vezes, os desvios encontrados entre os valores

modelados e observados são devido aos erros de

medição dos equipamentos usados, seja ele por estar

descalibrado, de má qualidade ou mal dimensionados.

104


Versão 2012

6.4. Processo de calibração

No capítulo anterior, foram listadas as principais fontes de erros relacionadas ao

processo de calibração. Identificar e corrigir esses erros, tendo como base os valores

observados em campo para comparação é o que chamamos de macro-calibração.

Esse processo objetiva eliminar os chamados “erros grosseiros”.

Com a eliminação destes erros, parte-se para um processo de ajuste mais refinado

denominado de micro-calibração. O processo envolve um ajuste detalhado nas

variáveis de maior incerteza: rugosidade das tubulações, estimativa das demandas

de água nos nós de consumo.

Em resumo, os sete passos propostos por Ormsbee e Lingireddy (1997) para a

calibração do modelo são:

1. Identificação do uso do modelo;

2. Determinação de parâmetros iniciais do modelo;

3. Coleta de dados de calibração;

4. Avaliação dos resultados do modelo baseado nas estimativas iniciais;

5. Macro-calibração;

6. Análise de sensibilidade;

7. Micro-calibração.

A identificação do propósito da modelagem é o primeiro e mais importante passo,

pois é esta etapa que orienta a coleta de dados, tanto para a construção de modelos

como a coleta de dados de campo, o nível de detalhamento do modelo e dos

parâmetros aceitáveis de erros entre os dados observados e simulados.

105


Versão 2012

Após definido o propósito da modelagem, o modelador pode começar a estimar os

parâmetros do modelo e coletar os dados de campo para a calibração. Com isso, já é

possível fazer uma avaliação macro do modelo, identificando os erros mais

discrepantes.

Com isso, a análise de sensibilidade é feita de forma a identificar quais parâmetros

são mais sensíveis dentro do meu modelo. Por exemplo, realizando um ajuste global

no coeficiente de rugosidade em 15% para todas as tubulações e verificando que a

pressão não variou de maneira significativa representa um indicativo de que o

parâmetro da rugosidade não possui grande influência (pouca sensibilidade).

Continuando nas análises de sensibilidade, para o mesmo modelo pode-se realizar

uma variação global de 15% nas demandas de água e verificar que, por exemplo, as

pressões e vazões mudaram significativamente (grande sensibilidade). Neste caso, é

valido direcionar tempo e recurso maior para ajustar os consumos de água.

Em situações em que nenhuma das variáveis influencia de maneira significativa no

modelo, pode ser um indicativo de que o sistema apresente baixas velocidades,

típicas de redes sobre dimensionadas.

No processo final da calibração (micro-calibração), é recomendável separar o

processo em duas etapas: calibração estática e dinâmica. Na calibração estática, os

parâmetros de pressão e vazão são ajustados para múltiplas condições como dias e

horários de maior consumo na rede. Já na calibração dinâmica, as vazões e as

pressões são ajustadas para uma condição de variação temporal, assim como a

flutuação dos níveis dos reservatórios.

106


Versão 2012

6.4. Critérios de Calibração

Em relação a qual deve ser o limite de erro máximo admitido para dar-se por

satisfeito o ajuste do modelo, não há uma fórmula universal. É possível citar diversos

critérios de diversos autores, porém sem dizer com certeza qual deles é o melhor. O

que pode ser dito em relação a todos os critérios propostos é que todos eles estão

diretamente relacionados à qualidade dos dados de entrada, para construção do

modelo, e dos dados observados (coletados em campo).

Para Allen (1987), em 85% dos nós do modelo, o erro não deve ser superior a 5%

sendo que em 95% deles não devem superar os 10%. Ormsbee (1997) indica como

valor limite um erro de 5% das medidas (± 1,5 mca em um sistema com pressões

médias de 30 mca).

Em recomendações mais elaboradas, Fuertes et al., 1999 e em Walski et al., 2001,

propõe para modelos estáticos os seguintes valores:

Para medição de vazão:

• Erro máximo de 5% nos valores medidos se os mesmos superam 10% do valor

total consumido;

• Erro máximo de 10% nos valores medidos se os mesmos forem inferiores a 10%

do valor total consumido.

Para medição de pressão:

• 0,5 mca ou 5% da perda de carga em pelo menos 85% dos nós medidos no

modelo;

• 0,5 mca ou 5% da perda de carga em pelo menos 85% dos nós medidos no

modelo;

• 2 mca ou 15% da perda de carga em 100% dos nós medidos no modelo;

107


Versão 2012

Em qualquer das situações descritas acima, é importante frisar a opinião, por

exemplo, de Walski, 1985 em que ele afirma que “Devido a sua complexidade e a

sua grande variedade de uso (diferentes aplicações) não podemos desenvolver

regras rígidas para assegurar que o modelo está adequadamente calibrado”

O modelo, então, deve ser julgado levando-se em consideração sua capacidade de

realizar tarefas específicas. A pergunta “O modelo está suficientemente calibrado?”

deve ser respondida com outra pergunta: “Para qual finalidade o modelo será

destinado?” Pelo fato do modelo ser uma ferramenta auxiliar no suporte a decisões,

pergunta-se: “Os operadores que vão utilizar o modelo, poderão confiar em suas

respostas?”

Como forma de equalizar padrões e definições sobre o processo de validação e

calibração do modelo hidráulico, a American Water Works Association (AWWA)

elaborou a seguinte tabela abaixo:

Tabela 6.2: Recomendações da AWWA para critérios de calibração.

Uso desejado

Nível de detalhe

Tipo de simulação quanto ao

tempo

Número de medidas de

pressão

Variação

das medidas de pressão

Número de

medidas de vazão

Variação as medidas de

vazão

Planejamento a longo prazo Baixo

Estática ou Dinâmica 10% dos nós

± 3,5 m.c.a para 100%

leituras

1% dos tubos

± 10%

Projeto de rede

Moderado à alto

Estática ou Dinâmica

5% - 2% dos nós

± 1,4 m.c.a para 100% das leituras

3% dos tubos

± 5%

Operação Baixo à

alto Estática ou Dinâmica

10% - 2% dos nós


2% dos tubos

± 5%

Qualidade da água Alto

Estática ou Dinâmica 2% dos nós


5% dos tubos

± 2%

108


Versão 2012

Cada tipo de uso reflete no nível de detalhe do modelo. Estudos de planejamento

requerem menos detalhes, pois consideramos apenas as principais tubulações e

determinados elementos do sistema. Já modelos com o propósito de operação e

simulação de qualidade de água exigem um detalhamento maior no número de

tubulações e elementos para poder representar seu comportamento e influência com

maior precisão. Para os casos de maior detalhamento, é necessário um grande

número de equipamentos para monitorar dados de campo de vazão e pressão.

Lembrando que as recomendações da AWWA partem do suposto que todos os

medidores de monitoramento estejam em pleno funcionamento e ajustados e não

leva em consideração o nível de complexidade do modelo. Cada sistema deve ter

uma análise individual e critérios próprios.

109


Versão 2012

7. Estudo de perdas de água

Não há duvidas de que um dos grandes problemas das companhias de saneamento

está relacionado com as perdas de água. Elas afetam diretamente na arrecadação da

empresa, na eficiência do seu sistema e é mal vista pelos usuários.

7.1. Tipos de Perdas

Quando se fala em perdas em redes de abastecimento de água, fisicamente, deduz-

se que é tudo aquilo que a companhia de saneamento produz de água tratada ou

compra de terceiros e que não chega ao seu destino final. Segundo a International

Water Association (IWA), podem-se dividir as perdas em dois tipos:

a) Perda Real: também conhecida como perda física, é o volume de água

produzido pela companhia que não chega ao consumidor, ou seja, que não é medida

no hidrômetro (micromedição), devido a vazamentos nas adutoras (Figura 7.1),

redes de distribuição e extravasamento de reservatórios.

b) Perda Aparente: também conhecida como perda não-física ou perda comercial,

é o volume de água produzido pela companhia, consumida pelo cliente, mas que não

é contabilizado, devido a erros de medição dos hidrômetros, ligações clandestinas,

110


Versão 2012

violação nos hidrômetros (Figura 7.2) e falhas no cadastro comercial da companhia.

As perdas reais e aparentes possuem uma determinada proporção dentro das perdas

totais. Araujo (2005) propõe a seguinte distribuição das mesmas (Figura 7.3).

As perdas possuem um apelo muito forte do ponto de vista econômico para a

companhia, ou seja, tem-se um custo para beneficiar a água bruta, reservar e

distribuí-la aos consumidores e por algum motivo, esta água não chega

integralmente ao seu uso final, gerando prejuízo à empresa. Deste modo, é do

interesse dos administradores reduzirem estes índices.

Porém, esta preocupação efetivamente só teve inicio há cerca de 20 anos atrás,

quando a Secretaria Nacional de Saneamento Ambiental do Ministério das Cidades

criou o Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água. Nele é empregada a

idéia de implementação de ações e instrumentos para reduzir os volumes de água

perdidos nas áreas urbanas. Além deste programa citado, existem outros como o

Programa de Modernização do Setor Saneamento (PMSS).

111


Versão 2012

7.2. Avaliação de Perdas Reais

De acordo com Fanner (2004), as duas formas possíveis de avaliar as perdas reais

em um sistema de distribuição de água são: dedutiva, através do balanço hídrico

anual ou indutivo, através do método das vazões mínimas noturnas. Tardelli Filho

(2006) aconselha a união dos dois métodos.

7.2.1. Método do Balanço Hídrico Anual

Segundo Tardelli Filho (2006), para se representar e quantificar os múltiplos usos da

água dentro do sistema de abastecimento de água, que engloba desde a sua

captação até o momento em que ela é disponibilizada ao consumidor final, é preciso

fazer um fluxograma desde sistema, chamado balanço hídrico.

Este balanço hídrico é uma forma estruturada de avaliar todos os fluxos que a água

percorre dentro do sistema. A Figura 7.4 mostra a matriz de balanço hídrico proposto

pela IWA para ter-se uma uniformidade na representação geral de sua configuração.

De modo a entender-se melhor como funciona a matriz de balanço hídrico, foram

listados e conceituados os principais termos, segundo Tardelli Filho (2006):

• Água que entra no sistema: Volume anual de água produzido pela ETA ou em

um determinado ponto de medição, como reservatório setorial ou derivação de

adutoras;

• Consumo autorizado: Volume anual de água medido e/ou não-medido

fornecido a consumidores cadastrados, à própria companhia de saneamento e a

outros que esteja implícita ou explicitamente autorizado a fazê-lo, para usos

domésticos, comerciais ou industriais.

• Perda de água: É o volume total de água que entra no sistema menos o

consumo autorizado;

112


Versão 2012

• Consumo autorizado faturado: É o consumo que gera receita para a

companhia de saneamento. Este consumo é medido através dos hidrômetros e

das estimativas dos locais onde não há hidrômetros instalados;

• Consumo autorizado não-faturado: É o volume de água consumido que não

gera receita para a companhia de saneamento. Este consumo é a soma dos

Volumes Medidos, usados para abastecer caminhões-pipa e uso interno da

companhia e dos Volumes Não-Medidos, oriundos de combates a incêndio,

lavagem de ruas e de atividades da companhia como lavagem de reservatórios e

de redes de água e esgoto.

• Águas faturadas: É o volume de água que representa a parcela da água

vendida para o consumidor;

• Águas não-faturadas: É o volume de água que representa a diferença entre

tudo que entrou no sistema e do consumo autorizado. Dentro desta diferença,

encontram-se as perdas reais e aparentes, bem como o consumo autorizado não

faturado.

113


Versão 2012

7.2.2. Método das Vazões Mínimas Noturnas (VMN)

Um dos métodos mais eficientes e consagrados para separar a parcela de perdas

reais e aparentes é através do método das Vazões Mínimas Noturnas (VMN). De

acordo com Tardelli Filho (2006), o método é o principal indicador do nível de perdas

reais que acontecem no sistema de abastecimento de água. Neste método são

estimados parâmetros de vazamentos através de manobras realizadas na rede

durante a madrugada, onde o consumo é considerado praticamente nulo.

O método é baseado na variação dos consumos ao longo do dia. Em geral, o pico de

consumo de água ocorre entre 11h00min e 14h00min e o consumo mínimo acontece

entre 03h00min e 04h00min. Para determinação do Volume Diário de Perdas Reais

(VDPR), utiliza-se a seguinte equação:

mnQxFNDVDPR= (7.1)

onde FND representa o “Fator Noite/Dia” dado em h/dia e Qmn é a vazão média

mínima noturna dada em m³/h. O “Fator Noite/Dia” é determinado a partir de um

somatório de medições de pressão, ao longo de 24 horas, em um ponto médio

representativo do setor, utilizando a seguinte relação:

1

43

24

N

hsàs

hs

P

PiFND ∑

= (7.2)

onde Pi24hs representa a média das pressões ao longo de 24 horas medida de hora

em hora, P3às4hs representa a pressão medida na entrada do setor na campanha de

114


Versão 2012

mínima noturna das 03h00min às 04h00min. Já o N1 pode ser calculado, segundo a

relação abaixo:

1

0

1

0

1

N

P

P

Q

Q

= (7.3)

onde Qo é a vazão associada a pressão P0 e Q1 é a vazão final associada a pressão

P1. O expoente N1 é obtido a partir do fechamento do registro (manobra) de entrada

de água no setor em três etapas. Ensaios realizados em diversos países chegaram

aos seguintes valores para o expoente N1: 0,5 para tubos metálicos e de 1,5 a 2,5

para tubos plásticos. (TARDELLI FILHO, 2006).

A segunda parcela da equação 7.1, Qmn, representa a vazão média mínima noturna

do setor durante o período das 3h00min às 4h00min. Para realização deste método,

é preciso seguir algumas recomendações, tais como:

• Garantir que o setor esteja totalmente fechado (estanque), não permitindo

contribuição de outro setor de abastecimento;

• Realizar o teste entre as 02h00min e 04h00min da manhã, onde parte-se do

pressuposto que não há consumo dos usuários e que as caixas d’água já estão

cheias;

• Fazer um levantamento de possíveis grandes consumidores noturnos específicos

como grandes consumidores, casas de recreação noturna, indústrias, etc. Estes

consumidores com utilizações excepcionais devem ser monitorados com

registradores eletrônicos de vazão, cujo consumo deve ser descontado da vazão

de entrada;

• Determinar um ponto médio de pressão do setor, levando-se em consideração

não a cota média, mas o ponto de maior concentração de ramais ou quaisquer

outras singularidades. Sabendo-se que a probabilidade da existência de

115


Versão 2012

vazamentos é muito maior nos ramais, definir o ponto médio dentro desta

referência nos dá a certeza de determinar a média das pressões atuantes nos

vazamentos.

• Garantir, a cada manobra realizada, uma queda da pressão na ordem de 10

m.c.a.

7.3. Relação entre vazamentos e pressão

A relação direta existente entre os parâmetros de pressão e vazamentos é bastante

conhecida e relatada em diversas publicações (GERMANOPOULOS; JOWITT, 1989;

REIS; PORTO; CHAUDHRY, 1997; YAZBEK FILHO, 2003).

O gráfico da Figura 7.5, elaborado por experimentos do Conselho Nacional de Água

da Grã Bretanha. (GOODWIN, 1980), ilustra esta relação. Nota-se pelo gráfico que a

taxa de vazamentos aumenta proporcionalmente com o aumento da pressão média

de serviço, com uma curva mais acentuada para pressões maiores, nos levando a

afirmar que uma diminuição destas altas pressões acarretará em uma diminuição da

ocorrência de vazamentos na rede.

116


Versão 2012

Figura 7.5: Relação entre os Vazamentos e a Pressão (WRC, 1980).

Grande parte dos livros relacionados à hidráulica apresenta a relação entre pressão e

vazão através da equação conhecida como a lei dos orifícios. De acordo com Porto

(2008), orifício é uma abertura de perímetro fechado com uma forma geométrica

bem definida, seja ela circular, retangular ou triangular. Esta forma geométrica,

localizada em paredes de reservatórios ou em condutos forçados, no qual a água

escoa devido à pressão exercida sobre ele é equacionado da seguinte forma:

gHACdQL 2×= (7.4)

Onde:

QL - representa a vazão através do orifício (m³/s);

Cd - coeficiente de descarga (adimensional);

A - área do orifício (m³);

117


Versão 2012

g - aceleração da gravidade (m/s²);

H - carga hidráulica (m).

O software EPANET, segundo Rossman (2000), define o conceito de emissores, como

sendo dispositivos localizados em determinados nós do sistema, que simulam o

escoamento através de um orifício que descarrega água para a atmosfera. Em

termos práticos, para representar as perdas de água.

A equação mostrada acima é indicada por Rossman, para este fim, porém de forma

simplificada. Os parâmetros dentro da raiz quadrada, Cd, A e 2g são transformados

em um coeficiente Ce, originando assim, a seguinte equação:

1NHCeQL ×= (7.5)

Assim, o EPANET utiliza a equação acima para simular vazamentos, desde que o

valor para o Ce e o expoente N1 sejam estimados para os nós.

7.4. Controle de Perdas Reais

Gerencias as perdas dentro de um sistema de distribuição de água não é tarefa fácil.

Por isso, o uso de modelos hidráulicos para auxiliar os operadores tem se tornado

uma ferramenta imprescindível. Dentre as possíveis alternativas a ser adotada para o

controle das perdas, pode-se citar a instalação de Válvulas Redutoras de Pressão

(VRP) e da Setorização.

7.4.1. Válvulas Redutoras de Pressão

Uma das formas mais eficientes de reduzir e controlar as perdas reais de um sistema

é através da instalação de Válvulas Redutoras de Pressão (VRP). O gerenciamento da

118


Versão 2012

pressão utilizando VRP deve garantir, por norma, as pressões máximas e mínimas

permitidas de forma a não prejudicar o abastecimento aos consumidores e garantir a

integridade dos componentes físicos da rede.

A redução de pressão através da aplicação de uma VRP traz alguns benefícios, como:

• Redução do volume perdido através dos vazamentos;

• Redução do consumo diretamente relacionado com pressão, tais como: lavagem

de carros e calçadas, irrigação de jardins;

• Redução da ocorrência de vazamentos e conseqüentemente a redução de

desgaste das tubulações;

• Garante um abastecimento de forma mais constante aos usuários;

Conforme descrito por Araujo (2005), as VRP’s pode ser de diversos tipos como de

mola, diafragma e pistão com a função de limitar a pressão a jusante (após a

válvula) na medida em que a pressão na rede ultrapassar o valor ajustado no

componente. Na Figura 7.6, tem-se ilustrado os três estados de funcionamento de

uma VRP: ativo, passivo aberto e passivo fechado.

Figura 7.6: Modo genérico de funcionamento de uma válvula redutora de pressão de tipo

convencional (ARAUJO, 2005).

119


Versão 2012

a) VRP ativa: ocorre quando a pressão a jusante da válvula (depois) é muito

elevada, acionando a válvula e provocando uma perda de carga de modo a reduzir o

valor desta pressão até um valor estabelecido (HVRP).

b) VRP passiva aberta: ocorre quando a pressão a montante (antes), que está

chegando à válvula, Hm, é inferior à carga ajustada na VRP (HVRP). Com isso, a

válvula abre totalmente mantendo-se assim as pressões antes e depois da válvula,

havendo apenas a perda de carga localizada do componente físico.

c) VRP passiva fechada: ocorre quando, por algum motivo, a pressão a jusante da

válvula é superior a pressão a montante. Logo a VRP é fechada totalmente, devido a

inversão de escoamento.

O funcionamento destas válvulas pode ser feito através de forma manual ou

eletrônica em função não só de um valor de pressão específico, mas também em

função do horário do dia e das variações de consumo de água, tornando assim sua

operação mais eficiente.

7.4.2. Setorização

A setorização é de suma importância ao sistema devido à grande extensão que uma

rede de distribuição de água possui, além de inúmeras derivações e conexões. Logo,

a divisão por setores, possibilita um melhor gerenciamento do sistema.

O termo Setorização refere-se, geralmente, ao zoneamento clássico a partir de um

reservatório apoiado ou enterrado, configurando-se basicamente duas zonas de

pressão, a baixa (comandada pelo nível do reservatório apoiado ou enterrado) e a

alta (comandada pelo nível de um reservatório elevado – torre ou cota piezométrica

120


Versão 2012

da saída de uma estação elevatória (TARDELLI FILHO, 2006). A Figura 7.7, ilustra

melhor esta situação.

Figura 7.7: Setorização clássica em sistemas de distribuição de água (GONÇALVES; ALVIM, 2005).

Percebe-se pela Figura 7.7, que há macromedição na entrada de cada setor, assim

como micromedição nas residências. Com isso é possível fazer um balanço daquilo

que é fornecido de água ao setor com o que é consumido pelo setor, gerando índices

de perdas confiáveis.

Cada setor de abastecimento que uma rede (ver Figura 7.7), pode ser dividido,

segundo Gonçalves e Alvim (2005), em subsetores, denominados:

a) Zona de pressão: área abrangida por uma subdivisão da rede, no qual as

pressões estáticas e dinâmicas obedecem a limites pré-fixados.

b) Setor de macromedição: corresponde à parte da rede de distribuição que pode

ser isolada e sua vazão de entrada continuamente monitorada através de

macromedidores instalados em suas linhas de alimentação.

121


Versão 2012

c) Distrito de medição temporária: corresponde a uma parte delimitada e

isolável da rede cuja vazão é medida através de equipamentos portáteis ou de

instalação provisória.

d) Setor de manobra: representa uma menor subdivisão da rede, cujo

abastecimento pode ser isolado sem afetar o abastecimento do restante da rede.

7.5. Aplicação prática

Depois de entender um pouco mais sobre o conceito de perdas de água dentro dos

sistemas de abastecimento de água, serão mostradas aplicações de alternativas de

gerenciamento de perdas em um modelo hidráulico hipotético.

7.5.1. Apresentação do Estudo

Uma companhia de saneamento do interior de Santa Catarina, nos últimos tempos

vem recebendo reclamações de seus clientes devido ao constante arrebentamento

dos cavaletes dos hidrômetros de suas casas, devido às pressões altas existentes na

rede. Além disso, a companhia detectou nesta região, durante a noite, que as vazões

mínimas noturnas estão elevadas, caracterizando então, possíveis vazamentos na

rede. A equipe técnica da companhia foi acionada para propor uma solução ao

problema.

Na Figura 7.8, tem-se a representação de uma parte do sistema da companhia,

dividido em uma zona alta e uma zona baixa, com seus respectivos setores.

122


Versão 2012

Figura 7.8: Representação do modelo hidráulico em estudo com visualização dos pontos contados.

O sistema funciona da seguinte maneira: A água produzida na ETA é distribuída ao

reservatório R1, que por sua vez, distribui água através da elevatória CB1, que

abastece o reservatório R2. Além de abastecer o R2, o R1 abastece uma zona baixa,

por gravidade.

Mas um detalhe deve ser notado. Existe uma região da zona alta, o setor 2, que não

está coerente com a setorização tradicional. A diferença de cota entre o setor 1 e o

setor 2 é de 40 metros. E é justamente neste setor que as reclamações por parte dos

clientes estão sendo feitas. Na Figura 7.9, tem-se as faixas de pressão para cada

setor para melhor entendimento da problemática.

123


Versão 2012

Figura 7.9: Representação das faixas de pressões do modelo às 00h00min.

Pode-se perceber que a pressão no setor 2, ultrapassa os 80 metros. Neste setor, foi

atribuído um vazamento a um nó (nó 4) onde o Coeficiente Emitter (CE) igual a

0,002 e o expoente de vazamento (N1) igual à 1,15. Calculando as perdas de água

no Setor 2, localizado no nó 4, tem-se:

124


Versão 2012

Tabela 7.1: Cálculo Perdas de água por diferença de consumos.

Horas Consumo-Base (l/s)

Padrão de Consumo

Consumo Total (l/s)

Perdas de Água (l/s)

00:00 3,00 0,67 2,31 0,303 01:00 3,00 0,66 2,27 0,299 02:00 3,00 0,62 2,17 0,307 03:00 3,00 0,62 2,17 0,307 04:00 3,00 0,65 2,23 0,295 05:00 3,00 0,81 2,72 0,284 06:00 3,00 1,12 3,61 0,241 07:00 3,00 1,49 4,67 0,191 08:00 3,00 1,73 5,34 0,144 09:00 3,00 1,82 5,58 0,135 10:00 3,00 1,82 5,58 0,135 11:00 3,00 1,76 5,41 0,145 12:00 3,00 1,60 4,97 0,170 13:00 3,00 1,47 4,6 0,193 14:00 3,00 1,39 4,36 0,205 15:00 3,00 1,36 4,3 0,217 16:00 3,00 1,40 4,4 0,209 17:00 3,00 1,39 4,37 0,215 18:00 3,00 1,18 3,79 0,244 19:00 3,00 1,04 3,38 0,263 20:00 3,00 0,92 3,05 0,281 21:00 3,00 0,83 2,78 0,290 22:00 3,00 0,72 2,44 0,295 23:00 3,00 0,67 2,31 0,303

O total de perdas calculado pelo método das diferenças de consumos foi de 20.416

litros por dia ou 20,416 m³/dia.

125


Versão 2012

Tabela 7.2: Cálculo Perdas de água utilizando o Coeficiente de vazamento.

Horas Pressão (m.c.a) Perdas de Água (l/s) 00:00 78,37 0,302 01:00 78,36 0,301 02:00 78,82 0,304 03:00 78,59 0,302 04:00 77,90 0,299 05:00 74,05 0,282 06:00 65,30 0,244 07:00 52,03 0,188 08:00 41,61 0,146 09:00 38,04 0,131 10:00 38,22 0,132 11:00 41,08 0,143 12:00 47,88 0,171 13:00 53,30 0,194 14:00 56,71 0,208 15:00 57,87 0,213 16:00 56,87 0,209 17:00 57,59 0,212 18:00 64,83 0,242 19:00 69,53 0,263 20:00 73,12 0,278 21:00 75,43 0,289 22:00 77,73 0,299 23:00 78,42 0,302

O total de perdas calculado pelo método das diferenças de consumos foi de 20.353

litros por dia ou 20,353 m³/dia. Em ambos os métodos, o valor das perdas foi o

mesmo. Logo, fica a critério de cada pessoa, a escolha do método.

Para a situação atual de perdas, considerando um custo médio estimado de R$ 10,00

o metro cúbico de água, tem-se uma perda de arrecadação mensal de R$ 6.106,03

reais. Em um ano, R$ 73.272,41 reais.

126


Versão 2012

7.5.2. Aplicação Prática

De modo a contornar o problema de altas pressões e perdas de água, a equipe

técnica da companhia chegou às seguintes alternativas:

7.5.2.1. Instalação de uma VRP

Será instalada uma Válvula Redutora de Pressão (VRP) na entrada do setor 2 de

modo a controlar as altas pressões, reduzindo as perdas de água. A Figura 7.10,

ilustra a solução apresentada destacando em vermelho, a localização da VRP.

Figura 7.10: Representação da Solução 1.

Em princípio, a VRP será ajustada para controlar pressões em 40 m.c.a. Com este

ajuste, têm-se os seguintes resultados:

127


Versão 2012

Tabela 7.3: Cálculo Perdas de água utilizando uma VRP na entrada do Setor 2.

Horas Consumo Base (l/s)

Consumo Total (l/s)

Pressão (m.c.a)

Perdas (l/s)

Perdas (m³/h)

00:00 3,00 2,15 39,91 0,139 0,500 01:00 3,00 2,11 39,91 0,139 0,500 02:00 3,00 2,00 39,92 0,139 0,500 03:00 3,00 2,00 39,92 0,139 0,500 04:00 3,00 2,07 39,92 0,139 0,500 05:00 3,00 2,57 39,88 0,139 0,499 06:00 3,00 3,51 39,78 0,138 0,498 07:00 3,00 4,62 39,62 0,138 0,495 08:00 3,00 5,33 39,51 0,137 0,494 09:00 3,00 5,58 38,13 0,132 0,474 10:00 3,00 5,58 38,31 0,132 0,477 11:00 3,00 5,40 39,50 0,137 0,494 12:00 3,00 4,94 39,57 0,137 0,495 13:00 3,00 4,54 39,64 0,138 0,496 14:00 3,00 4,29 39,67 0,138 0,496 15:00 3,00 4,22 39,68 0,138 0,496 16:00 3,00 4,33 39,67 0,138 0,496 17:00 3,00 4,29 39,67 0,138 0,496 18:00 3,00 3,68 39,75 0,138 0,497 19:00 3,00 3,26 39,81 0,138 0,498 20:00 3,00 2,91 39,84 0,138 0,499 21:00 3,00 2,63 39,87 0,139 0,499 22:00 3,00 2,28 39,90 0,139 0,499 23:00 3,00 2,15 39,91 0,139 0,500

Instalando uma VRP com parâmetro de controle de 40 mca, ao longo de 24 horas, a

perda total foi de 11,895 m³. Considerando um custo médio estimado de R$ 10,00 o

metro cúbico de água, tem-se uma perda de arrecadação mensal de R$ 3.568,51

reais. Em um ano, R$ 42.822,11 reais.

128


Versão 2012

7.5.2.2. Instalação de uma VRP Otimizadora

Além da instalação de uma VRP, na entrada de água do setor 2, pode-se programá-

la a atuar de maneira diferente conforme as solicitações do sistema. Seu setpoint

será ajustado para regular a pressão a 10 m.c.a das 01h00min até 05h00min e 40

m.c.a durante o restante do período. Com isso, obteve-se o seguinte resultado:

Tabela 7.4: Cálculo Perdas de água utilizando uma VRP Otimizadora na entrada do Setor 2.


Consumo Total (l/s)

Pressão (m.c.a)

Perdas (l/s)

Perdas (m³/h)

00:00 3,00 2,15 39,91 0,139 0,500 01:00 3,00 2,00 9,92 0,028 0,101 02:00 3,00 1,89 9,93 0,028 0,101 03:00 3,00 1,89 9,93 0,028 0,101 04:00 3,00 1,96 9,92 0,028 0,101 05:00 3,00 2,46 9,88 0,028 0,100 06:00 3,00 3,51 39,78 0,138 0,498 07:00 3,00 4,62 39,62 0,138 0,495 08:00 3,00 5,33 39,51 0,137 0,494 09:00 3,00 5,58 38,14 0,132 0,474 10:00 3,00 5,58 38,32 0,132 0,477 11:00 3,00 5,40 39,50 0,137 0,494 12:00 3,00 4,94 39,57 0,137 0,495 13:00 3,00 4,54 39,64 0,138 0,496 14:00 3,00 4,29 39,67 0,138 0,496 15:00 3,00 4,22 39,68 0,138 0,496 16:00 3,00 4,33 39,67 0,138 0,496 17:00 3,00 4,29 39,67 0,138 0,496 18:00 3,00 3,68 39,75 0,138 0,497 19:00 3,00 3,26 39,81 0,138 0,498 20:00 3,00 2,91 39,84 0,138 0,499 21:00 3,00 2,63 39,87 0,139 0,499 22:00 3,00 2,28 39,90 0,139 0,499 23:00 3,00 2,15 39,91 0,139 0,500

129


Versão 2012

Ao longo de 24 horas, a perda total foi de 9,901 m³. Considerando um custo médio

estimado de R$ 10,00 o metro cúbico de água, tem-se uma perda de arrecadação

mensal de R$ 2.970,36 reais. Em um ano, R$ 35.644,26 reais.

7.5.2.3. Setorização

Interligando o setor 2 à zona baixa da rede e instalando uma registro manual para

isolar a rede com a zona alta. A Figura 7.11, ilustra a solução apresentada.

Figura 7.11: Representação da Solução 2.

130


Versão 2012

Tabela 7.5: Cálculo Perdas de água por meio de setorização do Setor 2.


Consumo Total (l/s)

Pressão (m.c.a)

Perdas (l/s)

Perdas (m³/h)

00:00 3,00 2,08 22,11 0,070 0,253 01:00 3,00 2,04 23,00 0,074 0,265 02:00 3,00 1,94 23,04 0,074 0,266 03:00 3,00 1,94 23,14 0,074 0,267 04:00 3,00 2,01 22,93 0,073 0,264 05:00 3,00 2,5 21,49 0,068 0,245 06:00 3,00 3,42 18,03 0,056 0,200 07:00 3,00 4,52 12,77 0,037 0,135 08:00 3,00 5,22 8,83 0,024 0,088 09:00 3,00 5,46 7,37 0,020 0,072 10:00 3,00 5,47 7,42 0,020 0,072 11:00 3,00 5,29 7,52 0,020 0,073 12:00 3,00 4,83 9,60 0,027 0,097 13:00 3,00 4,44 11,42 0,033 0,118 14:00 3,00 4,19 12,58 0,037 0,132 15:00 3,00 4,12 12,90 0,038 0,136 16:00 3,00 4,23 12,37 0,036 0,130 17:00 3,00 4,19 12,54 0,037 0,132 18:00 3,00 3,59 15,37 0,046 0,167 19:00 3,00 3,17 18,51 0,057 0,206 20:00 3,00 2,83 20,55 0,065 0,233 21:00 3,00 2,56 21,11 0,067 0,240 22:00 3,00 2,22 22,36 0,071 0,257 23:00 3,00 2,08 22,70 0,073 0,261

Ao longo de 24 horas, a perda total foi de 4,310 m³. Considerando um custo médio

estimado de R$ 10,00 o metro cúbico de água, tem-se uma perda de arrecadação

mensal de R$ 1.293,06 reais. Em um ano, R$ 15.516,76 reais.

131


Versão 2012

7.5.3. Comparação dos resultados

Depois de simular alguns cenários de redução de perdas, foi feito um comparativo na

eficiência de cada solução adotada. Na Figura 7.12, tem-se a evolução das perdas

horárias. Na Figura 7.13, tem-se a faixa de pressão atingida em cada cenário.

Figura 7.12: Comparativo de perdas de água após cada intervenção.

Figura 7.13: Comparativo de Pressões na rede água após cada intervenção.

132


Versão 2012

Fica evidente que quanto menor a pressão na rede, menor serão os vazamentos,

conforme já foi visto na Figura 7.5, em que esta relação foi estudada e comprovada.

Na planilha Perdas de Água, disponibilizada neste curso, é possível alterar alguns

valores de pressão para ser constatada a sensibilidade que estes dois parâmetros

possuem. Na Figura 7.14, é mostrado o custo anual que a companhia terá com cada

alternativa escolhida.

Figura 7.14: Comparativo de Custo anual com perdas de água após cada intervenção.

Deixando o sistema da maneira que está, fica evidente o grande gasto que a

companhia terá se nenhuma medida for tomada. As medidas de intervenção aqui

apresentadas mostram a grande utilidade que o modelo possui de geração de

possíveis soluções que a companhia pode adotar. Os cenários que foram mostrados,

bem como os custos associados a cada um deles, refletem apenas uma estimativa ou

ordem de grandeza das ações. Para cada uma delas é necessária uma analise mais

criteriosa de todas as variáveis envolvidas.

133


Versão 2012

8. Estudo de Eficiência Energética

Nos dias atuais, a utilização de conjuntos motor-bomba para a elevação de água em

sistemas de abastecimento público tornou-se indispensável. Em decorrência deste

uso, a utilização de energia elétrica no saneamento teve um aumento considerável,

significando atualmente 7% do consumo energético mundial (JAMES et al 2002).

Dentro das companhias de saneamento, o custo com energia elétrica é elevado, de

tal modo que chega a ocupar o patamar da segunda maior despesa por estas

efetuada. Devido a sua importância, é preciso identificar em todo o sistema de

distribuição de água, quais são os pontos ou unidades consumidoras de energia de

modo a traçar estratégias para reduzir e otimizar o consumo de energia.

8.1. Unidades consumidoras de energia elétrica dentro do SAA

Uma vez conhecidas as unidades componentes de um sistema de distribuição de

água, é possível identificar os principais pontos de consumo de energia. Em geral, a

presença de elevatórias é freqüente em todas as etapas do sistema, desde a

captação até a distribuição aos consumidores.

Na etapa de captação, as técnicas construtivas da estação elevatória e a escolha do

equipamento dependem do tipo de manancial (se superficial ou subterrâneo), da

cota da estação de tratamento de água e da qualidade da água.

Na etapa de adução, o recalque da água pode ocorrer entre a captação e a estação

de tratamento ou entre esta e o reservatório de distribuição. No primeiro caso, ela

está associada às obras e instalações de captação. A adução por recalque de água

tratada apresenta menores inconvenientes do que o recalque de água bruta, pois

não há impurezas prejudiciais à bomba e problemas operacionais resultantes da

134


Versão 2012

variação do nível de água do manancial. Assim, neste caso, o dimensionamento da

bomba a ser utilizada depende essencialmente da vazão e altura manométrica total.

Outro dispositivo comum nas etapas de adução e distribuição, com alto consumo de

energia, é a estação pressurizadora ou estação elevatória de reforço, também

conhecido como booster (Figura 8.1). Este dispositivo tem a finalidade de aumentar

a pressão e/ou a vazão em uma tubulação ou em um sistema de tubulações.

Figura 8.1. Representação de um booster na linha de adução.

A utilização de bombas de água em sistemas de abastecimento de água (SAA)

tornou-se indispensável e como conseqüência, também o uso de energia elétrica

para o acionamento dos motores que fazem as bombas funcionarem. Segundo

BAHIA (1998), existe uma relação direta entre o consumo de água e o consumo de

energia elétrica utilizada para disponibilizar água tratada para a população. GOMES

(2005) descreve que normalmente os desperdícios de energia elétrica nos sistemas

de abastecimento de água e esgotamento sanitário, são decorrentes de fatores

como:

• Formas contratuais indevidas;

• Procedimentos operacionais inadequados;

• Desperdícios de água;

• Mau dimensionamento dos sistemas;

135


Versão 2012

• Idade avançada dos equipamentos;

• Tecnologias mal utilizadas;

• Manutenções precárias.

As medidas de eficiência energética em sistemas de saneamento podem ser divididas

em ações administrativas e operacionais. Segundo GOMES (2005), as

administrativas, que compreendem a primeira fase de medidas a serem tomadas,

praticamente, não envolvem custos para serem implantadas. São ações relativas aos

contratos existentes com as concessionárias de energia elétrica e podem ser

resumidas em:

• Regularização da demanda contratada;

• Reenquadramento tarifária;

• Desativação das instalações sem utilização;

• Conferência de leitura da conta de energia elétrica;

• Entendimentos com as companhias energéticas para redução de tarifas.

8.2. Reduções de custos com energia elétrica

A implantação de medidas que possam reduzir os custos com energia elétrica é de

suma importância para a viabilidade econômica das empresas que operam os

sistemas de água e esgoto, pois o custo de energia elétrica tem sido cada vez mais

elevado, principalmente devido à crise no setor energético (ELETROBRÁS, 2005).

De acordo com TSUTIYA (2005), a redução no índice de perdas de água e o uso

racional da água, terão influência significativa no custo de energia elétrica, pois com

a diminuição do volume de água a ser recalcada, haverá uma diminuição no

consumo de energia elétrica. Identificando os pontos de uso excessivo de energia,

136


Versão 2012

após de um diagnóstico do sistema em operação, consegue-se a redução do custo

de energia elétrica em um SAA.

Posteriormente às implantações de medidas de eficiência energética no sistema, são

realizadas algumas ações administrativas, visando à otimização dos equipamentos

eletromecânicos e a otimização hidráulica, levando-se em conta os aspectos

operacionais do sistema. TSUTIYA (2005) apresenta diversas alternativas para a

redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água, citadas

nos próximos itens.

8.2.1. Sem diminuição do consumo de energia

Redução do custo sem investimento: resulta na verificação da classe em que se

enquadra o sistema; readequação da demanda contratada; reenquadramento

tarifário; desativação de instalações sem uso (corte de ligação); conferência da

medição da energia elétrica (erro de leitura); negociação com as companhias

energéticas para a redução de tarifas e operações emergenciais (paradas imprevistas

e/ou falta de energia elétrica).

Redução do custo com investimento: correção do fator de potência; alteração da

tensão de alimentação e melhoria do fator de carga.

8.2.2. Com diminuição do consumo de energia

Redução da altura manométrica: redução da altura geométrica; redução das perdas

de carga devido a escolha adequada do diâmetro, limpeza ou revestimento da

tubulação, entre outros.

Redução no volume de água: controle de perdas de água; uso racional da água.

137


Versão 2012

Aumento no rendimento dos conjuntos motor-bomba: melhora no rendimento do

motor; melhora no rendimento da bomba.

8.2.3. Alteração do sistema operacional

As principais alterações operacionais dos sistemas de abastecimento de água que

podem reduzir substancialmente os custos de energia elétrica são:

• Alteração do sistema bombeamento-reservação;

• Utilização de inversores de freqüência em conjuntos motor-bomba;

• Alteração nos procedimentos operacionais de estações de tratamento de água.

8.2.3.1. Sistema bombeamento-reservação

A distribuição de água na maioria dos sistemas não pode ser feita somente por

gravidade. Há necessidade de utilização de estações elevatórias para recalcar água

em reservatórios de distribuição. Normalmente as bombas que recalcam água para

reservatórios enterrados, semi-enterrados ou apoiados são projetadas com

capacidade para atender a demanda máxima diária. Nesses casos, o bombeamento

é contínuo durante 24 horas/dia, de modo a manter os reservatórios cheios ou com

um nível de água pré-determinado. O método operacional apresentado nas Figuras

8.2, 8.3 e 8.4 têm sido tradicionalmente utilizados no Brasil.

138


Versão 2012

Figura 8.2. Bombeamento de água para reservatório de distribuição a montante

(RECESA, 2008).

Figura 8.3. Bombeamento de água para reservatório de distribuição a jusante

(RECESA, 2008).

Figura 8.4. Bombeamento de água para rede de distribuição com reservatório de sobra a jusante

(RECESA, 2008).

139


Versão 2012

O volume de reservação que normalmente tem sido utilizado no Brasil é de 1/3 do

volume distribuído para o dia de maior consumo. Entretanto, várias pesquisas

efetuadas em sistemas existentes mostram que o volume útil necessário é cerca da

metade desse valor, ou seja, normalmente, há uma folga de reservação na ordem de

15%, pois diferentemente de outros países desenvolvidos, no Brasil é comum o uso

do reservatório domiciliar que funciona como parte integrante da reservação total do

sistema de abastecimento. Por essa razão, vários sistemas de abastecimento

permitem a parada de bombeamento (no máximo de 3 horas) no horário de ponta

elétrico compreendido entre as 17 e 22 horas (RECESA, 2008).

A parada das bombas no horário de ponta tem sido realizada com sucesso, tanto em

pequenos sistemas de abastecimento de água como em grandes sistemas, como é o

caso da Região Metropolitana de São Paulo. De um modo geral, essa alteração

operacional tem representado cerca de 10 a 20% na redução dos custos de energia

elétrica (TSUTIYA, 2005).

8.2.3.2. Projetos de otimização

Este tipo de projeto tem com principal objetivo reduzir o consumo de energia elétrica

em instalações de bombeamento por meio da melhoria da eficiência dos processos

envolvidos nos sistemas de bombeamento tais como a substituição de tubulações,

conexões e acessórios, válvulas, motores, bombas, por outros de eficiência mais

elevada; utilização de inversores de freqüência e/ou otimização operacional por

automação. As medidas adotadas para redução de consumo poderão eventualmente

propiciar a redução de demanda no horário da ponta e fora da ponta.

8.2.3.3. Redução da demanda no horário de ponta

Os reservatórios de distribuição são projetados para atender a variação da demanda

que ocorre ao longo do dia e sazonalmente, ao longo do ano. É demonstrável que o

140


Versão 2012

cálculo do volume útil necessário para um reservatório é na verdade uma

combinação de duas variáveis básicas: a taxa com a qual a água é demandada no

setor abastecido pelo reservatório e; a taxa com o qual é alimentado, normalmente

por sistemas de estações elevatórias e adutoras.

A norma brasileira estipula critérios para dimensionamento de reservatórios que

acarretam muitas vezes reservatórios com capacidade ociosa. A utilização desta

margem de ociosidade pode propiciar uma otimização operacional que resulte na

eliminação total ou parcial do bombeamento no horário da ponta do sistema elétrico,

mesmo em sistemas antigos (ELETROBRÁS, 2003).

8.2.3.4. Otimização da reservação

Em um dado sistema, caso seja possível otimizar a reservação existente, deslocando

os bombeamentos para fora do horário da ponta por meio da modulação da vazão

bombeada fora da ponta, talvez seja viável que os ganhos com a demanda evitada

na ponta justifiquem os investimentos necessários para conseguir tal deslocamento.

Para este tipo de projeto deverão ser apresentados:

• A curva de demanda média horária do setor abastecido pelo reservatório, para o

dia de maior consumo;

• As configurações possíveis para o bombeamento (1 bomba, 2 bombas, etc.), com

ou sem o uso de inversor de freqüência e as respectivas vazões bombeadas, hora

a hora;

• Os consumos e demandas de energia, na ponta e fora da ponta, com a situação

atual;

• Os consumos e demandas de energia, na ponta e fora da ponta, para a situação

prevista no projeto;

• As especificações e curvas características do bombeamento atual e a curva do

sistema;

141


Versão 2012

• As especificações e curvas características para o bombeamento proposto e do

sistema proposto.

8.2.4. Automação do sistema de abastecimento de águ a

Instalação de automação em sistemas de bombeamento, que reduz sensivelmente os

custos operacionais com mão-de-obra, ao mesmo tempo em que minimiza as

possibilidades de ocorrência de problemas operacionais causados por falhas

humanas.

8.2.5. Geração de energia elétrica

Aproveitamento de potenciais energéticos e uso de geradores próprios em horários

de ponta.

8.3. Horário de ponta

Até o ano de 1981, o único sistema de tarifa utilizado no Brasil era o Convencional,

que não buscava disciplinar o consumo, uma vez que não possuía diferenciação de

preços segundo sua utilização durante as horas do dia e/ou períodos do ano.

A curva de carga do sistema elétrico brasileiro tem uma demanda acentuada no

horário das 18 às 21 horas. O sistema tarifário horo-sazonal azul busca, por meio de

tarifas diferenciadas, em função do horário do dia, premiar o consumo e a demanda

fora da ponta. Define-se como horário de ponta, para efeitos de tarifação, três horas

consecutivas das 17 às 22 horas, de segunda a sexta-feira, ou seja, em um mês tem,

em média, 65 horas de ponta e 665 horas fora de ponta.

A demanda e o consumo são taxados em cerca de duzentos por cento e mais de

trezentos por cento a mais na ponta do que fora de ponta, respectivamente. Por

142


Versão 2012

essas razões, o custo da energia elétrica e da demanda no horário de ponta acaba

custando por hora cerca de nove vezes o correspondente preço do horário normal.

A carga média dos horários fora de ponta é chamada de carga de base e a carga

média das cinco horas do horário de ponta é chamada de carga de ponta. Para se

obter um melhor equilíbrio do sistema de geração, utiliza-se durante o dia, nos

horários fora de ponta, a energia gerada pelas usinas hidrelétricas, mantendo o

suprimento da carga de base. Na medida em que aumenta o consumo, adiciona-se

ao sistema a energia gerada pelas usinas termelétricas (de maior custo).

Objetivando deslocar parte do consumo desse período para outros, a partir de 1986

foi introduzida no País a tarifa binômia horo-sazonal, por meio de sobretaxas da

demanda e da energia durante esse período. É, também, desestimulado o uso da

energia elétrica, por meio de tarifas maiores, no período considerado seco para os

reservatórios das hidrelétricas, que vai de maio a novembro (HERSMSDORFF, 2003).

Devido ao maior carregamento das redes de distribuição no horário de ponta,

verifica-se que um novo consumidor a ser atendido pelo sistema custará mais à

concessionária nesse período de maior solicitação do que em qualquer outro horário

do dia, tendo em conta a necessidade de ampliação do sistema para atender a carga

no horário de ponta.

Visando principalmente a racionalização do uso da energia e a inclusão dos

consumidores na solução dos problemas ocasionados pelos seus hábitos de

consumo, foram criadas as Estruturas Tarifárias Horo-Sazonal Verde e Azul que

compreendem uma sistemática de aplicação de tarifas diferenciadas, de acordo com

o horário do dia e períodos do ano.

143


Versão 2012

8.4. Sistema Tarifário de Energia Elétrica

A compreensão da forma como é cobrada a energia elétrica e como são calculados

os valores apresentados nas faturas de energia é fundamental para a tomada de

decisão em relação a projetos de eficiência energética. Dadas as alternativas de

enquadramento tarifário disponíveis para alguns consumidores, o conhecimento da

formação da conta e dos hábitos de consumo permite escolher a forma de tarifação

mais adequada e que resulta em menor despesa com a energia elétrica

(ELETROBRAS, 2001).

Todos os equipamentos elétricos possuem uma potência, que pode ser identificada

em watts (W), em horse power (hp) ou em cavalo vapor (cv). O consumo de energia

elétrica é igual à potência em watts (W) vezes o tempo em horas (h), expressa em

watt-hora (Wh). Portanto, depende das potências dos equipamentos e do tempo de

funcionamento desses. Nas contas de energia elétrica as grandezas envolvidas são

elevadas (milhares de Wh), sendo padronizado o uso do kWh (MONACHESI, 2005).

Segundo ANEEL (2005), os consumidores de energia elétrica pagam, por meio da

conta recebida de sua empresa distribuidora de energia elétrica, um valor

correspondente à quantidade de energia elétrica consumida, no mês anterior,

estabelecida em quilowatt-hora (kWh) e multiplicada por um valor unitário,

denominado tarifa, medido em reais por quilowatt-hora (R$/kWh), que corresponde

ao valor de 1 quilowatt (kW) consumido em uma hora.

8.4.1. Classificação dos Consumidores

A ANEEL identifica os consumidores por classes:

• Residencial – na qual se enquadram, também, os consumidores residenciais de

baixa renda cuja tarifa é estabelecida de acordo com critérios específicos;

144


Versão 2012

• Industrial – na qual se enquadram as unidades consumidoras que desenvolvem

atividade industrial, inclusive o transporte de matéria prima, insumo ou produto

resultante do seu processamento;

• Comercial, Serviços e Outras Atividades – na qual se enquadram os serviços

de transporte, comunicação e telecomunicação e outros afins;

• Rural – na qual se enquadram as atividades de agropecuária, cooperativa de

eletrificação rural, indústria rural, coletividade rural e serviço público de irrigação

rural;

• Poder Público – na qual se enquadram as atividades dos Poderes Públicos:

Federal, Estadual ou Distrital e Municipal;

• Iluminação Pública – na qual se enquadra a iluminação de ruas, praças,

jardins, estradas e outros logradouros de domínio público de uso comum e livre

acesso, de responsabilidade de pessoa jurídica de direito público;

• Serviço Público – na qual se enquadram os serviços de água, esgoto e

saneamento;

• Consumo Próprio – que se refere ao fornecimento destinado ao consumo de

energia elétrica da própria empresa de distribuição.

8.4.2. Componentes da Tarifa

As tarifas de energia elétrica são definidas com base em dois componentes:

demanda de potência e consumo de energia. A demanda de potência é medida em

quilowatt e corresponde à média da potência elétrica solicitada pelo consumidor à

empresa distribuidora, durante um intervalo de tempo especificado normalmente (15

minutos) e é faturada pelo maior valor medido durante o período de fornecimento,

normalmente de 30 dias. O consumo de energia é medido em quilowatt-hora ou em

megawatt-hora (MWh) e corresponde ao valor acumulado pelo uso da potência

elétrica disponibilizada ao consumidor ao longo de um período de consumo,

normalmente de 30 dias.

145


Versão 2012

As tarifas de demanda de potência são fixadas em reais por quilowatt e as tarifas de

consumo de energia elétrica são fixadas em reais por megawatt-hora (R$/MWh) e

especificadas nas contas mensais do consumidor em reais por quilowatt-hora. Nem

todos os consumidores pagam tarifas de demanda de potência. Isso depende da

estrutura tarifária e da modalidade de fornecimento na qual o consumidor está

enquadrado (ANEEL, 2005).

Define-se estrutura tarifária como sendo o conjunto de tarifas aplicáveis aos

componentes de consumo de energia elétrica e/ou demanda de potência, de acordo

com a modalidade de fornecimento. No Brasil, as tarifas de energia elétrica estão

estruturadas em dois grandes grupos de consumidores: grupo A e grupo B. Na

seqüência, seguem as regras de enquadramento tarifário.

8.4.2.1. Tarifas do grupo A

As tarifas do grupo A são para consumidores atendidos pela rede de alta tensão, de

2,3 a 230 quilo-volts (kV), e recebem denominações com letras e algarismos

indicativos da tensão de fornecimento, segundo a Tabela 8.1.

Tabela 8.1. Consumidores do grupo A

SUBGRUPO Tensão de Fornecimento

A1 ≥ 230 kV

A2 88 kV a 138 kV

A3 69 kV

A3a 30 kV a 44 kV

A4 2,3 a 25 kV

AS < 2,3 kV - Subterrâneo

146


Versão 2012

As tarifas do grupo A sãs constituídas por três modalidades de fornecimento:

• Convencional;

• Horo-sazonal azul;

• Horo-sazonal verde.

a) Estrutura tarifária convencional: A estrutura tarifária convencional é

caracterizada pela aplicação de tarifas de consumo de energia e/ou demanda de

potência independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano.

Além disso, apresenta um valor para a demanda de potência em reais por quilowatt

e outro para o consumo de energia em reais por megawatt-hora. O consumidor

atendido em alta tensão pode optar pela estrutura tarifária convencional, se atendido

em tensão de fornecimento abaixo de 69 kV, sempre que tiver contratado uma

demanda inferior a 300 kW.

b) Estrutura tarifária horo-sazonal: A estrutura tarifária horo-sazonal é

caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica

e de demanda de potência, de acordo com as horas de utilização do dia e dos

períodos do ano. O objetivo dessa estrutura tarifária é racionalizar o consumo de

energia elétrica ao longo do dia e do ano, motivando o consumidor, pelo valor

diferenciado das tarifas, a consumir mais energia elétrica nos horários do dia e nos

períodos do ano em que ela for mais barata. Para as horas do dia são estabelecidos

dois períodos, denominados postos tarifários. O posto tarifário pontal corresponde ao

período de maior consumo de energia elétrica, que ocorre entre 18h30min e

21h30min horas do dia, adotado pela CELESC.

O posto tarifário fora da ponta compreende as demais horas dos dias úteis e às 24

horas dos sábados, domingos e feriados. As tarifas no horário de ponta são mais

elevadas do que no horário fora de pontaǁ. Já para o ano, são estabelecidos dois

147


Versão 2012

períodos: período seco, quando a incidência de chuvas é menor, e período úmido

quando é maior o volume de chuvas.

As tarifas no período seco são mais altas, refletindo o maior custo de produção de

energia elétrica devido à menor quantidade de água nos reservatórios das usinas

hidrelétricas, provocando a eventual necessidade de complementação da carga por

geração térmica, que é mais cara. O período seco compreende os meses de maio a

novembro e o período úmido os meses de dezembro a abril.

Tarifa horo-sazonal azul

A tarifa horo-sazonal azul é a modalidade de fornecimento estruturada para a

aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as

horas de utilização do dia e dos períodos do ano, bem como de tarifas diferenciadas

de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia. Ela é aplicável

obrigatoriamente às unidades consumidoras atendidas pelo sistema elétrico

interligado, e com tensão de fornecimento igual ou superior a 69 kV. A tarifa horo-

sazonal azul tem a seguinte estrutura:

Demanda de potência (R$/kW):

- Um valor para o horário de ponta (P)

- Um valor para o horário fora de ponta (FP)

Consumo de energia (R$/MWh):

- Um valor para o horário de ponta em período úmido (PU)

- Um valor para o horário fora de ponta em período úmido (FPU)

- Um valor para o horário de ponta em período seco (PS)

- Um valor para o horário fora de ponta em período seco (FPS)

148


Versão 2012

Tarifa horo-sazonal verde

A tarifa horo-sazonal verde é a modalidade de fornecimento estruturada para a

aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as

horas de utilização do dia e dos períodos do ano, bem como de uma única tarifa de

demanda de potência.

Demanda de potência (R$/kW): valor único

Consumo de energia (R$/MWh):

- Um valor para o horário de ponta em período úmido (PU)

- Um valor para o horário fora de ponta em período úmido (FPU)

- Um valor para o horário de ponta em período seco (PS)

- Um valor para o horário fora de ponta em período seco (FPS)

As regras para enquadramento tarifário, de acordo com MONACHESI (2005),

conforme a Tabela 8.2.

149


Versão 2012

Tabela 8.2. Regras para enquadramento tarifário (MONACHESI, 2005).

150


Versão 2012

Observações:

HFP – Horário Fora de Ponta;

HP – Horário de Ponta.

Observação 1 – Caso uma unidade consumidora enquadrada na THS apresente

nove registros de demanda medida menor que 300 kW nos últimos onze ciclos de

faturamento, ela poderá optar por retornar para a convencional.

Observação 2 – Quando a unidade consumidora for classificada como rural ou

reconhecida como sazonal, a demanda a ser faturada será:

Tarifa convencional - a demanda medida no ciclo de faturamento ou 10% da maior

demanda medida em qualquer dos 11 (onze) ciclos completos de faturamento

anteriores;

Tarifa horo-sazonal - a demanda medida no ciclo de faturamento ou 10% da

demanda contratada. A cada 12 (doze) meses, a partir da data da assinatura do

contrato de fornecimento, deverá ser verificada, por segmento horário, demanda

medida não inferior à contratada em pelo menos 3 (três) ciclos completos de

faturamento. Caso contrário, a concessionária poderá cobrar, complementarmente,

na fatura referente ao 12º (décimo segundo) ciclo, as diferenças positivas entre as 3

(três) maiores demandas contratadas e as respectivas demandas medidas.

Observação 3 – Se nos últimos 11 meses de faturamento o consumidor apresentar

três registros consecutivos ou seis alternados de demandas medidas maiores ou

iguais a 300 kW, o cliente será enquadrado compulsoriamente na tarifa horo-sazonal

azul, mas poderá fazer opção pela verde.

151


Versão 2012

8.4.2.2. Tarifas do grupo B

As tarifas do “grupo B” se destinam às unidades consumidoras atendidas em tensão

inferior a 2,3 kV e são estabelecidas para as seguintes classes (e subclasses) de

consumo:

B1 - Classe residencial e subclasse residencial baixa renda;

B2 - Classe rural, abrangendo diversas subclasses, como agropecuária, cooperativa

de eletrificação rural, indústria rural, serviço público de irrigação rural;

B3 - Outras classes: industrial, comercial, serviços e outras atividades, poder

público, serviço público e consumo próprio;

B4 - Classe iluminação pública.

As tarifas do “grupo B” são estabelecidas somente para o componente de consumo

de energia, em reais por megawatt-hora, considerando que o custo da demanda de

potência está incorporado ao custo do fornecimento de energia em megawatt-hora.

152


Versão 2012

8.5. Aplicação prática

Na aplicação prática utilizando o software EPANET focando a eficiência energética,

será estudado o seguinte setor do modelo, conforme apresentado na Figura 8.5.

Figura 8.5: Esquema representativo do sistema de distribuição da aplicação prática.

A Estação Elevatória de Água CB4 recalca água para o reservatório R5 e o mesmo

distribui por gravidade para a sua rede de distribuição. Neste modelo exemplo, serão

analisadas as seguintes medidas administrativas operacionais visando à eficiência

energética:

a) Conjuntos motor-bomba com sua curva de operação e de rendimento;

b) Coeficiente C da fórmula de H-W das tubulações de recalque;

c) Perdas de água na rede de distribuição;

d) Alteração das regras operacionais visando a operação do sistema e a paralisação

do conjunto em horário de ponta;

e) Reenquadramento tarifário das unidades;

153


Versão 2012

As medidas citadas anteriormente serão simuladas utilizando o EPANET e com o

auxílio de planilhas eletrônicas. A ideia central do exercício é representar uma

situação adversa de funcionamento dos conjuntos motor-bomba, mostrar uma

situação de melhoramento continuo e verificar o impacto econômico que as medidas

podem ter como influencia.

8.5.1. Parâmetros iniciais

a) Curva de operação e rendimento dos conjuntos elevatórios: a simulação

será iniciada com a CB4 operando pela curva da bomba modelo 50-200 com rotor de

195 mm e 3500 RPM, conforme é mostrado na Figura 8.6.

Figura 8.6: Curva da bomba 50-200 e seu rendimento. Ao longo da simulação, a curva da bomba e seu rendimento serão trocados pela

bomba modelo 65-200 com rotor de 187 mm e 3500 RPM, conforme é mostrado na

154


Versão 2012

Figura 8.7, focando assim na questão da troca de conjuntos elevatórios que não

estão operando adequadamente dentro do sistema.

Figura 8.7: Curva da bomba 65-200 e seu rendimento.

b) Coeficiente C da fórmula de H-W: a simulação será iniciada com as

tubulações de recalque da CB4 com o coeficiente C no valor de 105, simulando uma

tubulação de ferro fundido com mais ou menos 20 anos (conforme indicações da

Tabela 6.1). Ao longo da simulação, o valor do coeficiente C será trocado para 130

representando uma troca para tubulação nova. Logo, este item procura simular a

questão de trocar tubulações antigas por tubulações novas ou mesmo a limpeza das

mesmas.

c) Perdas de água: s simulação será iniciada com os nós J53, J58, J77, J86 e J92

da rede de distribuição de água, com coeficientes emissores no valor de 0.05 para

simular uma perda de água (vazamento) na rede. Ao longo da simulação, estes

155


Versão 2012

coeficientes serão retirados. Logo, este item procura mostrar os impactos que as

perdas de água possuem na questão do bombeamento na rede.

d) Regras de operação: a simulação será iniciada com as seguintes regras

operacional entre a CB4 e do reservatório R5:

RULE 15

IF TANK R5 LEVEL <= 3.60

THEN PUMP CB4-A STATUS IS OPEN

RULE 16

IF TANK R5 LEVEL >= 4.45

THEN PUMP CB4-A STATUS IS CLOSED

Estas regras indicam uma eficiência muito baixa na função básica de um reservatório

que é de flutuar o seu nível. Nestas regras, o reservatório funciona como uma caixa

de passagem, variando seu nível de 80% a 100%.

Posteriormente, as regras serão substituídas por comandos que forcem o R5 a

trabalhar com maior amplitude o seu nível, conforme abaixo:

RULE 15

IF TANK R5 LEVEL <= 1.0

THEN PUMP CB4-A STATUS IS OPEN

RULE 16

IF TANK R5 LEVEL >= 4.45


Ainda em cima desta regra, será forçada uma paralisação no horário de ponta, sendo

este horário estipulado das 18 às 21 horas. Esta situação será representada pela

seguinte regra:

156


Versão 2012

RULE 21

IF SYSTEM CLOCKTIME >= 6 PM

AND SYSTEM CLOCKTIME <= 9 PM


PRIORITY 1

e) Reenquadramento tarifário: as simulações serão iniciadas com tarifação

convencional. Após garantir que as bombas da CB4 conseguem ser paralisadas

durante o horário de ponta, será realizado o reenquadramento para a tarifa verde.

Esses valores correspondem tarifação aplicada pela CELESC - Centrais Elétricas de

Santa Catarina conforme sua Resolução Homologatória Nº 1.037, de 3 de Agosto de

2010 da ANEEL - Agencia Nacional de Energia Elétrica e encontram-se nas tabelas

abaixo.

Tabela 8.3: Tarifa Convencional. Fatura Tarifa Convencional Horário Tarifa

Consumo A4 0,18218 (R$/kWh) Demanda kW 32,53 (R$/kW)

Tabela 8.4: Tarifa Azul. Fatura Tarifa Azul

Horário Sazonalidade Tarifa

Consumo Ponta Per. Seco 0,28293 (R$/kWh) Per. Úmido 0,25670 (R$/kWh)

Consumo Fora de Ponta Per. Seco 0,17965 (R$/kWh) Per. Úmido 0,16444 (R$/kWh)

Demanda Ponta (kW) - 33,15 (R$/kW) Demanda Fora de Ponta - 8,66 (R$/kW)

Tabela 8.5: Tarifa Verde. Fatura Tarifa Verde

Horário Sazonalidade Tarifa Consumo Ponta Per. Seco 1,05280 (R$/kWh)

Per. Úmido 1,02657 (R$/kWh) Consumo Fora de Ponta Per. Seco 0,17965 (R$/kWh)

Per. Úmido 0,16444 (R$/kWh) Demanda Ponta (kW) - 8,66 (R$/kW)

157


Versão 2012

A tarifação inicial da simulação será de R$ 0,18218 por kWh com uma demanda de

R$ 32,53 por kWh (convencional). Posteriormente, com a paralisação das bombas

no horário de ponta, indicado pela regra 21 do item d, o preço da energia será de

R$ 0,16444 por kWh com uma demanda fora de ponta no valor de R$ 8,66 por

kWh (tarifa verde, consumo fora de ponta no período úmido). Na Tabela 8.6, tem-se

um resumo geral do estudo de eficiência energética.

Tabela 8.6: Resumo das medidas administrativas e operacionais do estudo.

CONDIÇÕES DE CONTORNO INICIAL FINAL

Conjunto motor-bomba

Modelo 50-200

Modelo 65-200

Coeficiente C de H-W

105

130

Coeficiente Emissor

0,05

0

Regras Operacionais

Pouca flutuação R5

Maior flutuação do R5 e

paralisação na ponta

Tarifação energética

Convencional

Verde

8.5.2. Simulações iniciais

O tempo de simulação adotado será o de 168 horas (7 dias) fazendo com que o

EPANET faça uma média representativa deste período dos parâmetros energéticos.

Na Figura 8.8, tem-se alguns resultados com a condição inicial.

158


Versão 2012

Figura 8.8: Funcionamento da CB4-A para a condição inicial.

Figura 8.9: Flutuação do reservatório R5 para a condição inicial.

Pelas Figuras 8.8 e 8.9, percebe-se um funcionamento elevado da CB4-A e uma

pouca flutuação do R5 devido às regras limitarem seu nível. Nesta condição inicial de

simulação, tem-se o seguinte cenário energético mostrado na Tabela 8.6.

159


Versão 2012

Tabela 8.6: Relatório de energia e custo – Situação atual.

Parâmetros Situação Atual

Tempo de Funcionamento (h) 17,55

Potência máxima (kW) 26,34

Custo/dia (R$) 78,40

Demanda Contratada/mês (R$) 856,84

Custo/mês (R$) 3.028,84

Custo/ano (R$) 38.506,08

8.5.3. Simulações finais

Após implantação das alternativas administrativas e operacionais propostas nesta

aplicação prática, observam-se os seguintes gráficos do funcionamento da bomba

CB4-A e da flutuação do reservatório R5.

Figura 8.10: Funcionamento da CB4-A para a condição final.

160


Versão 2012

Figura 8.11: Flutuação do reservatório R5 para a condição final.

Nesta condição final de simulação, tem-se o seguinte cenário energético mostrado na Tabela

8.7.

Tabela 8.7: Relatório de energia e custo – Situação final.

Parâmetros Situação Atual

Tempo de Funcionamento (h) 13,84

Potência máxima (kW) 27,45

Custo/dia (R$) 56,67

Demanda Contratada/mês (R$) 237,72

Custo/mês (R$) 1.937,82

Custo/ano (R$) 23.253,80

Conforme observado pelos gráficos e tabelas gerados após as implementações de

medidas visando à eficiência energética do processo de bombeamento da CB4

constatou-se que o EPANET é uma ferramenta bastante útil para a realização de

alternativas no âmbito operacional e também administrativo. Evidentemente, o

software possui suas limitações.

161


Versão 2012

Porém, os resultados apresentados servem para que o tomador de decisões possa

avaliar rapidamente alternativas complexas e dispendiosas em apenas alguns cliques

e simulações rápidas economizando tempo e recursos.

Na Tabela 8.8 é apresentado um comparativo entre todas as alternativas de modo

individual. Já no gráfico da Figura 8.12 são mostrados os resultados econômicos de

forma simplificada.

162


Versão 2012

163


Versão 2012

9. Estudo de Válvulas

Um sistema de abastecimento de água é composto por diversos tipos de válvulas. O

EPANET modela esses acessórios como trechos, e cada tipo de válvula são

caracterizados por parâmetros de controle conforme sua utilização.

9.1. Tipos de válvulas e sua denominação no EPANET

A seguir são apresentados os tipos de válvulas que o EPANET simula, seguido de sua

nomenclatura abreviada, que segue o padrão do programa na língua inglesa, que foi

mantido na versão brasileira.

9.1.2 Válvula de manobra (registro de manobra) – TCV

Para garantir boa qualidade e continuidade de serviços sem interrupção, a manobra

das redes de distribuição ocupa lugar de destaque, pois pode permitir que em casos

de acidentes ou demandas de emergência, seja minimizada a área de

desabastecimento (TSUTIYA, 2006).

O isolamento do setor de manobra deve ser feito pelo menor número de válvulas,

pois a manobra requer rapidez de ação tanto no fechamento como na sua abertura,

evitando prejuízo aos consumidores (TSUTIYA, 2006).

Para o setor de manobra, as válvulas são colocadas nas tubulações para restrição

total ou parcial da passagem de água, de acordo com as necessidades, e seus

principais objetivos são:

• Isolar trechos de canalização para reparos;

• Melhorar o abastecimento de determinadas áreas com o fechamento de outras,

em casos de incêndio, falta de água, prolongamento da rede, etc;

164


Versão 2012

• Delimitar setores de abastecimento, isolando as áreas de zonas de pressão

distintas.

No EPANET, as válvulas de manobra são definidas como uma propriedade da

tubulação, a qual pode estar fechada ou aberta. As válvulas de manobra mais

importantes são modeladas como Válvula de Controle de Perda de Carga ou Válvula

Borboleta, TCV (Throttle Control Valve), como pode ser observado na Figura 9.1 e

seu parâmetro de controle é um coeficiente de perda de carga singular. Seu estado

Aberto ou Fechado é configurado nas propriedades da válvula, no campo Estado

Fixo.

Figura 9.1: Representação de registro de manobra como uma TCV no EPANET.

9.1.3 Válvula sustentadora de pressão – PSV

A válvula sustentadora de pressão, PSV (Pressure Sustaining Valve) é projetada para

sustentar pressões mínimas a montante, independentemente da variação de pressão

e vazão do sistema. Esse tipo de válvula pode ser utilizado em situações nos quais,

165


Versão 2012

uma demanda não prevista, poderia resultar em pressões inadequadas na rede de

distribuição, conforme pode ser observado na Figura 9.2 (TSUTIYA, 2006).

A PSV instalada na linha é utilizada para sustentação de pressão, entretanto, quando

instalada em derivação com descarga para a atmosfera, atua como válvula de alívio

(Tsutiya, 2006). No EPANET, o parâmetro de controle da PSV é a pressão.

Figura 9.2: Uso da PSV para abastecer duas zonas de pressão (adaptado de Tsutiya, 2006).

A válvula também é utilizada para simular a “entrada por cima” em reservatórios de

nível variável. Isto porque o EPANET considera a “entrada por baixo” nos

reservatórios de nível variável como padrão. Em vista disso, numa situação onde

existe recalque diretamente para um reservatório, por exemplo, a situação real não

vai estar bem representada, pois a medida que o nível do reservatório varia, a vazão

de recalque também vai variar, pois a altura geométrica estará mudando. Para

“forçar” a entrada por cima, usa-se o artifício de inserção, no modelo, de uma

válvula sustentadora de pressão (PSV), para garantir, na entrada do reservatório,

Válvula sustentadora de pressão PSV

166


Versão 2012

uma pressão constante e igual à pressão atmosférica – tradução da condição

hidráulica de “entrada por cima”. Neste esquema, a válvula sustentadora de pressão

não existe no projeto nem na instalação real de campo; é apenas um artifício para

que o modelo represente fielmente os resultados dos cálculos hidráulicos (Heller,

2006).

9.1.4 Válvula redutora de pressão – PRV

A válvula redutora de pressão, PRV (Pressure Reducing Valve), Figura 9.3 é uma

válvula de controle automática projetada para reduzir a pressão de montante a uma

pressão constante a jusante, independentemente da variação de vazão e pressão do

sistema (TSUTIYA, 2006). No EPANET seu parâmetro de controle é a pressão.

Figura 9.3: Válvula redutora de pressão.

9.1.5 Válvula reguladora de vazão – FCV

As válvulas reguladoras de vazão, FCV (Flow Control Valve), Figura 9.4, limitam o

valor da vazão a jusante da válvula, e podem ser utilizadas para regular a vazão, na

operação de enchimento de alguma linha, de modo gradual, e assim evitar golpes de

aríete. No EPANET seu parâmetro de controle é a vazão.

167


Versão 2012

Figura 9.4: Válvula reguladora de vazão.

9.1.6 Válvulas de perda de carga fixa – PBV

As válvulas de perda de carga fixa, PBV (Pressure Breaker Valve), não constituem um

componente físico de um sistema de abastecimento de água, no entanto, podem ser

utilizadas para modelar situações em que existe uma perda de carga fixa que é

conhecida. No EPANET seu parâmetro de controle é a pressão.

9.1.7 Válvulas genéricas – GPV

As válvulas genéricas, GPV (General Purpose Valve), são utilizadas para representar

um trecho com uma lei de escoamento especial, diferente das expressões utilizadas

para o restante das válvulas já apresentadas. Podem ser utilizado para simular

turbinas, escoamento em poços ou válvulas de retenção de vazão reduzida. No

EPANET seu parâmetro de controle é uma curva de perda de carga.

9.2. Apresentação do estudo com válvulas

9.2.1. Usos comuns - Entrada por cima em reservatórios

O arquivo Valvulas.net será utilizado como exemplo para o estudo com válvulas,

onde serão demonstradas a utilização:

168


Versão 2012

• PRV – Válvula redutora de pressão;

• PSV – Válvula sustentadora de pressão;

• FCV – Válvula reguladora de vazão.

Os respectivos parâmetros de controle para as válvulas utilizadas são:

• PRV – 60;

• PSV – 0;

• FCV – 300;

Após a configuração das válvulas execute uma simulação e observe que uma

mensagem de advertência irá aparecer:

“ADVERTÊNCIA: FCV FCV_ETA aberto, mas não atingiu a vazão”

Esta mensagem de aviso é apenas informativa e surge sempre que não seja possível

ou desejável fornecer a vazão para o qual foi regulada, situação essa que pode ser

freqüente e é perfeitamente aceitável.

O EPANET, conforme já foi colocado anteriormente, têm como padrão a entrada de

água por baixo em reservatórios. Com o objetivo de aperfeiçoar os resultados

obtidos com a simulação, foi utilizada a válvula PSV, como artifício de modelagem,

para “forçar” a entrada por cima. Em virtude de sua condição padrão, é de se

esperar que, à medida que o nível do reservatório varie, a vazão de recalque seja

também alterada, pois a altura geométrica estará mudando, como demonstrado nas

Figuras 9.5 e 9.6.

169


Versão 2012

Figura 9.5: Vazão de recalque na condição entrada por baixo.

Figura 9.6: Vazão de recalque na condição entrada por cima.

170


Versão 2012

9.2.2. Situação crítica - Rompimento de adutoras

Outro uso que se pode fazer das válvulas é com relação ao estudo de situações

críticas, como por exemplo, no rompimento de uma adutora. Na Figura 9.7, tem-se o

modelo exemplo utilizado para esta demonstração e a indicação em vermelho, do

local específico do estudo.

Figura 9.7: Modelo exemplo para simulação do rompimento de uma adutora.

171


Versão 2012

Rapidamente, sobre o funcionamento do modelo: A ETA produzi água que é

recalcada pelas bombas da CB1. Estas por sua vez, abastecem os reservatórios de

sobra R1 e R2. Mais próximo a região do R1, as bombas CB4 e CB5 abastecem seus

respectivos reservatórios e setores e mais próximo a região do R2, as bomba CB2 e

CB3 abastecem seus respectivos reservatórios e setores.

O local indicado em vermelho da Figura 9.7, indica uma passagem crucial do modelo,

no qual toda a água demandada passa por aquele trecho. Logo, ele foi escolhido

como um trecho crítico para o estudo. Para simular então, um rompimento na

adutora, foi inserida uma válvula fictícia (REG4). Nesta válvula, serão simuladas

situações de abertura e fechamento.

Para este exemplo, foi estipulado que o rompimento (fechamento) da tubulação

ocorreu às 02h00min até as 12h00min (10 horas sem água). Após este período,

considerou-se que o reparo foi efetuado (abertura) e que o estabelecimento de água

foi normalizado. As regras múltiplas utilizadas para esta situação são:

RULE 21

IF SYSTEM CLOCKTIME >= 2 AM

AND SYSTEM CLOCKTIME <= 12 PM

THEN VALVE REG4 STATUS IS CLOSED

RULE 22

IF SYSTEM CLOCKTIME > 12 PM

THEN VALVE REG4 STATUS IS OPEN

172


Versão 2012

As regras acima indicam que a válvula fictícia REG4 será fechada das 2h da manhã

até ao meio dia. Após este horário a válvula será aberta. Com esta condição

estabelecida, observam-se os seguintes gráficos:

Figura 9.8: Flutuação do R1 após inicio do vazamento e fechamento das elevatórias da produção de

água.

Figura 9.9: Flutuação do R2 após inicio do vazamento e fechamento das elevatórias da produção de

água.

Conforme Figuras 9.8 e 9.9, observou-se que os reservatórios que recebiam água da

produção, esvaziaram-se por completo próximo das 8 horas da manhã.

Conseqüentemente, houve uma falta de água no modelo, conforme observado pela

Figura 9.10.

173


Versão 2012

Figura 9.10: Perfil da pressão na rede às 12h00m exemplificando o desabastecimento do sistema.

Um detalhe que deve ser chamado à atenção para este tipo de análise é a seguinte:

O EPANET possui uma condição de executar de forma cíclica as regras nele inseridas

a cada 24 horas de simulação, ou seja, as regras relacionadas à válvula REG4 se

repetirão a cada 24 horas, inviabilizado a demonstração de um cenário no qual é

174


Versão 2012

desejável mostrar uma interrupção de água no sistema e acompanhar sua

recuperação ao longo do tempo em uma mesma simulação.

De forma a contornar este problema, as regras múltiplas 21 e 22 serão

transformadas em regras simples conforme abaixo:

LINK REG4 CLOSED AT TIME 2

LINK REG4 OPEN AT TIME 12

Conforme as regras acima especificou-se que as 2 horas da manhã a válvula seria

fechada e só seria reaberta as 12 horas. Como não há mais nenhum comando para a

válvula, a mesma será mantida aberta até o final da simulação. Logo, será possível

visualizar a recuperação do sistema.

OBS: É necessário excluir as regras 21 e 22 para trabalhar com as regras simples.

Nas Figuras 9.11 e 9.12, é possível identificar como os reservatórios R1 e R2

trabalharam no processo como um todo.

OBS: O tempo de simulação, inicialmente configurado para 72 horas (3 dias) foi

alterado para 120 horas (5 dias) para poder identificar nos reservatórios o inicio de

um padrão de consumo de modo a constatar o período exato de recuperação do

sistema.

175


Versão 2012

Figura 9.11: Flutuação do reservatório R1 com as regras simples inseridas no modelo.

Figura 9.12: Flutuação do reservatório R2 com as regras simples inseridas no modelo.

De acordo com as respostas fornecidas dos gráficos do R1 e do R2, observaram-se

os pontos nos quais se iniciam os comportamentos padrões de cada um deles. Por

exemplo, verificou-se que o R1 precisou de cerca de 50 horas (pouco mais de dois

dias) e o R2 precisou de 45 horas (quase 2 dias) para recuperarem seus volumes.

176


Versão 2012

10. Estudo de Qualidade da água

10.1 Introdução

Os modelos do comportamento de parâmetros de qualidade da água simulam o

movimento e transformação de substâncias físico-químicas ou bioquímicas que

possam considerar-se como estando em solução na água. Exemplos de substâncias

que são freqüentemente objeto de simulação incluem o cloro residual, sub-produtos

da desinfecção tais como Trihalometanos e o flúor.

Os modelos permitem ainda o cálculo do tempo de percurso entre dois pontos da

rede (ou entre as origens e os pontos de consumo), e da proporção de água

originária de um nó qualquer que é consumida em todos os outros nós da rede,

também designado por rastreio da água proveniente de origens específicas.

10.2 Aplicações

De acordo com Coelho et al.(2006), a utilização dos modelos de qualidade da água

se dá em dois níveis:

• Ao nível mais direto, onde é permitido o cálculo da propagação de concentrações

de parâmetros de qualidade, bem como do tempo de percurso e do rastreio da

água proveniente de origens específicas;

• De forma indireta, contribuindo para a qualidade dos modelos hidráulicos sobre

os quais se baseiam, tanto pela exigência adicional que sobre eles colocam, como

pelos meios adicionais de aferição dos resultados que possibilitam.

177


Versão 2012

Tal como os modelos hidráulicos, também os modelos de qualidade da água podem

ser utilizados para:

• Simulação, em que servem essencialmente para descrever os processos que

ocorrem nos sistemas – funcionam como um complemento Do monitoramento

(por amostragem ou outra), para delas inferir mais informação, de forma dirigida;

• Otimização de processos, na procura de uma solução ideal para um problema de

dimensionamento ou operação.

Alguns exemplos específicos da utilização de modelos de qualidade da água incluem:

• Planejamento de programas de amostragem;

• Otimização do processo de desinfecção;

• Localização de estações de re-cloragem;

• Previsão dos efeitos do armazenamento;

• Minimização dos tempos de percurso;

• Previsão da propagação de contaminantes e estabelecimento de estratégias de

lavagem de tubulações;

• Controle das porcentagens de água a misturar em sistemas com origens de água

diferentes;

• Previsão de potenciais problemas de degradação de qualidade;

• Comparação de estratégias operacionais.

Com os requisitos de qualidade da água, os quadros regulamentares estão cada vez

mais exigentes. Os crescentes custos de tratamento e manutenção de qualidade da

água, e a visibilidade dos problemas de qualidade da água junto aos consumidores e

agentes sociais, a modelagem de qualidade da água deverá progressivamente

desempenhar um papel central no planejamento, projeto e controle operacional de

sistemas de distribuição.

178


Versão 2012

10.3. Simulação de Qualidade da Água

10.3.1 Tempo de percurso ou idade da água

Uma das variáveis cuja simulação permite inferir informação mais valiosa sobre a

qualidade da água de um sistema é, na realidade, uma variável puramente

hidráulica: o tempo de percurso ou idade da água.

O tempo de percurso permite um ganho de sensibilidade muito apreciável ao

funcionamento hidráulico de um sistema, incluindo a percepção dos caminhos

preferenciais, das zonas de menor movimento ou de estagnação, e das zonas em

que poderá ser mais ou menos significativo, por exemplo, colher amostras para

controle da qualidade da água.

10.3.1 Concentração de parâmetros não-conservativos: decaimento do

cloro residual

10.3.1.1 Introdução

O teor de cloro residual da água tratada diminui gradualmente desde a estação de

tratamento ou ponto de cloragem até a torneira do consumidor, devido a reações

que ocorrem quer no seio da água, quer na interface com as paredes dos

componentes do sistema. O cloro residual presente na água liberta-se ainda para a

atmosfera através da superfície livre em reservatórios e outros órgãos de

armazenamento.

10.3.1.2 Generalidades

O cloro residual reage facilmente com diversas espécies orgânicas e inorgânicas

presentes tanto na água transportada, como por interface com os elementos físicos

do sistema, tais como as tubulações e os reservatórios. Este decaimento é,

179


Versão 2012

usualmente, dividido em duas componentes: decaimento no escoamento e

decaimento na parede.

A totalidade das reações que ocorrem, assim como os respectivos mecanismos e

velocidades, não é ainda hoje conhecida, mas, em geral, as reações com as espécies

inorgânicas são mais rápidas do que com as espécies orgânicas. A velocidade com

que cada uma destas reações ocorre é função da espécie em causa e de outros

fatores como o pH e temperatura da água, concentrações dos reagentes envolvidos,

o fato de existir complexação por matéria orgânica e o estado de oxidação em que a

espécie já se encontra.

A interação com a parede inclui a reação do cloro com o próprio material das

tubulações, com biofilmes aderentes à sua superfície ou com sedimentos acumulados

em pontos baixos do sistema de distribuição. Ocorre, quer quando os materiais são

novos, quer quando já se encontram em operação há vários anos, sendo o tipo de

reações diferentes nas duas situações. No caso de materiais sintéticos a interação é

fraca se a tubulação é nova, sendo porém já significativa quando se desenvolvem

camadas de biomassa fixa nas paredes internas. Por outro lado, a reação com o

material poderá ser significativa no caso de tubulações metálicas devido ao

fenômeno da corrosão.

10.3.1.3. Determinação das constantes cinéticas de decaimento

a) No escoamento

Uma vez que o decaimento do cloro residual no escoamento não depende dos

materiais das tubulações, mas somente das características da água, podem ser

efetuados testes em laboratório para determinação das constantes cinéticas que

caracterizam esse decaimento (no EPANET a constante de decaimento no

escoamento é denominada de Kb ).

180


Versão 2012

A seguir é apresentado o procedimento de determinação da constante cinética de

decaimento no volume do escoamento, de acordo com Coelho et al.(2006):

1. Preparação de um grande volume de água fortificada pela mistura de água da

rede com um reagente de cloro;

2. Divisão desta mistura por vários frascos de vidro escuro do tipo Winkler,

completamente cheios e hermeticamente fechados. Estes frascos foram

submetidos a uma preparação prévia de modo a eliminar a carência de cloro do

material;

3. Manutenção dos frascos a uma temperatura constante;

4. Ao fim de intervalos de tempo pré-determinados, abertura de um frasco e

determinação do cloro residual;

5. Representação gráfica dos valores da concentração de cloro em função do tempo.

Para a determinação de valores de constantes cinéticas de decaimento de cloro em

modelagem, os resultados obtidos nos testes de garrafa são ajustados através de

modelos cinéticos que descrevem a diminuição da concentração de cloro ao longo do

tempo. O modelo de 1ª ordem, onde a velocidade da reação é proporcional a

concentração de cloro, é o de maior simplicidade e tradicionalmente usado nos

modelos de simulação (Coelho et al.,2006).

b) Na parede

A determinação, o mais preciso possível, dos parâmetros do decaimento devido às

reações que ocorrem com as paredes dos componentes do sistema passaria

provavelmente pela análise exaustiva em laboratório do comportamento da água em

contato com tubulações retiradas da rede, em variedade de materiais, idades e

condições representativas da rede em estudo. No entanto, não é viável estabelecer

tal conhecimento sem custos apreciáveis que, em termos práticos, não convergem

com as necessidades de utilização corrente da modelagem de qualidade da água.

181


Versão 2012

No entanto, podem ser conseguidas estimativas viáveis, em função dos objetivos

pretendidos, recorrendo a medições diferenciais de cloro residual na rede, após o

conhecimento das características do decaimento no volume do escoamento.

Para tal, é necessário identificar trechos, entre pontos de amostragem, onde se

verifique um tempo de percurso suficiente para permitir identificar o efeito a partir

da diferença entre as medições de cloro residual nas seções de montante e de

jusante. Tal dependerá da magnitude desse efeito, o que variará com o tipo de

material e estado das tubulações.

Deduzindo a parcela de decaimento no escoamento, obtido por meio da cinética

determinada laboratorialmente para condições semelhantes, obterá uma indicação da

importância relativa da parcela de decaimento devido a interação com a parede (no

EPANET a constante de decaimento na parede é denominada de Kw).

Para este tipo de determinação deverão ser testados os tipos de tubulações (material

/ idade) mais importantes do sistema. É previsível que a gama passível de ser

testada seja limitada pela disponibilidade de pontos de amostragem e de medição.

10.3.1.4. Legislação

Segundo a Portaria n°518/2004 do Ministério da Saúde, em seu Art. 13:

”Após a desinfecção, a água deve conter um teor mínimo de cloro residual livre de

0,5 mg/L, sendo obrigatória a manutenção de, no mínimo, 0,2 mg/L em qualquer

ponto da rede de distribuição...” , e em seu Art. 16:

“§2.º Recomenda-se que o teor máximo de cloro residual livre, em qualquer ponto

do sistema de abastecimento, seja de 2,0 mg/L.”

182


Versão 2012

A Organização Mundial da Saúde recomenda que o teor de cloro residual nos

sistemas de abastecimento de água se situe na faixa de 0,2 a 0,5 mg/L.

10.3.2 Trihalometanos

Os Trihalometanos (THM – clorofórmio, bromodiclorometano, dibromoclorometano,

bromofórmio) são subprodutos orgânicos halogenados decorrentes da desinfecção da

água por cloro. Subprodutos halogenados são comumente formados quando a água

apresenta matéria orgânica natural que reage com cloro ou bromo livre (Di Bernardo,

2005).

De acordo com a Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde e as recomendações da

Organização Mundial da Saúde, o teor máximo permitido de THM na rede de

distribuição é de 0,1mg/L.

10.4. Apresentação do estudo de qualidade de água

A seguir é apresentado o procedimento para simulação de qualidade de água com

três parâmetros:

• Tempo de percurso (Age) – Arquivo: Qualidade_Agua_Tempo_Percurso.net

• Decaimento do cloro residual – Arquivo: Qualidade_Agua_Cloro_Residual.net

• Formação de Trihalometanos – Arquivo: Qualidade_Agua_THM.net

Em simulações de Qualidade da Água, configuram-se os parâmetros desejados para

nossa rede através da janela do Navegador – Dados – Opções – Qualidade e

Reações, como mostradas nas Figuras 10.1 e 10.2.

183


Versão 2012

Figura 10.1

10.4.3 Tempo de percurso

Para simular o tempo de percurso (idade da água) no EPANET, selecione o

parâmetro Age na janela do Navegador em Opções - Qualidade, como mostrado

na Figura 10.3.

Figura 10.3: Configuração para simulação de tempo de percurso.

Figura 10.2

184


Versão 2012

A seguir execute uma simulação dinâmica e selecione Age como parâmetro a

visualizar no mapa. Crie um gráfico da variação do tempo de percurso (idade da

água) no R1, como apresentado na Figura 10.4.

Figura 10.4: Idade da água no R1, simulação de 24hrs.

Analisando a Figura 10.4 pode-se observar que o período de tempo simulado, de

24hrs, não é tempo suficiente para que se verifique um comportamento periódico do

tempo de percurso (idade da água) no R1.

O primeiro cuidado a verificar-se para o estabelecimento de uma simulação em um

modelo de qualidade da água é a duração mínima necessária para a inicialização da

rede com valores ciclicamente estáveis da variável simulada, neste caso o tempo de

percurso.

185


Versão 2012

Assim, deve-se rodar o modelo para uma simulação de duração suficientemente

longa, por exemplo, uma semana, e determinar qual o maior valor do tempo de

percurso que ocorre, e em que nó. Deve-se ainda verificar se esse tempo estabiliza

ou regride, dentro do espaço de tempo simulado, pois caso contrário será necessário

aumentar a duração da simulação.

Uma vez determinado o máximo tempo de percurso, o primeiro ciclo diário cujos

resultados são significativos é aquele que ocorre após esse tempo de percurso

máximo.

Na Figura 10.5 pode-se observar o tempo de percurso no R1 em uma simulação de

270 horas, e constata-se que o maior tempo de percurso é de aproximadamente 90

horas, o que significa que só deverão ser considerados significativos os resultados da

simulação obtidos para o quarto dia e seguintes.

Figura 10.5: Idade da água no R1, simulação de 270 h.

Como resultado da simulação pode-se gerar um gráfico de isolinhas (Figura 10.6)

para melhor visualização dos tempos de percurso.

186


Versão 2012

Figura 10.6: Isolinhas do tempo de percurso ou idade da água.

10.4.4 Decaimento do cloro residual

Para simular o transporte e o decaimento do cloro residual no EPANET, selecione

Navegador – Dados - Opções – Qualidade. No campo de parâmetro do editor de

propriedades, escreva Cloro residual, como apresentado na Figura 10.7.

Figura 10.7: Configuração para simulação do decaimento do cloro residual

187


Versão 2012

Mude para Opções – Reações na janela do Navegador. Introduza os seguintes

parâmetros:

• Ordem da reação no escoamento: 1 (primeira ordem);

• Ordem de reação na parade: First (primeira);

• Coeficiente de Reação no Escoamento: -0.68

• Coeficiente de Reação na parede: -0.1

A seguir introduza no campo Qualidade Inicial do nó que recebe a cloração (em

nossa rede exemplo esse nó é a Estação de Tratamento de Água – RNF ETA) a

quantidade de cloro residual fornecida a rede, igual a 0.90mg/L, como exemplificado

na Figura 10.8.

Figura 10.8: Quantidade de cloro residual fornecida à rede.

188


Versão 2012

Execute uma simulação e gere um gráfico de isolinhas – cloro residual as 155:00

horas da simulação, como apresentado na Figura 10.9.

Figura 10.9: Isolinhas do decaimento do cloro residual.

189


Versão 2012

Pode-se observar que na região a partir do nó J401 a concentração de cloro residual

não atende aos parâmetros exigidos pela legislação. Uma das utilidades de um

modelo de qualidade da água é a possibilidade de simular uma estação de reforço do

nível de cloro na rede.

Coloque a estação de reforço de cloro num nó com consumo nulo ou positivo. No

exemplo prático, será colocado no nó J401. Nas propriedades do nó J401, selecione

o parâmetro Origem de Qualidade para chamar o Editor de Origem de

Qualidade para o Nó J401. Faça a adição de uma concentração de cloro fixa,

configurando a opção Tipo de Origem para Reforço de Concentração, e a

Origem de QA para o valor de 0.6mg/L.

Na Figura 10.10 pode-se observar que depois de inserida a estação de reforço, os

níveis de cloro residual ficaram dentro dos padrões exigidos pela legislação, para a

região do nó J401.

Figura 10.10: Isolinhas do decaimento do cloro residual, com estação de re-cloragem.

190


Versão 2012

10.4.5 Formação de Trihalometanos

O crescimento de Trihalometanos (THM) é modelado no EPANET utilizando leis

cinéticas de saturação de primeira ordem. Para realizar uma simulação do

crescimento de THM, selecione Opções – Qualidade e Reações e preencha os

campos dos parâmetros com os seguintes valores:

Qualidade

• Parâmetro: Trihalometanos;

• Unidades de massa: µg/L;

• Nó procurado: ETA;

Reações

• Ordem de reação no escoamento: 1;

• Ordem de reação na parede: Zero;

• Coef. reação no escoamento: 0.15;

• Coef. reação na parede: Zero;

• Concentração-limite: 100µg/L.

No nó ETA, preencha a propriedade Qualidade Inicial com 30µg/L. As

concentrações iniciais em todos os nós da rede devem ser pelo menos iguais a

concentração de THM que entra na rede a partir de um nó de origem, ou seja, todos

os nós da rede devem possuir o parâmetro Qualidade Inicial igual a 30µg/L. A seguir

execute uma simulação e observe os resultados.

Observe que em nenhum ponto da rede os THM ficaram fora dos valores estipulados

pela legislação.

191


Versão 2012

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