controlo em tempo real de sistemas de drenagem urbanos · i resumo esta dissertação tem como...
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Controlo em Tempo Real de Sistemas de Drenagem
Urbanos
Ricardo Manuel de Sá Machado
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientador: Professora Doutora Filipa Maria Santos Ferreira
Júri
Presidente: Professor Doutor António Alexandre Trigo Teixeira
Orientador: Professora Doutora Filipa Maria Santos Ferreira
Vogais: Professor Doutor José Manuel de Saldanha Gonçalves Matos
Julho 2014
i
Resumo
Esta dissertação tem como objectivo principal apresentar os aspectos mais relevantes do controlo em
tempo real (CTR) de sistemas de drenagem urbanos, à luz do estado da arte actual, duma forma
estruturada e compreensível aos leitores não familiarizados com o tema, que possibilite o
desenvolvimento de casos de estudo da aplicação de CTR.
Entre estes aspectos inclui-se a caracterização sumária dos sistemas de drenagem urbanos, seus
problemas e meios de resolução tradicionais; estado da arte e perspectivas de desenvolvimentos
futuros do CTR; enquadramento legal do CTR; definição, vantagens e princípios gerais do CTR;
monitorização e previsão; tipos de CTR e sua comparação; elementos de controlo e formas da sua
utilização; etapas planeamento dum sistema de CTR; simulação dinâmica dos sistemas de
drenagem; métodos de avaliação do potencial do CTR; tipos de algoritmos de CTR e formas do seu
desenvolvimento; dificuldades da aplicação do CTR e exemplos reais de aplicação de CTR.
Concluiu-se que a relevância da aplicação de CTR a sistemas de drenagem urbanos é actualmente
indiscutível, pelo seu potencial de resolução dos problemas típicos destes sistemas (como
inundações, descargas directas para o meio receptor e poluição), e capacidade de minimizar a
necessidade de investimento em infra-estruturas onerosas como reservatórios.
Uma avaliação expedita do potencial do CTR no caso de estudo da frente de drenagem do Terreiro
do Paço-Alcântara, na cidade de Lisboa, concluiu que se justifica explorar com mais detalhe a
aplicação de CTR a essa zona como forma de resolver os problemas aí presentes.
Palavras-chave: controlo em tempo real (CTR), sistemas de drenagem urbanos, estado da arte,
exemplos de aplicação, caso de estudo
ii
Abstract
The main objective of this thesis is to present the most relevant aspects of real time control (RTC) of
urban sewer systems, in light of the current state of the art, in a structured and comprehensible
manner to readers unfamiliarized with the subject, so as to enable the development of detailed RTC
case studies.
The aspects herein considered include a brief description of urban sewer systems; their problems and
traditional means of resolution of such problems; state of the art and prospects of future developments
in RTC; RTC’s legal framework; definition, advantages and general principles of RTC; monitoring and
prediction; types of RTC and their comparison; control elements and ways to utilize them; stages of
planning an RTC system; dynamic simulation of sewer systems; methods to evaluate RTC potential;
types of RTC algorithms and forms of their development; difficulties in the application of RTC and real
examples of RTC application.
It has been concluded that the relevance of the application of RTC to urban sewer systems is currently
indisputable given its potential to solve the typical problems of these systems (such as floods,
overflows into the receiving environment and its pollution), and its capability to minimize the need for
investment in costly infrastructures such as stormwater tanks.
An expeditious analysis of RTC’s potential in the case study of the Terreiro do Paço-Alcântara
drainage front, in the city of Lisbon, has concluded that it is justifiable to explore in further detail the
application of RTC to this area as a way to solve the problems present therein.
Key-words: real time control (RTC), urban sewer systems, state of the art, application examples,
case study
iii
Agradecimentos
Agradeço em primeiro lugar à Professora Filipa Santos Ferreira, pela excelência do seu desempenho
como minha orientadora, formação prestada, aconselhamento e dedicação, que asseguraram a
qualidade do trabalho desenvolvido.
Agradeço à CLABSA e em particular ao seu Director Técnico, Pere Malgrat; Director de Exploração e
Manutenção, Jordi Cabot e Pilar Campos, por me terem recebido nas suas instalações em Barcelona,
onde me fizeram uma visita guiada, facultaram informação e documentação importante para
compreensão da aplicação do controlo em tempo real a sistemas de drenagem urbanos.
Agradeço ao Professor José Saldanha Matos pela formação prestada.
Estou grato à SIMTEJO e em particular ao Eng. Pedro Póvoa e Eng.ª Conceição David pela
informação partilhada.
À Eng.ª Cecília Lopes, Ângela Salgado e Miguel Soares agradeço a cooperação na recolha de
informação cadastral e elaboração do modelo de simulação da rede de drenagem de Lisboa.
Ao Professor Manfred Schütze fico grato por ter facultado documentação fulcral sobre controlo em
tempo real e pela formação prestada.
iv
Índice
1. Introdução .......................................................................................................................................1
1.1. Relevância do tema ........................................................................................................................................ 1
1.2. Objectivos ....................................................................................................................................................... 3
1.3. Estrutura do trabalho ..................................................................................................................................... 4
2. Sistemas de drenagem urbana........................................................................................................5
2.1. Caracterização sumária ................................................................................................................................. 5
2.1.1. Constituição dos sistemas de drenagem urbanos ...............................................................5
2.1.2. Concepções clássica e moderna dos sistemas de drenagem urbana ..................................6
2.1.3. Estado da arte e perspectivas de desenvolvimentos futuros ...............................................7
2.2. Principais problemas ................................................................................................................................... 10
2.3. Meios de resolução dos problemas dos sistemas de drenagem ............................................................. 11
2.4. Legislação aplicável ..................................................................................................................................... 13
2.4.1. Enquadramento................................................................................................................13
2.4.2. Direito Comunitário...........................................................................................................14
2.4.3. Direito Nacional ................................................................................................................16
3.Controlo em tempo real: definições, princípios e elementos de controlo .........................................18
3.1. Definição e vantagens do controlo em tempo real .................................................................................... 18
3.2. Princípios gerais ........................................................................................................................................... 22
3.3. Monitorização e Previsão............................................................................................................................. 25
3.3.1. Introdução ........................................................................................................................25
3.3.2. Equipamentos de Monitorização .......................................................................................26
3.3.3. Previsão ...........................................................................................................................32
3.3.4. Avaliação e tratamento dos dados recolhidos ...................................................................33
3.4. Tipos de CTR e sua comparação ................................................................................................................ 36
3.4.1. CTR Local, Combinado, Global e Integrado ......................................................................36
3.4.2. CTR Manual, Supervisionado e Automático ......................................................................40
3.4.3. CTR Reactivo e Preditivo .................................................................................................42
3.4.4. CTR baseado em volume, em poluição e em imissão .......................................................44
3.4.5. Comparação entre os tipos de CTR ..................................................................................47
3.5. Elementos de controlo e formas da sua utilização.................................................................................... 47
3.5.1. Válvulas reguladoras de caudal ........................................................................................47
3.5.2. Reservatórios e bacias de águas pluviais .........................................................................48
3.5.3. Electrobombas e Estações Elevatórias .............................................................................51
v
3.5.4. Descarregadores ..............................................................................................................53
3.5.5. Outros elementos de controlo ...........................................................................................53
3.5.6. Controladores dos actuadores ..........................................................................................53
4. Aplicação de controlo em tempo real a sistemas de drenagem urbanos ........................................55
4.1. Considerações Introdutórias ....................................................................................................................... 55
4.2. Planeamento dum sistema de CTR ............................................................................................................. 55
4.2.1. Etapas Consideradas .......................................................................................................55
4.2.2. Simulação dinâmica do sistema de drenagem ..................................................................61
4.3. Potencial do CTR .......................................................................................................................................... 63
4.3.1. Métodos expeditos de avaliação do potencial do CTR ......................................................63
4.3.2. Métodos detalhados de avaliação do potencial do CTR ....................................................71
4.4. Algoritmos de CTR ....................................................................................................................................... 73
4.4.1. Desenvolvimento offline e online de algoritmos de CTR....................................................73
4.4.2. Optimização linear e não linear ........................................................................................76
4.4.3. Algoritmos Genéticos .......................................................................................................77
4.4.4. Redes Neuronais Artificiais (RNA) ....................................................................................79
4.5. Dificuldades de aplicação do CTR .............................................................................................................. 82
5. Exemplos de aplicação .................................................................................................................84
5.1. Notas introdutórias....................................................................................................................................... 84
5.2. Barcelona, Espanha ..................................................................................................................................... 85
5.2.1. Características gerais do sistema de drenagem................................................................85
5.2.2. Contexto histórico e planeamento.....................................................................................86
5.2.3. Descrição do sistema de CTR actual ................................................................................86
5.2.4. CTR do reservatório de Escuela Industrial ........................................................................89
5.2.5. Resultados do sistema de CTR de Barcelona ...................................................................91
5.3. Québec, Canadá ........................................................................................................................................... 91
5.3.1. Características gerais do sistema de drenagem................................................................91
5.3.2. Contexto histórico e planeamento.....................................................................................92
5.3.3. Implementação do sistema de CTR e resultados ..............................................................93
5.3.4. Descrição do sistema de CTR ..........................................................................................95
5.4. Hildesheim, Alemanha ................................................................................................................................. 97
5.5. Leipzig, Alemanha ...................................................................................................................................... 100
6. Caso de estudo ........................................................................................................................... 102
6.1. Considerações introdutórias ..................................................................................................................... 102
6.2. Caracterização do caso de estudo ............................................................................................................ 103
vi
6.3. Potencial do CTR em minimizar descargas directas ............................................................................... 108
6.4. Principais conclusões ................................................................................................................................ 113
7. Síntese, conclusões e recomendações ....................................................................................... 114
Bibliografia ...................................................................................................................................... 117
Anexos ........................................................................................................................................... 127
Anexo A: Rede de drenagem actual e prevista de Barcelona ....................................................................... 128
vii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Abreviações utilizadas neste documento e seu significado ................................................ xi
Tabela 2 – Vantagens e desvantagens de medidores de caudal para águas residuais (adaptada de
(Póvoa, et al., 2011) e (Brito, 2012))..................................................................................................30
Tabela 3 - Passos de planeamento dum sistema de controlo em tempo real (adaptada de (DWA,
2005)) ...............................................................................................................................................57
Tabela 4 - Lista de requerimentos para programas de simulação para estudos prévios e estudos
detalhados de CTR (adaptada de (Schütze, et al., 2008) e (DWA, 2005))..........................................59
Tabela 5 - Avaliação simplificada do potencial de controlo dum sistema de drenagem urbano (fonte:
(DWA, 2005)) ....................................................................................................................................68
Tabela 6 - Propriedades dos sistemas de drenagem urbanos relevantes para o potencial do CTR
(adaptada de (Zacharof, et al., 2004)) ...............................................................................................69
Tabela 7 - Resultados das simulações do sistema drenagem de Hildesheim para quatro cenários e
durante um período de doze dias (adaptada de (Pabst, et al., 2011)) .............................................. 100
Tabela 8 - Avaliação expedita do potencial do CTR na bacia do Terreiro do Paço ........................... 112
viii
Lista de Figuras
Figura 1 - Um sistema de drenagem urbano operado através de controlo em tempo real (adaptada de
(Schütze, et al., 2002b)) ....................................................................................................................18
Figura 2 - Caudal afluente à ETAR com e sem CTR global com objectivo de equalização do caudal
afluente à ETAR em tempo seco (adaptada de (De Korte, et al., 2009)) ............................................20
Figura 3 - Esquema genérico dum ciclo de controlo com feedback (adaptada de (Ferreira & David,
2014)) ...............................................................................................................................................24
Figura 4 – Utilização da capacidade dos reservatórios dum sistema de drenagem com um sistema
CTR que procura equalizar a utilização da capacidade de armazenamento (adaptada de (De Korte, et
al., 2009)) .........................................................................................................................................24
Figura 5 - Medidor de pressão hidrostático: equipamento (esquerda) e instalação em colector (direita)
(fonte: (Póvoa, et al., 2011)) ..............................................................................................................27
Figura 6 - Medidor de pressão ultrassónico instalado em colector (fonte: (Póvoa, et al., 2011)) .........27
Figura 7 – Medidor de caudal Parshall (esquerda) e medidor ultrassónico instalado em descarregador
(direita) (fonte: (Póvoa, et al., 2011)) .................................................................................................27
Figura 8 - Anel de fixação e sensor pulse doppler (esquerda) e perfil de velocidades (direita) (fonte:
(Póvoa, et al., 2011)).........................................................................................................................28
Figura 9 - Exemplo de instalação de medidor radar com instalação em caleira (esquerda) e em
caneiro (direita) (fonte: (Póvoa, et al., 2011)) .....................................................................................28
Figura 10 - Medidor de velocidade electromagnético instalado em tubagem (fonte: (Póvoa, et al.,
2011)) ...............................................................................................................................................29
Figura 11 - Exemplo dum par de sensores de medição de velocidade do tipo tempo trânsito (fonte:
(Póvoa, et al., 2011)).........................................................................................................................29
Figura 12 - Controlo local de duas válvulas (adaptada de (DWA, 2005))............................................36
Figura 13 - Sistema de controlo global para duas válvulas (adaptada de (DWA, 2005)) .....................38
Figura 14 - Controlo integrado de rede de drenagem e ETAR (adaptada de (DWA, 2005)) ................39
Figura 15 - Esquema dos horizontes temporais aplicados no controlo preditivo baseado em modelo
(adaptada de (Rauch & Harremoës, 1999b)) .....................................................................................44
Figura 16 - Ciclo de controlo com feedback da descarga num sistema de grande dimensão (adaptada
de (DWA, 2005)) ...............................................................................................................................48
Figura 17 - Exemplo da transferência da configuração da rede de drenagem (esquerda) para a
configuração dos blocos de controlo locais e supervisores (direita), segundo um esquema de CTR
global (adaptada de (Schütze & Alex, 2011)).....................................................................................51
Figura 18 - Controlo local dum reservatório com válvula reguladora de caudal a jusante como parte
dum esquema de CTR global (adaptada de (Schütze & Alex, 2011)) .................................................51
Figura 19 - Esquema de CTR duma estação elevatória (adaptada de (Alex, et al., 2008)) .................52
Figura 20 - Funcionamento dos controladores On-Off sem e com histerese (à esquerda e à direita,
respectivamente) para uma variável de controlo genérica X, com valor alvo Xalvo e tolerância Δ no
caso de controlo com histerese (adaptada de (Schütze, 2011a)) .......................................................54
ix
Figura 21 - Procedimento de planeamento dum sistema de CTR (adaptada de (DWA, 2005),
(Schütze, et al., 2008)) ......................................................................................................................56
Figura 22 - Criação dum modelo simplificado dum sistema de drenagem urbano (adaptada de
(Vanrolleghem, et al., 2005)) .............................................................................................................62
Figura 23 - Modelo do sistema de drenagem urbano integrado, com localização dos sensores,
actuadores. As partes elimináveis do sistema estão assinaladas por caixas a tracejado (adaptada de
(Vanrolleghem, et al., 2005)) .............................................................................................................63
Figura 24 - Processo de desenvolvimento offline dum algoritmo de CTR baseado em regras
(adaptada de (Schütze, et al., 2008) e (Schütze, 2011a)) ..................................................................74
Figura 25 - Processo de desenvolvimento online dum algoritmo de CTR (adaptada de (Schütze, et al.,
2008) e (Schütze, 2011a)).................................................................................................................75
Figura 26 - Esquema da arquitectura da RNA recorrente do tipo Jordan, aplicada ao CTR dum
sistema de drenagem (adaptada de (Darsono & Labadie, 2007)) ......................................................81
Figura 27 – Procedimento de planeamento de um sistema de CTR (adaptado de (DWA, 2005),
(Schütze, et al., 2008)) ......................................................................................................................84
Figura 28 - Os dois ciclos de regulação (fonte: (Escaler, et al., s.d.)) .................................................88
Figura 29 - Funcionamento do ciclo curto (fonte: (Escaler, et al., s.d.)) ..............................................88
Figura 30 - Reservatório de Escuela Industrial (fonte: (EMARLIS, 2006)) ..........................................89
Figura 31 - Funcionamento do ciclo longo (fonte: (Escaler, et al., s.d.)) .............................................90
Figura 32 - Ligação ao ciclo curto de regulação (fonte: (Escaler, et al., s.d.)) .....................................91
Figura 33 - Mapa da cidade de Québec (adaptada de (Fradet, et al., 2011))......................................92
Figura 34 – Localização e volume dos reservatórios de águas pluviais contruídos na Fase 1 (a
vermelho) do projecto de redução de descargas directas no Québec (fonte: (Fradet, et al., 2011)) ....94
Figura 35 - Localização e volume dos reservatórios de águas pluviais construídos na Fase 2 e 3 (a
vermelho) do projecto de redução das descargas directas no Québec (fonte: (Fradet, et al., 2011)) ..95
Figura 36 - Esquema do sistema de drenagem de Hildesheim (adaptada de (Pabst, et al., 2011)).....98
Figura 37 - Comparação entre o caudal afluente à ETAR de Hildesheim simulado e medido, para
verificação da calibração do modelo hidrológico da rede de drenagem elaborado em SIMBA
(adaptada de (Pabst, et al., 2011)) ....................................................................................................99
Figura 38 - Custos da reabilitação do sistema de drenagem de Leipzig, incluindo a remodelação e a
consequente variação da capacidade da ETAR (adaptada de (Sebastião, 2005)) ........................... 101
Figura 39 – Bacias do sistema de drenagem de Alcântara, zonas alta e baixa e principais frentes de
drenagem da zona baixa (fonte: (Salgado, 2013)) (à esquerda) e Rede conceptual da frente de
drenagem do Terreiro do Paço-Alcântara elaborada em SWMM (à direita) ...................................... 103
Figura 40 - Traçado proposto do túnel de desvio de caudal da bacia L para a bacia KM (fonte:
(Câmara Municipal de Lisboa, 2008a)) ............................................................................................ 105
Figura 41 - Representação esquemática, em planta, do sistema interceptor Terreiro do Paço-
Alcântara, com indicação das principais estruturas nas bacias KJ e KM (adaptada de (Urban Water,
2014)) ............................................................................................................................................. 106
x
Figura 42 - Câmaras de válvulas de maré da R. do Ouro (esquerda) e da R. Augusta e R. da Prata
(direita) (fonte: (Salgado, 2013))...................................................................................................... 107
xi
Lista de Abreviações
Na Tabela 1 apresentam-se, por ordem alfabética, as abreviações utilizadas neste documento e o seu
significado.
Tabela 1 - Abreviações utilizadas neste documento e seu significado
Abreviação Significado
CTR Controlo em Tempo Real
CIS Coeficiente de Ineficiência do Sistema
DQA Directiva Quadro da Água
ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais
INSAAR Inventário Nacional de Sistemas de Abastecimento de Água e de Águas Residuais
MBC Método da Bacia Central
MBU Método da Bacia Única
NQA Normas de Qualidade Ambiental
PDR Plano de Desenvolvimento Regional
PEAASAR Plano Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais
PGBH Planos de Gestão de Bacia Hidrográfica
PGD Plano Geral de Drenagem
PGDL Plano Geral de Drenagem de Lisboa
PLC Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programável)
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (sistema automático de supervisão e
aquisição de dados)
SIG Sistema de Informação Geográfica
UE União Europeia
1
1. Introdução
1.1. Relevância do tema
Actualmente a gestão dos sistemas de drenagem enfrenta um triplo desafio: não só estão a aumentar
os problemas dos sistemas de drenagem urbanos devido ao facto de nas últimas décadas ter
aumentado a concentração urbana em grandes aglomerados, dificultando o cumprimento dos
objectivos ambientais de protecção dos meios receptores e a prevenção de inundações, como são
escassos os recursos alocados à resolução destes problemas e tendencialmente crescentes as
exigências legislativas relativas aos sistemas de drenagem, particularmente as relacionadas com a
protecção ambiental dos meios receptores ( (Ferreira & Matos, 2011), (United States Environmental
Protection Agency, 2006)). Os sistemas de controlo em tempo real (CTR) podem ajudar a enfrentar
estes problemas.
Os sistemas de CTR servem-se dos actuadores no sistema de drenagem (e.g. válvulas,
electrobombas) para regular dinamicamente o escoamento, em função do seu estado presente
(aferido por sensores como limnímetros) e, por vezes, passado e futuro (utilizando previsões
meteorológicas e simulações em modelos matemáticos do sistema de drenagem), comparado com
um estado ideal correspondente ao cumprimento dos objectivos e metas de desempenho do sistema
de drenagem. A regulação dos actuadores é determinada por um algoritmo de controlo que visa
atingir esses objectivos, que podem incluir a redução da poluição no meio receptor, redução do
volume ou frequência de descargas sem tratamento para o meio receptor (descargas directas), e
redução da carga poluente descarregada no meio receptor ( (Schütze, et al., 2004), (Zacharof, et al.,
2004), (Schütze, et al., 2008), (Schütze & Alex, 2011) citando (Schilling, 1989), (Ferreira & David,
2014) citando (USEPA, 2006)).
Os sistemas de CTR surgem como alternativa ou complemento a investimentos em soluções de
controlo na origem ou de infra-estruturação (e.g. construção de reservatórios de águas pluviais,
aumento da capacidade da estação de tratamento de águas residuais (ETAR)), que são onerosas.
Pode ser preferível recorrer ao CTR para maximizar a utilização dos volumes de armazenamento
existentes, capacidade de transporte na rede e de tratamento na ETAR ( (Pleau, et al., 2005), (United
States Environmental Protection Agency, 2006)). Note-se ainda que as soluções de controlo na
origem como a redução da percentagem de áreas impermeáveis podem não ser muito eficientes
(EMARLIS, 2007b). As soluções estruturais, por sua vez, são melhor aproveitadas aliadas ao CTR,
sendo em alguns casos possível obter as mesmas melhorias com investimentos drasticamente
inferiores. Quando é necessário aumentar a capacidade hidráulica do sistema e não há espaço para
adoptar soluções estruturais, como é comum em meios urbanos densamente edificados, o CTR pode
ser a única solução disponível ao dinamizar a utilização da capacidade existente, equivalendo a um
aumento da capacidade estática (Vanrolleghem, et al., 2005). Além disto, essas soluções tradicionais
de beneficiação dos sistemas de drenagem não são capazes de garantir o controlo da poluição. Já o
CTR, nalgumas das suas formas é capaz do fazer e mesmo de forma directa, fazendo antever a sua
imposição como forma de cumprir a lei.
2
Embora a capacidade dos sistemas de CTR para melhorar o desempenho dos sistemas de drenagem
urbanos (em particular durante eventos pluviosos) e para ajudar a solucionar os problemas que estes
enfrentam já seja conhecida há várias décadas, a aplicação de tais sistemas tem vindo a ser vista
com crescente interesse pelas entidades gestoras dos sistemas de drenagem (Schütze, et al., 2004).
Tal pode imputar-se a vários factores.
Por um lado, o crescente número de casos de aplicação bem-sucedida de sistemas de CTR e a
experiência adquirida neste sector nas últimas décadas tem provado a eficácia e eficiência desta
abordagem na beneficiação dos sistemas de drenagem urbanos, demonstrando que as dificuldades
inerentes à implementação dos sistemas de CTR são ultrapassáveis e que o resultado final
compensa o trabalho e dinheiro investido ( (Schütze, et al., 2004), (Pabst, et al., 2011), (DWA, 2005),
(Pleau, et al., 2005)). As vantagens dos sistemas de CTR encontram-se hoje bem documentadas,
havendo vários estudos que analisam os seus efeitos nas redes de drenagem, nas ETAR e, em
menor extensão, nos meios receptores ( (Zacharof, et al., 2004) citando (Schilling, 1989), (Schilling,
1994), (Olsson & Newell, 1999), (Beck & Reda, 1994)).
Por outro lado, a viabilidade dos sistemas de CTR tem aumentado com a redução de custos com o
hardware e software associados necessários e com o simultâneo aumento da sua fiabilidade e
robustez ( (Schütze, et al., 2004), (Darsono & Labadie, 2007), (Pleau, et al., 2005), (Labadie & Wan,
2010) citando (Labadie, 2007)). Também os instrumentos de monitorização, indispensáveis ao CTR,
se desenvolveram muito, tornando-se mais exactos e fiáveis ( (Schütze, et al., 2004), (Pleau, et al.,
2005)).
Ao nível do planeamento e implementação dos sistemas de CTR as dificuldades têm vindo a reduzir-
-se com o surgimento de orientações e procedimentos apresentados em manuais e de pacotes de
software dedicados ( (Schütze, et al., 2004), (Schütze, et al., 2008)).
Além disto, surgiram novas abordagens de CTR que se revelam eficazes na melhoria do
desempenho de sistemas de drenagem que não beneficiavam com outras abordagens de CTR mais
antigas (Schütze, et al., 2004). Por exemplo, os sistemas de CTR que fazem um controlo em função
directa da qualidade desejada na água do meio receptor (controlo baseado em imissões, por
oposição a baseado em emissões em que a qualidade é indirectamente controlada através do
volume/carga poluente no ponto de descarga) e que fazem um controlo integrado, i.e. que
consideram todas as partes do sistema de drenagem (rede, ETAR e meio receptor), expandem o
potencial do CTR atingir os objectivos de desempenho destes sistemas (Schütze, et al., 2004).
O interesse nos sistemas de CTR está também fortemente relacionado com a sua capacidade em
ajudar a cumprir a legislação relativa aos sistemas de drenagem, verificando-se que, frequentemente,
o faz simultaneamente reduzindo custos (Schütze, 2011a). Espera-se que, de futuro, se coloquem
problemas acrescidos em termos de garantir a gestão integrada dos sistemas de saneamento e um
nível de serviço que permita obter melhores eficiências e resultados, com menores custos
económicos, sociais e ambientais, e que esses resultados estejam em linha com os objectivos
estratégicos e ambientais dos Planos de Gestão de Bacias Hidrográficas (PGBH) e com a Directiva-
Quadro da Água (DQA) ( (Matos, 2011a), (Vanrolleghem, et al., 2005)).
3
No contexto do planeamento e gestão dos sistemas de drenagem em Portugal, o CTR contribui
positivamente para atingir os objectivos do Plano de Desenvolvimento Regional (PDR), Plano
Estratégico de Abastecimento de Água e Saneamento de Águas Residuais I e II (PEAASAR I e II),
que ainda não foram atingidos no que concerne à satisfação do valor médio de atendimento em
drenagem e tratamento de águas residuais, impostos desde 2000, apesar da progressão do sector
(Matos, 2011a) ao optimizar a utilização dos sistemas de drenagem, potenciando a expansão da área
abrangida pelos mesmos. No âmbito do PEAASAR II, previu-se um investimento total de 4004
milhões de euros, quantia avultada, que se deve tentar reduzir, especialmente dadas as dificuldades
económicas do sector (alguns dos sistemas multimunicipais são mesmo considerados insustentáveis
do ponto de vista financeiro) (Matos, 2011a).
1.2. Objectivos
Esta dissertação tem como principal objectivo expor a informação mais relevante sobre o CTR de
sistemas de drenagem urbanos. É o resultado da constatação da relevância actual deste tema para
resolução dos problemas dos sistemas de drenagem urbanos e optimização do seu funcionamento, e
da carência dum documento estruturado que exponha os principais aspectos do CTR, à luz do estado
da arte, a leitores não familiarizados com o tema. Entre estes aspectos inclui-se a caracterização
sumária dos sistemas de drenagem urbanos, seus problemas e meios de resolução tradicionais;
estado da arte e perspectivas de desenvolvimentos futuros do CTR; enquadramento legal do CTR;
definição, vantagens e princípios gerais do CTR; monitorização e previsão; tipos de CTR e sua
comparação; elementos de controlo e formas da sua utilização; etapas planeamento dum sistema de
CTR; simulação dinâmica dos sistemas de drenagem; métodos de avaliação do potencial do CTR;
tipos de algoritmos de CTR e formas do seu desenvolvimento; e dificuldades da aplicação do CTR.
Os únicos documentos encontrados que se aproximam duma exposição deste tipo são os manuais de
CTR da DWA e da USEPA ( (DWA, 2005) e (USEPA, 2006)), que não apresentam, agregadamente,
toda a informação sobre diversos aspectos relevantes aqui considerados, embora outros sejam
descritos com maior detalhe e apresentem informação sobre aspectos que aqui se consideraram
menos importantes e, por isso, não foram desenvolvidos. Além disso, estes documentos não
exemplificam a aplicação do CTR a casos reais, que se julga fulcral para entender aspectos práticos
da implementação e funcionamento dos sistemas de CTR, visto ser difícil apresentar dum modo
genérico muitas das suas características sem sacrificar a claridade da exposição. Aqui procurou-se
complementar a exposição do tema com exemplos de aplicação, sendo que um dos apresentados
resulta duma visita efectuada à CLABSA, em Barcelona, que permitiu esclarecer melhor detalhes que
não estão claramente documentados.
A elaboração desta dissertação exigiu a consulta dos manuais referidos, dezenas de artigos de
especialidade sobre CTR, e ainda a frequência dum curso promovido pelo FUNDEC sobre modelação
dinâmica de sistemas de drenagem urbanos, no qual se apresentou informação sobre CTR.
Só após recolhida toda esta informação se tornou possível empreender o estudo da aplicação de
CTR a casos de estudo, servindo esta dissertação para estabelecer as condições necessárias para
tal em trabalhos futuros.
4
Nesta óptica, avançou-se a avaliação expedita do potencial da aplicação de CTR ao caso de estudo
da frente de drenagem do Terreiro do Paço-Alcântara da cidade de Lisboa. Para realizar esta
avaliação foi ainda necessário recolher e tratar informação cadastral do sistema de drenagem de
Lisboa, tendo sido elaborado a partir dela um modelo da rede de drenagem no programa SWMM, que
poderá ser utilizado para estudos de simulação futuros.
1.3. Estrutura do trabalho
A dissertação divide-se em sete capítulos e um anexo.
O Capítulo 1 é introdutório, expondo-se a relevância do tema, principais objectivos e estrutura do
trabalho.
No Capítulo 2 começa-se pela caracterização sumária dos sistemas de drenagem urbanos, expondo-
se os tipos existentes e seus componentes principais. Apresentam-se as diferenças entre a
concepção clássica e moderna dos sistemas de drenagem urbanos, e o estado da arte do controlo
destes sistemas, bem como as perspectivas de desenvolvimentos futuros. De seguida abordam-se os
principais problemas encontrados nos sistemas de drenagem e meios de resolução. Termina-se com
o enquadramento legal nacional e comunitário, referindo-se as leis e regulamentos relevantes.
No Capítulo 3 começa-se por definir controlo em tempo real (CTR) e apresentar as suas vantagens e
objectivos. Segue-se a exposição dos princípios gerais da sua aplicação, abordando-se depois a
monitorização e previsão utilizadas nos sistemas de controlo, incluindo informação sobre os
equipamentos de monitorização, formas de previsão e a avaliação e tratamento dos dados recolhidos.
São expostos e comparados os vários tipos de CTR existentes e, por fim, descrevem-se os
elementos de controlo disponíveis e formas da sua utilização em CTR.
No Capítulo 4 aborda-se a aplicação de CTR a sistemas de drenagem urbanos, começando pelo
planeamento dum sistema de CTR, onde se expõem as etapas desse processo e considerações
relevantes para a simulação dinâmica do sistema de drenagem. Descrevem-se os métodos de
aferição do potencial do CTR para reduzir o volume de descargas directas e a poluição do meio
receptor, incluindo métodos expeditos e métodos detalhados. Segue-se uma exposição sobre os
algoritmos de controlo, onde se referem os tipos existentes e formas do seu desenvolvimento, tipos
de optimização aplicados e os casos particulares do algoritmo genético e das redes neuronais
artificiais. Encerra-se o capítulo com a enumeração das dificuldades de aplicação do CTR.
No Capítulo 5 descrevem-se quatro exemplos de aplicação reais de sistemas de controlo em tempo
real, além de se mencionarem muitos outros exemplos que se podem consultar na literatura. Os
exemplos apresentados são o de Barcelona, Espanha; Québec, Canadá, e Hildesheim e Leipzig,
Alemanha. A descrição do sistema de Barcelona foi apoiada por uma visita de estudo.
No Capítulo 6 apresenta-se o caso de estudo da frente de drenagem do Terreiro do Paço, avaliando-
se o potencial da aplicação do CTR por um método expedito.
No Capítulo 7 sintetizam-se as conclusões deste trabalho, apresentando-se recomendações futuras.
No Anexo A apresenta-se a rede de drenagem actual e prevista de Barcelona.
5
2. Sistemas de drenagem urbana
2.1. Caracterização sumária
2.1.1. Constituição dos sistemas de drenagem urbanos
Os sistemas de drenagem urbanos são constituídos pela rede de drenagem, ETAR e meio receptor.
A maior parte das redes de drenagem têm uma estrutura ramificada, encontrando-se poucas redes
com malhas. A rede de drenagem é composta por ramais de ligação, colectores (que, em geral, vão
crescendo em diâmetro para jusante), câmaras de visita, sarjetas e sumidouros. Podem ainda possuir
outros elementos como reservatórios, bacias de retenção, válvulas, estações elevatórias,
descarregadores, sifões invertidos, desarenadores e, excepcionalmente, túneis e pontes-canal
( (Matos & Monteiro, 2011), (Alex, et al., 2008)). Os ramos da rede de drenagem convergem em
interceptores de grandes dimensões que encaminham o caudal para uma ETAR, onde as águas
residuais são tratadas e depois descarregadas no meio receptor. As estruturas de descarga permitem
limitar o diâmetro dos colectores e enviam o caudal excedente directamente para o meio receptor (em
geral um rio), sem qualquer tratamento. Os reservatórios subterrâneos ou bacias de águas pluviais
contribuem para reduzir as descargas directas, mitigando a sua poluição e evitando a sobrecarga da
ETAR. As águas residuais armazenadas nestes reservatórios e bacias são enviadas para a ETAR
assim que existe capacidade na rede para o fazer. Grande parte das redes de drenagem são
operadas sem qualquer controlo mas já existem sistemas de drenagem operados por sistemas de
controlo em tempo real com um alto grau de sofisticação (Alex, et al., 2008).
Às redes de drenagem podem afluir águas residuais domésticas, comerciais, industriais e pluviais. As
águas residuais domésticas derivam de instalações sanitárias, cozinhas e zonas de lavagem de
roupas, caracterizando-se por conterem grandes quantidades de matéria orgânica e relativa
constância temporal das suas características. As águas residuais industriais provêm de actividades
industriais, caracterizando-se pela diversidade de compostos físicos e químicos contidos e grande
variabilidade temporal das suas características. As águas pluviais resultam de eventos pluviosos e,
em geral, contêm menor carga poluente que os outros tipos, em particular, carga orgânica. As águas
provenientes de regas de espaços verdes, lavagem de vias públicas, pátios e parques de
estacionamento, consideram-se equiparadas a águas pluviais, sendo normalmente recolhidas da
mesma forma, i.e. por sarjetas, sumidouros e ralos (Matos & Monteiro, 2011).
As redes de drenagem classificam-se, conforme a natureza da qualidade das águas residuais que
transportam, em separativas, unitárias, mistas e separativas parciais (também denominadas pseudo-
separativas). As separativas possuem uma rede de colectores para águas residuais domésticas,
comerciais e industriais e outra para águas pluviais ou similares. As unitárias recebem todos os tipos
de caudal numa só rede de colectores. As mistas correspondem aos casos em que parte da rede
funciona como separativa e parte como unitária. Por fim, as pseudo-separativas são as redes onde se
admite, em condições excepcionais, a ligação de águas pluviais (e.g. de pátios interiores), aos
colectores de águas residuais domésticas (Matos & Monteiro, 2011).
6
Tradicionalmente, os sistemas de drenagem eram unitários. Depois introduziram-se os sistemas se-
parativos, sendo este o tipo que actualmente é normal utilizar em novos sistemas ou expansões dos
sistemas unitários antigos, o que resulta com frequência em sistemas mistos. Na Holanda é comum
utilizar um sistema separativo melhorado, que tem a diferença de possuir electrobombas para bom-
bear a água pluvial até à ETAR (De Korte, et al., 2009).
Em zonas onde o nível freático está próximo da superfície, a instalação de colectores de grandes
dimensões e a grande profundidade torna-se economicamente inviável. Este problema é contornado,
tanto nos sistemas clássicos como nos modernos, recorrendo a electrobombas que elevam o caudal
escoado. Esta situação é ubíqua na Holanda e também se verifica em Lisboa, nos interceptores ao
longo da margem do rio Tejo. Em geral, as estações elevatórias têm electrobombas suplentes para
assegurar a fiabilidade desejada ( (De Korte, et al., 2009), (Matos & Monteiro, 2011)). Contudo, em
qualquer tipo de rede, sempre que possível o escoamento é feito com superfície livre e não sob
pressão (Matos & Monteiro, 2011).
Em (Matos & Monteiro, 2011) apresenta-se informação detalhada sobre os sistemas de drenagem de
águas residuais, em particular sobre as vantagens e inconvenientes dos tipos existentes destes
sistemas (incluindo soluções não convencionais), componentes constituintes e sua finalidade,
materiais utilizados e respectivas vantagens e inconvenientes, e processo e critérios de concepção e
dimensionamento.
2.1.2. Concepções clássica e moderna dos sistemas de drenagem urbana
A principal diferença entre a concepção moderna dos sistemas de drenagem urbana e a clássica é a
avaliação compreensiva dos impactos ambientais da urbanização sobretudo em relação às águas
superficiais e subterrâneas (Polaskova, et al., 2006).
Na concepção clássica as componentes do sistema de drenagem são concebidas e operadas
separadamente, prestando-se mais atenção à rede de drenagem e à ETAR do que ao meio receptor
( (Schütze, et al., 2004), (Polaskova, et al., 2006)) e ignorando-se as interacções entre as várias
partes, embora a importância da análise do sistema completo já tenha sido notada há algum tempo
( (Zacharof, et al., 2004) citando (Durchschlag, et al., 1991) e (Tyson, et al., 1993)). As estruturas do
sistema de drenagem e tratamento são concebidas como estáticas e as regras de operação são fixas
(Rauch & Harremoës, 1999b). Além disso, nos casos em que é efectuado controlo, geralmente ele é
feito separadamente para cada parte do sistema ( (Schütze, et al., 2004) citando (Schilling, 1989),
(Olsson & Newell, 1999), (Jeppsson, et al., 2002) e (Jumar & Tschepetzki, 2002)). A concepção
estática do sistema de drenagem é feita de modo a assegurar uma drenagem segura da área
abrangida, evitando inundações, e de forma a minimizar o volume de descargas directas como meio
de controlo da poluição no meio receptor (Alex, et al., 2008). O dimensionamento dos volumes dos
reservatórios e da posição estática das válvulas reguladoras de caudal recorre a simulações de séries
de precipitação de longo prazo (Alex, et al., 2008).
A resolução de problemas ambientais no meio receptor e de inundações em áreas urbanas passa por
aumentar os volumes de armazenamento na rede de drenagem e/ou instalar tubagens de maior
diâmetro com capacidade de armazenamento e/ou expandir a capacidade da ETAR. Por exemplo,
7
uma solução comum para reduzir a poluição em rios causada por descargas de redes unitárias
consiste em construir um reservatório para armazenamento temporário de águas residuais. Estas são
encaminhadas para a ETAR assim que haja capacidade para o seu tratamento (Zacharof, et al.,
2004). Os sistemas de drenagem são geridos segundo uma abordagem de emissões por oposição à
abordagem de imissões, i.e., controla-se o volume, frequência e/ou carga poluente descarregada no
meio receptor sem avaliar directamente os seus efeitos neste.
Na concepção moderna as componentes do sistema de drenagem podem ser concebidas e operadas
em sincronia, de modo a optimizar o desempenho do sistema integral. A sincronia do controlo do
sistema pode aplicar-se a todas as componentes ou apenas a uma combinação delas, sendo o mais
comum haver uma operação coordenada entre a rede de drenagem e a ETAR. Em casos mais raros
e sofisticados, o meio receptor é incluído neste processo de gestão integrada.
Nesta concepção, o volume existente na rede de drenagem é explorado dinamicamente através de
CTR, produzindo um efeito de aumento do volume estático. Isto acaba por ser mais económico e
pode mesmo ser única solução no caso de zonas densamente edificadas onde é impossível expandir
as infra-estruturas de drenagem (Vanrolleghem, et al., 2005). Contudo, mesmo na concepção
moderna, certos resultados só são atingíveis através do incremento do volume de armazenamento
estático da rede, simplesmente ele é mais bem utilizado ao ser gerido em tempo real. O CTR pode
ser concebido tanto segundo uma abordagem de imissão como de emissão, tal como descrito no
subcapítulo 3.4.4.
2.1.3. Estado da arte e perspectivas de desenvolvimentos futuros
Muitos dos sistemas de drenagem urbanos actuais são geridos com pouco ou nenhum controlo.
Apesar disso, existem já alguns sistemas utilizando sistemas de controlo muito sofisticados (Schütze,
et al., 2004).
Os sistemas de CTR mais evoluídos são totalmente automáticos (embora possuam capacidade de
reverter para tipos de controlo mais simples em situações de emergência ou sempre que os
operadores humanos entenderem prudente fazê-lo). Fazem um controlo baseado em imissões
enquanto consideram múltiplos objectivos (e.g. cumprir os requisitos legislativos relativamente à
qualidade ambiental dos meios receptores, prevenir inundações, minimizar custos operacionais, etc.).
O controlo é feito para todas as partes do sistema de drenagem (rede de drenagem, ETAR e meio
receptor), de modo coordenado e considerando as interacções entre as várias componentes, de
forma a atingir os objectivos de desempenho para a totalidade do sistema. Utilizam previsões
meteorológicas e controlam o sistema de drenagem considerando as previsões do seu
comportamento futuro, apoiando-se para tal em ferramentas de modelação matemática.
Actualmente, as abordagens de controlo integrado consideram simultaneamente as descargas
directas da rede de drenagem e o efluente da ETAR, ao passo que as características dinâmicas do
meio receptor só raramente são incluídas (Polaskova, et al., 2006).
Até agora, a maioria das abordagens de controlo tem lidado com as emissões da rede de drenagem e
da ETAR separadamente, estando a dedicar-se cada vez mais investigação ao controlo baseado em
imissões (Vanrolleghem, et al., 2005), motivadas pelas mudanças legislativas dos últimos anos, em
8
particular as introduzidas pela Directiva Quadro da Água (DQA), que estão a levar a uma mudança
dos objectivos operacionais nos sistemas de drenagem, virando o foco para o controlo das imissões e
da qualidade do meio receptor. Esta mudança é acompanhada pela alteração das abordagens de
modelação, sistemas de monitorização, actuadores, estratégias e procedimentos de controlo
(Schütze, et al., 2004). A evolução do CTR no sentido de ajudar a cumprir as novas exigências
legislativas enfrenta ainda grandes desafios provenientes de faltas de conhecimento, por exemplo, da
relação existente entre variáveis quantitativas e qualitativas da água. De facto, até recentemente, a
qualidade do meio receptor era controlada apenas indirectamente, através da redução dos volume
e/ou frequência de emissões, quando na verdade isso não garante a melhor qualidade bioquímica do
meio receptor. Contudo, a investigação nesta área tem produzido resultados e têm surgido novas
abordagens de CTR promissoras (Schütze, et al., 2004). Também a modelação ecológica e previsão
do comportamento de ecossistemas permanece um assunto problemático, ainda que se tenham
conseguido alguns avanços recentemente ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Schleiter, et al.,
1999) e (Goethals & De Pauw, 2001)).
Actualmente já estão disponíveis programas de computador que simplificam a aplicação de controlo
baseado em imissões (que vem sempre aliado a controlo integrado completo, i.e., que inclui a rede de
drenagem, ETAR e meio receptor), como é caso do WEST (Vanrolleghem, et al., 2005) e do
SYNOPSIS (SYNchronous OPtimisation and SImulation of the urban wastewater System) (Zacharof,
et al., 2004). Outros simuladores integrados existentes estão a ser disponibilizados comercialmente e
estão a ser trabalhados no sentido de terem desempenhos compatíveis com sistemas de CTR.
Espera-se o desenvolvimento de ferramentas de redução dos modelos, modelos caixa preta (e.g.
redes neuronais artificiais e modelos simplificados, que representam comportamentos complexos do
sistema de drenagem dum modo suficientemente exacto), consideração devida dos efeitos relevantes
para o CTR (e.g. tempo de entrada/saída de funcionamento de electrobombas) e rotinas mais
eficientes para resolver as equações modeladas e optimizar o desempenho. Além disso espera-se o
desenvolvimento das capacidades de previsão dos modelos (Schütze, et al., 2004).
A incerteza permanece um problema ao modelar sistemas de drenagem complexos de grandes
dimensões ( (Schütze, et al., 2004) citando (Beck, 1987), (Méthot & Pleau, 1997), (Willems, 2000),
(Duchesne, et al., 2001) e (Rousseau, et al., 2001)). Uma das opções para lidar com ela é adoptar um
tipo de modelo diferente, capaz de lidar intrinsecamente com a incerteza, como os modelos caixa
cinzenta ( (Schütze, et al., 2004) citando (Bechmann, 1999)). Outra opção é manter os modelos
determinísticos de uso disseminado, mas utilizando juntamente uma simulação de Monte Carlo para
simular a propagação da incerteza e assim avaliar a incerteza das variáveis relevantes. Esta
abordagem foi usada com sucesso na concepção e operação de várias ETAR ( (Schütze, et al., 2004)
citando (Rousseau, et al., 2001)) e está sob avaliação a sua utilização na concepção do CTR de
sistemas integrados de drenagem urbana (Schütze, et al., 2004). A incerteza associada à modelação
dos sistemas de drenagem leva a que a robustez do controlador (a sua capacidade de ter um bom
desempenho em condições diferentes das previstas) seja um critério na sua selecção e afinação
( (Pleau, et al., 2005), (Schütze, et al., 2004) citando (Meirlaen, 2002)).
9
Relativamente aos dados recolhidos pelos sensores, espera-se que suceda o mesmo que na
operação do tratamento de águas residuais, ou seja, os sensores tornar-se-ão mais focados em
recolher dados relevantes para o problema em mão, capazes de lidar com os problemas de sujidade
e terão menor necessidade de manutenção ( (Schütze, et al., 2004) citando (Jeppsson, et al., 2002)).
A gestão dos dados recolhidos torna-se crucial para os poder utilizar eficientemente, utilizando-se
para esse efeito bases de dados, SIG e interfaces gráficas para apresentação de dados. Um aspecto
que já recebe atenção é a detecção automática de erros nos dados de monitorização e diagnóstico
da sua causa ( (Schütze, et al., 2004) citando (Olsson & Newell, 1999)), de modo a que os sistemas
de CTR possam retroceder para um esquema de controlo alternativo independente dos dados
erróneos (Schütze, et al., 2004) ou corrigir esses dados a tempo dos utilizar no CTR (DWA, 2005).
Em termos de actuadores não se esperam desenvolvimentos importantes. Em vez disso, espera-se
que os actuadores existentes passem a ser utilizados de forma mais criativa e orientada para
objectivos. A excepção pode ser algum desenvolvimento ao nível da implementação de actuadores
em rios (arejamento e controlo do escoamento) já que as condições no meio receptor se tornam cada
vez mais o foco do CTR. Aliás estas ideias já foram aplicadas pelo menos num caso, o rio Sena, em
Paris ( (Schütze, et al., 2004) citando (Krier, 1998)).
A já referida mudança dos objectivos do controlo, impulsionada pelas alterações legislativas, faz
antecipar uma evolução para sistemas de controlo que integram cada vez mais partes do sistema,
utilizando informações de todo o sistema para actuar em diferentes pontos do mesmo. Por essa
razão, as estratégias adoptadas serão do tipo MIMO (multiple input – multiple output). Tal não
significa que sejam necessárias leis e algoritmos de controlo muito complexos. Em vez disso, pode
ser implementada uma combinação de leis de controlo simples, inteligente e supervisionada, do tipo
SISO (single input – single output), facilmente calibradas. Antevê-se que o desenvolvimento,
avaliação e calibração sistemáticos destes procedimentos seja feito com os simuladores integrados
existentes ( (Schütze, et al., 2004) citando (Meirlaen, et al., 2001), (Rauch, et al., 2002) e (Schütze &
Erbe, 2002)). Além disto, consideram-se actualmente novos conceitos para partes individuais do
sistema, e.g. para a operação de estações elevatórias, de modo a optimizar a sua utilização
( (Schütze, et al., 2004) citando (Schütze & Alex, 2003)). A consideração simultânea de objectivos
concorrentes (i.e. objectivos que requerem acções contraditórias sobre o sistema) na determinação
das acções de controlo constitui uma área promissora de desenvolvimento ( (Schütze, et al., 2004)
citando (Rauch & Harremoës, 1999a) e (Schütze, et al., 2002e)), existindo actualmente vários
sistemas que o fazem através da minimização duma função objectivo que traduz os múltiplos
objectivos de controlo, atribuindo pesos ao cumprimento de cada um e considerando ainda um
conjunto de restrições.
Ao nível do envolvimento dos operadores, apesar da progressiva automatização dos sistemas de
controlo, esperam-se esforços consideráveis para manter os operadores/supervisores/gestores no
ciclo de controlo. Assim, haverá uma necessidade crescente de fazer gestão de dados e dispor de
sistemas de apoio à decisão (Schütze, et al., 2004).
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2.2. Principais problemas
Os sistemas de drenagem urbanos são afectados por problemas de diversas naturezas, que colocam
desafios à sua concepção e gestão de modo a cumprir a crescente exigência do seu desempenho
imposta pela lei. De entre esses problemas podem enumerar-se os seguintes:
a) O processo de urbanização provoca uma inevitável mudança dos parâmetros hidrológicos das
bacias hidrográficas, aumentando a área impermeável, reduzindo a capacidade de retenção e de
infiltração da água precipitada. Estas alterações aumentam o risco de ocorrência de inundações
em áreas urbanas e a frequência e volume das descargas directas, acarretando consequências
negativas a nível social, ambiental, económico e infra-estrutural ( (Polaskova, et al., 2006),
(Ferreira & David, 2014), (Wan, et al., 2006)).
b) O aumento da actividade humana tem provocado a poluição da superfície de bacias de drenagem
e o arrastamento desses poluentes pelas escorrências pluviais para o meio receptor, agravando
as condições ambientais (Ferreira & David, 2014).
c) A drenagem rápida e intermitente de águas pluviais pode aumentar excessivamente o caudal
natural em pequenos cursos de água e, ao mesmo tempo, reduzir a recuperação dos aquíferos
subterrâneos e baixar os níveis freáticos naturais ( (Polaskova, et al., 2006), (Wan, et al., 2006)).
d) A eficiência das ETAR em redes unitárias decresce com a afluência de águas pluviais pouco
poluídas, aumentando os custos operacionais ( (Polaskova, et al., 2006) citando (Krejci, 2000)).
e) Os períodos diários de maior intensidade de utilização de água e os eventos de precipitação
provocam picos hidráulicos de afluente à ETAR que reduzem o seu desempenho (De Korte, et al.,
2009).
f) Os eventos de precipitação podem fazer exceder a capacidade dos interceptores (que podem
chegar a entrar em carga) e da ETAR originando descargas directas, o que pode causar
problemas ambientais se a carga de poluentes for excessiva ( (Pleau, et al., 2005), (Darsono &
Labadie, 2007), (Póvoa, 2011), (Póvoa, et al., 2011), (Matos & Monteiro, 2011), (Vanrolleghem, et
al., 2005)). No caso de descargas de redes unitárias os poluentes incluem sólidos suspensos,
coliformes fecais, fósforo, azoto e metais pesados (Pleau, et al., 2005). Em redes unitárias há um
acréscimo de encargos de energia e de exploração em estações elevatórias e ETAR, devido ao
excedente de contribuição pluvial em tempo de chuva (Matos & Monteiro, 2011).
g) Durante eventos pluviosos há um risco acrescido de falhas energéticas que podem pôr em causa
o funcionamento de estações elevatórias, facilitando a ocorrência de inundações na vizinhança
destas (Póvoa, 2011).
h) A afluência ininterrupta de águas residuais às ETAR durante períodos muito longos pode levar a
impactos negativos no meio receptor. Isto manifesta-se não só em termos dum aumento na
quantidade total de carga poluente descarregada mas também da possibilidade de perda de
capacidade da ETAR (i.e. por ressuspensão do manto de lamas do decantador secundário, e
consequente washout de microrganismos) devido a choque de carga ( (Zacharof, et al., 2004)
citando (Lau, et al., 2002) e (Rauch & Harremoes, 1996)).
11
i) A água que se infiltra na rede de drenagem pode afectar a operação da ETAR, aumentando os
custos de exploração ( (Matos, 2011b), (Polaskova, et al., 2006)).
j) A existência de ligações cruzadas em sistemas separativos, i.e., ligação de águas residuais
domésticas, comerciais e industriais a colectores de águas pluviais e entrada de caudais pluviais
em colectores de águas residuais, impede a devida separação dos caudais pluviais e residuais
domésticos, comerciais e industriais ( (Matos, 2011b), (Matos & Ferreira, 2011)).
k) Actualmente é comum a coexistência de vários tipos de rede de drenagem (ramificada, malhada,
pseudo-separativa, separativa e unitária) no mesmo sistema de drenagem, tornando mais
complexa a sua gestão. Além disto, este problema é tipicamente acompanhado pela coexistência
de vários tipos de infra-estruturas, de diferentes idades, secções e materiais, e cujas
características não estão devidamente cadastradas ( (Matos, 2011b), (Póvoa, 2011)).
l) As marés e a variação do nível de rios para onde o sistema de drenagem descarrega podem
interferir com o seu funcionamento ao entrar água do meio receptor na rede, dificultando o
escoamento, ou impactando o funcionamento da ETAR (Matos, 2011b).
m) Necessidade de manutenção dos colectores devido a sedimentação, incrustações, assoreamento
(entupimentos e obstruções), assentamentos, acumulação de gordura e filme biológico nas
paredes, intrusão de raízes e colapso total ou parcial da infra-estrutura (Matos, 2011b). Estas
disfunções podem ter vários impactos como inundações de espaços interiores (caves) ou
exteriores, libertação de odores, criação de atmosferas tóxicas e/ou explosivas, corrosão dos
materiais com subsequente erosão e deteriorização da infra-estrutura, interrupção do tráfego
(Matos, 2011b).
n) Até recentemente e ainda em muitos locais, a legislação impunha um limite ao número anual de
descargas directas como única forma de controlo da poluição nos meios receptores.
Frequentemente verifica-se que, mesmo cumprida essa legislação, o volume das descargas é tal
relativamente à capacidade do meio receptor, que este apresenta má qualidade global, registando-
se graves danos ambientais ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Wills, 2000)).
o) A gestão das redes de drenagem é dificultada pela imprecisão, erro e ausência de informação
sobre a mesma, em particular, aquela que deve constar nos cadastros, que em geral são pouco
fiáveis (Matos & Ferreira, 2011).
2.3. Meios de resolução dos problemas dos sistemas de drenagem
A resolução dos problemas dos sistemas de drenagem urbanos, em particular, as inundações,
descargas directas e poluição do meio receptor, passa por três tipos de soluções ( (Schütze, et al.,
2008), (DWA, 2005), (Schütze, 2011a), (Ferreira & David, 2014) citando (Vaz, et al., 2011)):
1) Soluções estruturais de expansão do volume de armazenamento do sistema de drenagem,
através da construção de reservatórios, bacias de retenção de água pluviais, colectores de
grande volume e com capacidade de armazenamento ou expansão da capacidade das
ETAR, e soluções estruturais de alteração do desenho da rede de drenagem (incluindo
desacoplamento de partes da rede);
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2) Soluções de controlo na origem, através de soluções “verdes” de renaturalização das bacias
de drenagem para aumentar a infiltração e recarga do solo e controlar o escoamento
superficial;
3) Soluções de controlo em tempo real, que optimizam a gestão do sistema de drenagem, e em
particular a utilização dos volumes de armazenamento existentes (colectores, reservatórios e
bacias de retenção).
Estas soluções podem surgir combinadas, em particular o aumento do volume de armazenamento do
sistema conjugado com a implementação dum sistema de CTR, pois este por si só pode não ser
capaz de atingir as melhorias de desempenho desejadas em termos de capacidade do sistema e, por
sua vez, o CTR reduz o investimento em volume de armazenamento necessário para obter o mesmo
desempenho (Schütze, 2011a).
As soluções estruturais que permitem armazenar um maior volume de águas residuais no sistema de
drenagem, possibilitam o seu tratamento gradual ao manter a ETAR em funcionamento a uma
capacidade superior à normal nos períodos de tempo seco que se seguem a eventos pluviosos. O
lado negativo deste tipo de solução é o grande custo da construção das infra-estruturas e a
dificuldade, ou mesmo impossibilidade, de as implantar num meio urbano densamente edificado.
Salientam-se ainda as seguintes soluções de controlo na origem que visam controlar o escoamento
superficial e promover a infiltração das escorrências pluviais o mais perto possível da sua origem
(Polaskova, et al., 2006):
Retenção, armazenamento temporário e infiltração da água da chuva em áreas verdes;
Retenção, armazenamento temporário e infiltração em valas, trincheiras, canais e câmaras
drenantes;
Infiltração em pavimentos porosos de parques de estacionamento e de ruas;
Bacias de retenção permeáveis cuja água é utilizada para irrigar jardins;
Coberturas ajardinadas.
No Plano Geral de Drenagem de Lisboa (PGDL) concluiu-se que soluções de controlo na origem
como a redução da percentagem das áreas impermeáveis surtem pouco efeito (EMARLIS, 2007b).
As soluções de controlo em tempo real são mais recentes e estão em franco desenvolvimento, sendo
abordadas em detalhe em capítulos seguintes. São capazes de beneficiar os sistemas de drenagem
urbanos contribuindo especialmente para o controlo directo da poluição descarregada no meio
receptor.
Actualmente verifica-se uma tendência nas cidades modernas em associar soluções estruturais a
soluções de CTR, de forma a optimizar o desempenho do sistema de drenagem e tirar máximo
proveito dos investimentos em infra-estruturas, ao mesmo tempo que estes são reduzidos. No
Capítulo 5 são apresentados vários exemplos de aplicação de sistemas de CTR que ilustram esta
tendência.
A drenagem através de redes separativas é uma tipologia de concepção dos sistemas de drenagem
que também tenta solucionar alguns dos seus problemas típicos, justificando-se por se dar
13
escoamento a afluentes de diferente natureza por diferentes colectores (há um colector para águas
residuais domésticas, comerciais e industriais e outro para águas pluviais ou similares) dando-se
diferentes condições de tratamento e destino final a cada efluente resultante. Contudo, na prática é
comum verificarem-se ligações cruzadas, i.e. ligação de efluentes pluviais aos colectores de águas
residuais domésticas e ligação de efluentes domésticos, comerciais e industriais a colectores de
águas pluviais. Tal provoca o funcionamento incorrecto destes sistemas, reduzindo as suas
vantagens teóricas. Além disto, esta solução requer um investimento inicial elevado devido à
necessidade dispor de dois tipos de colectores (Matos & Monteiro, 2011).
2.4. Legislação aplicável
2.4.1. Enquadramento
Em Portugal, o PEAASAR II é o documento que orienta o sector do saneamento de águas residuais
no período de 2007 a 2013 (a ser substituído pelo PENSAAR de 2014 a 2020). Tem como objectivos
estratégicos a universalidade, continuidade e qualidade do serviço, sustentabilidade do sector e
protecção dos valores de saúde pública e ambientais. Alguns dos objectivos operacionais
enquadrados nesta estratégia são os seguintes (Ministério do Ambiente, do Ordenamento do
Território e do Desenvolvimento Regional, 2007):
Servir cerca de 90% da população total do país com sistemas públicos de saneamento de
águas residuais urbanas, sendo que em cada sistema integrado de saneamento o nível de
atendimento desejável deve ser de pelo menos 70% da população abrangida;
Obter níveis adequados de qualidade de serviço, mensuráveis pela conformidade dos
indicadores de qualidade do serviço definidos pela entidade reguladora;
Servir mais de 80% da população equivalente com sistemas de saneamento de águas
residuais cumprindo a legislação em termos de descargas;
Caminhar para a sustentabilidade, optimizando a gestão operacional;
Proteger o ambiente, cumprindo as leis comunitárias e nacionais, e garantindo uma
abordagem integrada na prevenção e controlo da poluição antropogénica.
Segundo o INSAAR (Inventário Nacional de Sistemas de Abastecimento de Água e de Águas
Residuais), em 2002, as percentagens de população servidas por sistemas públicos de drenagem e
de tratamento de águas residuais eram, respectivamente, apenas de 68% e de 58%, havendo índices
de atendimento inferiores em zonas do litoral, de grande densidade populacional, o que se reflectia
em problemas acrescidos de descargas directas (Matos, 2011a). Em 2008, os esforços de melhoria
nesta área já tinham resultado em situações de cobertura de serviço próxima dos países
desenvolvidos da U.E. (índices de drenagem e tratamento de águas residuais, respectivamente de
78% e de 70%) (Matos, 2011a).
Actualmente, em Portugal é a ERSAR (Entidade Reguladora dos Serviços de Águas e Resíduos) que
regula os serviços de saneamento de águas residuais, tendo capacidade de intervenção junto das
14
entidades gestoras dos sistemas de drenagem, regulamentando o seu funcionamento, qualidade de
serviço, estabelecendo objectivos a atingir e avaliando indicadores de desempenho.
Entre os indicadores da qualidade do serviço para saneamento de águas residuais urbanas contam-
-se os seguintes (ERSAR, 2011):
1) Ocorrência de inundações;
2) Cobertura dos gastos totais (avalia a sustentabilidade económica do serviço);
3) Adequação da capacidade de tratamento (definida como percentagem da capacidade de
tratamento existente nas ETAR que foi utilizada em condições adequadas ao seu
dimensionamento);
4) Eficiência energética de instalações elevatórias (avalia a sustentabilidade ambiental);
5) Destino adequado de águas residuais recolhidas (definido como percentagem do número de
alojamentos localizados na área de intervenção da entidade gestora com serviço de
drenagem para os quais as redes públicas se encontram disponíveis e que se encontram
ligados a destino adequado em termos de tratamento – avalia o nível de sustentabilidade
ambiental em termos de eficiência na prevenção da poluição bem como os seguintes pontos);
6) Controlo de descargas de emergência (definido como a percentagem de descarregadores
com descarga directa para o meio receptor monitorizados e com funcionamento satisfatório);
7) Análise de águas residuais realizadas (definido como percentagem do número total de
análises que foram realizadas das requeridas na licença de descarga ou, na sua ausência,
pela legislação aplicável);
8) Cumprimento dos parâmetros de descarga (definido como a percentagem do equivalente de
população que é servido com ETAR que asseguram o cumprimento da licença de descarga).
A ERSAR intervém ainda no estabelecimento do regime jurídico dos serviços de saneamento de
águas residuais urbanas, da regulação, de qualidade de serviço, de concepção, instalação e
exploração dos sistemas, além de complementar esta legislação com normas técnicas ( (Costa, et al.,
2011) e (ERSAR, 2011)).
Tem-se feito um esforço legislativo no sentido de assegurar a protecção do meio ambiente, em
particular, dos meios receptores de descargas de águas residuais, tanto a nível da U.E. como
nacional, sendo que várias legislações portuguesas resultam da transposição das directivas
europeias para a lei nacional. As leis têm acompanhado a evolução científica nas áreas relevantes e
são gradualmente mais exigentes, tendência que se deverá manter.
De seguida apresentam-se as legislações, a nível comunitário e nacional, mais relevantes para os
sistemas de drenagem urbana e mais influentes na aplicação do CTR.
2.4.2. Direito Comunitário
Directiva 2008/105/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Dezembro de 2008
(Jornal Oficial da União Europeia, 2008):
Estabelece normas de qualidade ambiental (NQA) no domínio da política da água, para substâncias
prioritárias e para outros poluentes, e altera a Directiva 2000/60/CE. Considera que “A poluição
15
química das águas de superfície representa uma ameaça para o ambiente aquático, com efeitos
como toxicidade aguda e crónica para os organismos aquáticos, acumulação no ecossistema e
perdas de habitats e de biodiversidade, além de constituir uma ameaça para a saúde humana. As
causas da poluição deverão ser identificadas e as emissões deverão ser tratadas na fonte, com
carácter de prioridade, da maneira mais eficaz em termos económicos e ambientais.”
Estabelece que os Estados-Membros deverão aplicar as medidas necessárias para reduzir
gradualmente a poluição provocada por substâncias prioritárias e fazer cessar ou suprimir
gradualmente as emissões, descargas e perdas de substâncias perigosas prioritárias.
Directiva 2006/7/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 15 de Fevereiro de 2006 (Jornal
Oficial da União Europeia, 2006):
Relativa à gestão da qualidade das águas balneares e que revoga a Directiva 76/160/CEE. Tem
como objectivo a preservação, protecção e melhoria da qualidade do ambiente, complementando a
Directiva 2000/60/CE. Para tal, p.e., apresenta disposições sobre monitorização e classificação da
qualidade das águas balneares. Estabelece que “O público deverá ser informado apropriada e
oportunamente dos resultados da monitorização da qualidade das águas balneares (…), a fim de
prevenir riscos para a saúde, especialmente no contexto de episódios previsíveis de poluição de curta
duração ou de situações anormais. Deverão ser aplicadas novas tecnologias que permitam a
informação do público, duma forma eficiente e comparável, sobre a qualidade das águas balneares
(…).”
Directiva 2000/60/CE do Parlamento Europeu e do Conselho (Directiva Quadro da Água)
(Eur-Lex, 2000):
A Directiva Quadro da Água (DQA) tem como objectivo estabelecer um enquadramento para a
protecção química, ecológica e quantitativa das águas de superfície interiores, das águas de
transição, das águas costeiras e das águas subterrâneas, entre outros, que:
Evite a continuação da degradação e proteja e melhore o estado dos ecossistemas aquáticos,
e também dos ecossistemas terrestres e zonas húmidas directamente dependentes dos
ecossistemas aquáticos, no que respeita às suas necessidades em água;
Vise uma protecção reforçada e um melhoramento do ambiente aquático, nomeadamente
através de medidas específicas para a redução gradual das descargas, das emissões e
perdas de substâncias prioritárias e da cessação ou eliminação por fases de descargas,
emissões e perdas dessas substâncias prioritárias, com o objectivo último de reduzir as
concentrações no ambiente marinho para valores próximos dos de fundo para as substâncias
naturalmente presentes e próximos de zero para as substâncias sintéticas antropogénicas;
Estabeleça uma abordagem combinada da regulação de emissões e descargas, através de
valores limite das emissões e padrões de qualidade, além da eliminação de substâncias
particularmente perigosas (Vanrolleghem, et al., 2005);
Contribua para mitigar os efeitos das inundações assim contribuindo para a protecção das
águas marinhas e territoriais, e para a prevenção e eliminação da poluição no ambiente
marinho.
16
No caso das águas superficiais, a sua qualidade ecológica é avaliada pela variação da comunidade
biológica presente relativamente àquela que seria a natural em condições de impacto de origem
humana mínimo. Os factores de qualidade dividem-se em elementos biológicos (e.g. composição e
abundância de fauna e flora), hidromorfológicos (e.g. caudal e dinâmicas do escoamento, variação da
profundidade e largura do rio) e físico-químicos (temperatura, oxigenação, salinidade, nutrientes,
etc.). Para a qualidade química da água são apenas considerados dois estados, que correspondem
ao cumprimento ou não da legislação (Vanrolleghem, et al., 2005).
A DQA estabelece ainda como objectivo a gestão integrada de bacias hidrográficas de rios, com
programas de medidas coordenados (Vanrolleghem, et al., 2005).
Directiva 98/15/CE da Comissão de 27 de Fevereiro (Jornal Oficial das Comunidades Europeias,
1998):
Altera a Directiva 91/271/CEE relativamente aos requisitos do anexo I, respeitante a requisitos de
descargas de ETAR em zonas sensíveis sujeitas a eutrofização.
Directiva 91/271/CEE do Conselho, de 21 de Maio (Jornal Oficial da União Europeia, 1991):
Relativa à recolha, tratamento e descarga de águas residuais urbanas, com o objectivo de proteger o
ambiente dos efeitos nefastos destas descargas.
2.4.3. Direito Nacional
Decreto-Lei n.º 130/2012, de 22 de Junho (Diário da República, 2012):
Procede à segunda alteração à Lei n.º 58/2005, que aprova a Lei da Água, transpondo a Directiva n.º
2000/60/CE, e estabelecendo as bases e o quadro institucional para a gestão sustentável das águas.
Decreto-Lei n.º 103/2010, de 24 de Setembro (Diário da República, 2010):
Estabelece as NQA no domínio da política da água e transpõe a Directiva n.º 2008/105/CE e
parcialmente a Directiva n.º 2009/90/CE. Aplica-se à análise e monitorização químicas do estado das
águas superficiais, sedimentos e biota.
Decreto-Lei n.º 198/2008, de 8 de Outubro (Diário da República, 2008):
Altera o Decreto-Lei n.º 152/97, relativamente aos critérios das descargas de águas residuais em
zonas sensíveis sujeitas a eutrofização.
Lei n.º 58/2005, de 29 de Dezembro (Diário da República, 2005):
Aprova a Lei da Água, transpondo para a ordem jurídica nacional a Directiva n.º 2000/60/CE, e
estabelecendo as bases e o quadro institucional para a gestão sustentável das águas.
Decreto-Lei 149/2004 de 22de Junho (Diário da República, 2004):
Altera o Decreto-Lei n.º152/97, em particular no que refere à lista de identificação de zonas sensíveis
e de zonas menos sensíveis e ao tratamento para descargas em zonas sensíveis.
Decreto-Lei n.º 236/98, de 1 de Agosto (Diário da República, 1998):
17
Estabelece normas, critérios e objectivos de qualidade com a finalidade de proteger o meio aquático
(em particular das descargas de águas residuais) e melhorar a qualidade das águas em função dos
seus principais usos (e.g., águas balneares, piscícolas, de rega). Não se aplica a águas residuais
urbanas abrangidas pelo Decreto-Lei nº 152/97.
Decreto-Lei n.º 152/97, de 19 de Junho (Diário da República, 1997):
Transpõe para o direito interno a Directiva n.º 91/271/CEE, relativamente ao tratamento de águas
residuais urbanas e sua descarga em meio aquático. Tem como objectivo proteger as águas
superficiais dos efeitos dessas descargas, protegendo o ambiente.
Estabelece que os pontos de descarga das águas residuais urbanas deverão ser escolhidos, dentro
do possível, de modo a minimizar os efeitos no meio receptor. O nível de tratamento a aplicar
depende da sensibilidade do meio receptor.
Decreto Regulamentar n.º 23/95, de 23 de Agosto (Diário da República, 1995):
Aprova e contém o Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e
de Drenagem de Águas Residuais, que estabelece princípios e regras de concepção,
dimensionamento, construção e exploração destes sistemas. São particularmente relevantes os
critérios de dimensionamento de colectores relativos a velocidades e alturas de escoamento.
18
3.Controlo em tempo real: definições, princípios e elementos de
controlo
3.1. Definição e vantagens do controlo em tempo real
O controlo em tempo real de sistemas de drenagem consiste em regular dinamicamente os
actuadores do sistema (e.g. electrobombas, válvulas, descarregadores, comportas, arejadores) em
função do estado presente do sistema e, possivelmente, passado e futuro previsto, comparado com o
estado ideal do sistema que se procura atingir por meio da acção dos actuadores. O estado do
sistema é avaliado através de dados (e.g. níveis de água, caudais, precipitação, concentrações de
poluentes, etc.) recolhidos por um processo de monitorização contínuo, sendo o controlo feito de
imediato quando os dados são recebidos pelo sistema de controlo (e.g. comporta controlada por uma
bóia) ou com um desfasamento temporal pequeno (tipicamente de alguns minutos) devido ao tempo
de cálculo das acções de controlo a tomar. As acções de controlo são determinadas por um algoritmo
de controlo e transmitidas aos actuadores através dum sistema de controlo. O algoritmo reflecte uma
estratégia de controlo que delineia os princípios fundamentais de como o controlo deve ser efectuado
e que é estabelecida com base em objectivos que, por sua vez, são impostos pelas leis e
regulamentos existentes. Os objectivos do CTR podem ser tais como minimizar a poluição no meio
receptor, minimizar o volume de descargas directas e evitar inundações, e as estratégias de CTR
podem ser algo como equalizar a utilização das capacidades de armazenamento na rede de
drenagem e priorizar o tratamento de caudais mais poluídos ( (Schütze, et al., 2008), (USEPA, 2006),
(Schütze & Alex, 2011) citando (Schilling, 1989), (Schütze, et al., 2004), (Zacharof, et al., 2004),
(Schütze, et al., 2002b), (Ferreira & David, 2014) citando (USEPA, 2006)). Na Figura 1 esquematiza-
se a operação dum sistema de drenagem urbano através de CTR.
Figura 1 - Um sistema de drenagem urbano operado através de controlo em tempo real (adaptada de
(Schütze, et al., 2002b))
O CTR de sistemas de drenagem urbanos apresenta grande utilidade a nível ambiental, económico,
social e legal ao melhorar o desempenho destes sistemas. De seguida, listam-se as vantagens da
sua aplicação, que se confundem com os possíveis objectivos da aplicação de sistemas de CTR aos
sistemas de drenagem urbanos:
Objectivos do CTR Estratégia de CTR Algoritmo de CTR
Sistema de Controlo
Sistema de Monitorização
Actuadores
Sistema de
Drenagem
Urbano
Lei e
Regulamentos
19
1) Redução da poluição dos meios receptores durante eventos de precipitação, nomeadamente
através da redução da frequência e/ou volume de descargas directas, o que, por sua vez, é
frequentemente conseguido através da optimização do potencial de armazenamento no sistema
de drenagem e da retenção e desvio planeados do escoamento ( (Vanrolleghem, et al., 2005),
(Schütze, et al., 2004), (United States Environmental Protection Agency, 2006), (Lacour &
Schütze, 2011), (Polaskova, et al., 2006), (Schütze, et al., 2008), (Pleau, et al., 2005), (Schütze,
2011a), (Sebastião, 2005), (Schütze & Alex, 2011), (Pabst, et al., 2011), (Alex, et al., 2008),
(DWA, 2005), (Borsányi, et al., 2008), (Darsono & Labadie, 2007) citando (Labadie, 1993)). Note-
se que nos sistemas de drenagem tradicionais com controlo estático é comum haver descargas
directas embora exista em simultâneo capacidade de armazenamento disponível noutros locais
da rede, os quais um sistema de CTR poderia utilizar de modo a mitigar as descargas (Schütze,
et al., 2008).
2) Minimização de cargas poluentes descarregadas para o meio receptor, em particular quando é
utilizada informação sobre a poluição dos caudais no algoritmo de controlo, e.g., ao priorizar o
armazenamento dos caudais mais poluídos ( (Lacour & Schütze, 2011), (Schütze, 2011a), (United
States Environmental Protection Agency, 2006)). Essa informação pode referir-se a níveis de
amónia e de oxigénio dissolvido, em especial no meio receptor, servindo para os controlar e
assim protegendo o ambiente (Zacharof, et al., 2004).
3) Possibilidade de opção por descarga em locais menos sensíveis, ou seja, com maior capacidade
de autodepuração, facilitando a protecção do meio ambiente ( (Sebastião, 2005), (Schütze, et al.,
2008), (Fiorelli & Schutz, 2009), (Borsányi, et al., 2008)). O controlo do local de descarga pode
ser feito através da retenção (e.g. em reservatórios) e desvio planeados do escoamento.
4) Protecção da biota do meio receptor através duma gestão adequada das descargas no mesmo.
Por exemplo, fazendo um controlo que tem em conta que a biota no meio receptor pode ser mais
sensível à distribuição de frequência a longo prazo das descargas mensais médias do que a
eventos hidrológicos extremos individuais. Isto é aplicável em especial a sistemas com grandes
volumes de armazenamento ( (Wan, et al., 2006) citando (Haunert & Konyha, 2001)).
5) Possibilidade de controlar em que locais ocorrem inundações caso sejam inevitáveis, podendo
assim optar-se pelos locais onde provocarão menos danos em termos económicos e/ou
ambientais. Isto é feito através da retenção ou desvio planeado do escoamento ( (Schütze, et al.,
2008), (De Korte, et al., 2009), (DWA, 2005)).
6) Maior capacidade de equalização volumétrica e bioquímica do caudal afluente à ETAR,
optimizando a sua eficácia e eficiência ( (Schütze, et al., 2004), (Sebastião, 2005), (Ferreira &
David, 2014), (Schütze, et al., 2008), (Schütze, 2011a)). Em tempo seco o CTR é especialmente
útil para equalizar volumetricamente o caudal afluente à ETAR, ao tirar partido dos volumes de
armazenamento disponíveis na rede para armazenar caudal nas horas de pico e libertá-lo nos
períodos de menor afluência natural de caudal à ETAR ( (Vanrolleghem, et al., 2005), (De Korte,
et al., 2009)). Em (De Korte, et al., 2009) apresenta-se um estudo que demonstra a capacidade
dum sistema de CTR global em reduzir a amplitude do caudal afluente à ETAR em 70%
relativamente ao cenário sem controlo (ver Figura 2).
20
7) Melhoria do desempenho dos processos internos das ETAR e minimização dos seus custos
operacionais, e.g. através do controlo do nível de oxigénio presente nos tanques de arejamento,
do controlo preditivo da remoção do azoto e da preservação dos processos biológicos ( (Schütze,
et al., 2004), (Schütze, 2011a), (Schütze, et al., 2004) citando (Alex, et al., 2002)). Por sua vez,
isto ajuda a manter os padrões de qualidade do efluente da ETAR ( (Schütze, et al., 2004),
(Schütze, 2011a)).
8) Obtenção de benefícios ambientais adicionais quando a rede de drenagem e ETAR são
controladas coordenadamente ao optimizar o funcionamento da ETAR, dando prioridade ao
armazenamento e tratamento de afluentes mais poluídos (e.g., caudais provenientes do first
flush) e reduzindo o afluente à ETAR quando ela está sobrecarregada ( (Schütze & Alex, 2011),
(Pabst, et al., 2011), (Schütze, et al., 2008), (Schütze, 2011a), (Póvoa, et al., 2011)).
Figura 2 - Caudal afluente à ETAR com e sem CTR global com objectivo de equalização do caudal
afluente à ETAR em tempo seco (adaptada de (De Korte, et al., 2009))
9) Adaptabilidade a mudanças futuras nos padrões de escoamento, em particular as resultantes das
alterações climáticas e evolução da população ao flexibilizar o controlo do escoamento
( (Borsányi, et al., 2008), (Schütze & Alex, 2011), (Pabst, et al., 2011), (DWA, 2005), (Ferreira &
David, 2014)).
10) Possibilidade de acção rápida e eficaz face a avarias de componentes do sistema de drenagem e
de descargas tóxicas ao detectar estes problemas através de monitorização e fazer uma
regulação apropriada dos actuadores ( (Vanrolleghem, et al., 2005), (Ferreira & David, 2014)).
11) Optimização da operação do sistema de drenagem, ajudando a mantê-lo próximo dum estado
ideal ( (Zacharof, et al., 2004) citando (Beck, 1999))
12) Redução do risco de inundações, nomeadamente através da optimização da utilização da
capacidade de armazenamento disponível na rede de drenagem (bacias de retenção,
reservatórios subterrâneos, colectores de grande dimensão) e previsão das solicitações e
comportamento futuros do sistema de drenagem ( (Vanrolleghem, et al., 2005), (Schütze, et al.,
2004), (Polaskova, et al., 2006), (Ferreira & David, 2014), (Schütze, 2011a), (Borsányi, et al.,
2008)). Normalmente a utilização destes volumes é irregular no tempo e no espaço. O CTR
permite flexibilizar a sua utilização do modo mais conveniente a cada evento pluvioso enquanto
Cau
da
l a
flu
en
te à
ET
AR
(m
3/h
)
Com CTR
Sem CTR
Passos temporais (3 dias)
21
nos sistemas tradicionais é habitual a entrada em carga hidráulica de certas zonas da rede
quando existe volume livre noutras zonas, o que compromete a segurança do sistema
( (Sebastião, 2005), (Schütze & Alex, 2011), (Pabst, et al., 2011), (Vanrolleghem, et al., 2005)
citando (Schilling, 1989), (DWA, 2005)). A flexibilização da operação do sistema de drenagem
deve-se em grande parte à introdução da dimensão temporal no processo de controlo, por
oposição ao controlo convencional estático (Schütze, et al., 2008).
13) Redução potencialmente muito grande do investimento necessário para aumentar a capacidade
do sistema de drenagem estático (em particular, conseguem-se as mesmas melhorias de
desempenho do sistema com menores volumes de armazenamento ao optimizar a sua utilização)
((Pleau, et al., 2005), (Darsono & Labadie, 2007), (Alex, et al., 2008), (Zacharof, et al., 2004),
(DWA, 2005), (Labadie & Wan, 2010), (Labadie & Wan, 2010) citando (Wan, et al., 2006),
(Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Schilling, 1989), (Polaskova, et al., 2006) citando (Marsalek,
1993), (Schütze, et al., 2008), (Schütze, et al., 2008) citando (Weyland, 2002) e (Erbe, et al.,
2005), (Schütze, et al., 2004) citando (Schilling, 1994) e (Lavallé, et al., 2001)). Esta poupança
pode ser obtida logo no investimento inicial caso o CTR seja contemplado na fase de projecto do
sistema de drenagem (Sebastião, 2005). Nos casos em que o CTR seja suficiente para dispensar
a construção de volumes de armazenamento, evitam-se também todos os incómodos que estas
obras acarretam como interrupção de serviços (Darsono & Labadie, 2007).
14) O CTR é uma alternativa mais económica que a conversão de sistemas unitários em separativos
e é menos incómoda pois não acarreta tantas obras e interrupções do serviço. Os sistemas
separativos tendem a perder o interesse pois verifica-se que frequentemente as águas pluviais
têm cargas poluentes semelhantes às águas residuais. Além disso, na prática é comum serem
feitas ligações cruzadas, misturando caudais pluviais com residuais domésticos, comerciais e
industriais, reduzindo o efeito desejado de separação de caudais. Nalguns casos, a separação de
caudais pluviais e residuais pode mesmo resultar num incremento da poluição do meio receptor já
que as águas pluviais misturadas com as residuais podem ter sido previamente tratadas,
enquanto num sistema separativo é frequente as águas pluviais serem descarregadas no meio
receptor sem qualquer tratamento (Darsono & Labadie, 2007).
15) Melhoria da informação disponível aos cidadãos e aos trabalhadores dos sistemas de drenagem,
aumentando a sua segurança através de sistemas de alerta (e.g. em zonas balneares, painéis
electrónicos com avisos em tempo real sobre a adequabilidade da água para práticas balneares;
alerta de subida no nível da água/cheias iminentes aos trabalhadores) (Sebastião, 2005).
16) Redução dos custos de exploração e manutenção do sistema devido ao seu melhor
conhecimento e aproveitamento ( (Sebastião, 2005), (Schütze, et al., 2004), (Zacharof, et al.,
2004), (Schütze, 2011a), (Borsányi, et al., 2008)). Os custos de exploração podem ser reduzidos
aumentando da eficiência energética e.g. através da optimização do funcionamento das
electrobombas ( (Schütze & Alex, 2011), (Pabst, et al., 2011), (Ferreira & David, 2014), (Schütze,
et al., 2008)). Os custos de manutenção podem ser reduzidos por redução da sedimentação nos
colectores/reservatórios, controlando a velocidade mínima do escoamento e provocando
22
correntes de varrer que limpam a rede ( (Schütze, et al., 2004), (Ferreira & David, 2014), (DWA,
2005), (Schütze, et al., 2008)).
17) Flexibilização da operação do sistema de drenagem, maximizando o período temporal em que os
objectivos do controlo são verificados, minimizando a extensão dos desvios do comportamento do
sistema relativamente ao seu estado ideal e maximizando o potencial de recuperação do sistema
de estados adversos ( (Schütze, et al., 2008), (Schütze, 2011a), (Zacharof, et al., 2004) citando
(Schütze, et al., 2002a)).
18) Elevação da qualidade da água do meio receptor acima dos mínimos estabelecidos ( (Zacharof,
et al., 2004) citando (Schütze, et al., 2002a)).
Das vantagens enunciadas decorre ainda que o CTR ajuda a cumprir a legislação referente a
sistemas de drenagem e a sua progressiva exigência (Alex, et al., 2008), o que, por sua vez, tem
consequências económicas benéficas já que se evitam multas resultantes do incumprimento da lei.
3.2. Princípios gerais
A optimização da gestão dos sistemas de drenagem exige o seu conhecimento detalhado, bom
planeamento e operação que coordene integralmente o ciclo da água. Assim, em geral os sistemas
de CTR são constituídos por sensores (e.g. medidores de caudal, limnímetros), actuadores (e.g.
válvulas, comportas), controladores (que regulam os actuadores) e sistema de transmissão de dados.
Em sistemas mais completos, podem estar integrados um modelo de previsão meteorológica, e um
modelo de simulação calibrado do escoamento no sistema de drenagem. Nos casos mais sofisticados
o modelo de simulação tem ainda a capacidade de modelar a propagação de variáveis descritivas da
qualidade das águas residuais.
Excepto nos sistema de CTR mais simples, é típico efectuar a gestão do sistema de drenagem a
partir dum centro de controlo onde estão localizadas as salas de computadores de controlo com um
sistema automático de supervisão e aquisição de dados (SCADA), o qual inclui toda a informação
cadastral da rede exaustiva, detalhada e actualizada, apoiada num sistema de informação geográfica
(SIG), os modelos de simulação e ainda o algoritmo de controlo. Este é um elemento central do CTR,
que traduz os objectivos de desempenho do sistema de CTR em instruções de actuação sobre
variáveis do sistema ( (Ferreira & David, 2014), (DWA, 2005), (Rauch & Harremoës, 1999a)).
A informação cadastral armazenada deve incluir a cartografia urbana relevante, com dados completos
da rede de drenagem e instalações associadas. Deve também existir uma base de dados com a
informações como localização, características, dados hidráulicos, altimetria e estado de conservação
de elementos como colectores, bacias de águas pluviais, reservatórios, actuadores, estações
elevatórias e sensores. Devem ainda conhecer-se as zonas sob intervenção e respectivas áreas de
afectação ( (Sebastião, 2005), (EMARLIS, 2006)).
O modelo de simulação permite analisar o comportamento do sistema de drenagem, em particular
permite identificar pontos críticos e definir estratégias futuras de controlo a utilizar para optimizar a
gestão do sistema em função dos objectivos definidos. Tipicamente as estratégias passam pelo
máximo aproveitamento da capacidade de armazenamento existente e consequente diminuição do
23
volume de descargas directas e minimização de custos operacionais (Sebastião, 2005). Na prática
esta estratégia pode ser implementada utilizando, por exemplo, o princípio da equalização da
utilização da capacidade de armazenamento, descrito adiante.
O modelo de simulação requer informação cadastral do sistema de drenagem e, de forma a simular o
escoamento nos colectores, necessita de dispor de hidrogramas de afluência de águas residuais e
pluviais nas várias entradas da rede de drenagem. Tais dados podem obter-se através de modelos de
previsão da precipitação associados a modelos hidrológicos de transformação da precipitação em
escoamento superficial e hidrogramas característicos de produção de águas residuais. No caso de se
modelar a qualidade da água, é necessário dispor adicionalmente de informação quantitativa sobre a
mesma (Sebastião, 2005). Os modelos hidrológicos simulam o escoamento superficial com base em
dados de precipitação e características da superfície da bacia hidrográfica, obtendo-se hidrogramas
de escoamento superficial, os quais são utilizados como dados de entrada nos modelos hidráulicos.
Os modelos hidráulicos permitem estudar o comportamento do escoamento na rede de drenagem,
baseando-se nas equações de Saint-Vennant ou nas suas várias simplificações. Em geral, requerem
uma grande quantidade de informação para representar correctamente o escoamento na rede de
drenagem (Sebastião, 2005). Os vários tipos de modelos hidrológicos e hidráulicos são expostos, por
exemplo, em (Ferreira, et al., 2011).
O controlo do sistema de drenagem apresenta três níveis: o da gestão, o do sistema e o do campo.
Ao nível da gestão definem-se os objectivos operacionais gerais e determina-se a estratégia de
controlo. Ao nível do sistema, definem-se os valores alvo variáveis no tempo, dentro dos ciclos de
controlo e estabelece-se o algoritmo de controlo (e.g. conjuntos de regras). Ao nível do campo têm-se
os controladores que aplicam uma lei de controlo dos actuadores (e.g., com ou sem histerese –
descritas no subcapítulo 3.5.6), de modo a minimizar os desvios dos valores alvo (Schütze, 2011a).
O controlo de qualquer processo dos sistemas de drenagem requer a existência de sensores para
medir as variáveis do processo controlado, um actuador para ajustar o processo e um controlador
para regular o actuador. Na Figura 3 esquematiza-se o funcionamento genérico dum dispositivo de
controlo, onde as setas simples indicam o sentido de transmissão da informação e as setas duplas
indicam a direcção do escoamento. O controlo é feito num ciclo com feedback em que um sensor
mede a variável de controlo, sendo esta comparada com o valor alvo e, em função da diferença entre
estes valores, o controlador calcula a resposta adequada do actuador (que pode ser e.g. uma válvula
ou uma comporta). Este influencia directamente o processo a controlar e o controlador recebe
feedback dum sensor (o mesmo ou outro a jusante do processo controlado), permitindo-lhe avaliar se
a regulação do actuador teve o efeito desejado ou se tem de haver nova regulação até se atingir o
valor alvo da variável de controlo ( (Ferreira & David, 2014), (Rauch & Harremoës, 1999a)).
24
Figura 3 - Esquema genérico dum ciclo de controlo com feedback (adaptada de (Ferreira & David, 2014))
A Figura 4 ilustra a aplicação do princípio da equalização da capacidade de armazenamento a um
sistema de drenagem com vários reservatórios, através dum sistema de CTR. Numa situação ideal as
curvas representativas da percentagem de utilização da capacidade dos reservatórios estariam todas
sobrepostas. Na realidade o que se verifica é uma tendência para a sua sobreposição mas sem
chegar a ocorrer totalmente. Esta estratégia de controlo tende a resultar num menor volume de
descargas directas pois quando estas ocorrem os reservatórios tendem a estar todos perto da sua
máxima capacidade (De Korte, et al., 2009). Isto é bem ilustrado pelo sistema de CTR estudado em
(Pabst, et al., 2011) (cuja forma de controlo se apresenta em maior detalhe no subcapítulo 3.5.2).
Figura 4 – Utilização da capacidade dos reservatórios dum sistema de drenagem com um sistema CTR
que procura equalizar a utilização da capacidade de armazenamento (adaptada de (De Korte, et al.,
2009))
Um factor determinante do sucesso deste princípio é a relação espacial dos reservatórios, sendo
mais eficaz para reservatórios em série ou que, em paralelo, revelem poder influenciar-se em termos
hidráulicos (Borsányi, et al., 2008).
Se o sistema de drenagem estiver sujeito a precipitação uniforme no espaço, a aplicação deste
princípio pode não surtir grande efeito pois a equalização tende a ocorrer mesmo sem CTR, como
concluído nos estudos em (Schütze & Alex, 2011) e (Borsányi, et al., 2008). Nesta situação podem
obter-se melhores resultados seguindo o princípio de regular os reservatórios da rede de modo a
evitar descargas directas no reservatório mais a jusante da rede, logo a montante da ETAR,
procurando simultaneamente maximizar o uso deste. Neste caso o efluente dos reservatórios (e
Passos temporais
Cap
acid
ade
utiliza
da
(%
)
25
doutros elementos como bombas) a montante é controlado de modo a ser inversamente relacionado
com a percentagem de volume utilizado do reservatório da ETAR e dando prioridade à vazão dos
elementos a montante mais perto de exceder a sua capacidade (Borsányi, et al., 2008).
Por outro lado, na presença de precipitação não-uniforme no espaço, a aplicação do princípio de
equalização da utilização da capacidade de armazenamento numa rede com reservatórios muito
distantes pode não produzir bons resultados pois, assim que um reservatório começa a encher,
outros em áreas com menor afluência de caudal vão também tentar encher em vez de esvaziar
antecipando potenciais picos de precipitação a que estarão sujeitos. Este problema pode ser
contornado se forem incluídas previsões meteorológicas no algoritmo de controlo e devidamente
levadas em conta no grau de equalização da utilização da capacidade dos reservatórios, ou aplicando
este princípio a grupos de reservatórios suficientemente próximos para ser passível ignorar a
distribuição espacial da precipitação (Fiorelli & Schutz, 2009).
Além disto, se os reservatórios forem subdimensionados, quando os seus tempos de esvaziamento
são muito diferentes ou quando a maioria dos reservatórios estiverem cheios, pode ser preferível
utilizar o princípio da equalização dos tempos de esvaziamento dos reservatórios, em vez de
equalizar a utilização das capacidades de armazenamento, ou conjugar este princípio a um objectivo
secundário de minimizar o volume armazenado nos reservatórios (Fiorelli & Schutz, 2009).
Há outras estratégias de minimização das descargas directas que podem ser eficazes quando intro-
duzem este objectivo de forma explícita no algoritmo de controlo, podendo trazer outras vantagens
como a antecipação de picos de caudal e a possibilidade de mitigar descargas em locais mais sensí-
veis. Contudo, este princípio só é eficazmente aplicado até ao limite do conhecimento dos caudais
futuros, o que só pode ser melhorado com previsões meteorológicas e maior monitorização dos cau-
dais nos pontos de entrada na rede ( (Fiorelli & Schutz, 2009), (Borsányi, et al., 2008)).
Para reduzir a poluição do meio receptor pode seguir-se o princípio de equalização volumétrica do
caudal afluente à ETAR, num valor igual à sua capacidade de tratamento (considerado estático ou
dinâmico). Tal tem como vantagem esvaziar os reservatórios da rede quando o afluente à ETAR é
inferior à sua capacidade. Por outro lado, faz oscilar os caudais efluentes dos reservatórios, não
afecta estruturas que não drenam directamente para a ETAR e pode desacelerar o esvaziamento dos
reservatórios, causando descargas directas. Para melhorar o funcionamento desta estratégia pode
limitar-se a variação dos efluentes dos reservatórios (Fiorelli & Schutz, 2009).
Os sistemas de CTR podem ser concebidos de forma a seguir vários destes princípios em
simultâneo, atribuindo-se diferentes graus de prioridade a cada dado que, em geral, geram respostas
do sistema antagónicas. Podem ainda incorporar-se no controlo muitos outros dos objectivos,
apresentados no Capítulo 3.1.
3.3. Monitorização e Previsão
3.3.1. Introdução
A monitorização do sistema de drenagem urbano é uma componente indispensável à sua gestão e,
em particular, aos sistemas de CTR. A informação recolhida pela monitorização permite conhecer o
estado do sistema de drenagem, sendo utilizável para a sua modelação matemática, simulação,
26
diagnóstico e avaliação do desempenho, optimização da gestão operacional, além de suportar as
actividades de manutenção ((Ferreira & David, 2014), (Póvoa, et al., 2011)). A monitorização fornece
ainda dados base utilizáveis para dimensionamento das linhas de tempo húmido das ETAR (Póvoa,
et al., 2011).
Os equipamentos de monitorização devem ser instalados em secções criteriosamente seleccionadas
da rede de drenagem, com o objectivo de recolher e armazenar, de forma contínua, informação
referente ao estado do sistema (e.g. nível do escoamento, precipitação). A informação recolhida,
quando não utilizada directamente por actuadores com controlo local, pode ser transmitida
remotamente a um centro de controlo, auxiliando a tomada de decisões de controlo das diversas
infra-estruturas do sistema através dos actuadores (e.g. válvulas, comportas, electrobombas). Mesmo
no caso de sistemas de controlo remoto é aconselhável que exista um dispositivo de armazenamento
de dados local para evitar perda de dados por falhas de comunicação com o centro de controlo
( (Póvoa, et al., 2011), (United States Environmental Protection Agency, 2006)). Os sensores devem
ainda ser robustos e de fácil manutenção ( (Ferreira & David, 2014), (Schütze, 2011a)).
3.3.2. Equipamentos de Monitorização
Na rede de colectores, os principais elementos monitorizados são níveis e velocidades do
escoamento, caudais e concentrações de poluentes (e.g. carga de sólidos suspensos totais através
da turvação) (Ferreira & David, 2014). Para efeitos da implementação dum sistema de CTR deve-se
inventariar os equipamentos de monitorização existentes e/ou necessários instalar, anotando a sua
localização, estado de conservação (idade), capacidade de serem melhorados, princípios de
medição, gama de valores passíveis de ser medidos, exactidão, fiabilidade e método de transferência
de dados (DWA, 2005).
A medição do caudal exige, em escoamento sob pressão, apenas a medição da velocidade do
escoamento já que a área de escoamento é conhecida. No escoamento em superfície livre, além da
velocidade, é necessário medir o nível do escoamento para calcular a área de escoamento. Isto
reflecte-se na exactidão da medição do caudal, sendo comum ter um erro inferior a 5% no caso de
escoamento sob pressão e entre 5 a 15% quando é em superfície livre (Póvoa, et al., 2011).
Entre os instrumentos de medição da altura do escoamento destacam-se os seguintes ( (Ferreira &
David, 2014), (Schütze, 2011a), (Póvoa, et al., 2011), (Brito, 2012), (United States Environmental
Protection Agency, 2006)):
Os sensores de pressão (ver Figura 5), que se baseiam no princípio da hidrostática e são
especialmente úteis em secções onde possa ocorrer entrada em carga dos colectores ou
inversão no sentido do escoamento, mas têm a desvantagem de serem instalados no fundo
do colector onde tende a haver acumulação de sedimentos;
27
Figura 5 - Medidor de pressão hidrostático: equipamento (esquerda) e instalação em colector (direita)
(fonte: (Póvoa, et al., 2011))
Os sensores ultrassónicos (ver Figura 6), que medem a altura de escoamento através do
tempo de percurso entre a emissão duma onda sonora de elevada frequência (gerada por um
transdutor, ligado a uma unidade de controlo), e a recepção do eco no sensor, após ser
reflectida pela superfície do líquido, sendo instalados na parte superior do colector e
necessitando, por isso, de menor manutenção que os sensores de pressão.
Figura 6 - Medidor de pressão ultrassónico instalado em colector (fonte: (Póvoa, et al., 2011))
Nas ETAR é comum medir o caudal de escoamentos em superfície livre através da altura do
escoamento em descarregadores (de soleira delgada, soleira espessa, Venturi ou canal Parshall –
ver Figura 7) conhecendo a sua curva de vazão ( (Póvoa, et al., 2011), (Brito, 2012)).
Figura 7 – Medidor de caudal Parshall (esquerda) e medidor ultrassónico instalado em descarregador
(direita) (fonte: (Póvoa, et al., 2011))
Para medição da velocidade do escoamento destacam-se os seguintes equipamentos ( (Ferreira &
David, 2014), (Póvoa, et al., 2011), (Brito, 2012)):
Sensores por efeito de Doppler (ver Figura 8), que são constituídos por um elemento transmissor
que emite um sinal (acústico ou electromagnético) de frequência conhecida, sendo a velocidade
do escoamento obtida por variação da frequência entre a emissão e captação das ondas, após as
partículas em suspensão e bolhas de ar reflectirem parte das ondas emitidas (a frequência das
ondas é alterada devido ao movimento das partículas que as reflectem – efeito de Doppler). A
28
velocidade obtida pelo efeito de Doppler é a máxima da secção transversal, pelo que é depois
corrigida por um factor que a transforma em velocidade média. Este factor deve ser aferido com
um sensor de velocidade portátil para determinar o seu valor para períodos com diferentes
padrões de escoamento (Verão e Inverno) e diferentes locais de implantação. Existem dois tipos
destes sensores: os pulse Doppler e os peak Doppler, sendo que os primeiros emitem um
impulso pulsado e permitem obter o perfil de velocidades, mas não para a totalidade da altura da
secção, o que limita a sua aplicação.
Figura 8 - Anel de fixação e sensor pulse doppler (esquerda) e perfil de velocidades (direita) (fonte:
(Póvoa, et al., 2011))
Os sensores por efeito radar (ver Figura 9), embora normalmente não chamados sensores
Doppler, também se baseiam neste efeito. Diferem dos outros sensores pelo facto do impulso ser
enviado na frequência rádio, que são menos afectadas pela temperatura ambiente. Estes
sensores instalam-se na parte superior da secção hidráulica e utilizam a superfície do
escoamento como meio de reflexão das ondas rádio. Aqui obtém-se a velocidade superficial, que
é convertida em velocidade média por factores aferidos com base em verificações no terreno.
Figura 9 - Exemplo de instalação de medidor radar com instalação em caleira (esquerda) e em caneiro
(direita) (fonte: (Póvoa, et al., 2011))
Sensores electromagnéticos (ver Figura 10), que são sensores de elevada exactidão na
medição do valor da velocidade do escoamento, mas que têm a desvantagem de terem
custos muito elevados em grandes diâmetros. Estes sensores possuem um magneto que
permite, com base na lei de Faraday, determinar a velocidade, que é proporcional à corrente
29
gerada. São também utilizados em forma portátil para verificar velocidades durante
operações de montagem, campanhas e manutenções preventivas e correctivas.
Figura 10 - Medidor de velocidade electromagnético instalado em tubagem (fonte: (Póvoa, et al., 2011))
Sensores de tempo trânsito (ver Figura 11), que emitem ultrassons e baseiam-se no princípio que
o tempo necessário para um impulso acústico atravessar um meio (águas residuais) entre um par
de sensores dispostos ao longo do colector é proporcional à velocidade do meio. Estes sensores
obtêm a velocidade média.
Figura 11 - Exemplo dum par de sensores de medição de velocidade do tipo tempo trânsito (fonte:
(Póvoa, et al., 2011))
Na Tabela 2 resumem-se características de medidores de caudal para águas residuais,
mencionando-se alguns modelos existentes no mercado.
30
Tabela 2 – Vantagens e desvantagens de medidores de caudal para águas residuais (adaptada de (Póvoa,
et al., 2011) e (Brito, 2012))
Medidor de caudal
Vantagens Desvantagens
Electromagnéticos para secção parcialmente cheia (ex: ABB partimag e Krohne tidal flux)
Exactidão (melhor para escoamentos sob pressão)
Repetibilidade Sem partes salientes Apenas O&M correctiva Melhor fiabilidade Menos sensível às características do
fluido Menos sensível às condições
hidráulicas
Instalação difícil e onerosa Custo elevado para tubagens de
diâmetro superior a 500 mm Velocidade mínima 0,5 – 1 m/s e
nível mínimo de 10% do diâmetro do colector
Medição de nível por eléctrodos impossibilita o tratamento e validação de dados por métodos Scattergraph
Inflexível a mudanças de localização
Avaria: reposição do espaço físico do medidor
Peak Doppler (ex: ADS Flowhawk CS1)
Instalação Custos de investimento Medição das variáveis de altura e
velocidade Repetibilidade Mudança de local Adequado a efluentes com SST
elevados Environmental technology
verification (ETV) da EPA
Calibração/manutenção/tratamento de dados obrigam a elevados custos de exploração
Com partes salientes que alteram o perfil do escoamento para alturas de escoamento baixas
Probabilidade de ocorrência de interferências entre frequências
Altura mínima do escoamento de 50 mm
Pulse doppler (ex: ADS Flowhawk CS2 e Nivus OCM Pro)
Instalação (possível pelo exterior do colector)
Medição das variáveis de altura e velocidade
Repetibilidade Mudança de local
Calibração/manutenção/tratamento de dados obriga a elevados custos de exploração
Dependência de sólidos suspensos totais
Probabilidade de ocorrência de interferências entre frequências
Altura mínima do escoamento de 150 mm
Menor exactidão
Radar (ex: Flowtronic Flodar)
Instalação Sem partes salientes Medição de altura e velocidade Manutenção interventiva Flexibilidade de instalação para
várias aplicações e gama de diâmetros
Mudança de local Velocidades elevadas
Instalação em câmaras de visita com caleiras não solidárias com os troços de tubagem
Variações de nível acentuadas (montantes de canal Parshall ou jusantes de condutas elevatórias)
Entradas em carga
Tempo de trânsito (ex: Flowtronic Flosonic)
Boa exactidão (erro < 2%) Boa fiabilidade Repetibilidade Manutenção interventiva Princípio de operação bem definido Flexibilidade de adaptação à secção Instalação possível com colector em
funcionamento
Inflexível a mudanças de local Investimento Presença de bolhas de ar Condições de colocação
(alinhamentos a montante e a jusante) mais exigentes que nos sensores electromagnéticos, em especial nos modelos com um só feixe
31
A selecção do tipo de sensores para medir o caudal deve ponderar a sua adaptabilidade ao local de
implantação e não a do local ao tipo de sensor. A escolha do local e equipamento de medição em
sistemas de drenagem deve ter em conta os critérios e factores seguintes ( (Póvoa, et al., 2011),
(Brito, 2012)):
Escolher troços rectos com inclinação constante (preferivelmente inferior a 2%), sem
singularidades e afastados de curvas, cotovelos, obstáculos, confluências ou repartições de
caudais;
Devem realizar-se campanhas prévias de medição do nível e velocidade do escoamento, por
períodos mínimos diários, para definir a gama de caudais/velocidades/níveis do escoamento;
Deve considerar-se se o escoamento é em superfície livre ou sob pressão;
Erro de medição pretendido (em sistemas de canal aberto, deverá ser assumido um erro de
medição na ordem de 10%);
Custos de investimento e de exploração/manutenção;
Redundância de sensores;
Padronização e calibração dos aparelhos;
Perda de carga induzida no escoamento pelos equipamentos de medição;
Representante do fornecedor em Portugal;
Rede de comunicações existente;
Alimentação através da rede eléctrica ou de baterias. No último caso é necessário considerar
que maiores frequências de amostragem obrigam a mudar de bateria mais frequentemente.
Os sensores da qualidade da água podem monitorizar diversas variáveis como o oxigénio dissolvido
(OD), sólidos suspensos totais (SST), carência química de oxigénio (CQO), carência bioquímica de
oxigénio aos 5 dias (CBO5), contaminação fecal (E. Coli ou EF). Estas variáveis caracterizam os
efeitos de curto prazo no meio receptor. Os efeitos de longo prazo são avaliados por outras variáveis
como a concentração de nutrientes (em particular de fósforo e azoto), concentração de metais
pesados, herbicidas, produtos farmacêuticos e de disruptores endócrinos (químicos que alteram o
funcionamento hormonal de mamíferos). Para sensores que meçam variáveis como SST ou CQO
pode ser difícil ter frequências de amostragem adequadas a um sistema de CTR, pelo que se está a
tornar comum a utilização de sensores que permitam uma monitorização contínua de parâmetros
substitutos que permitem estimar aquelas variáveis, como sejam os sensores de turvação, para o
caso dos SST, e a espectrofotometria UV-Vis, para aferir os SST e a CQO. Outras variáveis como a
temperatura, pH, potencial redox e OD podem ser monitorizadas em contínuo, sendo tal frequente
nas ETAR (Brito, 2012). A aferição da poluição através da turvação tem a vantagem de ser rápida e
simples mas é dúbia uma vez que há muitos poluentes altamente tóxicos incolores e, como tal,
indetectáveis através da turvação, sendo preferível a espectrofotometria.
Os espectrofotómetros UV-Vis baseiam-se no princípio de cada composto dissolvido nas águas
residuais apresentar características específicas de absorvência da luz ultravioleta e visível em função
da respectiva estrutura molecular, comprimento de onda e concentração na amostra. A absorvência
na gama de radiação UV pode ser bem correlacionada com a presença de matéria orgânica
32
dissolvida em termos de carbono orgânico total (COT), desde que a turvação esteja abaixo dum
determinado limite. Também é possível estabelecer relações com a CBO5 e CQO. A medição sobre
uma gama de radiações UV-Vis é preferível à medição pontual a determinados comprimentos de
onda. Este tipo de sensor tem a vantagem de não requerer reagentes ou preparação da amostra,
mas a qualidade das leituras é afectada pela presença de bolhas de ar, turbulência, velocidades
muito reduzidas e obstrução da janela óptica (que deve ser mantida limpa por um dispositivo de ar
comprimido) (Brito, 2012).
Os sensores de qualidade da água para uso em CTR devem ser colocados em locais representativos
da rede, ter em conta a variação da altura do escoamento, da velocidade e eventual estratificação do
caudal, e ser colocados a distância suficiente de ligações a montante para assegurar a mistura de
caudais. Estes sensores têm sempre de ser complementados com medições do caudal para se poder
quantificar a carga poluente no sistema de drenagem (Brito, 2012).
A medição da intensidade da precipitação é feita através de udómetros e, em alguns casos, de
radares meteorológicos. Os udómetros mais usados são os de receptáculo basculante, sendo
possível obter leituras com frequências elevadas (p.e., 1 min) mas discretas no espaço, obrigando a
interpolação de valores para locais entre os udómetros da rede de monitorização da precipitação. Os
radares são mais úteis quando a cobertura da área não é a desejável em termos de densidade de
udómetros disponíveis. Contudo, é necessário haver uma constante comparação e calibração das
medições do radar e no solo, para validar as medições de radar, que podem ter uma incerteza
elevada e significativa à escala duma bacia de drenagem urbana. Os radares permitem estimar com
maior precisão a distribuição espacial da precipitação e ainda prever a sua duração e intensidade,
pelo que o seu uso é um aspecto que distingue muitos sistemas de CTR, que deixam de ser apenas
reactivos, passando a ser preditivos ( (Ferreira & David, 2014), (Schütze, 2011a), (Brito, 2012)).
3.3.3. Previsão
De acordo com (Hénonin, et al., 2010) (citado por (Ferreira & David, 2014)), os sistemas de previsão
de cheias em tempo real podem ser agrupados em quatro grupos, de acordo com o tipo de
informação de base utilizado:
Previsão baseada somente em informação histórica de eventos pluviosos e cenários
empíricos. É um sistema relativamente simples no que toca à tecnologia envolvida, em que o
tratamento da informação disponível é a chave para a definição dos cenários. Estes são
definidos com base em registos de eventos passados e no conhecimento da rede ou de
serviços de emergência.
Previsão baseada em informação sobre precipitação e cenários pré-simulados. À informação
recolhida é associado um cenário pré-simulado, o qual envolveu recolha e tratamento de
dados, permitindo antever situações problemáticas. É um sistema que necessita de ser
revisto sempre que surjam alterações estruturais na rede ou no seu funcionamento hidráulico.
Previsão baseada em dados recolhidos em tempo real. A previsão da precipitação é utilizada
como dado de entrada num modelo online do sistema de drenagem. Baseia-se na modelação
em tempo real para prever o funcionamento do sistema de drenagem. Em geral envolve um
33
modelo hidrológico integrado com um modelo hidráulico da rede. É um sistema que depende
fortemente da qualidade da previsão meteorológica e da sua calibração, que em alguns casos
pode ser mantida em contínuo, assegurando uma melhor previsão.
Previsão com controlo em tempo real dos actuadores do sistema de drenagem (através de
controladores com feedback). Além dos aspectos mencionados no ponto anterior, este tipo de
sistema compreende um controlo automático e remoto dos actuadores existentes na rede de
drenagem, baseado na previsão do modelo. Este sistema requer sensores e equipamento de
transmissão remota de dados e é o sistema de previsão mais complexo.
3.3.4. Avaliação e tratamento dos dados recolhidos
Os dados recolhidos pelo sistema de monitorização têm como principais finalidades a calibração e
validação do modelo matemático do sistema de drenagem e possibilitar a utilização dum sistema de
CTR. No caso de sistemas de drenagem já monitorizados, normalmente estão disponíveis séries de
dados longas. Se não existirem dados disponíveis pode ser necessário fazer um programa de
medições preliminares para calibração e validação do modelo (DWA, 2005).
Contudo, antes se utilizarem os dados é necessário verificar a sua qualidade, avaliando
especialmente a adequabilidade dos dados de controlo a uma estratégia de controlo online (DWA,
2005). É essencial que os dados recolhidos sejam tanto quanto possível livres de erros e lacunas e
que sejam suficientemente exactos. A experiência mostra que estes problemas práticos ocorrem com
frequência. Os dados recolhidos devem ser verificados relativamente aos seguintes aspectos antes
de serem utilizados para efeitos do planeamento, calibração e validação de modelos de simulação
e/ou posterior utilização num sistema de CTR:
a) Valores extremos (outliers), dados falseados devido a perturbações e erros de transmissão,
valores nulos ou negativos, valores constantes, incrementos constantes, etc.;
b) Lacunas temporais de dados;
c) Variações bruscas de valores (ruído);
d) Escala da medição demasiado grosseira (quantização);
e) Amplitude de medição demasiado pequena;
f) Intervalo de amostragem demasiado grande;
g) Erros de calibração do zero da escala;
h) Erros em ganho de sinal.
Pontos a) e b)
Ao verificar os dados estes erros são geralmente identificados com facilidade. Se a frequência e
extensão dos erros for limitada, podem calcular-se e usar-se valores substitutos (e.g., por
interpolação entre os valores adjacentes utilizáveis). Isto faz sentido, por exemplo, se um evento de
escoamento superficial da precipitação com lacunas na sua série de dados não puder ser ignorado.
As ferramentas de avaliação de dados têm de possuir funções adequadas (manuais ou autómatas)
para resolver tais problemas (DWA, 2005). Os valores extremos podem ser detectados com base em
dados históricos que permitem definir limites inferior e superior da variável observada, não devendo
34
ser descartados só por serem anormais mas antes analisados relativamente às causas que podem
estar na sua origem, o que é específico a cada variável medida. Por exemplo, uma descarga
industrial pode provocar valores raros mas reais de parâmetros da qualidade da água, que não
devem ser rejeitados antes de replicar a análise ao mesmo volume de água residual para verificar se
a leitura foi correcta ( (Póvoa, et al., 2011), (Brito, 2012), (United States Environmental Protection
Agency, 2006)).
Ponto c)
As variações bruscas dos valores dos dados registados podem ser causadas por sondas mal
colocadas, e.g. sondas Doppler em zonas com ressalto hidráulico ou medidores do nível da água
ultrassónicos em áreas com ondas e/ou aparecimento de espuma. Tais erros no posicionamento dum
aparelho são difíceis de corrigir pois obrigam à sua recolocação ou a mudanças estruturais que
eliminem as perturbações na origem do mau funcionamento. Outra razão para a flutuação dos dados
pode ser por falha dos princípios de medição (e.g. medidores de caudal por indução magnética
colocados em tubagens de concepção antiga com escoamento em superfície livre).
A utilização de dados com este tipo de erros é aceitável provando-se que o valor médio das medições
não é significativamente falso, podendo esta demonstração ser feita por comparação com outras
medições de suporte, possivelmente temporárias. Contudo, a necessidade de atenuação das
flutuações leva à falsificação do comportamento temporal resultante (e.g. quando se recalcula o
afluente à bacia) (DWA, 2005).
Ponto d)
Actualmente a maior parte dos dados recolhidos são convertidos para formato digital algures no
processo de medição, transmissão e armazenamento. Ao processo de conversão de formato
analógico para digital está inerente um certo número de intervalos de quantificação, sendo a
quantização usual mais grosseira constituída por 256 intervalos, a que corresponde uma exactidão de
0,4% (1:256). À luz da exactidão dos sensores alcançável nos colectores, de 1% a 15%, isto parece
suficiente. Contudo, se as medições se restringirem a uma pequena amplitude da gama de valores
observáveis pelo sensor, este nível de exactidão pode revelar-se insuficiente para os cálculos
efectuados com os dados (e.g. cálculos do volume de descarga directas baseados em medições da
altura da água na bacia de retenção) ou se forem feitas avaliações que usam diferenças temporais
nas medições (cálculos de tendências).
Frequentemente ocorre uma perda de exactidão adicional ao reduzir o número de casas decimais ao
exportar dados para ficheiros ASCII (e.g. níveis de descargas com precisão até ao centímetros em
vez de até ao milímetro).
O impacto de escalas de medição demasiado grosseiras pode resultar em problemas similares
àqueles descritos no Ponto c) (DWA, 2005).
Ponto e)
Se a amplitude de medição do sensor for demasiado pequena, os valores reais que caem fora dessa
gama serão registados pelo sensor como valores extremos da sua gama de medição.
35
Tal limitação, além de resultar numa perda de informação, pode limitar os valores alvos de controlo.
Por exemplo, não pode ser dado nenhum valor alvo de descarga da bacia que exceda o valor
extremo da gama de medição do respectivo medidor de descarga, mesmo se forem possíveis valores
mais altos do ponto de vista hidráulico. Um regulador local tentaria alcançar estes valores fora da
gama, por exemplo, através da abertura cada vez maior da válvula de regulação de caudal (DWA,
2005).
Ponto f)
O intervalo de amostragem tem de estar ajustado à dinâmica do processo monitorizado. Por exemplo,
para registar picos de caudal afluente e de efluente, é tolerável um intervalo de 5 minutos no máximo,
embora um intervalo de 1 minuto possa alcançar um resultado muito melhor. Em qualquer caso deve
assegurar-se que os dados registados representam a média do intervalo registado.
Se os caudais efluentes forem calculados com base nos níveis do escoamento registados, os valores
médios têm de ser calculados com uma alta resolução temporal, pois de outro modo irá resultar um
volume de descarga demasiado pequeno devido à forte relação não linear entre estas variáveis. Se
os cálculos de descarga baseados em níveis do escoamento forem executados apenas para efeitos
de avaliação (isto pode fazer sentido já que a calibração poderá ser feita mais facilmente), é tolerável
um intervalo de registo máximo de 1 minuto.
A recolha de dados pelo chamado Método Delta constitui uma alternativa apropriada para a definição
de intervalos de amostragem dos dados armazenados (DWA, 2005).
Ponto g)
Os erros de calibração do zero da escala ocorrem primariamente em medições do nível da água. A
detecção do erro pode ser facilmente feita por comparação com uma medição manual e caso se
confirme a sua existência ele pode ser compensado no conjunto de dados registados.
Para medições do nível de água que sejam utilizadas no cálculo de volumes de descargas, é crucial
ter um zero de referência. O nível de soleiras de descarregadores pode ser detectado no registo do
nível da água com base em curvas características (achatamento de curvas de vazão de enchimento e
de esvaziamento se ocorrer uma descarga) (DWA, 2005).
Ponto h)
Os erros de ganho de sinal resultam em faltas de exactidão. Para medições do nível da água em
bacias com estruturas de descarga, é possível fazer uma verificação analisando as curvas
características (mencionadas no ponto anterior) nas medições. Se o nível do coroamento da soleira
em relação ao zero de referência da medição for conhecido, estes valores podem ser comparados
(diferença entre o valor medido e real) (DWA, 2005).
Existem inúmeros métodos de processamento dos dados de sensores e diagnóstico de falhas, que
podem envolver tratamentos matemáticos, recurso a modelos de simulação, comparações com dados
de sensores noutros pontos da rede e com dados históricos. Por exemplo, usam-se gráficos de
dispersão para analisar dados referentes a altura e velocidade do escoamento ( (Brito, 2012), (United
States Environmental Protection Agency, 2006)). A análise de parâmetros da qualidade da água é,
36
em geral, mais complexa podendo mesmo recorrer a redes neuronais artificiais. No caso de
espectrofotómetros UV-Vis, os espectros podem ser comparados com um espectro padrão fornecido
pelo fabricante ou construído para o local de implantação do sensor com base em dados históricos
(Brito, 2012).
3.4. Tipos de CTR e sua comparação
3.4.1. CTR Local, Combinado, Global e Integrado
Nesta secção apresentam-se os tipos de CTR classificados quanto ao grau de abrangência de
elementos do sistema de drenagem que englobam. A exposição é feita no sentido crescente do grau
de abrangência (CTR local, combinado, global e integrado) e é ilustrada com alguns exemplos e
estudos que evidenciam as capacidades de cada tipo de CTR e facilitam a sua comparação.
O CTR Local é aquele em que os actuadores (e.g. válvulas) são operados de modo independente
entre si, em função de medições locais dos parâmetros de controlo (tornando dispensável o controlo
remoto) e tipicamente através de ciclos de controlo com feedback ( (Schütze, et al., 2004), (Ferreira &
David, 2014), (DWA, 2005), (United States Environmental Protection Agency, 2006)). Os parâmetros
de controlo podem ser fixos e optimizados para as condições locais.
Na Figura 12 exemplifica-se o funcionamento dum sistema de CTR local aplicado a duas válvulas de
regulação do caudal. Cada válvula é controlada independentemente pela respectiva unidade de
controlo, em função do caudal medido imediatamente a jusante da válvula e do valor alvo de abertura
da válvula obtido pela unidade de controlo.
Figura 12 - Controlo local de duas válvulas (adaptada de (DWA, 2005))
Sendo este o método de CTR mais simples em termos de abrangência, ele é mantido em sistemas
mais avançados, tipicamente desenvolvidos após utilização de CTR local, como salvaguarda para
37
situações de emergência ou de mau funcionamento desses sistemas. Nesse caso, o controlo passa a
este nível hierarquicamente inferior e é possível que os actuadores sejam controlados remotamente a
partir dum centro de controlo que recebe informação dos respectivos sensores, mas sem qualquer
coordenação entre as suas acções individuais (Marquès, et al., s.d.).
Este tipo de controlo pode ser suficiente, ou mesmo o mais indicado pela sua simplicidade relativa
(desde que isso não afecte os resultados obtidos), em especial para sistemas simples e com poucos
actuadores, pelo que não é geralmente o mais adequado para cidades grandes ( (Schütze, et al.,
2004), (Pleau, et al., 2005), (Puig, et al., 2009), (Cembrano, et al., 2004)). A simplicidade do CTR
local traz ainda a vantagem duma acção mais rápida dos controladores e também mais fiável pois
não está sujeita a erros de comunicação com um centro de controlo (Marquès, et al., s.d.).
É frequente a utilização do termo CTR Combinado ao falar de sistemas de contro global ou integrado
do modo aqui definido adiante. Este termo é também usado em referência a sistemas de controlo que
estão algures entre o local e o global, isto é, em que há controlo coordenado entre apenas alguns
elementos do sistema, estando os restantes sujeitos a controlo local. Este parece ser o uso mais
apropriado do termo e é nesta acepção que ele aqui se utiliza, contudo não existe ainda uma
terminologia uniformizada nesta área.
O CTR Global é aquele em que a acção de todos os actuadores é coordenada entre si em função do
estado global actual ou futuro simulado do sistema de drenagem. Para tal, os sensores enviam
informação a actuadores localizados noutras partes do sistema (e não apenas ao actuador mais
próximo) ou, preferencialmente, enviam a sua informação a um centro de controlo que processa e
analisa toda essa informação e, em função dela, envia ordens aos actuadores, podendo alterar os
valores alvo dos ciclos de controlo locais, e coordena a acção dos actuadores de modo a atingir
determinado(s) objectivo(s) ( (Schütze, et al., 2004), (Ferreira & David, 2014), (DWA, 2005), (United
States Environmental Protection Agency, 2006)). Na Figura 13 exemplifica-se um sistema de controlo
global remoto aplicado à operação de duas válvulas. A informação recolhida é enviada para um
centro de controlo que a processa e estabelece valores alvo para o conjunto de unidades de controlo,
de modo a operar as válvulas da forma mais eficaz ao cumprimento dos objectivos do sistema.
O controlo global pode ser particularmente útil para maximizar a utilização dos volumes de
armazenamento disponíveis quando o controlo local não o consegue fazer ( (DWA, 2005) citando
(Schilling, 1990)). Isso tende a ocorrer em sistemas de drenagem mais complexos onde se registe
pelo menos uma das seguintes características: grande heterogeneidade espacial da precipitação,
várias estruturas de descarga, volumes de armazenamento dispersos pela rede, várias ETAR, redes
emalhadas, restrições ao nível ou caudal do escoamento e muitos actuadores (Pleau, et al., 2005).
38
Figura 13 - Sistema de controlo global para duas válvulas (adaptada de (DWA, 2005))
Em (De Korte, et al., 2009) apresenta-se um estudo que compara os resultados obtidos por controlo
local e global quando o objectivo é reduzir o volume de descargas directas. O sistema estudado é
composto por cinco bacias de drenagem convergentes numa só ETAR, possuindo muitas estações
elevatórias entre sub-bacias, que constituem o elemento central de controlo do escoamento ao variar
o caudal bombeado de 0% a 100% da sua capacidade máxima. O algoritmo de controlo global foi
concebido segundo o princípio de equalização da utilização da capacidade de armazenamento. O
controlo local consiste apenas em evitar descargas directas a nível local. O desempenho dos
diferentes tipos de controlo foi aferido por aplicação do Método da Bacia Única (MBU), descrito no
Capítulo 4.3.2, que estima um limite inferior teórico do volume de descargas directas numa rede de
drenagem, e comparando com esse valor de referência os resultados obtidos para cada tipo de
controlo, para uma simulação com uma série de precipitação de 10 anos. Neste estudo verificou-se
que, em certos eventos de precipitação, o controlo local obtinha melhores resultados em certas
zonas. Contudo, os resultados de longo prazo mostram que o controlo global tem um desempenho
apenas 70% pior que o melhor desempenho teórico dado pelo MBU enquanto para o controlo local
esse valor sobe para 110%.
Em (Alex, et al., 2008) apresenta-se outro estudo que utiliza o mesmo princípio de equalização da
utilização da capacidade de armazenamento disponível em reservatórios do sistema de drenagem,
concluindo-se que o controlo global aplicado reduz o volume de descargas directas para um valor
muito próximo do mínimo teórico dado pelo Método da Bacia Central (MBC), que é semelhante ao
MBU e é descrito no Capítulo 4.3.2. Uma análise aprofundada revela ainda que o único factor que
impede que se atinja esse valor mínimo são as limitações físicas da operação das válvulas
39
reguladoras de caudal, inferindo-se que os resultados obtidos pelo controlo global estão muito
próximos do melhor que se pode obter na realidade.
O CTR Integrado é aquele em que a rede de drenagem, a ETAR e, na sua forma completa, também
o meio receptor, são controlados simultaneamente e em coordenação. Em casos raros inclui ainda a
parte da produção de águas residuais (incluindo formas de controlo na fonte). A informação do estado
da ETAR e meio receptor pode também ser utilizada apenas para definir as decisões de controlo na
rede de drenagem (DWA, 2005). É o tipo de controlo mais complexo e avançado da actualidade em
termos de abrangência e permanece o foco de várias investigações ( (Schütze, et al., 2004), (Ferreira
& David, 2014)). Na Figura 14 esquematiza-se um sistema de controlo integrado que recolhe
informação da rede de drenagem, ETAR e meio receptor num centro de controlo, operando os
actuadores da rede de drenagem e da ETAR em função do estado global do sistema.
Figura 14 - Controlo integrado de rede de drenagem e ETAR (adaptada de (DWA, 2005))
A necessidade de utilizar controlo integrado em sistemas de drenagem modernos e complexos está a
tornar-se urgente devido ao seu crescente número de estruturas controladas, variabilidade das
condições operacionais e aumento das exigências do desempenho do sistema. Comparando com o
controlo local e global, este tipo de controlo é o que mais potencial apresenta para cumprir
eficazmente a legislação relativa a sistemas de drenagem, em particular as exigências da DQA sobre
qualidade química e ecológica da água dos meios receptores, já que permite analisar aspectos
quantitativos e qualitativos das águas residuais e controlar as condições ambientais do meio receptor
ao levar em conta os efeitos da rede de drenagem e ETAR sobre este ( (Vanrolleghem, et al., 2005),
(Schütze, et al., 2004) citando (Schütze, et al., 2002c), (Rauch & Harremoës, 1999a), (Meirlaen &
Vanrolleghem, 2002), (Meirlaen, et al., 2002) e (Nilsen & Nilsen, 2002), (Polaskova, et al., 2006)
citando (Harremoës & Rauch, 1996)). Como ficou demonstrado num estudo, o controlo integrado
pode melhorar o desempenho de vários sistemas de drenagem nos quais nem o controlo local nem o
global aparentavam ser capazes do fazer ( (Schütze, et al., 2004) citando (Schütze, et al., 2002f)).
Vários outros estudos de simulação demonstraram que o controlo integrado pode aumentar as
melhorias de desempenho introduzidas pelo CTR no sistema de drenagem ( (Zacharof, et al., 2004)
citando (Schütze, et al., 1999)). Por exemplo, em Trebic, na República Checa, estudou-se a
implantação dum sistema de CTR integrado concluindo-se que permite utilizar melhor a capacidade
Informação
Controlo
Informação
40
de armazenamento da rede de drenagem unitária, minimizando as descargas directas (Polaskova, et
al., 2006).
A capacidade dos modelos integrados em quantificar de forma explícita os efeitos de diferentes
opções de controlo do sistema sobre o meio receptor potencia a sua utilização tanto para melhoria
como para concepção dum sistema de drenagem (Vanrolleghem, et al., 2005).
No caso de se querer controlar a qualidade da água, como é regra neste tipo de controlo, tem de se
ter em conta os vários factores que afectam a qualidade da água no meio receptor (qualidade e
quantidade de descargas de águas residuais domésticas, industriais, comerciais e pluviais, e fontes
de poluição difusas como a água proveniente de campos agrícolas). Estes factores requerem
ferramentas de modelação particulares ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Rousseau, et al.,
2005)).
As simulações contínuas de longo prazo em modelos integrados podem ser efectuadas recorrendo a
modelos de escoamento e de qualidade da água relativamente simples. Os modelos hidráulicos mais
complexos levam a tempos de computação demasiado longos e excesso de dados para análise.
Existem modelos da qualidade da água complexos mas sofrem de incertezas significantes e
dificuldades na sua utilização, pelo que acabam por não se justificar (Zacharof, et al., 2004).
O CTR integrado tem a dificuldade acrescida de coordenar diferentes partes do sistema de drenagem
que podem ser da responsabilidade de diferentes departamentos ou mesmo de diferentes empresas
(Schütze, et al., 2004).
3.4.2. CTR Manual, Supervisionado e Automático
Nesta secção apresentam-se os vários tipos de CTR em relação ao seu grau de automação, por
ordem crescente de complexidade (CTR manual, supervisionado e automático).
O CTR Manual é aquele em que os actuadores são controlados directamente pelos operadores. Em
princípio, este tipo de controlo está sempre presente como opção em qualquer sistema de CTR com
maior grau de automação, pois pode ser necessário em emergências ou quando o sistema mais
avançado não funcione, havendo uma transferência para este nível de controlo hierarquicamente
inferior ( (United States Environmental Protection Agency, 2006), (Schütze, et al., 2004)). Como
facilmente se compreende, este tipo de controlo não é adequado a sistemas complexos com grande
número de actuadores.
O CTR Supervisionado é aquele em que os actuadores são ajustados por controladores
automáticos, sendo os seus estados definidos ou aprovados por operadores ou por um sistema de
supervisão ( (Schütze, et al., 2004), (United States Environmental Protection Agency, 2006)). Os
centros de controlo com supervisão permanente contam com operadores cuja experiência lhes
permite intervir nas decisões de controlo até certo ponto. Estas intervenções podem antes ser
simuladas em paralelo para verificar se os seus resultados serão os desejados e, com base nisso,
decidir fazer essa intervenção ou outra (eventualmente não alterar as decisões do algoritmo
implantado). Os operadores podem ainda tomar decisões tendo em conta informações que lhes estão
disponíveis mas que não estão integradas no algoritmo de controlo automático (e.g. previsões
meteorológicas). Este tipo de controlo rege-se pelo princípio de que todas as tarefas automatizadas
41
devem ser executadas pelo sistema de controlo enquanto os operadores se focam exclusivamente na
tomada de decisões. ( (Polaskova, et al., 2006) citando (Schütze, et al., 1998)).
O controlo supervisionado tem as seguintes desvantagens (Polaskova, et al., 2006):
São necessários anos de prática para os operadores obterem a experiência adequada e a
transferência dessa experiência a novos operadores não é fácil;
Ao contrário do controlo de sistemas hidrológicos de grande dimensão, e.g. albufeiras, ou
sistemas com tarefas de controlo regulares como as ETAR, as intervenções de controlo sobre
o sistema de drenagem são efectuadas irregularmente e sob pressão dada a rapidez de
tomada de decisão necessária;
Essas decisões dos operadores podem resultar em mau funcionamento do sistema,
inundações, danos e perda de vidas, e a imputação de responsabilidade legal por esses
problemas pode ser pouco clara.
O CTR Automático é aquele em que os actuadores são controlados dum modo totalmente
automático ( (United States Environmental Protection Agency, 2006), (Schütze, et al., 2004)),
correspondendo ao maior grau de automação possível num sistema de CTR.
O controlo automático é menos frequente que o controlo supervisionado (Polaskova, et al., 2006).
Para ser implementado é necessário estabelecer regras que determinam os parâmetros de controlo
com base numa avaliação sistemática de potenciais intervenções. Por exemplo, ao controlar dois
reservatórios de águas pluviais em série podem utilizar-se regras como: “Se o reservatório de
montante não estiver cheio e o reservatório de jusante estiver cheio, fechar as saídas de caudal do
reservatório de montante” (Polaskova, et al., 2006). Neste aspecto, o controlo automático difere do
supervisionado pelo facto do estabelecimento de regras ser exaustivo, de modo a que o sistema seja
capaz de tomar decisões automáticas em todas as situações possíveis, exceptuando-se somente os
casos de falhas que obriguem o sistema a reverter para um nível hierárquico de controlo inferior que
requeira operadores humanos. Essas falhas podem ser, e.g., avarias do sistema de controlo
automático ou no sistema telemétrico.
Durante o controlo, a informação registada pelos sensores (valores observados do parâmetro de
controlo e, possivelmente, valores do parâmetro de falha) é enviada a um computador central. As
acções de controlo são determinadas com base nesses dados e de acordo com a estratégia de
controlo adoptada, sendo enviados aos actuadores (Polaskova, et al., 2006). Aqui a diferença em
relação ao controlo supervisionado reside na independência do sistema de controlo em relação a
operadores humanos no processo de tomada de decisão, o que não significa que estes não possam
intervir e alterar as decisões do algoritmo de controlo. Aliás, o mais provável e aconselhável é que o
possam fazer.
Nos controlos supervisionado e automático põem-se algumas exigências adicionais para assegurar a
sua fiabilidade, embora mais críticas no caso do último. É necessário estarem disponíveis substitutos
para elementos importantes, como computadores centrais, ou deve ser possível lidar com a sua falha
transferindo o controlo para um nível hierárquico inferior (e.g. passar de controlo global para controlo
local). Como regra geral, em caso de falha do sistema controlo, é necessário manter o sistema num
estado que seja, no mínimo, idêntico ao sistema não controlado. Isto é importante do ponto de vista
42
legal quando é necessário apurar responsabilidades e montantes de indeminização por danos
relacionados com o funcionamento do sistema de drenagem. A comparação com o sistema não
controlado para averiguação da responsabilidade por danos baseia-se na informação sobre a sua
concepção, dimensionamento e potenciais falhas (Polaskova, et al., 2006).
3.4.3. CTR Reactivo e Preditivo
Nesta secção apresentam-se os tipos de CTR existentes em relação à consideração ou não de
estados do sistema de drenagem que não o presente, e do efeito das acções de controlo a tomar
sobre o estado futuro do sistema.
O CTR Reactivo é aquele em que a regulação dos actuadores é feita como resposta ao estado
presente do sistema de drenagem, sem levar em conta o historial de estados passados do sistema,
nem o efeito das acções de controlo a tomar sobre o estado futuro do sistema, nem as solicitações
futuras previstas (e.g. precipitação). Este tipo de controlo pode, então, dispensar simulação do
comportamento do sistema de drenagem e, em geral, está associado às formas mais simples de
controlo (United States Environmental Protection Agency, 2006).
O CTR Preditivo é aquele em que o controlo é feito em função da previsão do comportamento futuro
do sistema de drenagem através de simulações num modelo computacional. Estas simulações têm
de representar um período de tempo suficiente para aferir o desempenho do sistema em termos dos
objectivos definidos. Como os dados de entrada no modelo de simulação são uns de origem exógena
(e.g. precipitação) e outros correspondem a decisões de controlo, esta abordagem permite examinar
a cada passo temporal de controlo (e.g. a cada 5 min) os impactos duma série de potenciais acções
de controlo alternativas e determinar a estratégia de controlo óptima ao longo dum horizonte de
previsão. Alternativamente, a determinação da estratégia de controlo óptima pode basear-se em
algoritmos de optimização diversos (e.g. algoritmo genético). Determinada essa estratégia óptima, ela
é aplicada através dos actuadores e o procedimento repete-se ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Puig,
et al., 2009), (Schütze, et al., 2008), (Cembrano, et al., 2004), (Schütze, et al., 2004) citando (Fuchs,
et al., 1997), (Rauch & Harremoës, 1999a) e (Jumar & Tschepetzki, 2002)).
Os horizontes temporais são um ponto-chave de qualquer técnica de optimização no contexto de
controlo preditivo. A abordagem mais rigorosa é correr o algoritmo de optimização a cada passo
temporal de controlo e determinar a estratégia de controlo óptima até ao fim do evento, i.e. até escoar
todo o caudal do sistema ou até ocorrerem as condições mais adversas em termos de qualidade no
meio receptor. Contudo, isto pode requerer um grande tempo de computação em sistemas
complexos, pois pode ser necessário avaliar os efeitos no sistema de drenagem dum grande número
de opções de controlo possíveis, tornando-se inviável para fazer um controlo em tempo real. A
solução é definir horizontes temporais que balancem o compromisso entre tempo computacional e
grau de optimização da estratégia de controlo determinada ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Schütze,
et al., 2008), (Schütze, et al., 2004), (Marquès, et al., s.d.)). De seguida definem-se os vários
horizontes temporais considerados no controlo preditivo e esquematiza-se a sua relação na Figura
15.
43
O horizonte de previsão corresponde ao intervalo de tempo necessário para avaliar o desempenho do
sistema em termos dos objectivos definidos (em geral, através duma função objectivo, que se procura
minimizar ou maximizar), pelo que especifica o período de simulação. Deste modo, o tipo de
objectivos definidos é condicionante na extensão do horizonte de previsão. Por exemplo, há uma
diferença notória entre o tempo necessário para determinar o volume de descargas total e o para
avaliar a qualidade da água no meio receptor (e.g. a concentração mínima de oxigénio dissolvido
pode ocorrer cerca de 24h após o fim do evento pluvioso) ( (Rauch & Harremoës, 1999b) citando
(Harremoës, 1982)).
O horizonte de previsão exógeno (forecast horizon, na língua inglesa) é a extensão de tempo na qual
há especificação de dados de entrada exógenos. Quando a optimização é feita offline (em simulação)
para efeitos de planeamento, os dados de entrada exógenos são conhecidos na duração total do
evento e este horizonte deixa de ser relevante. Já em aplicações em tempo real este horizonte tem
uma duração limitada e no intervalo entre seu fim e o fim do horizonte de previsão, arbitram-se
valores para os dados exógenos (em geral arbitra-se um valor fixo). As previsões podem basear-se
em radares meteorológicos, udómetros ou medições no sistema aliadas a modelos determinísticos ou
estocásticos. Não é possível generalizar a influência do horizonte de previsão exógeno nos
resultados, tendo de ser avaliada caso a caso ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Puig, et al., 2009),
(Cembrano, et al., 2004)).
O horizonte de controlo corresponde ao intervalo de tempo durante o qual se optimizam as acções
dos actuadores. O CTR traz o máximo benefício possível quando a optimização é conduzida durante
todo o horizonte de previsão. Contudo isto leva ao máximo número de variáveis de decisão e,
consequentemente, a um grande tempo de computação. Assim, é frequentemente necessário reduzir
a duração do horizonte de controlo em relação ao horizonte de previsão. No intervalo entre o
horizonte de controlo e o horizonte de previsão, os actuadores funcionam em geral dum modo fixo
pré-definido (Rauch & Harremoës, 1999b).
O intervalo de amostragem expressa a frequência com que os valores alvo dos actuadores são
renovados e coincide com a frequência com que o algoritmo de optimização é corrido. Assim, para a
melhor estratégia de controlo encontrada, só as decisões calculadas para este tempo passado desde
o início duma corrida do algoritmo de optimização são efectivamente aplicadas. A optimização da
gestão do sistema aumenta com a redução deste intervalo, acompanhado dum aumento do tempo de
computação ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Puig, et al., 2009), (Marquès, et al., s.d.), (Cembrano, et
al., 2004)).
Vários estudos indicam que a utilização de controlo preditivo, mesmo com os erros inerentes às
previsões, é preferível ao controlo reactivo ( (Cembrano, et al., 2004), (Figueras, et al., 2002),
(Labadie, 2004) citando (Labadie, et al., 1981), (Mishalani & Palmer, 1988) e (Georgakakos, 1989)).
44
Figura 15 - Esquema dos horizontes temporais aplicados no controlo preditivo baseado em modelo
(adaptada de (Rauch & Harremoës, 1999b))
3.4.4. CTR baseado em volume, em poluição e em imissão
No contexto das descargas em meios receptores podem considerar-se duas abordagens: a de
emissão e a de imissão. A primeira baseia-se em determinar a carga poluente máxima no ponto de
descarga (e.g. descarregador da ETAR), volume de descarga máximo ou frequência de descarga
máxima no meio receptor (pouco frequente). A segunda baseia-se na determinação duma medida
directa da qualidade da água do meio receptor, como a CBO5, que não deve ultrapassar um limite
definido em nenhum ponto do meio receptor (Polaskova, et al., 2006).
Nesta secção apresentam-se os tipos de CTR classificados quanto à abordagem em que baseiam o
controlo, de emissão ou de imissão, e, dentro das abordagens de emissão, apresentam-se os dois
tipos existentes de utilização mais comum: CTR baseado em volume e em poluição. O CTR baseado
em frequência segue um funcionamento análogo ao baseado em volume mas por ser pouco comum e
escassamente documentado não é aqui apresentado. Na prática, mesmo quando estão definidos
objectivos de redução da frequência de descargas directas, tal é conseguido com a implantação dum
CTR baseado em volume como no exemplo de aplicação apresentado no Capítulo 5.3 ( (Fradet, et
al., 2011), (Pleau, et al., 2005), (Borsányi, et al., 2008)).
O CTR baseado em volume é aquele que se concebe uma estratégia de modo a minimizar o volume
de águas residuais e pluviais afluentes ao meio receptor, através do seu armazenamento e
tratamento. O sucesso desta abordagem está documentado por vários autores como em (Pleau, et
al., 2005) e (Pleau, et al., 2001) (citados por (Vanrolleghem, et al., 2005)). Um dos argumentos
utilizados para dar preferência a este tipo de controlo em vez dos baseados em poluição ou imissão é
que necessita apenas de medições muito simples como níveis de água e caudais a jusante de
válvulas reguladoras de caudal, enquanto os outros tipos de controlo requerem medições de poluição
que se revestem de grandes dificuldades, incertezas e tendem a ser escassas ( (Alex, et al., 2008),
(Schütze, 2011a), (Darsono & Labadie, 2007)). Além disso, a experiência mostra que as soluções de
CTR baseado em volume normalmente também resultam em bons resultados em termos de
Horizonte de previsão
(conclusão de todos os efeitos sobre o sistema de drenagem)
Horizonte de previsão exógeno
(dados de entrada exógenos conhecidos)
Dados de entrada exógenos arbitrados
(e.g. precipitação nula)
Horizonte de controlo
Optimização de valores alvo dos actuadores
Estratégia de controlo fixa
(e.g. abertura máxima em todas as válvu-las reguladoras de caudal)
t0 t0 + Ts
Intervalo de amostragem
Tempo t (discretizado)
45
minimização da poluição do meio receptor (Alex, et al., 2008), ainda que não haja garantias que tal
suceda (Darsono & Labadie, 2007). No Capítulo 5 apresentam-se em detalhe exemplos de aplicação
reais deste tipo de CTR.
O CTR baseado em poluição procura minimizar a quantidade total de poluentes afluentes ao meio
receptor. São ainda poucos os sistemas de CTR deste tipo e tal deve-se essencialmente a dois
factores: falta de séries de medições contínuas da qualidade da água e dificuldade de modelação da
qualidade da água nos sistemas de drenagem ( (Lacour & Schütze, 2011) citando (Kanso, et al.,
2005)). Está sob investigação a possibilidade de monitorização contínua da qualidade da água
através de sensores ópticos e em particular da carga de sólidos suspensos através da medição da
turbidez e da espectrofotometria, que já foi usada em Portugal com bons resultados ( (Brito, 2012),
(Lacour & Schütze, 2011) citando (Grünning, et al., 2002), (Lawler, 2005), (Mels, et al., 2004),
(Langeveld, et al., 2005) e (Fletcher & Deletic, 2007)). De modo a garantir séries de medições fiáveis
e exactas da turbidez e doutros parâmetros de qualidade da água indirectamente aferidos através de
espectrofotometria, desenvolveram-se protocolos de calibração e manutenção ( (Brito, 2012), (Lacour
& Schütze, 2011) citando (Joannis, et al., 2007)).
Um dos meios para reduzir a carga poluente afluente ao meio receptor é dar prioridade ao
armazenamento de águas mais poluídas, descarregando outras menos poluídas no meio receptor
quando não há possibilidade das armazenar e tratar também ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando
(Weinreich, et al., 1997), (Lacour & Schütze, 2011) citando (Gogien, et al., 2004)).
Em (Lacour & Schütze, 2011) apresenta-se um estudo que aplica esta abordagem a um caso
simples, aferindo a poluição pela turbidez, e que evidencia a possível utilidade de considerar algum
tipo de medição da qualidade da água para reduzir o impacto ambiental das descargas no meio
receptor. Nas simulações modelaram-se os efeitos de sedimentação e re-suspensão, considerando-
se ou não o efeito de first flush. Neste estudo compararam-se três tipos de CTR: local baseado em
volume, local baseado em poluição e global baseado em volume (utilizando o princípio da
equalização da utilização da capacidade de armazenamento), verificando-se que todos melhoravam o
desempenho do sistema sem CTR. Concluiu-se que o CTR local baseado em poluição era o que
melhor resultado dava em termos de carga poluente descarregada no meio receptor mas
apresentando uma melhoria marginal comparada com o CTR global baseado em volume. Este
revelou como vantagem uma redução muito maior do volume descarregado. Tendo em conta a
grande incerteza comportada pelos sensores de poluição e a grande diferença de volume
descarregado, o CTR global baseado em volume é elegível como meio de controlo indirecto da
poluição, possivelmente com os melhores resultados na realidade.
Observou-se ainda que a consideração do efeito de first flush não conduz necessariamente a melhor
controlo da poluição, possivelmente devido à informação sobre poluição recolhida no momento em
que ele ocorre influenciar decisões de controlo noutros locais e instantes, em que o efeito é menos
pronunciado ou inexistente. Contudo, este assunto carece investigação adicional.
O CTR baseado em imissão procura optimizar a qualidade do meio receptor de forma directa, pelo
que se distingue do CTR baseado em poluição, que o faz de forma indirecta. Isto significa que se
utilizam sensores de qualidade no meio receptor, cuja informação é directamente utilizada para
46
manipular os actuadores da rede de drenagem, ETAR e mesmo do meio receptor (no caso dum rio
podem ser descarregadores, electrobombas e arejadores) ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando
(Erbe, et al., 2002a), (Rauch & Harremoës, 1999b)).
O facto de se evitar o controlo indirecto da qualidade da água através do volume ou frequência de
descargas directas é importante pois, em investigações efectuadas, não foi encontrada uma grande
correlação entre a redução do volume de descargas directas e o aumento do oxigénio dissolvido no
meio receptor, que é um parâmetro crucial da avaliação da qualidade da água ( (Rauch & Harremoës,
1999b), (Zacharof, et al., 2004)), apesar de não ser o único nem necessariamente o mais
condicionante. Mesmo o controlo baseado em poluição não garante a qualidade da água no meio
receptor. Por exemplo, devido a diferentes capacidades de diluição e de degradação de diferentes
meios receptores, a mesma carga poluente descarregada dum sistema de drenagem pode ter neles
diferentes efeitos. Além disso, o momento em que se faz a descarga pode desempenhar um papel
importante (Zacharof, et al., 2004).
No contexto legal actual, as abordagens de controlo tradicionais tornam-se insuficientes por não
garantirem a qualidade ecológica do meio receptor ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Butler &
Schütze, 2005)). Neste aspecto o controlo baseado em imissão é visto como uma abordagem
promissora por vários estudos ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Bauwens, et al., 1996), (Rauch
& Harremoës, 1999b) e (Schütze, et al., 2002d)). O CTR baseado em imissão é assim uma melhor
forma de assegurar o cumprimento das novas exigências legais relativamente à qualidade química e
ecológica dos meios receptores, em particular se apoiado por modelação ecológica e análise de
incertezas (Vanrolleghem, et al., 2005).
A concepção e calibração dum esquema de CTR baseado em imissão, com o objectivo de aferir o
efeito geral sobre o meio receptor, requerem um modelo matemático integrado do sistema de
drenagem (rede de drenagem, ETAR e meio receptor), sendo assim indissociável do CTR integrado
completo. As três componentes do sistema de drenagem têm correspondência a subsistemas do
modelo, que correm em simultâneo, permitindo que os estados actuais e previstos do meio receptor
sejam utilizados para determinar acções de controlo em todas as partes do sistema. Já numa
simulação sequencial isto é impossível pois o estado do meio receptor é o último cálculo a ser feito
em cada passo da simulação (Vanrolleghem, et al., 2005).
O controlo baseado em imissão tem a desvantagem de ser mais oneroso que o baseado em volume,
pois requer mais sensores e modelos de simulação mais complexos, cujo desenvolvimento e
implementação são mais trabalhosos e morosos. Isto faz com que muitas vezes este tipo de CTR
seja posto de lado pelas entidades gestoras, optando-se por esquemas de CTR mais simples (Pleau,
et al., 2005).
Há autores, como (Rauch & Harremoës, 1999b), que chamam a este tipo de controlo baseado em
poluição, não distinguindo a forma directa ou indirecta como o controlo da qualidade do meio receptor
é executada. Neste texto, faz-se essa distinção, englobando o CTR baseado em poluição e em
volume no CTR baseado em emissão, por oposição ao baseado em imissão.
47
3.4.5. Comparação entre os tipos de CTR
Em princípio, quantos mais elementos e variáveis do sistema de drenagem são incorporados no
sistema de CTR, maior será o seu potencial em atingir os objectivos definidos. Quanto à abrangência
de elementos do sistema de drenagem e grau de coordenação da sua acção, o desempenho dos
sistemas de CTR tende a crescer na ordem seguinte: local, combinado, global, integrado ( (Puig, et
al., 2009), (Darsono & Labadie, 2007)). Quanto ao número de variáveis, o CTR preditivo é mais
vantajoso que o reactivo, pois considera as variáveis correspondentes aos valores futuros de
determinados parâmetros. Quanto à base do controlo, o CTR baseado em imissão tende a ser mais
vantajoso que os CTR baseados em emissão (volume ou poluição) pois é o único que controla
directamente os parâmetros do meio receptor, estando apto a fazer cumprir a legislação relativa à sua
qualidade. Entre as abordagens de emissão, o controlo baseado em poluição tem potencial para
bater o baseado em volume no que toca ao cumprimento das leis sobre qualidade do meio receptor.
Contudo, o seu desempenho relativo depende muito de como é feita a monitorização e modelação da
poluição no escoamento.
A vantagem dos tipos de controlo com maior potencial teórico pode ser marginal relativamente a um
sistema menos complexo, podendo então justificar-se a opção por um sistema mais simples pela
facilidade e menor custo da sua implementação. É uma análise que tem de ser feita caso a caso.
A comparação entre tipos de controlo não é linear pois, embora teoricamente um sistema de controlo
que, por exemplo, integre mais informação tenha maior potencial para atingir os objectivos definidos,
na prática o seu desempenho está intrinsecamente ligado à forma como é implementado e, em
especial, à concepção do algoritmo de controlo (Rauch & Harremoës, 1999b). Por esta razão,
afirmações como “o controlo global é melhor que o controlo local” não são universais. Pode somente
dizer-se que um determinado sistema de controlo global tem um melhor desempenho que um
determinado sistema de controlo local, para um certo sistema de drenagem.
3.5. Elementos de controlo e formas da sua utilização
3.5.1. Válvulas reguladoras de caudal
Na maior parte das redes de drenagem, as válvulas são dos elementos mais importantes para
operações de controlo. Elas permitem regular o caudal efluente de elementos de retenção como
reservatórios, bacias e colectores com capacidade de armazenamento. Em geral, os respectivos
controladores estão implantados localmente por razões de fiabilidade e de descentralização dos
sistemas de controlo (DWA, 2005).
Em sistemas de maior dimensão faz sentido distinguir entre os seguintes diferentes estados
operacionais (DWA, 2005):
Estado inactivo, durante condições de tempo seco;
Estado de alerta, quando há sinais da presença de precipitação (e.g. aumento do caudal) ou
previsão da sua ocorrência iminente. Este estado é sobretudo necessário no caso de válvulas
de regulação de caudal grandes para as levar duma posição neutra a uma posição de
prontidão a actuar (standby);
48
Estado activo, quando o caudal é regulado pela válvula para o valor alvo definido.
Se necessário, isto pode ser reformulado com estados operacionais de manutenção dos valores alvo
do nível da água e com níveis de esvaziamento escalonados no caso de sistemas de múltiplos
elementos de retenção.
A Figura 16 apresenta o princípio de funcionamento dum ciclo de CTR duma válvula reguladora de
caudal, típico em colectores de grande diâmetro, onde a instalação de medidores de caudal directos
através de sifão e válvulas não é possível. A descarga no fim do desenvolvimento do colector é
regulada para um valor alvo através da posição da válvula à saída do reservatório. As regras de
actuação da válvula têm de ser desenvolvidas tomando em conta o tempo de reacção na rede de
drenagem. A par da medição indispensável da descarga controlada, a qualidade do sistema de
controlo pode ser melhorada com medições adicionais do nível de água a montante, h, e de possíveis
afluências laterais (DWA, 2005).
Figura 16 - Ciclo de controlo com feedback da descarga num sistema de grande dimensão (adaptada de
(DWA, 2005))
No caso da configuração típica utilizada em implementações directas da válvula e medições de
caudal, a concepção do ciclo de controlo com feedback é, geralmente, menos crítica e mais simples,
dispensando medições adicionais (DWA, 2005).
3.5.2. Reservatórios e bacias de águas pluviais
Os reservatórios e as bacias de águas pluviais são elementos distintos essencialmente apenas em
termos construtivos. Os reservatórios são estruturas fechadas de betão armado, tipicamente
subterrâneas, enquanto as bacias de águas pluviais são elementos a céu aberto, frequentemente
apenas com alguns elementos de betão armado, de resto sendo quanto muito resultado de
operações de terraplenagem de modo a dar-lhes a dimensão e forma desejadas. Neste texto o que é
dito para um elemento também é aplicável ao outro, pois o seu funcionamento é idêntico.
49
Numa rede de drenagem unitária, os reservatórios de águas pluviais servem para reter parte das
águas residuais, antes das descarregar na rede ou no meio receptor. Estes reservatórios podem
dividir-se em dois grupos (Polaskova, et al., 2006). O primeiro consiste nos reservatórios de retenção
concebidos para optimizarem a diferença entre os seus volumes afluentes e efluentes. São utilizados
para balançar os caudais quando o afluente máximo é superior ao efluente potencial. O segundo
grupo engloba os reservatórios flow-through, de sedimentação, de retenção e combinados. Nos
reservatórios flow-through o afluente deve transbordar da rede e escoar através do reservatório, de
preferência durante todo o período em que a rede está sobrecarregada, servindo para deter
contaminantes sedimentáveis de grandes dimensões. Os reservatórios de sedimentação têm
propriedades de retenção e de limpeza da água e a são atravessados pela totalidade do caudal. Os
reservatórios de retenção armazenam o primeiro transbordamento da rede, servindo o propósito de
reter o first flush. Se esgotarem a sua capacidade, descarregam águas não tratadas para a rede ou
meio receptor. Um reservatório combinado é essencialmente um sistema de reservatórios de
retenção e de flow-through ( (Polaskova, et al., 2006) citando (Kolatsch & Schilling, 1990)).
Tipicamente os reservatórios de águas pluviais possuem um dispositivo regulador do caudal efluente
(um orifício com uma determinada secção ou uma válvula reguladora de caudal) e um descarregador
de excedentes (e.g. de soleira espessa). Quando o caudal efluente dos reservatórios é regulável, é
frequente aplicar-se CTR local, com o objectivo de prevenir a utilização desnecessária da capacidade
de armazenamento do reservatório (Alex, et al., 2008).
A operação dos reservatórios está intrinsecamente ligada à das válvulas reguladoras de caudal. Tal é
bem ilustrado pelo algoritmo de CTR global reactivo baseado em volume apresentado em (Schütze &
Alex, 2011). Este algoritmo parte da configuração de blocos de controlo que seguem a configuração
da rede de drenagem, simplificando-a de modo a incluir apenas os elementos controláveis da rede
(ver Figura 17). Cada elemento controlável tem no máximo outro elemento controlável directamente a
jusante e pode ter vários directamente a montante. Se um controlador local (CL) tiver outros a
montante instala-se um controlador supervisor (CS) junto dele, para coordenar as suas acções. Cada
elemento controlável pode receber afluentes controláveis e não controláveis de magnitude à partida
desconhecida, vindos de bacias de drenagem a montante (Alex, et al., 2008).
Esta abordagem torna simples a concepção deste sistema de CTR para boa parte dos sistemas de
drenagem, até porque além da informação básica sobre o sistema (como volumes de
armazenamento e caudais máximos admissíveis), o algoritmo de controlo requer um pequeno número
de parâmetros de entrada ( (Schütze & Alex, 2011), (Alex, et al., 2008)).
O algoritmo de controlo (ilustrado na Figura 17 e Figura 18) requer a utilização de controladores
locais (LC) para cada actuador da rede de drenagem (válvulas reguladoras do caudal efluente de
reservatórios), sendo eles por sua vez coordenados entre si através de controladores supervisores
(SC) (veja-se a Figura 18). Utilizando as informações locais (níveis da água e caudais), cada
controlador local regula o caudal efluente do seu reservatório, qout, e envia ao primeiro controlador
supervisor a jusante um valor de caudal desejado, qw, i.e. que a rede a jusante deve ter capacidade
de receber. Por seu turno, como ilustrado na Figura 17, o controlador supervisor determina e envia
aos controladores locais directamente a montante o valor do máximo caudal efluente dos
50
reservatórios por eles controlados, qmax, e ainda o valor alvo do nível de água desses reservatórios,
href, com base nos pedidos de caudal e níveis de água dos reservatórios a jusante. Os controladores
locais directamente a montante do controlador supervisor recebem esta informação e de acordo com
ela controlam o nível do reservatório e do seu caudal efluente. A cadeia de interacções entre os
controladores do sistema assegura um controlo global, sendo possível assegurar o princípio de
equalização de utilização da capacidade de armazenamento dos reservatórios, minimizando do
volume de descargas directas ( (Schütze & Alex, 2011), (Alex, et al., 2008)).
Quando há descarga de excedentes num reservatório, a sua válvula passa para a posição de máxima
abertura. De modo a manter seguro o comportamento local de cada reservatório nunca se permite
que o seu caudal efluente máximo corresponda a uma posição da válvula que não a de abertura
máxima. Se o controlador supervisor definir um href maior que zero, o controlador local passa a actuar
de modo a atingir esse nível (Alex, et al., 2008).
Cada controlador local tem capacidade de reverter para CTR local (e.g. quando falha a comunicação
entre controladores), fixando o valor de qmax no caudal efluente máximo nominal da válvula, href em
zero e qw torna-se irrelevante ( (Schütze & Alex, 2011), (Alex, et al., 2008)). Esta configuração é
também usada em tempo seco (Alex, et al., 2008).
O algoritmo de controlo dos controladores supervisores baseia-se num modelo de previsão do volume
de armazenamento do elemento controlado e em duas funções objectivo que implicam um
desempenho óptimo quando todos os reservatórios são enchidos em sincronia e todas as limitações
aos caudais são utilizadas de modo uniforme.
De forma a atingir o objectivo de enchimento dos reservatórios em sincronia, o controlador supervisor
define o valor de href de todos os reservatórios directamente a montante como o valor do nível de
água no reservatório a jusante destes (com limites e uma histerese on/off). Isto assegura que os
reservatórios a montante começam a encher assim que tal acontece para o de jusante. Para
sincronizar os reservatórios no sentido inverso é o controlador local que entra em acção, e.g. quando
um reservatório a montante começa a encher, o seu controlador local envia ao controlador supervisor
a jusante um valor de qw superior ao máximo caudal nominal efluente para tentar esvaziar o
reservatório e enviar mais caudal para jusante. Isto equalizaria os níveis de ambos os reservatórios
mas, como a rede a jusante tem capacidade limitada e o reservatório de jusante pode já estar cheio,
o seu controlador supervisor tem de verificar se qw é acomodável e limitar o seu valor para qmax, que
considera as restrições de capacidade de transporte e de armazenamento.
O objectivo de uniformização das limitações aos caudais é implementado ao fazer o controlador
supervisor considerar todas as capacidades de transporte disponíveis nos ramos a montante
controláveis e o armazenamento disponível no reservatório a jusante, e alocando-as aos ramos de
montante que estão a pedir capacidade extra (qw > caudal efluente nominal máximo).
O cumprimento de ambos os objectivos assegura a equalização da utilização da capacidade dos
reservatórios e que quaisquer descargas directas ocorrem aproximadamente em simultâneo e que
nenhum caudal é desnecessariamente limitado quando existe capacidade de transporte e
armazenamento para o acomodar. Esta forma de operação procura assegurar a minimização do
volume de descargas directas ( (Alex, et al., 2008) citando (Einfalt & Stölting, 2002)).
51
Figura 17 - Exemplo da transferência da configuração da rede de drenagem (esquerda) para a
configuração dos blocos de controlo locais e supervisores (direita), segundo um esquema de CTR global
(adaptada de (Schütze & Alex, 2011))
Figura 18 - Controlo local dum reservatório com válvula reguladora de caudal a jusante como parte dum
esquema de CTR global (adaptada de (Schütze & Alex, 2011))
3.5.3. Electrobombas e Estações Elevatórias
As estações elevatórias introduzem um número de caudais controláveis e, em muitos casos, utilizam
um volume de armazenamento significativo em colectores e no poço de bombagem. É ainda
frequente terem descarregadores associados. Assim, as estações elevatórias são elementos que
potenciam várias acções de controlo, trazendo vantagens na sua integração no sistema de CTR.
Possuindo todos os elementos mencionados podem ser operadas de modo semelhante ao dum
reservatório como apresentado na Figura 18 e inseridas no mesmo tipo de esquema de controlo
global resumido na Figura 17. A diferença é que qmax passa a indicar um valor variável para o máximo
caudal bombeado (Alex, et al., 2008).
Nas estações elevatórias convencionais as electrobombas são operadas em função dos níveis de
água. As electrobombas vão sendo consecutivamente ligadas ou desligadas consoante se vão
ultrapassando determinados níveis de água e entre cada um desses níveis o caudal das
electrobombas accionadas varia linearmente com o nível (utilizando-se para isso variadores de
velocidade). Este tipo de controlo utiliza ainda uma histerese de modo a evitar oscilações. Em
estações elevatórias com muitas electrobombas, o gráfico que descreve a relação entre o nível da
água e o caudal torna-se complicado, com intervalos pequenos entre cada nível de entrada/saída de
funcionamento de electrobombas. A definição destes níveis é frequentemente feita recorrendo à
experiência e intuição dos operadores, o que leva a soluções subjectivas, dificilmente óptimas e
comportamento potencialmente instável. O estabelecimento dos níveis de entrada/saída de
afluente adicional
qw1 qw2
href1, qmax1
href3, qmax3
qw3
CL1 CL2
CL3
CL4
CS2 CS4 Res.1 Res.2
Res.4 Res.3
qin
qout
qdescarga
Controlador Local
Q
52
funcionamento das electrobombas, ou de outras condições de controlo mais complexas, constitui uma
parte focal da estratégia de controlo da estação elevatória e frequentemente afecta a estratégia de
controlo da totalidade do sistema (Alex, et al., 2008).
Ao conceber uma estratégia de controlo, e especialmente no contexto de CTR global ou integrado
(e.g. para a coordenação de sistemas de electrobombas entre si ou em combinação com a ETAR), é
recomendável desenvolver uma abordagem modular para o controlo das electrobombas individuais
(DWA, 2005). O controlo convencional de estações elevatórias descrito é, devido ao seu conceito um
tanto estático, pouco adequado ao CTR. É preferível considerar separadamente as sub-tarefas de
determinação do caudal total da estação elevatória com base nas condições e solicitações do sistema
(e.g. usando um sistema de controlo global) e de distribuição do caudal total da estação elevatória
pelas electrobombas individuais (ver Figura 19), enquanto se consideram as condições de fronteira
do sistema de controlo das electrobombas ( (DWA, 2005), (Alex, et al., 2008)). Isto não só assegura
que se evitam as referidas curvas características de operação complicadas mas providencia também
uma maior flexibilidade do sistema de controlo, bem como uma formulação mais fácil de estratégias
alternativas para casos de falha de electrobombas individuais ( (DWA, 2005) citando (Schütze &
Alex, 2003)).
A abordagem para este problema, ilustrada na Figura 19, passa por definir primeiro um controlador do
nível da água que altera o valor alvo do caudal total da estação elevatória, qalvo. Subsequentemente,
um controlador de distribuição estabelece valores alvo para o caudal de cada electrobomba, de modo
a que totalizem o valor alvo para a estação elevatória. Esta distribuição leva em conta o estado de
funcionamento recente das electrobombas e uma histerese ( (Alex, et al., 2008) citando (Schütze &
Alex, 2003)). O controlador de nível permite a especificação duma lei de controlo apropriada (na
Figura 19 ilustra-se a situação correspondente a um controlador proporcional não linear) que
considere um nível de referência, href, e um caudal máximo bombeado pela estação elevatória, qmax.
Figura 19 - Esquema de CTR duma estação elevatória (adaptada de (Alex, et al., 2008))
qalvo qi
h
qalvo
h
href qmax
qalvo Controlador do
nível
Controlador
de
distribuição
Controlador da bomba 1
Controlador da
bomba 2
Controlador da
bomba 3
53
A formulação matemática das leis do controlador de nível é complexa e requer conhecimentos sobre
o funcionamento dos vários tipos de controladores utilizáveis para o efeito (proporcionais,
proporcionais-integrais e proporcionais-integrais-derivativos). Em (Alex, et al., 2008) apresentam-se
algumas informações a este respeito.
3.5.4. Descarregadores
O requerimento de manter um certo nível do escoamento pré-definido pode exigir a instalação de
descarregadores com comportas móveis. Estes dispositivos são melhor conservados minimizando o
número de movimentos das comportas (ciclos de accionamento), sendo útil para tal a definição duma
gama de tolerância para o valor alvo num controlador on/off com histerese (ver Capítulo 3.5.6). A
experiência prática demostra que o número de ciclos de accionamento pode ser significativamente
reduzido com esta abordagem, enquanto a qualidade do controlo, avaliada como função da
concretização do valor alvo, não é influenciada negativamente (DWA, 2005).
Em sistemas de CTR local reactivo as comportas do descarregador podem ser reguladas
automaticamente em função no nível da água, utilizando um sistema mecânico com uma bóia
colocada a montante da comporta (Polaskova, et al., 2006).
3.5.5. Outros elementos de controlo
Além dos elementos de controlo mencionados existem outros utilizados nas ETAR como os
dispositivos de adição de químicos, alimentação do tanque de nitrificação e de arejamento, sendo
este também utilizado no meio receptor em sistemas mais avançados (Schütze, 2011a).
3.5.6. Controladores dos actuadores
Os controladores dos actuadores classificam-se consoante a tolerância do valor alvo em
controladores on-off sem ou com histerese, e quanto ao grau de resposta que dão relativamente ao
estado observado da variável de controlo em controladores P, PI, PID ou ainda fuzzy. Descrevem-se
de seguida estes tipos de controladores.
Controlador On-Off sem histerese: o controlador é activado/desactivado consoante o valor da
variável de controlo está acima ou abaixo do valor alvo. Se o valor medido da variável sofrer
oscilações em torno do valor alvo, mesmo que pequenas, o controlador pode ser activado e
desactivado com uma frequência indesejada e produzir efeitos dinâmicos indesejados no
escoamento. Estas oscilações podem ocorrer naturalmente, e.g., no caso da variável de controlo ser
o nível do escoamento as oscilações podem ser o resultado de ondas, turbulência ou espuma
(Schütze, 2011a).
Controlador On-Off com Histerese: é semelhante ao anterior mas menos afectado por flutuações
da variável de controlo. Neste caso é definida uma tolerância em torno do valor alvo. Se o controlador
estiver fora desse intervalo, estando activado/desactivado só vai ser desactivado/activado se o valor
medido da variável de controlo ultrapassar a extremidade oposta desse intervalo de valores. Assim,
54
enquanto o valor medido da variável de controlo oscila dentro desse intervalo, o estado do actuador
não é alterado (Schütze, 2011a).
O funcionamento dos controladores On-Off sem e com histerese é ilustrado na Figura 20 (à esquerda
e direita, respectivamente), para uma variável de controlo genérica, X, com valor alvo Xalvo. No caso
com histerese, Δ é a tolerância.
Figura 20 - Funcionamento dos controladores On-Off sem e com histerese (à esquerda e à direita,
respectivamente) para uma variável de controlo genérica X, com valor alvo Xalvo e tolerância Δ no caso de
controlo com histerese (adaptada de (Schütze, 2011a))
Controlador P (Proporcional): A lei de controlo gera uma acção do actuador proporcional ao erro
(diferença entre o valor alvo da variável de controlo e o seu valor observado pelo sensor), dada por
, em que é a constante de proporcionalidade ( (Vanrolleghem, et al., 2005), (Schütze,
2011a)).
Controlador PI (Proporcional Integral): Neste caso, a lei de controlo gera uma acção do actuador
que é dada pela soma da parcela proporcional ao erro com uma parcela que integra o erro passado,
evitando erros estacionários, dada por ⁄ ∫ ( (Vanrolleghem, et al., 2005),
(Schütze, 2011a)).
Controlador PID (Proporcional Integral Derivativo): Neste caso, além das parcelas consideradas
nos controladores PI, é ainda somada uma parcela derivativa do erro que analisa a sua tendência
futura, sendo a expressão total dada por ⁄ ∫ , onde e
são constantes de integração e derivação, respectivamente ( (Vanrolleghem, et al., 2005), (Schütze,
2011a), (United States Environmental Protection Agency, 2006)).
Controlador Fuzzy: A lei de controlo gera uma acção do actuador baseada em descrições
qualitativas das variáveis do processo (Vanrolleghem, et al., 2005).
on
off
Xalvo X Xalvo X
on
off
Xalvo-Δ Xalvo+Δ
55
4. Aplicação de controlo em tempo real a sistemas de drenagem
urbanos
4.1. Considerações Introdutórias
Tendo-se apresentado os temas mais importantes sobre o funcionamento do CTR nos capítulos
anteriores, apresenta-se nos seguintes informação relevante à sua aplicação aos sistemas de
drenagem urbanos, começando-se pelo planeamento dum sistema de CTR e simulação do sistema
de drenagem. Uma das etapas centrais do planeamento é a avaliação do potencial do CTR, que se
descreve em detalhe no Capítulo 4.3. Outro passo importante é o da escolha e desenvolvimento do
algoritmo de CTR, apresentando-se no Capítulo 4.4 informação sobre este tema. No Capítulo 4.5
termina-se com considerações sobre as principais dificuldades da aplicação do CTR aos sistemas de
drenagem.
4.2. Planeamento dum sistema de CTR
4.2.1. Etapas Consideradas
Em (DWA, 2005) propõe-se um procedimento de planeamento dum sistema de CTR, que se
esquematiza na Figura 21, completada pela Tabela 3, onde se resumem os aspectos relevantes de
todo o processo de planeamento, por ordem temporal. O objectivo da Figura 21 e da Tabela 3 é
fornecer um esquema aos gestores do sistema de drenagem, listando e descrevendo as etapas
necessárias ao planeamento dum sistema de controlo. Contudo, como as características de cada
projecto são diferentes, estes elementos devem ser tomados apenas como guia, e adaptados a cada
caso, embora, em princípio, os passos enunciados devam ser considerados (DWA, 2005).
Na Figura 21 o processo de planeamento é dividido em três fases: considerações iniciais, análise
preliminar e projecto de execução.
Na primeira fase começa-se por definir os objectivos do sistema de drenagem. Por trivial que pareça,
esta tarefa pode envolver numerosas discussões com a empresa gestora do sistema de drenagem
sobre objectivos ambientais, questões económicas e de financiamento, etc.. Em seguida, avalia-se se
o potencial de controlo (relativamente aos objectivos definidos) justifica analisar mais detalhadamente
a implantação dum sistema de CTR. Para isso podem utilizar-se os métodos expeditos de avaliação
do potencial de controlo descritos no Capítulo 4.3.1. Concluindo-se que há suficiente potencial de
CTR procede-se à análise preliminar, caso contrário o procedimento é terminado e desenvolvem-se
soluções convencionais. Enquanto a primeira fase é relativamente fácil de executar e pode ser feita
directamente pela entidade gestora do sistema de drenagem, as fases seguintes exigem
conhecimentos especializados, podendo haver necessidade de contratar um consultor ( (DWA, 2005),
(Schütze, et al., 2008)).
56
Figura 21 - Procedimento de planeamento dum sistema de CTR (adaptada de (DWA, 2005), (Schütze, et
al., 2008))
1ª Fase
Definir objectivos da gestão do sistema de drenagem (ver Capítulo 3.1)
Redução da poluição de meios receptores
Minimização de custos de in-vestimento e de encargos
Optimização das operações no
sistema de drenagem
O sistema indicia ter potencial para CTR? (ver Capítulo 4.3)
Planeamento tradicional
NÃO
SIM 2ª Fase
Obtenção de dados adicionais
Infra-estruturas, sensores, dispositivos de controlo
Disponibilidade de progra-mas de simulação e de da-dos de monitorização
Aspectos organizacionais Aspectos legais
Dados base suficientes?
Recolha adicional de dados
NÃO
SIM
Estudo prévio com CTR
Planeamento alternativo sem CTR
Comparação de alternativas
O CTR é a melhor solução?
Estudo detalhado convencional
Definição de objectivos do controlo
Definição de cenários de simulação (e.g. eventos pluviosos)
Estimativa aproximada do potencial do CTR
Concepção de algoritmos de controlo
Definição da localização de sensores e actuadores
Compilação de diferentes algoritmos de controlo
Formulação e simulação de algoritmos de controlo
Clarificação do quadro jurídico
Realização dos objectivos
Economia
NÃO
Estudo detalhado com CTR 3ª Fase Planeamento detalhado do algoritmo de
controlo
Passos de planeamento para a implementação prática do sistema de CTR
SIM
57
Tabela 3 - Passos de planeamento dum sistema de controlo em tempo real (adaptada de (DWA,
2005))
Nº Etapa Comentários/Explicações
Trabalhos Preparatórios
1 Motivação O sistema de CTR vai, para um caso específico, ser comparado com soluções convencionais como possível alternativa.
2 Descrição geral Objectivos
Formulação geral dos objectivos alcançáveis com um sistema de CTR. Descrição por alto as condições de fronteira organizacionais, administrativas e técnicas. Realização duma discussão básica com as autoridades regulatórias.
3 Entidades envolvidas O proponente do projecto nomeia gestores de projecto, coordenadores de projecto, assessores e outros envolvidos (partes interessadas).
4 Planeamento do projecto Estabelecimento dum plano de projecto com pacotes de trabalho, durações, responsabilidades, calendário de relatórios, etapas e documentação.
Enquadramento do Planeamento
5 Descrição do sistema de drenagem em estudo
Descrição geral da bacia de drenagem, rede de drenagem, ETAR, condições de operação, topografia, etc., relevantes para os objectivos.
6 Dados do sistema: rede de drenagem, estruturas de armazenamento e de descarga, ETAR
Compilação de dados técnicos (sistema de drenagem existente, dados do seu projecto, escoamento superficial, etc.). Definição do âmbito (ver Nº10) através das tarefas efectivas e abordagem planeada (modelo de simulação).
7 Instalações operacionais Levantamento de estruturas, equipamentos técnicos, equipamentos de monitorização e de controlo.
8 Dados de monitorização (precipitação e escoamento superficial)
Compilação dos dados base sobre eventos de precipitação e escoamento em tempo seco, divididos entre águas residuais domésticas e caudal de infiltração. Se necessário, estes têm de ser suplementados por campanhas de medição adicionais.
9 Verificação dos dados compilados
Verificação e avaliação dos dados relativamente à sua coerência antes do seu uso.
10 Estabelecimento da abordagem Descrição das vantagens do sistema de CTR (considerando os objectivos definidos) e do meio da sua demonstração. Normalmente selecciona-se um programa de simulação adequado. Dependendo dos objectivos definidos é provável serem necessários diferentes programas de simulação.
11 Preparação dos dados Os dados recolhidos têm de ser integrados no programa de simulação.
12 Avaliação da situação actual e comparação com experiências práticas
Avaliação da situação actual usando o programa de simulação. Os resultados têm de ser relacionados com experiências operacionais (e medições). Os parâmetros e estrutura do modelo têm de ser adaptados onde necessário e o processo tem de ser repetido.
Estudo Prévio
13 Definição de valores de objectivos quantificáveis
No item 2 estabeleceu-se que os objectivos tinham de ser formulados genericamente. Agora, os valores dos objectivos têm de ser quantificados em detalhe (e.g. frequência / volume de descargas, concentrações de poluentes no meio receptor).
14 Selecção de cenários de simulação
Relativamente à abordagem planeada (modelo de simulação), os dados sobre precipitação necessários têm de ser integrados (eventos isolados, séries temporais).
15 Elaboração de estratégias de controlo
Elaboração de regras de cálculo para a determinação da cronologia dos valores dos objectivos, sob consideração de limitações estruturais, operacionais e técnicas.
16 Simulação do sistema de CTR Prova da eficácia da estratégia de controlo através duma simulação
17 Enquadramento legal Prova da eficácia, descrição da estratégia de controlo, consequências e riscos em caso de falhas.
18 Viabilidade organizacional Supervisão do sistema (se necessário, qualificação do pessoal), acordo dos objectivos operacionais, estabelecimento das responsabilidades.
19 Medições estruturais/técnicas Volumes de armazenamento livres, requisitos técnicos para melhorias ou substituições, escopo do fornecimento e dos serviços.
20 Equipamento de monitorização e de controlo
Condição dos equipamentos técnicos, calendários para substituições e melhorias, função e tecnologia, centro de controlo,
58
Tabela 3 - Passos de planeamento dum sistema de controlo em tempo real (continuação) escopo do fornecimento e dos serviços. Comparação de alternativas
21 Solução convencional como base para comparação
Para provar as vantagens dum sistema de CTR, têm de ser desenvolvidas soluções convencionais (e.g. bacias de retenção adicionais) com as quais também se possam atingir os objectivos formulados.
22 Comparação do desempenho As alternativas (sistema de CTR, convencional) são avaliadas em relação ao seu nível de observância dos objectivos definidos. Além disso, têm de ser aqui considerados benefícios secundários como melhorias operacionais, flexibilidade e desempenho futuro.
23 Comparação de custos Os custos do sistema de CTR são comparados com um sistema operado convencionalmente (investimentos, custos operacionais e de manutenção).
24 Avaliação dos resultados Visão global, comentando as alternativas.
25 Selecção da alternativa Selecção da melhor alternativa com base nos resultados. Projecto de execução
26 Condições de enquadramento para aprovação
Sumarização dos requisitos legais e administrativos para o sistema de CTR após acordo com as autoridades devidas.
27 Condições de aprovação Prova de cumprimento e garantia sustentada dos requisitos das devidas autoridades.
28 Comportamento durante falhas, potencial e risco de falha
Consideração da falha de componentes individuais do sistema (fiabilidade, disponibilidade, segurança, tolerância de erro aceitável, resultado de erros humanos).
29 Verificação de documentação de aprovação
Conceito de aplicação e métodos operacionais do sistema de CTR
Implementação
30 Estruturas Especificações de desempenho sumarizadas
31 Equipamento técnico Especificações de desempenho sumarizadas
32 Equipamento de monitorização e de controlo
Especificações de desempenho sumarizadas
Na segunda fase, que constitui a análise preliminar, é necessário recolher informações adicionais
sobre o sistema de drenagem como o cadastro detalhado da rede, inventário de equipamentos de
monitorização e de controlo, disponibilidade de modelos de simulação do sistema actual e
enquadramento legal (procedimentos necessários para aprovação do projecto e apuramento de
responsabilidade), regulamentar e organizacional (planos de contingência, formação do pessoal e
aquisição, processamento e gestão de dados) (Schütze, 2011a). Neste momento tornam-se muito
importantes as discussões com os operadores do sistema de drenagem, pois, em geral, eles
possuem experiência e conhecimentos sobre o sistema que não estão documentados (DWA, 2005).
Além disso, a sua participação neste processo facilita a sua aceitação do sistema de controlo que for
implantado e que eles gerirão. É ainda necessário descrever o estado e desempenho actual do
sistema de drenagem para comparação com as soluções de controlo a desenvolver. Quando os
dados forem suficientes pode elaborar-se o estudo prévio do sistema com CTR em simultâneo com
um planeamento alternativo sem CTR ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)). O estudo prévio segue
os seguintes passos: 1) especificação de critérios de avaliação do estudo de simulação, 2)
elaboração do modelo de simulação e 3) especificação de algoritmos de controlo. De seguida
descrevem-se em maior detalhe estes passos:
1) Os critérios de avaliação do estudo de simulação podem incluir, consoante os objectivos definidos
na primeira fase do planeamento, volumes ou cargas poluentes de descargas directas, critérios
de qualidade do efluente da ETAR, qualidade da água do meio receptor e custos operacionais
(DWA, 2005) ou outros como os apresentados no Capítulo 3.1.
59
2) A elaboração do modelo de simulação é necessária para a simulação e comparação dos vários
cenários de controlo. Na sumarizam-se os requerimentos do programa de simulação para sua
utilização no estudo prévio e no projecto de execução (da terceira fase do planeamento), embora
eles variem com o projecto. Em muitas situações é possível utilizar um modelo do sistema de
drenagem já existente (que pode ter sido criado com o PGD), desde que represente
adequadamente o estado actual do sistema, embora se deva ponderar se ele pode ser utilizado
na fase do projecto de execução ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)). Para o estudo prévio é
suficiente um modelo simplificado do sistema de drenagem mas mantendo a representação de
todos os elementos importantes, sendo por vezes aceitável um modelo hidrológico ( (Schütze, et
al., 2008), (Polaskova, et al., 2006)). No Capítulo 4.2.2 apresentam-se métodos de simplificação
dos modelos de simulação que permitem tornar o cálculo mais expedito. Por fim, o modelo tem de
ser calibrado e verificado para o sistema actual (Polaskova, et al., 2006).
Tabela 4 - Lista de requerimentos para programas de simulação para estudos prévios e estudos
detalhados de CTR (adaptada de (Schütze, et al., 2008) e (DWA, 2005))
Requerimentos
De especial importância para:
Estudo
prévio
Projecto de
execução
Capacidade de modelação das acções de controlo e da mudança dos
valores alvo X X
Programa aprovado pelas entidades licenciadoras X
Representação correcta das acções de controlo e seus impactos no
escoamento X X
Cálculo dos critérios definidos para avaliação do desempenho do
sistema de controlo (e.g. frequência de descargas, volumes de
descarga, poluição dos meios receptores)
X X
Flexibilidade na definição de algoritmos de controlo e (se aplicável) da sua interacção com a ETAR e outras componentes do sistema de drenagem urbano
X
Adequabilidade para simulações de longo prazo X X
Simulação hidrodinâmica – consideração dos efeitos hidrodinâmicos que podem ocorrer, especialmente durante intervenções de controlo (e.g. curvas de regolfo/ressalto hidráulico, entrada em carga de colectores)
X
Possibilidade de calibração e validação X
(Consoante o projecto – se aplicável) Possibilidade de associar a
rotinas de optimização ou a bases de dados externas X X
(Consoante o projecto – se aplicável) Possibilidade de associar a um
sistema de controlo de processos X
3) A especificação dos algoritmos de controlo deve considerar os tipos de CTR existentes (e.g. local,
global, integrado) e deve ainda ser simulado o estado actual do sistema para servir de cenário de
referência. Certos autores recomendam começar por estudar soluções envolvendo apenas CTR
local e posteriormente estudar a aplicação de formas de CTR mais complexas apenas nas partes
do sistema de drenagem onde se espere que tal resulte em melhorias ( (Polaskova, et al., 2006),
(Schütze, et al., 2008) citando (Schütze & Einfalt, 1999)), pois é frequente conseguir-se grandes
melhorias com sistemas de CTR simples (Schütze, et al., 2008).
Terminados os estudos prévios destas alternativas, elas devem ser comparadas em termos de
desempenho e custos. Concluindo-se preferível a implantação dum sistema de CTR, prossegue-se
60
com o projecto de execução da solução de CTR mais promissora (caso se tenham analisado várias).
Caso contrário desenvolve-se o projecto de execução duma solução convencional. A análise
económica pode envolver métodos de comparação de custos, análise de custo-benefício e de eficácia
de custos. Isso implica estimar os custos com equipamentos de CTR (sistemas de monitorização,
controlo e comunicação) e os custos operacionais (e.g. trabalhadores e seu treino, manutenção,
energia). Contudo, só se deve considerar a parte dos custos directamente associada com o sistema
de CTR. Por exemplo, não se considera custos com sensores necessários para cumprir requisitos
legais sem ligação ao sistema de CTR ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008), (Schütze, 2011a)).
Além dos aspectos económicos, a comparação de alternativas deve levar em conta efeitos benéficos
adicionais do CTR como a segurança operacional, aceitação do sistema pelos operadores, melhor
manutenção e estabilidade dos processos da ETAR devido a maior equalização do caudal afluente, e
a capacidade adicional de reacção a solicitações exteriores (Schütze, et al., 2008).
Na terceira fase do planeamento do sistema de CTR elabora-se o projecto de execução, onde se
planeia em detalhe a infra-estrutura de controlo, elabora-se o algoritmo de controlo final, fazem-se as
preparações necessárias para obter aprovação das autoridades e uma análise de risco ( (DWA,
2005), (Schütze, et al., 2008)).
No planeamento detalhado da infra-estrutura de controlo especificam-se os detalhes das estruturas
de controlo a construir, sensores e sistemas de controlo a implementar, incluindo o sistema de
comunicação associado ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
A elaboração do algoritmo de controlo final exige que, além de finalizar o seu modo de funcionamento
para condições operacionais normais, se contemplem os cenários de falhas, utilizando um modelo de
simulação detalhado. Essas falhas incluem e.g. o mau funcionamento de electrobombas, comportas e
sensores. O modelo de simulação deve ser capaz de modelar efeitos hidrodinâmicos (como regolfos,
efeitos da operação de electrobombas e válvulas) e deve ter sido calibrado e verificado para o
sistema de drenagem actual para possibilitar a comparação dos resultados ( (DWA, 2005), (Schütze,
et al., 2008), (Polaskova, et al., 2006)).
As preparações necessárias para obter aprovação das autoridades incluem a compilação de
documentos relevantes como a proposta formal do sistema de controlo a implantar contendo a
descrição da estratégia de controlo e modo de operação ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Deve ser efectuada uma análise de risco para todas as partes do sistema de drenagem afectadas
pela implementação do sistema de CTR, aliás ela pode ser necessária para efeitos legais. Esta
análise inclui a consideração dos modos de falha possíveis e respectivos impactos ( (DWA, 2005),
(Schütze, et al., 2008)). Em (DWA, 2005) apresentam-se detalhes sobre este tipo de análise e ainda
sobre outros aspectos importantes para o planeamento dum sistema de CTR como aspectos
organizacionais e calibração dos modelos de simulação.
Em geral, o tempo total para completar todas as etapas do planeamento (resumidas na Tabela 3)
pode ser estimado entre 6 a 18 meses. Isto inclui não só o tempo de trabalho mas também os
processos de coordenação relevantes entre todas as entidades envolvidas (concelhos, autoridades,
planeadores e gestores), o que tomará uma porção significativa do tempo total. Tal significa que a
verdadeira quantidade de trabalho para cada parte envolvida é muito menor. Contudo, se faltar
61
informação de base, este período pode ser significativamente mais longo pelo que é recomendável
envolver no planeamento todas as entidades participantes e afectadas desde o início (DWA, 2005).
4.2.2. Simulação dinâmica do sistema de drenagem
A modelação mais realista dos sistemas de drenagem (aquela que consegue ir ao detalhe de calcular
a propagação de ondas) implica a utilização das equações de Saint-Venant completas, que são
resolvidas através de algoritmos complexos de integração numérica, os quais tornam o cálculo lento.
Tal pode revelar-se um problema quando se deseja executar simulações de longo prazo ou resolver
problemas de optimização, especialmente no contexto de controlo em tempo real (Vanrolleghem, et
al., 2005).
No caso da concepção e optimização de estratégias de controlo, em geral é necessário executar
muitas simulações até encontrar uma solução sub-óptima satisfatória. Daí a necessidade de possuir
um modelo de cálculo expedito que permita encontrar essa solução dentro dum período de tempo
razoável. Em (Vanrolleghem, et al., 2005) apresentam-se dois métodos para reduzir o tempo de
simulação durante a optimização das estratégias de controlo: utilização de modelos que não utilizam
todos os termos das equações de Saint-Venant e utilização de modelos simplificados através de
relocação das fronteiras físicas e temporais.
A simplificação dos modelos por exclusão de termos das equações de Saint-Venant justifica-se pela
possibilidade de assim obter uma modelação física dos fenómenos hidráulicos menos realista mas
suficientemente boa para o tipo de estudo em causa, com a vantagem de ser mais célere. O
desenvolvimento de modelos de simulação dinâmica requer uma grande quantidade de dados já que
a maior parte dos seus parâmetros não tem significado físico. A menos que estes dados já estejam
disponíveis, isso implica realizar campanhas de medições, que são onerosas e demoradas
(Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Vanrolleghem, et al., 1999)). Contudo, este problema pode ser
contornado ao utilizar o seguinte método para construir o modelo simplificado ( (Vanrolleghem, et al.,
2005) citando (Meirlaen, et al., 2001)):
1. Definir o sistema sob estudo, as suas fronteiras e o problema a ser resolvido;
2. Recolher dados relativos ao sistema para calibrar um modelo complexo (com todos os termos
das equações de Saint-Venant);
3. Calibrar e validar o modelo;
4. Gerar dados com o modelo complexo para calibrar o modelo simplificado;
5. Calibrar e validar o modelo simplificado.
Na Figura 22 esquematiza-se a aplicação deste conceito à modelação dum sistema de drenagem
incluindo a rede de drenagem, ETAR e meio receptor. Este método já foi aplicado com sucesso em
vários estudos, nomeadamente no Rio Zwalm, na Bélgica (Vanrolleghem, et al., 2005).
62
Figura 22 - Criação dum modelo simplificado dum sistema de drenagem urbano (adaptada de
(Vanrolleghem, et al., 2005))
A utilização de modelos simplificados através de relocação de fronteiras físicas e temporais é o
segundo método para aumentar a rapidez dos modelos de simulação de sistemas de drenagem, com
um mínimo de alteração dos resultados dados pelo modelo complexo.
Há quatro meios de criar um modelo simplificado utilizável para conceber e optimizar uma estratégia
de controlo ( (Vanrolleghem, et al., 2005) citando (Meirlaen, et al., 2002)):
1. Relocalizar as fronteiras de montante do sistema controlado para os pontos imediatamente a
montante dos actuadores mais a montante
2. Relocalizar as fronteiras de jusante do sistema para os pontos imediatamente a jusante dos
sensores mais a jusante utilizados na estratégia de controlo
3. Reduzir adicionalmente a complexidade do modelo com base em análises de sensibilidade às
acções de controlo
4. Relocalizar as fronteiras temporais de modo a excluir fases iniciais e finais da optimização
Na Figura 23 apresentam-se de forma conceptual os diferentes meios de simplificação do modelo.
Ilustra-se o facto de partes de montante da rede de drenagem poderem ser eliminadas quando os
actuadores a jusante não influenciam o seu comportamento (ou de modo desprezável, como se pode
averiguar com uma análise de sensibilidade). A zona de montante do rio pode ser eliminada já que
nenhum comportamento do sistema de drenagem devido à estratégia de controlo irá influenciar esta
parte do rio. A parte do rio a jusante do último sensor pode ser eliminada já que as acções de controlo
não serão tomadas com base no que aí acontece. Contudo, isto só é válido se o sensor estiver no
ponto onde o parâmetro que se mede atinge o seu valor mais crítico – como poderia ser o caso da
concentração de amónia, mas já não o do oxigénio dissolvido, cujo ponto de menor valor é
desconhecido à partida. Por fim, os períodos de tempo seco no início e no fim do período simulado
podem ser excluídos na fase de optimização da estratégia de controlo (Vanrolleghem, et al., 2005).
Realidade:
Modelo complexo:
Modelo simplificado:
Recolha de dados
Geração virtual de dados
Bacia e rede de drenagem reais ETAR real Meio receptor real
Modelo complexo de escoamento
superficial/rede de drenagem
Modelo complexo da ETAR (ASM1, ASM2,
ASM3,…)
Modelo complexo do meio receptor (Isis, Mike11, Duflow-
Eutrof1,…)
Modelo simplificado do escoamento superficial / rede de drenagem
Modelo simplificado da ETAR
Modelo simplificado do meio receptor
63
Figura 23 - Modelo do sistema de drenagem urbano integrado, com localização dos sensores,
actuadores. As partes elimináveis do sistema estão assinaladas por caixas a tracejado (adaptada de
(Vanrolleghem, et al., 2005))
4.3. Potencial do CTR
4.3.1. Métodos expeditos de avaliação do potencial do CTR
O potencial do CTR dum sistema drenagem urbano define-se como a capacidade do sistema de
controlo em atingir os objectivos de controlo definidos. Mais concretamente designa o potencial de
melhorar o desempenho dum sistema de drenagem através dum sistema de CTR, quando
comparado com o seu desempenho num cenário de referência (e.g., sistema estático, sem CTR)
(Zacharof, et al., 2004).
Antes da implementação dum sistema de CTR é, em geral, necessário fazer uma análise extensa,
incluindo modelação e simulação detalhadas, para avaliar o potencial do CTR. Este tipo de estudos
tendem a ser onerosos e podem concluir que o CTR não é indicado para o sistema de drenagem
considerado. Por isso, é desejável dispor dum método expedito de avaliar o potencial do CTR e, em
função do resultado obtido, poder-se-á justificar ou não um estudo de viabilidade mais detalhado
(Zacharof, et al., 2004).
Existem vários métodos expeditos propostos por diferentes autores. Um deles consiste num sistema
de pontuação de fácil aplicação, que avalia o potencial do CTR em controlar o escoamento numa
rede de drenagem ( (Zacharof, et al., 2004) citando (Schilling, 1994)). Contudo, como este
procedimento não leva em conta a qualidade da água, a ETAR e o meio receptor, não é aplicável à
avaliação do potencial do CTR para o sistema de drenagem completo. Estão em desenvolvimento
métodos expeditos que levam em conta todas as componentes do sistema (Zacharof, et al., 2004),
apresentando-se de seguida dois que já se podem aplicar.
Inicialização
Optimização em
Tempo húmido
Tempo seco
Tempo
Rio
ETAR
De
sca
rga
De
sca
rga
Actuador
Actuador
Se
nso
r
De
sca
rga
64
Em (DWA, 2005) e (Schütze, et al., 2008) sugere-se um método expedito de avaliação do potencial
de controlo de sistemas de drenagem urbanos, que consiste na utilização da Tabela 5. Nesta tabela
estão presentes vários critérios simples de avaliação do potencial de controlo, correspondentes a
características da bacia de drenagem, produção de águas residuais, sistema de drenagem,
comportamento da rede de drenagem, meio receptor e ETAR. Para cada critério faz-se uma
avaliação qualitativa ou quantitativa e atribui-se uma pontuação. A soma destas pontuações permite
ter uma ideia se se justifica implementar um sistema de CTR, segundo os critérios indicados no final
da tabela. Ao utilizar esta tabela devem considerar-se possíveis desenvolvimentos futuros
(expansões, densidade habitacional e alterações de propriedades.
Este procedimento não deve ser encarado como rigoroso (Schütze, et al., 2008). De facto, em
(Schütze & Alex, 2011) refere-se que ele indicou um alto potencial de CTR para um sistema de
drenagem, quando as posteriores simulações detalhadas revelaram que, para precipitação com
distribuição espacial uniforme, o potencial era muito baixo. Aliás, mesmo o máximo potencial teórico
(dado pelo Método da Bacia Central, explicado no Capítulo 4.3.2), de redução do volume de
descargas directas era de apenas 4% relativamente ao caso não controlado. Considerando
precipitação não-uniforme, esse potencial teórico subia para cerca de 20%.
Os critérios da Tabela 5 englobam-se em critérios referentes à bacia de drenagem, produção de
águas residuais, rede de drenagem, comportamento da rede de drenagem, meio receptor e ETAR,
sendo explicados em maior detalhe nos parágrafos seguintes.
A. Bacia de Drenagem:
Em geral, em bacias de drenagem grandes, a precipitação tem distribuição não uniforme, o que tende
a resultar numa utilização não uniforme do sistema de drenagem, em particular quando há grandes
tempos de percurso envolvidos. O volume de armazenamento disponível nalgumas partes do sistema
de drenagem pode ser usado para reduzir a carga poluente descarregada noutras partes. Além disso,
a flexibilização da utilização da capacidade da rede permite equalizar e maximizar o caudal afluente à
ETAR e priorizar caudais mais poluídos. Uma forma de aferir a dimensão duma bacia de drenagem e
tempos de percurso envolvidos é pelo comprimento do seu colector principal, aumentando o potencial
com o seu comprimento ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Os sistemas de drenagem estão projectados para solicitações e condições de fronteira específicas.
Em áreas urbanas em desenvolvimento, os caudais são inferiores aos do horizonte de projecto e
provavelmente os volumes de armazenamento não são utilizados optimamente. Com CTR é possível
reagir flexivelmente aos diferentes graus de desenvolvimento da área, pelo que a diferença entre a
área de desenvolvimento actual e a do horizonte de projecto é um critério relevante para avaliar o
potencial do CTR ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
B. Produção de Águas Residuais:
A existência de bacias de drenagem com zonas com águas pluviais particularmente poluídas tende a
aumentar o potencial do CTR em reduzir a poluição descarregada no meio receptor, pois pode
priorizar-se o escoamento destas águas para a ETAR, ou armazená-las descarregando águas
provenientes de áreas menos poluídas em vez destas se inevitável ( (DWA, 2005), (Schütze, et al.,
2008)).
65
A variabilidade temporal e espacial da produção de águas residuais é outro factor do potencial do
CTR. Em particular, no que respeita à variabilidade da qualidade da água, os caudais afluentes de
partes do sistema de drenagem com redes separativas ou de fontes pontuais de águas residuais
altamente poluídas podem causar concentrações de poluentes muito superiores em certas zonas do
sistema de drenagem. Novamente, o CTR possibilita a regulação de caudais de forma dinâmica, com
o intuito de prevenir descargas provenientes dessas zonas ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
C. Rede de Drenagem:
O controlo sobre o sistema é exercido através dos actuadores (e.g. electrobombas, válvulas, etc.).
Assim sendo, é óbvio que o potencial aumenta com o número de actuadores existentes, já que tal
aumenta o número de acções de controlo possíveis. Se tais dispositivos de controlo já se
encontrarem disponíveis no sistema, o CTR pode realizar-se facilmente através de apenas algumas
adições com respeito a dispositivos de medição e de controlo ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Os colectores principais de grandes dimensões e pequena inclinação aumentam o potencial do CTR
pois podem activar-se neles volumes de armazenamento adicionais através de cascatas. A activação
do volume de armazenamento dos colectores em áreas com declives acentuados só é possível até
determinado ponto e/ou com grande despesa (pois exige mais cascatas para obter a mesma
capacidade que num colector menos inclinado com o mesmo diâmetro). Além disso, os colectores
com grande inclinação costumam ter diâmetros mais pequenos ( (DWA, 2005), (Schütze, et al.,
2008)).
As malhas fechadas na rede de drenagem possibilitam a distribuição do caudal através de vários
ramais da rede, flexibilizando a gestão do escoamento e aumentando o potencial do CTR ( (DWA,
2005), (Schütze, et al., 2008)).
Em geral, quando os caudais afluentes e efluentes dum reservatório são regulados dum modo
estático (e.g. através de válvulas reguladoras de caudal com posição fixa) a sua utilização é irregular.
O CTR ajuda a regularizar a utilização dos reservatórios e quanto maior o seu número (e de
colectores com capacidade de armazenamento), maior o potencial de equalização da utilização da
sua capacidade, o que permite reduzir o volume de descargas directas ( (De Korte, et al., 2009),
(DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Se existirem vários descarregadores no sistema de drenagem, é possível reagir a diferentes
condições de modo mais flexível. Assim, quanto mais descarregadores um sistema de drenagem
possuir, maiores benefícios se poderão tirar do CTR ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
O potencial do CTR aumenta com o volume de armazenamento disponível em reservatórios, bacias e
colectores com capacidade de armazenamento, pois estes elementos permitem evitar descargas
directas e reduzir a poluição no meio receptor. A capacidade de activar grandes volumes de
armazenamento caracteriza-se por uma boa relação custo-benefício porque parte dos custos do CTR
são custos fixos e não têm relação com o volume de armazenamento do reservatório/bacia/colector
( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Se o volume de armazenamento específico (razão entre o volume de armazenamento total e a área
impermeável) for pequeno, os reservatórios encherão mesmo durante pequenos eventos de
precipitação, não havendo grande margem para optimização da sua utilização através do CTR no
66
sentido da redução do volume de descargas directas. Assim, o potencial do CTR aumenta com o
volume de armazenamento específico ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Se existirem vários interceptores afluentes à ETAR, é expectável que não sejam utilizados
uniformemente durante eventos pluviosos. O CTR pode ajudar a melhorar a utilização dos
interceptores menos solicitados, aumentando o potencial com o número de interceptores afluentes à
ETAR ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
D. Comportamento da Rede de Drenagem:
No caso de precipitação intensa, frequentemente há áreas que são inundadas enquanto outras áreas
têm capacidade de transporte suficiente. Se não existirem zonas com restrições hidráulicas na rede
(como estrangulamentos), tal inundação indica que os recursos disponíveis não estão a ser utilizados
de forma óptima. Esta situação pode ser melhorada com CTR ao optimizar a utilização de volumes de
armazenamento e redireccionar o escoamento para zonas com capacidade de transporte,
aumentando o potencial do CTR com o número de áreas onde se verificam inundações (Schütze, et
al., 2008).
A utilização irregular dos reservatórios indica que os volumes disponíveis não são utilizados de modo
óptimo. Se tal ocorrer em vários reservatórios, um CTR global, possibilitando a operação dinâmica de
válvulas reguladoras de caudal em função do estado actual da rede, pode melhorar a situação. Se tal
se verificar apenas num reservatório, pode bastar um CTR local. Assim, o potencial do CTR aumenta
com o número de reservatórios com utilização irregular (DWA, 2005).
Uma grande variabilidade do caudal descarregado indica um uso não óptimo da capacidade de
armazenamento. Quanto maior for a não uniformidade do comportamento da descarga, maiores as
melhorias expectáveis com respeito à utilização da capacidade de armazenamento (e.g,. através do
CTR de válvulas de regulação de caudal) e, portanto, maior o potencial do CTR ( (DWA, 2005),
(Schütze, et al., 2008)).
E. Meio Receptor:
O potencial do CTR aumenta com as diferenças de capacidade de transporte dos meios receptores,
pois o CTR pode ser utilizado de modo a descarregar picos hidráulicos nos meios receptores com
maior capacidade de transporte ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
De modo semelhante, o potencial do CTR aumenta com as diferenças de capacidade de diluição nos
meios receptores pois o CTR permite, por exemplo, operar as válvulas de regulação de caudal nos
reservatórios, priorizando descargas para meios receptores com maior capacidade de diluição
( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
O potencial do CTR aumenta com a sensibilidade dos meios receptores pois devem evitar-se
descargas directas nos meios receptores sensíveis ou pelo menos reduzir significativamente seu
volume e o CTR ajuda a fazê-lo ao flexibilizar o controlo do sistema de drenagem, em particular
optimizando a utilização dos volumes de armazenamento existentes ( (DWA, 2005), (Schütze, et al.,
2008)).
67
F. ETAR:
Em certos casos, a ETAR é capaz de tratar mais do que o caudal máximo admissível de projecto
fww,QCW QWW,aM+Qinf,AM, mesmo durante períodos mais longos e sem prejudicar a eficácia do
tratamento. Na expressão anterior QWW,aM é o caudal de tempo seco afluente à ETAR, Qinf,AM é o
caudal afluente à ETAR proveniente da precipitação e infiltração e fww,QCW é um factor específico a
cada caso para estimar o máximo caudal de tempo seco afluente à ETAR (definido na norma alemã
ATV-DVWK-A 198E). O resultado pode ser uma redução das descargas do sistema de drenagem. O
CTR integrado permite um aumento do caudal afluente à ETAR dependendo da sua capacidade de
tratamento actual ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
Se a ETAR for sensível a picos hidráulicos ou de poluentes, o CTR pode assistir no incrementar lento
do caudal afluente à ETAR durante a precipitação ao gerir melhor a utilização dos volumes de
armazenamento do sistema de drenagem. O CTR integrado da rede de drenagem e ETAR possibilita
a reconciliação de requisitos contraditórios desses subsistemas e favorece a optimização da
operação do sistema total ( (DWA, 2005), (Schütze, et al., 2008)).
68
Tabela 5 - Avaliação simplificada do potencial de controlo dum sistema de drenagem urbano (fonte:
(DWA, 2005))
Critério Avaliação
A. Bacia de Drenagem Pontuação (valor entre parêntesis)
A.1 Bacia drenagem (comprimento do colector principal)
Longo > 5 km (2) Médio (1) Curto < 1 km
(0)
A.2 Diferença entre a área de desenvolvimento actual e a do horizonte de projecto
Grande (2) Pequena (1) Nenhuma (0)
B. Produção de águas residuais Pontuação
B.1 Áreas com maior poluição no escoamento superficial
Várias (2) 1 – 2 (1) Nenhuma (0)
B.2
Variabilidade temporal e espacial da produção de águas residuais (e.g. produtores de águas residuais altamente poluídas, ligações provenientes de sistemas separativos)
Alta (2) Média (1) Nenhuma (0)
C. Rede de drenagem Pontuação
C.1 Número de actuadores (e.g. válvulas) Vários (4) 1 -2 (2) Nenhum (0)
C.2 Declive de colectores principais que servem grandes áreas
Horizontal < 0,2 % (4) Médio (2) Íngreme > 0,5%
(0)
C.3 Malhas fechadas do sistema de drenagem
Várias (4) 1 – 2 (2) Nenhuma (0)
C.4 Número de reservatórios (reservatórios e colectores com capacidade de armazenamento ≥ 50 m
3)
>4 (4) 1 – 4 (2) 0 (0)
C.5 Número de descarregadores > 6 (4) 2 – 6 (2) < 2 (0)
C.6 Volume de armazenamento total (reservatórios e colectores com capacidade de armazenamento)
> 5000 m3 (4) 2000 – 5000 m
3 (2) < 2000 m
3 (0)
C.7 Volume de armazenamento específico (razão entre o volume de armazenamento total e a área impermeável)
> 40 m3/ha (4) 20 - 40 m
3/ha (2) < 20 m
3/ha (0)
C.8 Número de interceptores afluentes à ETAR
> 2 (3) 2 (1) 1 (0)
D. Comportamento da rede de drenagem Pontuação
D.1 Áreas de inundação localizadas Várias (2) 1 – 2 (1) Nenhuma (0)
D.2 Número de reservatórios com utilização irregular
> 1 (4) 1 (2) Nenhum (0)
D.3 Variabilidade do caudal descarregado Significativa(4) Média (2) Insignificante
(0)
E. Meio receptor Pontuação
E.1 Diferenças de capacidade de transporte dos meios receptores
Fortes (4) Médias (2) Nenhumas (0)
E.2 Diferenças de capacidade de diluição nos meios receptores (e.g. práticas balneares, piscicultura, áreas protegidas)
Significativas (4) Médias (2) Insignificantes
(0)
E.3 Sensibilidade do meio receptor Muito sensível (2) Menos sensível
(0) F. ETAR Pontuação
F.1 Caudal afluente admissível de águas residuais de redes unitárias (*)
>>fww,QCW QWW,aM + Qinf,aM (3)
>fww,QCW QWW,aM + Qinf,aM (1)
<fww,QCW QWW,aM
+ Qinf,aM (0)
F.2 Sensibilidade da ETAR a picos hidráulicos ou de poluentes
Muito sensível (2) Menos sensível (0)
(*) A determinação do caudal de águas residuais de redes unitárias possível e correspondente factor fww,QWC relacionam-se com a norma ATV-DVWK-A 198E Pontuação:
0-24 Possivelmente não se justifica implementar controlo 25-35 Possivelmente justifica-se implementar controlo > 35 Justifica-se implementar controlo
69
Em (Zacharof, et al., 2004) apresenta-se um software de avaliação expedita do potencial do CTR
para melhorar a qualidade da água do meio receptor, avaliada em função da redução da duração dos
períodos de incumprimento dos valores limite das concentrações de oxigénio dissolvido (OD) e de
amónia, relativamente a um cenário base sem CTR.
No desenvolvimento desta ferramenta começou-se por listar as propriedades dos sistemas de
drenagem que pareciam relevantes para avaliar o potencial do CTR (ver Tabela 6). Depois,
seleccionaram-se seis dessas propriedades (as indicadas a negrito), dois valores para cada (normal e
modificado) e fizeram-se simulações com todas as combinações possíveis dos seus valores, num
sistema de drenagem de estudo, para aferir a importância relativa das propriedades. Simularam-se
três tipos de controlo: estático (cenário base), local e integrado.
Tabela 6 - Propriedades dos sistemas de drenagem urbanos relevantes para o potencial do CTR
(adaptada de (Zacharof, et al., 2004))
Elemento do sistema Propriedade
Volume de armazenamento Quantidade total Distribuição espacial
Rede de drenagem Tempo de escoamento
Coeficiente de escoamento da bacia da rede de drenagem
Topologia da rede, inclinação, velocidade de escoamento
Descarregadores de excedentes
Número Localização dos descarregadores (incluindo os da ETAR)
ETAR Esquemas de tratamento e opções de controlo
Meio receptor Caudal base (capacidade de diluição)
Variação do caudal base e da sua qualidade Coeficiente de escoamento da bacia do meio receptor Número, localização e tipo de meios receptores
A análise estatística dos resultados permitiu ordenar as propriedades escolhidas segundo a sua
influência no potencial do CTR de modo decrescente: volume total de armazenamento, caudal base
do meio receptor (capacidade de diluição), localização dos descarregadores, coeficiente de
escoamento da bacia, tempo de escoamento na rede de drenagem e distribuição espacial do
armazenamento. Concluiu-se que o controlo integrado tem maior potencial e que pode introduzir
melhorias muito grandes. Este maior potencial justifica-se, em parte, por se verificar uma grande
influência nos resultados do caudal base do meio receptor e da localização dos descarregadores.
A partir dos resultados fez-se uma regressão linear entre os valores das propriedades do sistema de
drenagem e a redução da duração dos períodos de incumprimento do limite de OD no meio receptor,
para o cenário base e para o controlo integrado. Depois, fez-se uma regressão linear entre a variação
das propriedades do sistema e o potencial do CTR estabelecido nas simulações, tendo-se obtido um
coeficiente de regressão R2=0,9, indicando uma boa correlação. Com base nesta regressão,
desenvolveu-se a ferramenta de cálculo automático do potencial do CTR, em função duma escala
qualitativa dos seis parâmetros mais influentes escolhidos.
Posteriormente, averiguou-se o efeito nas concentrações de amónia do controlo que tinha como
objectivo somente minimizar a duração dos períodos com OD inferior ao limite, e estabeleceu-se o
potencial do CTR em função das concentrações de amónia. Os resultados não foram tão positivos,
verificando-se que o controlo integrado introduzia melhorias marginais ou piorava os níveis de amónia
70
relativamente ao cenário base. Tal compreende-se, em parte, por o controlo ter sido feito sem levar
em conta a concentração de amónia, e evidencia a fraca correlação entre o controlo do OD e da
amónia. Observou-se ainda que os sistemas de drenagem com grande potencial em termos da
concentração do OD têm potencial neutro em termos da concentração de amónia, e que quando o
potencial do CTR da amónia é muito positivo ou negativo, assume valores medianos para o oxigénio.
Concluído este estudo, alargou-se o espaço dos parâmetros, utilizando-se agora três valores (baixo,
normal e alto) para cada uma das seis propriedades do sistema. Estudaram-se todas as combinações
possíveis, verificando-se que o coeficiente de regressão agora obtido era muito mais fraco, tornando
este alargamento do espaço paramétrico menos útil para avaliar o potencial do CTR.
Por fim, aplicou-se a ferramenta de avaliação do potencial do CTR (com base no critério do OD) a
treze casos de estudo reais. A ferramenta confirmou haver alto potencial em quatro sistemas de
drenagem que efectivamente tinham um sistema de CTR, e também em quatro outros sem CTR mas
com características semelhantes às dos primeiros. Os sistemas com CTR tinham em comum bacias
hidrográficas, caudal base do meio receptor e tempo de escoamento na rede predominantemente
pequenos, enquanto o volume total de armazenamento era sempre grande. Os sistemas sem CTR
mas com alto potencial tinham características semelhantes excepto o volume total de
armazenamento, que era baixo. Esta aparente contradição evidencia, na verdade, que a combinação
de propriedades e não apenas os seus valores individuais, pode determinar o potencial do CTR.
O estudo apresentado em (Lacour & Schütze, 2011) evidencia o maior potencial do CTR em reduzir a
carga poluente descarregada (aferida pela turbidez) quando existem reservatórios distribuídos pela
rede de drenagem, reforçando o procedimento de avaliação do potencial do CTR descrito em (DWA,
2005) e a importância deste critério afirmada em (Zacharof, et al., 2004).
Em (Polaskova, et al., 2006) refere-se que o potencial do CTR em melhorar o desempenho dum
sistema de drenagem varia com as características deste do seguinte modo:
Aumenta com a dimensão do sistema;
Diminui com o aumento da inclinação do terreno e da rede que o serve;
Quando há muitos descarregadores no sistema, as medidas são condicionadas pelo
comportamento sub-óptimo do sistema para as várias situações operacionais.
O primeiro ponto está de acordo com os dois métodos apresentados anteriormente. O segundo ponto
está de acordo com o primeiro método e é também mencionado no segundo como uma das
propriedades dos sistemas de drenagem relevantes para avaliação do CTR embora não sejam
tecidos comentários sobre a forma da sua influência.
Em (Ferreira & David, 2014) refere-se um estudo onde se comparou o potencial de redução do
volume de descargas directas em duas situações: aumento da capacidade de armazenamento de
água e introdução dum sistema de CTR conjugado com o anterior. Verifica-se que a aplicação de
CTR reduz consideravelmente a necessidade de capacidade de armazenamento adicional para obter
a mesma percentagem de redução do volume de descargas directas. Contudo, embora em ambos os
casos se verifique um aumento da redução de descargas directas com o aumento da capacidade de
armazenamento, quanto maior é o volume de armazenamento do sistema de drenagem, menor é o
potencial do CTR pois a redução adicional do volume de descargas do sistema com CTR vai-se
71
atenuando relativamente ao cenário sem CTR com o mesmo volume de armazenamento. Esta
observação pode ajudar a explicar os resultados observados no estudo apresentado em (Zacharof, et
al., 2004) (ainda que este se refira ao potencial do CTR em reduzir a poluição no meio receptor),
anteriormente mencionado, em que se verifica um grande potencial para sistemas de drenagem com
pequenos volumes de armazenamento.
4.3.2. Métodos detalhados de avaliação do potencial do CTR
Para além dos métodos expeditos de avaliação do potencial do CTR, existem métodos mais
detalhados, de aplicação mais morosa, mas úteis para uma avaliação mais objectiva do potencial de
redução do volume de descargas directas, e que presenteiam ainda a vantagem de dar um cenário
de referência para comparação entre sistemas de controlo alternativos. Estes métodos focam-se na
capacidade de armazenamento existente em reservatórios e bacias, bem como em colectores de
grande diâmetro passíveis de utilização para armazenamento. Em (DWA, 2005) apresentam-se as
seguintes abordagens, por ordem crescente de esforço de aplicação:
a) Com base nas medições existentes e, possivelmente, nas de cálculos do Plano Geral de
Drenagem (PGD), determina-se a capacidade de armazenamento remanescente disponível na
rede de drenagem para diferentes eventos de precipitação. Isto pode dar uma ideia inicial do
potencial do controlo.
b) Uma estimativa grosseira do potencial do CTR na redução do volume de descargas directas
baseia-se num simples balanço de volumes calculado do seguinte modo ( (DWA, 2005) citando
(Schilling, 1990)): O volume de descarga inevitável, ocorrendo na rede de drenagem durante um
evento, é igual ao volume total que entra na rede menos a soma do máximo volume que a ETAR
pode tratar nesse período de tempo com o volume de armazenamento existente na rede. O
volume resultante (se positivo) necessita ser descarregado mesmo utilizando o sistema de
controlo mais eficaz. Deste modo, pode estimar-se um limite superior da máxima redução da
descarga alcançável para um evento seleccionado. Um exemplo da aplicação deste método é
dado em (Weyland, 1999) (citado por (DWA, 2005)).
c) Determinação do máximo potencial de controlo teoricamente alcançável através do Método da
Bacia Central ou do Método da Bacia Única (semelhante ao primeiro), explicadas adiante.
Estas abordagens verificam se os objectivos de redução do volume de descargas directas podem ser
alcançados utilizando um sistema de CTR ou se são necessárias medidas adicionais. Além disso,
permitem avaliar os resultados de modificações futuras e o potencial de controlo associado.
Concluindo-se que o potencial de controlo é suficientemente grande, deve então elaborar-se
diferentes algoritmos de controlo e avaliar o seu desempenho através de simulações.
Método da bacia central (MBC)
O Método da Bacia Central (MBC) constitui uma abordagem mais detalhada, embora ainda
aproximada, da determinação do máximo potencial de controlo teoricamente alcançável (em termos
de redução do volume de descargas directas), comparando com a estimação da capacidade de
armazenamento e com a estimação do volume de armazenamento que pode ser activado. Este
72
método é apresentado por (Einfalt & Simon, 2001) (citados por (DWA, 2005)) e permite a
determinação dum limite superior da máxima redução alcançável do volume de descargas directas
por qualquer forma de controlo (isto é matematicamente demonstrável) ( (DWA, 2005), (Schütze &
Alex, 2011)), de acordo com o seguinte processo:
Estabelece-se um modelo de simulação simples no qual o volume de armazenamento total da
rede está localizado num único reservatório no ponto final da rede de drenagem (“bacia central”),
mantendo o resto da estrutura da rede inalterada. Assume-se que as águas residuais podem ser
recolhidas nesta bacia central sem quaisquer restrições ao longo das estruturas de controlo. Se
necessário, as restrições hidráulicas são eliminadas no processo de simulação para evitar
descarga directas na simulação, e.g. aumenta-se a capacidade de transporte da rede de
drenagem de modo a não ocorrerem descargas de excedentes e inundações (DWA, 2005).
Simulam-se diferentes eventos para estimar o comportamento da rede hipotética: quando, para
um evento, o tamanho da bacia central não for suficiente para evitar descargas directas desta
bacia, tal significa que mesmo com um sistema de CTR ideal não é possível evitar a descarga na
rede real. Ou seja, esse volume de descargas directas corresponde ao mínimo teoricamente
alcançável (DWA, 2005). Deve utilizar-se uma série de precipitação de longo prazo (e.g. 10 anos)
para obter um resultado representativo do funcionamento do sistema (Alex, et al., 2008).
Na realidade, este mínimo volume de descargas nunca é alcançável pois o seu cálculo não levou em
conta as restrições hidráulicas na rede de drenagem, atrasos temporais na interacção dos elementos
de controlo com o escoamento, e a ocorrência de erros de controlo (e.g. diferença entre valores alvo
e valores reais de parâmetros de controlo) ( (Schütze & Alex, 2011), (Alex, et al., 2008)).
Método da bacia única (MBU)
O Método da Bacia Única (MBU) serve para obter um valor mínimo de referência para o volume total
de descargas directas dum dado sistema de drenagem. Este valor é obtido através do volume total de
descargas directas obtido na simulação duma única bacia de drenagem com o mesmo caudal de
águas residuais, área impermeável, volume de armazenamento e capacidade de bombeamento que a
totalidade do sistema de drenagem original ( (De Korte, et al., 2009) citando (De Korte, et al., 2004)).
Este método é comparável ao Método da Bacia Central ( (De Korte, et al., 2009) citando (Einfalt &
Stölting, 2002)).
Segundo (De Korte, et al., 2009), o MBU é capaz de fornecer o valor exacto do volume total de
descargas directas quando comparado com o obtido na simulação de sistemas de drenagem
ramificados de grandes dimensões, sujeitos a controlo local e concebidos segundo critérios de
dimensionamento básicos. Tal foi demonstrado ao estudar um sistema de drenagem composto por 4
bacias hidrográficas paralelas de igual tamanho, cada uma composta por 3 sub-bacias em série de
igual tamanho, com sistemas de drenagem concebidos segundo os critérios básicos. Contudo, as
simulações de sistemas de drenagem reais apresentam resultados muito diferentes, sendo que o
volume total de descargas directas nos mesmos excede o volume obtido através da aplicação do
MBU. Isto deve-se às características do sistema real que reduzem o seu desempenho.
73
Este método pode ser utilizado em estudos que visem comparar o desempenho de vários sistemas
de CTR e/ou outras medidas de melhoramento do desempenho de sistemas de drenagem. Se o
objectivo for a redução do volume de descargas directas, as várias alternativas podem ser
comparadas através do Coeficiente de Ineficiência do Sistema (CIS ou SIC no acrónimo inglês), que
é dado pela razão entre o volume de descargas directas no sistema estudado e no sistema de
referência utilizado no MBU, com o mesmo volume de armazenamento e capacidade de
bombeamento para a ETAR. Por definição o valor mínimo do CIS é 1. Para que o valor do CIS seja
válido, é necessário que seja determinado utilizando séries de precipitação longas (10 a 25 anos), já
que apenas alguns eventos de precipitação podem não ser representativos do comportamento a
longo prazo do sistema estudado (De Korte, et al., 2009). Note-se que este tipo de estudo não é
directamente aplicável quando o objectivo de melhoria do desempenho do sistema de drenagem é
relativo a parâmetros de qualidade da água, pois não existe uma relação directa entre volume de
águas residuais descarregadas sem tratamento e carga poluente descarregada no meio receptor. O
mesmo se pode dizer relativamente à aplicação do MBC. Ainda assim, podem ser úteis na fase inicial
dos estudos pois a redução do volume de descargas tende a reduzir a poluição dos meios receptores
embora não o garanta.
4.4. Algoritmos de CTR
4.4.1. Desenvolvimento offline e online de algoritmos de CTR
Após escolher os objectivos e tipo de controlo a implantar é necessário escolher e desenvolver um
algoritmo de controlo. Há duas formas principais de desenvolvimento e expressão de algoritmos de
CTR: offline e online, podendo ainda utilizar-se uma combinação de ambas ( (Schütze, et al., 2008),
(Alex, et al., 2008), (Schütze, et al., 2004), (Borsányi, et al., 2008), (Ferreira & David, 2014) citando
(Schütze, et al., 2002c) e (Schroeder & Pawlowsky-Reusing, 2004)).
Os algoritmos de CTR desenvolvidos offline são concebidos previamente à sua utilização no sistema
de controlo. O controlo baseia-se em regras desenvolvidas e parametrizadas de modo empírico ou
utilizando optimização matemática ( (Alex, et al., 2008) citando (Fuchs & Beeneken, 2005), (Schütze,
et al., 2002e)). As regras podem ser de lógica convencional (do tipo se-então) com parâmetros
numéricos, de lógica difusa (ou fuzzy) ou utilizar matrizes de decisão ( (Schütze, et al., 2008),
(Schütze, 2011a)). Como ilustrado na Figura 24, o conjunto de regras ou parâmetros de controlo é
desenvolvido correndo iterativamente um modelo de simulação do sistema de drenagem para um
algoritmo de controlo pré-definido e, em função dos resultados das simulações, o algoritmo é alterado
até se atingirem resultados desejados. Alternativamente a este processo laborioso de tentativa e erro
podem aplicar-se métodos de optimização matemática, determinando-se os valores óptimos dos
parâmetros das regras de controlo para os objectivos definidos ( (Schütze, 2011a), (Schütze, et al.,
2008) citando (Schütze & Einfalt, 1999) e (Schütze, et al., 2002c)). A grande vantagem de correr o
modelo de simulação offline é que assim este pode ter grande complexidade pois o tempo de
computação não é um factor relevante. Isto permite uma modelação mais realística e a avaliação dos
impactos a longo prazo das acções de controlo (Schütze, et al., 2008). O algoritmo encontrado é
então implementado no sistema de CTR. O facto do algoritmo de controlo estar definido previamente
74
à entrada em funcionamento do sistema de CTR não impede que contemple previsões de solicitações
ao sistema de drenagem (e.g. precipitação), simplesmente a resposta a essas previsões não é
determinada com base em regras criadas no momento, mas no algoritmo já definido.
Figura 24 - Processo de desenvolvimento offline dum algoritmo de CTR baseado em regras (adaptada de
(Schütze, et al., 2008) e (Schütze, 2011a))
Os algoritmos de CTR desenvolvidos online (esquematizados na Figura 25) utilizam um modelo do
sistema de drenagem para prever o seu comportamento futuro e um mecanismo de escolha da
sequência e conjunto de acções de controlo a tomar mais adequadas (e.g. um método de
optimização matemática), o que pode ser avaliado, por exemplo, através duma função multiobjectivo
( (Borsányi, et al., 2008), (Alex, et al., 2008) citando (Pleau, et al., 2001), (Cembrano, et al., 2004) e
(Papageorgiou & Messmer, 1985)). A cada passo de controlo é corrido o modelo de simulação para
um conjunto de possíveis sequências e conjuntos de acções de controlo, aplicando-se o primeiro
conjunto de acções de controlo da solução optimizada encontrada pelo algoritmo de optimização
(Schütze, 2011a). Em geral esta abordagem surge associada aos sistemas de CTR preditivos,
incluindo previsões meteorológicas, sendo também possível surgir aliada à utilização de sistemas de
controlo baseados em lógica difusa (ou fuzzy), que permite evitar a necessidade de especificação a
priori da estrutura de regras operacionais, e assim desenvolver estratégias de decisão baseadas em
métodos estocásticos como os algoritmos genéticos (Labadie & Wan, 2010). A lógica fuzzy distingue-
se da lógica booleana por ser capaz de lidar com informação imprecisa, incorporando o conceito de
verdade parcial, i.e. considerando valores compreendidos entre totalmente verdadeiro (1) e
totalmente falso (0) (Aziz, 2014).
Sistema de drenagem
Sensores
Actuadores
Algoritmo de
controlo
Modelo de simulação
Avaliação
Teste de regras /
parâmetros
Fase de
concepção
Fase de
aplicação online
Desenvolvimento do algoritmo utilizando simulações (uma vez)
Previsão de estados
futuros do sistema
75
Figura 25 - Processo de desenvolvimento online dum algoritmo de CTR (adaptada de (Schütze, et al.,
2008) e (Schütze, 2011a))
O desenvolvimento offline de algoritmos de controlo (e.g. controlo baseado em regras) tem como
vantagens ser menos exigente em termos computacionais durante a operação em tempo real;
permitir considerar horizontes temporais maiores e por isso os efeitos a longo prazo do controlo;
poder ser mais adequado para CTR integrado; o tempo de corrida do programa tende a ser rápido;
possibilita a definição expedita de estratégias em caso de falha do sistema de CTR e as decisões do
sistema são mais facilmente entendidas pelos operadores, aumentando a sua aceitação do sistema.
Contudo, os conjuntos de regras podem ser bastante complexos e concepção difícil ( (Schütze,
2011b), (Schütze, 2011a)), e tal não implica que sejam mais eficazes que algoritmos mais simples.
Por exemplo, em (Schütze & Alex, 2011) refere-se que a utilização dum algoritmo baseado em
regras, com um alto grau de sofisticação, não obtinha melhores resultados nas simulações em termos
de minimização do volume de descargas directas, relativamente a um algoritmo genérico também
baseado em regras mas de concepção relativamente simples (ver Capítulo 3.5.2), ainda que tivesse
vantagens em termos de priorização de locais de descargas directas.
O desenvolvimento online permite uma consideração mais exacta do estado presente do sistema e
calcular a decisão de controlo óptima para cada passo temporal; é mais flexível e não requer o
estabelecimento dum conjunto de regras, embora frequentemente requeira simplificações
significantes ( (Schütze, 2011b), (Schütze, 2011a), (DWA, 2005)).
Em qualquer dos casos, a utilização de modelos de optimização pode ser um problema dada a sua
típica complexidade matemática quando comparada com modelos de simulação, o que dificulta a sua
compreensão e a das acções de controlo propostas. Além disso, muitos modelos de optimização não
se prestam à incorporação de risco e incerteza. A grande variedade de algoritmos de optimização
existente levanta ainda a questão de qual o melhor para cada situação particular, o que nem sempre
é fácil apurar a priori ( (Labadie, 2004), (Fiorelli & Schutz, 2009)).
Em geral, os algoritmos de optimização utilizados no CTR são de optimização linear; optimização
não-linear ou algoritmos genéticos. Nos subcapítulos seguintes referem-se estes algoritmos , bem
como as redes neuronais artificiais, que são simultaneamente um algoritmo de controlo e de
optimização (Labadie, 2004).
Sistema de
drenagem
Sensores
Actuadores
Modelo de
simulação
Definição de objectivos Fase de concepção
Fase de
aplicação Optimização
estado do sistema
previsão
Optimização das decisões de controlo a cada passo temporal
decisão de controlo
76
4.4.2. Optimização linear e não linear
A programação linear é a ferramenta clássica de resolução do problema de optimização do CTR de
sistemas de drenagem. Contudo, requer uma linearização rigorosa que obriga a simplificar muito o
comportamento real dos sistemas de drenagem, o que pode ser aceitável para simulação do
escoamento na rede de drenagem mas nem sempre o é para os processos que ocorrem na ETAR e
meio receptor. Como resultado, a optimização linear só é capaz de fornecer soluções sub-óptimas
para o problema real, mesmo sendo óptimas nos termos em que a optimização é formulada ( (Rauch
& Harremoës, 1999b) citando (Nelen, 1993) e (Rohlfing, 1994)).
Os métodos de optimização não-linear baseiam-se, em geral, em métodos do gradiente ou numa
procura directa aliados a um modelo determinístico do sistema de drenagem, podendo ser vistos
como uma forma de controlo preditivo baseado num modelo (Rauch & Harremoës, 1999b). A
optimização não-linear permite uma formulação flexível duma função multiobjectivo e respectivas
restrições, possibilitando visar o desempenho óptimo da totalidade do sistema de drenagem em
relação ao conjunto de objectivos hierarquizados expressos nessa fórmula, inclusivamente relativos a
parâmetros da qualidade da água ( (Rauch & Harremoës, 1999b) citando (Rauch & Harremoes,
1996)).
Para exemplificar um caso comum duma função multiobjectivo, considere-se um sistema de
drenagem (apresentado em (Cembrano, et al., 2004)), com os seguintes objectivos de controlo, por
ordem de importância: minimizar inundações, minimizar descargas directas (sem comprometer o
primeiro objectivo) e, por fim, drenar o máximo de caudal possível para a ETAR sem comprometer os
dois primeiros objectivos. Considere-se ainda que se usa CTR global preditivo. Assim, a função pode
ser um somatório ponderado ao longo do horizonte de controlo, como expresso na equação (1), em
que o primeiro termo é um somatório de funções quadráticas do caudal instantâneo em cada colector,
penalizando desvios positivos dos caudais de projecto; o segundo termo é um somatório dos volumes
de descargas directas a cada intervalo de amostragem; e o terceiro termo é o volume instantâneo em
cada reservatório. Minimizando a função, optimiza-se o desempenho do sistema de drenagem.
∑∑(
)
∑
∑
Na equação anterior, é o número de intervalos de amostragem do horizonte de controlo; indica o
intervalo de amostragem; identifica cada colector; é o caudal no colector no intervalo de
amostragem e o índice denota o valor desejável para este caudal de acordo com o projecto;
identifica o local de descarga directa; é o volume de descarga directa no local no intervalo ;
identifica os reservatórios; é o volume armazenado no reservatório no instante ; e são os
pesos do segundo e terceiro objectivos, respectivamente (Cembrano, et al., 2004).
A forma quadrática dos termos de penalização bem como os pesos utilizados, garantem que o
objectivo de prevenção de inundações toma precedência sobre os outros. Os pesos são escolhidos
de modo dar mais importância ao segundo objectivo que ao terceiro e os seus valores são atribuídos
com base em análises de sensibilidade apoiadas por simulações. Note-se que estes pesos não têm
de ser fixos, podendo variar para diferentes condições do sistema, e.g. sob influência de precipitação
(1)
77
muito intensa ou pouco intensa ( (Cembrano, et al., 2004), (Fiorelli & Schutz, 2009)). A necessidade
de utilização dos pesos prende-se com o facto dos objectivos serem antagónicos.
A função multiobjectivo está sujeita a restrições como sejam um conjunto de equações lineares
relativas aos balanços de massa, equações não-lineares relativas aos descarregadores, valores limite
de aberturas de comportas, caudais máximos e volumes máximos armazenáveis nos reservatórios
(Cembrano, et al., 2004).
4.4.3. Algoritmos Genéticos
Um algoritmo genético constitui um método estocástico de procura de soluções sub-óptimas para
problemas heurísticos, inspirado no conceito de evolução biológica dos sistemas naturais. Estes
algoritmos imitam alguns processos genéticos conhecidos que permitem aos sistemas naturais
melhorar-se e tornar-se robustos, como a selecção e recombinação, embora no algoritmo se
apliquem a cadeias de caracteres (análogas aos cromossomas dos sistemas biológicos). Isto implica
que o algoritmo genético não utiliza as variáveis de decisão do sistema de controlo sujeitas a
optimização, mas sim uma sua codificação, em geral código binário. A codificação é um dos aspectos
críticos da aplicação deste algoritmo pois liga-o ao problema a resolver ( (Rauch & Harremoës,
1999b), (Labadie & Wan, 2010), (Imperial College of London, 2014), (Wan, et al., 2006)).
Na prática, o algoritmo genético imita a selecção natural ao aplicar um processo de selecção a uma
“população” de cadeias que representam diferentes estratégias de controlo, sendo usual ter entre 40
a 100 cadeias. A primeira geração de cadeias é gerada aleatoriamente e novas gerações são criadas
consecutivamente a partir da anterior. De modo a manter o tamanho da população constante, a
geração “parente” de cadeias é substituída pela geração dos seus “filhos” quando esta é criada. O
algoritmo termina após um número pré-definido de ciclos de reprodução ou quando é atingido um
outro critério de paragem. As operações genéticas básicas aplicadas na evolução são selecção,
cruzamento e mutação ( (Wan, et al., 2006), (Rauch & Harremoës, 1999b), (Imperial College of
London, 2014)).
A selecção é o processo pelo qual cadeias individuais são escolhidas para serem copiadas para a
próxima geração, tratando-se dum processo probabilístico que leva em conta o desempenho das
cadeias e que imita a selecção natural no sentido em que as strings com melhor desempenho têm
maior probabilidade de “sobreviver” ao processo de evolução (i.e., de transmitir informação à geração
seguinte). Há vários métodos de selecção como o da roleta e o torneio. O desempenho de cada
cadeia é avaliado por uma função objectivo que liga o algoritmo genético ao problema a resolver.
Após a selecção segue-se o processo de recombinação das características de pares de cadeias
seleccionadas para reprodução (de forma análoga à reprodução sexual), que envolve as operações
de cruzamento e mutação ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Labadie & Wan, 2010)).
O cruzamento é uma técnica que se aplica ao processo de reprodução com uma determinada
probabilidade, consistindo a sua forma mais simples numa troca dos dígitos homólogos do par de
cadeias contados a partir duma dada posição. Por exemplo, tendo as cadeias 101000 e 010111, e
estabelecendo que se trocam apenas os últimos três algarismos, as cadeias geradas seriam 101111
78
e 010000. A ideia subjacente a este processo é que cadeias com um alto desempenho contêm blocos
de informação “genética” valiosos. Como essas cadeias são seleccionadas para reprodução com
maior frequência, o processo de cruzamento ajuda a espalhar esses blocos (partes duma boa
solução) pelas gerações seguintes ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Imperial College of London,
2014)).
A mutação é aplicada como uma determinada probabilidade (muito baixa) a cada string duma nova
geração, alterando para o valor binário oposto os dígitos em que o teste de probabilidade mutação foi
confirmado. Isto ajuda a manter a diversidade da população ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Labadie
& Wan, 2010), (Imperial College of London, 2014)).
A concepção da codificação é o problema central do algoritmo genético pois, como referido, é o que
faz a ligação entre este e o problema a resolver. Apresenta-se de seguida um método de codificação
possível exposto em (Rauch & Harremoës, 1999b).
Se cada cadeia representa uma estratégia de controlo ela tem de conter o valor das variáveis de
controlo ao longo do horizonte de controlo, podendo ser constituída como um vector com a dimensão
dada pela multiplicação do número de actuadores do sistema de drenagem (a cada qual corresponde
uma variável de controlo por passo de controlo) pelo número de passos de controlo dados até ao fim
do horizonte de controlo. Contudo, o valor das variáveis é tipicamente um decimal não negativo com
um limite superior (e.g. máxima abertura duma comporta), sendo necessário convertê-lo em código
binário. Tal pode ser feito alocando um número pré-definido de dígitos binários, n, para representação
do valor de cada variável, o que permite representar um número inteiro de 0 a 2n-1 que, por seu turno,
pode ser mapeado para ter correspondência a um valor da variável de controlo. Quanto maior o
número de dígitos binários alocados para representar uma variável, maior será a suavidade da
discretização imposta por este processo. Dando um exemplo, imagine-se que existem dois
actuadores com variáveis compreendidas entre 0 e Xmax,1 e Xmax,2, respectivamente, e que a resolução
binária é de 3 bits. A cadeia 010111100101 representa uma estratégia de controlo, em que os
primeiros 6 dígitos representam os valores alvo dos actuadores 1 e 2 no instante t0, respectivamente,
e os seguintes dígitos, o mesmo para o instante t0+1. Os valores inteiros representados pela cadeia
são, por ordem: 2, 7, 4 e 5. O mapeamento a valores reais das variáveis pode ser feito multiplicando
cada um destes valores pelo respectivo valor máximo da variável Xmax,i e dividindo pelo maior número
inteiro representável pelos algarismos binários alocados à variável, neste caso 7. Assim tem-se um
conjunto discreto de valores da variável de controlo representáveis, entre 0 e o seu máximo. Note-se
que, deste modo, a verdadeira dimensão da cadeia tem de ser multiplicada pelo número de bits
alocados à representação de cada variável (Rauch & Harremoës, 1999b).
Para melhorar a fiabilidade do algoritmo genético usa-se a estratégia de elitismo, que consiste em
assegurar-se que a cadeia com melhor desempenho de cada geração sobrevive sempre ao processo
de selecção. Isto procura assegurar que o pior desempenho do sistema de CTR não é pior que o do
sistema não controlado ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Labadie & Wan, 2010)).
O algoritmo genético pode ser utilizado num contexto de CTR preditivo e, portanto, pode ser
associado a um modelo determinístico de simulação do sistema de drenagem que recebe dados
exógenos (e.g. precipitação) e produz dados relativos ao estado do sistema ao longo do tempo em
79
função das acções de controlo propostas pelo algoritmo genético. Cada nova corrida do algoritmo
genético para procurar a sequência de acções de controlo sub-óptima, a cada novo passo de
controlo, deve servir-se da última geração de cadeias da corrida anterior como geração inicial, para
acelerar o processo de optimização ( (Rauch & Harremoës, 1999b), (Labadie & Wan, 2010)).
As principais vantagens do algoritmo genético são a liberdade de formulação do modelo
determinístico e a sua fiabilidade como algoritmo de optimização, evitando desempenhos do sistema
controlado inferiores aos do não controlado. Além disso, é uma técnica de optimização
computacionalmente simples, robusta e que não requer computação de derivadas das funções a ser
optimizadas, sendo muito útil para resolução de problemas muito complexos (Rauch & Harremoës,
1999b).
4.4.4. Redes Neuronais Artificiais (RNA)
As Redes Neuronais Artificiais (RNA) baseiam-se no funcionamento das redes neuronais biológicas
do nosso cérebro, constituindo modelos computacionais no domínio da inteligência artificial, capazes
de aprendizagem de máquina e reconhecimento de padrões. Em geral, são sistemas que
representam neurónios artificiais (nós) interconectados capazes de computar dados de entrada e
produzir uma resposta, utilizando pesos adaptativos e sendo capazes de aproximar funções não-
lineares, mas não há uma definição formal unívoca de RNA (Gershenson, 2014). Os pesos
representam a força da ligação entre cada par de nós e são activados durante as fases de treino e
previsão. Os nós encontram-se distribuídos por camadas, sendo o exemplo mais simples uma RNA
com três camadas: a primeira contém os nós que recebem os dados de entrada, a segunda recebe
dados da primeira, processa-os e envia-os à terceira camada, que produz os dados de saída. Em
redes mais complexas existem mais camadas intermédias entre as de entrada e saída (The
University of Wisconsin Madison, s.d.). Este tipo de rede denomina-se feedforward (porque o fluxo de
dados se faz sempre na direcção do input para o output), mas existem também RNA de outros tipos,
como as recorrentes, em que neurónios da mesma camada podem estar ligados entre si e mesmo
enviar informação do seu output para o seu input ou para o input de camadas anteriores, sendo este
tipo mais útil para CTR (Darsono & Labadie, 2007).
Uma RNA caracteriza-se por três tipos de parâmetros: 1) o padrão de interconecção entre diferentes
camadas de nós, 2) o processo de aprendizagem para actualização dos pesos das ligações e 3) a
função que transforma o input ponderado dum nó no seu output (Jha, 2013).
Matematicamente, a função dum neurónio ( ), define-se como a composição doutras funções ( ),
também elas definidas como a composição doutras funções. Isto pode ser representado sob a forma
duma rede com nós e setas indicando as dependências entre variáveis (ver Figura 26). Um tipo de
composição comum para ( ) é a soma ponderada não-linear, genericamente expressa como
( ) (∑ ( )) (2)
onde representa uma função de activação pré-definida e é o peso de ( ).
A capacidade de aprendizagem das RNA consiste na sua habilidade em, dada uma tarefa a resolver
e uma classe de funções, encontrar um subconjunto de funções que resolvem o problema dum modo
óptimo de acordo com determinados critérios de optimização (e.g. definidos por uma função de custo
80
que se procura minimizar). A aprendizagem pode ser do tipo supervisionado, não supervisionado ou
de reforço. A aprendizagem supervisionada é a mais relevante para o CTR e ocorre quando é dado
um conjunto inputs e outputs à RNA, pretendendo-se encontrar as funções que melhor reproduzem
os outputs para os inputs fornecidos. Tal pode ser avaliado, por exemplo, através do erro quadrado
médio. Exemplos de tarefas que levam a este tipo de aprendizagem são o reconhecimento de
padrões e regressão ( (Jha, 2013), (The University of Wisconsin Madison, s.d.)).
As grandes vantagens das RNA são a sua rapidez de computação, capacidade de generalização,
resistência a falhas e capacidade de simular, ainda que de forma não explícita, todos os processos
complexos que ocorrem nos sistemas de drenagem, sendo úteis para resolver problemas de difícil
computação baseada em regras ( (Darsono & Labadie, 2007), (Gershenson, 2014), (Jha, 2013)).
As principais dificuldades na utilização de RNA são as seguintes: necessidade de recorrer a
conhecimento especializado dada a sua complexidade; escolha do algoritmo, que quanto mais
complexo mais problemas traz na fase de treino; escolha do algoritmo de treino, o qual pode exigir
muita experimentação; e o grande volume de dados necessários para treinar o algoritmo.
As RNA são modelos caixa negra, ou seja, não representam explicitamente os processos físicos que
ocorrem nos sistemas de drenagem, pelo que do lado dos operadores há o problema de poder não
ser claro o motivo das acções de controlo propostas pelo algoritmo ( (Darsono & Labadie, 2007),
(Labadie, 2004), (Jha, 2013)).
Uma RNA é uma potencial alternativa a modelos de simulação da rede de drenagem cujo tempo de
cálculo é demasiado longo para ser compatível com um sistema de CTR. Contudo, para treinar a
RNA é necessário primeiro gerar dados offline com simulações num modelo realista da rede de
drenagem, que deve consistir num modelo de escoamento superficial, modelo dinâmico da rede de
drenagem e módulo de optimização das acções de controlo. Dependendo do tipo de CTR que se
deseje implementar pode ser necessário incluir modelos de simulação da qualidade da água,
previsões meteorológicas e modelos de simulação do comportamento da ETAR e meio receptor
(Darsono & Labadie, 2007).
Considerando um caso de CTR reactivo baseado em volume em que os actuadores são todos
comportas, pode utilizar-se uma RNA recorrente com arquitectura do tipo Jordan, como a da Figura
26. Como ilustrado, o controlo é feito apenas através da posição das comportas existentes na rede de
drenagem e em função da distribuição espacial da precipitação passada e presente e das posições
actuais das comportas. Na Figura 26 é o peso da ligação entre o nó da camada de input i e o nó j
da camada intermédia; é o peso da ligação entre o nó j da camada intermédia e o nó k da
camada de output; ( ) é o output do nó k da camada de output no instante t, que serve de input
interno à camada de input no próximo passo temporal; é o peso de viés aplicado ao nó j na
camada intermédia, é o peso de viés aplicado ao nó k da camada de output e ( ) é o input
externo que entra no nó i da camada de input no instante t. Tipicamente, o cálculo ( ) utiliza um
conjunto de funções de activação do tipo sigmóide.
A escolha do número de nós na camada intermédia da RNA pode efectuar-se em função do menor
erro entre os outputs da RNA e do modelo offline. A camada de nós de viés (Bias) serve para
introduzir um grau adicional de manipulação dos dados pelos nós.
81
Figura 26 - Esquema da arquitectura da RNA recorrente do tipo Jordan, aplicada ao CTR dum sistema de
drenagem (adaptada de (Darsono & Labadie, 2007))
O treino da RNA deve ser do tipo supervisionado, tendo como objectivo estimar os pesos das
ligações entre nós e os pesos de viés (bias), servindo-se para isso de conjuntos de dados de input e
output, correspondentes a eventos pluviosos, gerados pelo modelo offline. Este calcula as posições
óptimas das comportas para o passo de cálculo definido, conhecendo à partida as solicitações ao
sistema de drenagem para a totalidade de cada evento pluvioso. Ao treino está subjacente um
algoritmo de optimização (e.g., por gradiente), que gera pesos aleatórios na primeira iteração e os vai
ajustando até minimizar o erro entre os outputs da RNA e os do conjunto de dados de treino.
Terminado o treino, valida-se o modelo comparando o output da RNA quando fornecida um conjunto
de inputs não utilizados no seu treino, com o output gerado pelo modelo offline (Darsono & Labadie,
2007).
Em (Darsono & Labadie, 2007) utiliza-se uma RNA deste tipo, verificando-se ser capaz de fazer um
CTR muito semelhante ao do modelo de controlo óptimo offline, sem quaisquer dados de previsão
meteorológica. Apesar do evento pluvioso utilizado para validação ser diferente dos usados na fase
de treino, porções do primeiro são semelhantes a partes dos outros e a capacidade de
reconhecimento de padrões da RNA permite-lhe explorar essas semelhanças.
Consoante se registam novos eventos pluviosos, os respectivos dados podem ser utilizados para
correr o modelo offline e, com os dados gerados, treinar mais a RNA.
Inputs internos (aberturas prévias de comportas )
Inputs externos (distribuição
espacial da precipitação actual)
Camada intermédia
Camada de output
Camada de input
Abertura actual de comportas
82
Este tipo de RNA pode ser desenvolvida para incluir como input medições em tempo real de níveis de
escoamento, caudais, previsões meteorológicas e informação relativa à ETAR e ao meio receptor,
constituindo-se um modelo de CTR integrado (Darsono & Labadie, 2007).
4.5. Dificuldades de aplicação do CTR
Apesar das utilidades dos sistemas de CTR, a sua aplicação reveste-se de várias dificuldades,
designadamente:
Os dados de entrada do sistema de controlo sofrem variações, frequentemente desconhecidas e
de difícil previsão (precipitação, produção de águas residuais) (Schütze, 2011a);
As medições são difíceis (especialmente da qualidade das águas residuais), muitos dos sensores
utilizados são pouco exactos e requerem manutenção (Schütze, 2011a);
O sistema tem de lidar com diferentes horizontes temporais (segundos/minutos a
semanas/meses), pois as acções de controlo são tomadas em pequenos intervalos de tempo mas
devem contar com os efeitos no sistema a médio e longo prazo (e.g. acumulação de poluição no
meio receptor, custos de exploração e manutenção) (Schütze, 2011a);
Características do sistema de drenagem complexas e altamente não lineares (Schütze, 2011a);
A implementação física das soluções de CTR requer equipamentos de monitorização, tecnologias
de controlo, equipamentos hidráulicos e eléctricos e sistemas de transmissão de dados, que em
geral não estão disponíveis nos sistemas de drenagem convencionais e são onerosos (Schütze,
et al., 2008);
Responsabilidades administrativas repartidas consoante a parte do sistema (rede de drenagem,
ETAR e meio receptor) (Schütze, 2011a).
Os estudos de planeamento de sistemas de CTR podem ser dispendiosos e morosos, requerendo um
modelo computacional do sistema, que tem de ser elaborado, calibrado e verificado com base em
séries de dados de monitorização ( (Schütze, et al., 2004), (Pabst, et al., 2011)). A elaboração do
modelo requer um conhecimento profundo do sistema de drenagem que é obtido através da consulta
dos cadastros (frequentemente repletos de erros) e Planos Gerais de Drenagem. Frequentemente
não há dados de monitorização disponíveis, obrigando a fazer campanhas de medição e,
provavelmente, adquirir e instalar equipamentos de monitorização (Schütze, et al., 2008). O próprio
processo de planeamento é apontado como uma das dificuldades encontradas pelos gestores de
sistemas de drenagem pela sua complexidade, contudo têm-se desenvolvido manuais que servem de
apoio a este processo (Schütze, et al., 2008), como é o caso de (DWA, 2005).
A maioria dos algoritmos de CTR aplicados a casos reais são soluções individuais intransferíveis para
outros sistemas, não havendo uma solução típica pronta a aplicar a qualquer sistema de drenagem
( (Pabst, et al., 2011), (Schütze, et al., 2008), (Ferreira & David, 2014), (Schütze, 2011a)). Tem-se
investido em projectos que visam solucionar esta dificuldade, procurando criar uma forma genérica de
concepção e implementação de sistemas de CTR, de que é exemplo o projecto ADESBA (Adaptation
and development of a pre-configured control box for real time control of urban drainage systems), que
tem como objectivo facilitar a implementação do sistema de CTR através dum algoritmo de controlo
genérico pré-configurado dependente dum pequeno número de parâmetros de entrada, e contido
83
numa caixa de controlo física pré-assemblada. A validade deste algoritmo (descrito em detalhe em
(Alex, et al., 2008) e (Schütze, et al., 2005), citados por (Pabst, et al., 2011)) foi confirmada e já se
aplicou este método de implementação de sistemas de CTR em Hildesheim, na Alemanha (Pabst, et
al., 2011). Este exemplo de aplicação de CTR é apresentado em maior detalhe no Capítulo 5.4.
A maioria das descrições de algoritmos de CTR disponíveis fornece explicações muito superficiais.
Como consequência, os desenvolvedores de sistemas de CTR têm de o fazer com base na sua
intuição e experiência, o que constitui uma tarefa morosa e exigente em termos de recursos, sendo
um motivo frequente do abandonamento da hipótese de desenvolvimento e dum sistema de CTR (
(Schütze & Alex, 2011), (Schütze, 2011a), (Alex, et al., 2008), (United States Environmental
Protection Agency, 2006)).
Grande parte dos programas de simulação disseminados possui limitações em termos da
representação dos conceitos de CTR. Alguns permitem implantar esses conceitos através de regras
simples do tipo se-então e de tabelas de consulta, outros fornecem ferramentas específicas de
representação de conceitos de controlo e.g., baseadas em regras do tipo fuzzy. Contudo, em geral,
não existe possibilidade de implantar conceitos de controlo arbitrários e, excepto o SIMBA (utilizado
no ADESBA), nenhum programa permite a utilização da linguagem de programação utilizada nos PLC
(Programmable Logic Controllers), que materializam o sistema de CTR (Alex, et al., 2008).
Certos autores referem como grandes obstáculos à aplicação de CTR a dificuldade em obter
benefícios económicos do melhoramento do desempenho ambiental dos sistemas de drenagem e
ainda o receio da possibilidade do sistema de controlo operar de modo inseguro ( (Alex, et al., 2008),
(Schütze, et al., 2008), (United States Environmental Protection Agency, 2006)). Contudo, quanto ao
primeiro ponto, pode argumentar-se que só é válido para sistemas de drenagem que já cumprem os
requisitos mínimos de desempenho ambiental, pois a legislação comunitária contempla multas pelo
seu incumprimento, ficando em jogo a diferença entre o seu valor e o do investimento num sistema de
CTR capaz de evitar essas penalizações.
A demonstração da eficácia dum sistema de CTR é outra questão problemática dada a não
reprodutibilidade dos eventos pluviosos. Isto significa que o desempenho dos sistemas de CTR não é
avaliável somente através de estudos de simulação. Em (Pabst, et al., 2011) menciona-se o
desenvolvimento duma ferramenta para ajudar a superar este problema, através da comparação de
dados entre eventos reais controlados e não controlados.
A aplicação de CTR em tempo seco para equalizar o caudal afluente à ETAR pode aumentar a
sedimentação e quantidade de objectos flutuantes nas partes da rede utilizadas para armazenamento
de águas residuais, obrigando a considerar a agravação de custos de limpeza no estudo económico
(De Korte, et al., 2009).
A área do CTR carece duma terminologia clara e uniformizada, dificultando a cooperação entre
profissionais das diferentes áreas do CTR e a introdução a este tema (Schütze, et al., 2004), sendo
frequente utilizarem-se terminologias iguais com significados distintos e denominações diferentes
para aspectos técnicos iguais.
84
5. Exemplos de aplicação
5.1. Notas introdutórias
Os primeiros sistemas de CTR foram estudados e implementados nos anos 70 do século passado,
em várias cidades europeias e americanas, sendo a maior parte do tipo local reactivo ( (Pleau, et al.,
2005) citando (Schilling, 1989)). No início dos anos 90, em Seattle já existia um sistema de CTR
global preditivo e supervisionado mas foi abandonado em 1995 devido à falta de fiabilidade dos
sensores, motores das comportas e sistema de comunicação, lentidão dos computadores,
indisponibilidade e inexactidão dos modelos hidráulicos e hidrológicos e dificuldade do sistema em
reagir a situações de emergência (Pleau, et al., 2005).
Mais recentemente, o CTR de volumes de armazenamento em série com a rede de drenagem em
redes unitárias, através de comportas, electrobombas e descarregadores, para minimizar o volume de
descargas directas, foi aplicado com sucesso em várias cidades incluindo Milwaukee, EUA; Tielt,
Bélgica; Saverne, França e Ense-Bremen, Alemanha ( (Darsono & Labadie, 2007) citando (Loucks, et
al., 2004), (Pleau, et al., 2005), (Vanrolleghem, et al., 2005), (Vasquez, et al., 2005) e (Weyland,
2002)). Em Amsterdão, na Holanda, está em implementação um protótipo do sistema de CTR
baseado em volume “SmaRTControl”, que seguirá as orientações dum manual Holandês comparável
ao manual Alemão DWA-M180 (De Korte, et al., 2009). Em (Schütze, 2011a) refere-se uma solução
de CTR baseado em volume para o sistema de Leverkusen, Alemanha, como alternativa ao
investimento em reservatórios e extensão da capacidade da ETAR, com o potencial, relativamente à
situação não controlada, de reduzir em 50% o volume de descargas directas e a frequência de
pequenos eventos desse tipo, comportando um investimento de apenas 1% do necessário na solução
convencional.
São conhecidos exemplos de aplicação de CTR integrado no Québec, no Canadá, e em Odenthal, na
Alemanha ( (Schütze, et al., 2004) citando (Nilsen & Nilsen, 2002) e (Erbe, et al., 2002b)).
Em (Pleau, et al., 2001) e (Scheer, et al., 2004) (citados por (Schütze, et al., 2008)) encontram-se
exemplos de sistemas de CTR preditivos em planeamento ou em operação. Também em Viena,
Áustria (Sebastião, 2005) e em Paris, França (Sebastião, 2005) existem sistemas deste tipo.
Em (Sebastião, 2005) refere-se a existência de sistemas de CTR em Chicago, Detroit e Seattle, nos
EUA; em Montreal e Edmonton, no Canadá, e em Tóquio, Japão. Em (Sebastião, 2005) refere-se o
sistema de CTR de Copenhaga, Dinamarca.
Em (Sebastião, 2005) referem-se sistemas de CTR em Praga, República Checa; Bolton, Reino Unido;
Bordéus, França e Berlim, Alemanha. Apenas na Alemanha existem 34 sistemas de CTR (Schütze, et
al., 2008).
Nos capítulos seguintes apresentam-se alguns exemplos de aplicação de sistemas de CTR a
sistemas de drenagem reais. Os exemplos foram seleccionados pelo detalhe da informação
encontrada, actualidade e relevância para o entendimento dos desafios e benefícios alcançáveis com
a implementação deste tipo de soluções.
O primeiro caso apresentado, do sistema de CTR de Barcelona, destaca-se por ter sido o único cuja
recolha de informação se apoiou numa visita guiada proporcionada ao signatário pelos engenheiros
85
da entidade gestora, a CLABSA. Esta visita decorreu ao longo de dois dias, tendo-se visitado
reservatórios subterrâneos de retenção de águas pluviais e o centro de controlo, além de terem sido
feitas apresentações sobre o funcionamento do sistema de CTR implementado e prestados
esclarecimentos detalhados sobre o mesmo pelos engenheiros. A CLABSA forneceu ainda
documentação detalhada sobre o sistema de CTR que complementou e, por vezes, substituiu os
artigos disponíveis ao público geral, que não estão actualizados ou correspondem a soluções
propostas que nunca chegaram a implementar-se.
Os outros exemplos apresentados correspondem aos sistemas do Québec, no Canadá, e de
Hildesheim e Leipzig, na Alemanha.
5.2. Barcelona, Espanha
5.2.1. Características gerais do sistema de drenagem
Barcelona tem clima mediterrâneo, com uma precipitação anual média de 600 mm, com distribuição
temporal e espacial muito irregular, apresentando frequentemente precipitações de alta intensidade
(155 mm/h em 20 min), chegando a registar-se 40% da precipitação total anual em períodos de dois a
três dias e 15% em apenas uma hora.
O sistema de drenagem de Barcelona serve 1,6 milhões de habitantes numa área de 100 km2, a que
corresponde uma densidade populacional de 16.000 hab/km2. A área metropolitana tem mais 1,5
milhões de habitantes numa área de 400 km2.
A rede de drenagem, cuja planta actual e prevista se apresenta no Anexo A, desenvolve-se por
1.670 km de colectores, que afluem a duas ETAR. Os interceptores paralelos à costa têm declives
reduzidos, perdendo capacidade de transporte. Cerca de metade da rede tem colectores com secção
superior a 1 m2 e muito poucos têm o diâmetro mínimo permitido na rede pública, de 400 mm. A rede
foi dimensionada para precipitação com período de retorno de 10 anos, estimada com base em séries
longas de precipitação e curvas IDF.
O mar mediterrâneo não tem praticamente marés pelo que a rede não é afectada por elas.
Actualmente o sistema compreende 10 reservatórios subterrâneos e 2 bacias de retenção
(perfazendo 500 000 m3 de armazenamento), 26 estações elevatórias, 54 válvulas de regulação do
caudal, 4 estações de controlo da qualidade da água, 186 limnímetros (de ultrassons – que
funcionam mal para alturas de escoamento grandes e quando há correntes de ar – de radar e de
pressão – com funcionamento satisfatório mesmo quando os colectores entram em carga, permitindo
aferir o nível das inundações), 24 udómetros e 38 comportas para derivação ou retenção de caudal.
O caudal é medido indirectamente através do nível da água em vez de se utilizarem medidores de
caudal que não funcionam suficientemente bem. Toda a informação relativa a estes elementos é
controlada em tempo real.
A cidade tem um alto grau de impermeabilização e zonas de montanha a 10 km da costa, com
declives de 30% a 40% que suavizam em direcção ao litoral, com declives de 0,1%, havendo grandes
acumulações de água nas zonas baixas. Montjuïc é um monte junto à costa que coloca o problema
de obrigar o desvio do escoamento vindo das montanhas em direcção à costa. A cidade é delimitada
pelos rios Besòs e Llobregat, com caudais pequenos e irregulares, e com água de fraca qualidade. A
86
costa foi transformada, possuindo hoje 4 km de praia. As praias afectadas pelos efluentes do sistema
têm água de boa qualidade em tempo seco.
5.2.2. Contexto histórico e planeamento
Até ao início dos anos 90, Barcelona enfrentava problemas de inundações, que ocorriam durante
chuvadas com períodos de retorno de apenas 1 ano, e de descargas directas de excedentes que
poluíam o meio receptor.
Em 1997, o PGD de Barcelona tinha como objectivos principais evitar inundações para chuvadas com
período de retorno de 10 anos, ou de 50 anos em pontos críticos, e reduzir a um terço o número de
descargas directas. Para tal planeou-se a construção 10 comportas de desvio de caudal, 33 km de
grandes colectores e 13 reservatórios, aumentando em 735 000 m3 a capacidade de armazenamento.
Os custos associados a estas infra-estruturas perfaziam, à data, 331 M€. Foi ponderada a hipótese
de armazenamento nos colectores, dada a sua grande capacidade, mas tal nunca se concretizou, em
especial devido aos problemas de manutenção que daí surgiriam e por se verificar que durante os
eventos de precipitação que provocam descargas directas e/ou inundações, grande parte do volume
desses colectores já era naturalmente utilizado.
Em 2006 propuseram-se objectivos mais exigentes em termos ambientais: reduzir as descargas
directas de modo a que o tempo em que as águas balneares estão interditas a práticas balneares, de
acordo com a respectiva legislação comunitária, fosse reduzido dos então 5% para 1,5%. Continuou
planeada a construção de mais reservatórios e colectores.
O primeiro controlo sobre a rede foi do tipo manual local, utilizando painéis eléctricos junto aos
actuadores (usando-se geradores a gasóleo em caso de falha eléctrica) e controlo físico dalguns
actuadores (e.g. abertura duma comporta por efeito da pressão da água a montante ou pelo seu peso
próprio). Depois, passou-se a um controlo semi-automático através da adição de bóias que permitem
accionar os actuadores quando o nível do escoamento passa certos limites. Quando se começaram a
utilizar PLCs implantou-se um sistema de controlo local supervisionado por operadores nas estações
de controlo remotas. Posteriormente implantou-se controlo remoto, existindo um centro de controlo na
CLABSA, com um sistema SCADA, que envia ordens às estações de controlo remotas e onde
operadores supervisionam o sistema e, quando necessário, o operam manualmente a partir do centro
de controlo. Esta supervisão centralizada permite aos operadores alterar as decisões do sistema de
modo a tentar sincronizar as acções de actuadores independentes, acabando por ser um sistema de
controlo quási-global.
5.2.3. Descrição do sistema de CTR actual
Actualmente, a maior parte da rede tem este último tipo de controlo, havendo uma zona em que a
rede tem um controlo remoto do tipo combinado. Em caso de falha do tipo de controlo, este baixa
para nível hierárquico operável mais alto, sendo a hierarquia crescente na ordem em que o sistema
de controlo foi desenvolvido.
Há ainda uma coordenação básica entre a rede de drenagem e uma das ETAR, embora não seja um
controlo integrado. A título ilustrativo refere-se o reservatório de Taulat, imediatamente a montante da
ETAR e paralelo à rede de drenagem, armazena os efluentes que a ETAR não tem capacidade para
87
tratar até esgotar a sua capacidade. Quando o efluente da rede de drenagem que chega à ETAR
diminui abaixo da sua capacidade máxima, o reservatório complementa o que falta para utilizar a
capacidade total da ETAR. Este reservatório possui um medidor de qualidade da água (avaliado pela
concentração de oxigénio dissolvido) que proporciona aos operadores tomadas de decisão sobre
prioridade de afluentes à ETAR, procurando-se tratar à água mais poluída quando é inevitável uma
descarga directa.
Utilizam-se imagens de radar para fazer previsões meteorológicas que melhorem a actuação em
tempo real. Fazem-se previsões entre 1 a 2 horas, consoante a velocidade de deslocamento da
tempestade, contudo é difícil fazer previsões tão boas quando a tempestade se desenvolve
directamente sobre a cidade, como acontece frequentemente neste clima, em vez de vir da sua
vizinhança. O sistema de previsão meteorológica não está ainda integrado no sistema de controlo
automático (não é preditivo) mas as suas informações são consideradas pelos operadores no centro
de controlo para apoiar a supervisão do sistema e a tomada de decisões.
O sistema de CTR actua dinamicamente entre 60 a 100 dias por ano, consoante a precipitação.
De modo a seguir a DQA desenvolveu-se um sistema que prevê a qualidade das águas balneares e
fornece essa informação em tempo real aos cidadãos, num sítio de internet e em painéis electrónicos
nas praias.
O actual desafio é expandir o controlo remoto global do sistema e automatizá-lo, contudo esta tarefa
tem-se revelado bastante exigente e só poderá ser implantado decisivamente quando se desenvolver
um algoritmo robusto e bem entendido pelos operadores do sistema.
O sistema de CTR modela a rede de drenagem e o escoamento superficial até às sarjetas e
sumidouros com os programas MOUSE e InfoWorks, e modela o comportamento do meio receptor e
estima o impacto ambiental de descargas directas com o programa COWAMA.
Os reservatórios são o elemento central do sistema de CTR, sendo o seu objectivo prioritário reduzir
as inundações a jusante. Os objectivos secundários são reduzir as descargas directas e a poluição do
meio receptor. Assim, os reservatórios podem ter uma função anti-inundação, anti-poluição ou
ambas. Os primeiros armazenam as águas pluviais que excedem a capacidade de transporte dos
colectores a jusante, evitando inundações. Os segundos, em geral mais pequenos, são geridos
apenas de forma a evitar descargas directas no meio receptor, não prevenindo necessariamente
inundações, enchendo durante a chuvada e esvaziando depois para tratar as águas residuais na
ETAR.
O CTR local implantado utiliza dados de sensores ligados directamente às estações de controlo de
cada reservatório. Alguns destes sensores não se encontram no reservatório nem junto às comportas
mas nos colectores mais próximos.
A estratégia de controlo estabeleceu-se através de simulação hidráulica offline com MOUSE e
concepção das regras do sistema de controlo com MATLAB SIMULINK.
Antes de estabelecer as regras de controlo dum reservatório simulou-se o comportamento do sistema
de drenagem sob diferentes condições de precipitação, nível inicial no reservatório e abertura da
comporta de saída. Os resultados obtidos permitiram avaliar o comportamento hidráulico do
reservatório e colectores nas suas imediações, identificar os pontos críticos onde ocorrem inundações
88
e relacioná-los com os pontos onde existem limnímetros ligados à estação remota. Estabeleceram-se
relações entre nível e caudal dos pontos de controlo (onde estão os limnímetros), entre caudal no
ponto de controlo e caudal efluente do reservatório, e entre caudal efluente do reservatório e nível no
reservatório. Sabendo o nível no reservatório e a abertura da sua comporta de saída, é possível
estimar o nível nos pontos de controlo. Assim, é possível avaliar a abertura óptima da comporta em
função do nível no reservatório e na rede de drenagem.
O CTR da abertura das comportas dum reservatório é feito através de dois ciclos, um longo, com um
passo temporal maior (e.g., 8 minutos), e um curto, com passo temporal inferior (e.g. 1 minuto), tal
como esquematizado na Figura 28.
Figura 28 - Os dois ciclos de regulação (fonte: (Escaler, et al., s.d.))
O ciclo longo dá a posição inicial das comportas ao ciclo curto, que utiliza um controlador PID de
modo a evitar as suas oscilações. O ciclo curto faz uma estimativa mais exacta da posição óptima. Os
parâmetros óptimos do controlador PID obtêm-se com simulações no MATLAB SIMULINK. Estas
permitem ainda validar as estratégias de controlo obtidas no MOUSE, detectar instabilidades na
posição das comportas e conhecer o atraso a aplicar à actuação das mesmas. A regulação do ciclo
curto consiste na comparação do nível da água real nos pontos de controlo com um nível limite
teórico que se deseja manter. Ao exceder esse limite nalguns dos pontos de controlo, obtém-se,
através das relações anteriormente estabelecidas com MOUSE, uma nova correcção da posição das
comportas. Uma vez estabelecida tal posição, ela é corrigida a cada passo temporal deste ciclo, de
acordo com o nível real no ponto de controlo mais crítico, através do controlador PID. A Figura 29
esquematiza o funcionamento do ciclo curto.
Figura 29 - Funcionamento do ciclo curto (fonte: (Escaler, et al., s.d.))
Ordens às
comportas
Rede de drenagem na proximidade do reservatório
Níveis no reservatório e pontos de controlo
Módulo de decisão de ordens
Período de execução: 8 min
Necessário ajuste com
PID? Sim
PID
Não
Período de execução: 1 min
Medição do nível da água real no ponto de controlo (com sensor)
Comparação: diferença entre
medição e nível desejado
Correcção da posição das
comportas (actuador) Ordem da posição das comportas
Controlador PID
Mudança do nível da água
no ponto de controlo Valor alvo (nível da água desejado
no ponto de controlo mais crítico)
89
5.2.4. CTR do reservatório de Escuela Industrial
Para ilustrar o funcionamento do sistema de CTR, apresenta-se o caso do reservatório subterrâneo
de Escuela Industrial (ver Figura 29), com volume total de 35 000 m3 e capacidade de
armazenamento de 27 000 m3, uma comporta de desvio de caudal, uma comporta de entrada, um
descarregador de excedentes e uma comporta de saída, com caudais máximos de 11, 23, 24 e
5 m3/s, respectivamente. Os limnímetros utilizados para gestão deste reservatório estão instalados a
montante da comporta de desvio de caudal e das comportas de entrada e de saída do reservatório,
no interior do reservatório e a jusante da comporta de saída (um dos sensores está a 600 m desta
comporta). Consideram-se três níveis de controlo no interior do reservatório: crítico (nível superior de
águas pluviais), não crítico (nível inferior de águas pluviais) e nível superior das águas residuais
domésticas. A jusante da comporta de saída consideram-se apenas dois limites: crítico e não crítico
(com os significados anteriores). Existem ainda limnímetros digitais, por segurança, a montante das
comportas e no reservatório.
Figura 30 - Reservatório de Escuela Industrial (fonte: (EMARLIS, 2006))
Fazem-se dois tipos de regulação, normal e de segurança. A de segurança entra em acção quando
são excedidos os níveis de água máximos digitais ou há falhas das estações remotas, falhas
eléctricas, falhas nas comportas ou falhas dos limnímetros. Nesta regulação as comportas de desvio
de caudal e de entrada ficam abertas, desviando caudal para o reservatório, e a comporta de saída
fecha, evitando a saída de água do reservatório. A regulação normal usa-se enquanto o nível da água
a montante e a jusante do reservatório está abaixo do nível máximo digital e desde que não haja
falhas que impliquem regulação de segurança. Para cumprir os objectivos de prevenção de
inundações e minimização de descargas directas, esta regulação funciona, durante a ocorrência de
eventos de precipitação, em primeiro lugar enchendo o reservatório (a menos que já esteja cheio)
para evitar o risco de inundações a jusante e, em segundo, esvaziando-o o mais rápido possível, sem
causar inundações a jusante, para estar preparado para a próxima chuvada. O ciclo longo funciona
do modo esquematizado na Figura 31 e a sua ligação ao ciclo curto, já referido, é feita da forma
apresentada na Figura 32.
Uma vez determinada a posição da comporta de saída em função do nível nos pontos de controlo a
jusante, esta posição é corrigida a cada minuto com o controlador PID.
90
Figura 31 - Funcionamento do ciclo longo (fonte: (Escaler, et al., s.d.))
Não está a chover (nível a montante do reservatório < Nível superior das águas residuais domésticas)
Comporta de desvio aberta Comporta de entrada aberta Comporta de saída 25% aberta
Está a chover Regulação:
Nível a montante do reservatório < Nível não crítico (nível inferior das águas pluviais) 1)
Reservatório a encher ou Nível nos pontos de controlo ≥ Nível crítico
Reservatório a esvaziar e Nível nos pontos de controlo < Nível crítico
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída fechada
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída inicialmente 25% aberta, regulada em função dos níveis a jusante (*)
2) Nível não crítico ≤ Nível a montante do reservatório < Nível crítico
Reservatório a encher Reservatório a esvaziar
Níveis nos pontos de controlo < Nível crítico
Pelo menos 1 nível num ponto de controlo ≥ Nível crítico
Níveis nos pontos de controlo < Nível crítico
Pelo menos 1 nível num ponto de controlo ≥ Nível crítico
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída inicialmente 25% aberta, regulada em função dos
níveis a jusante (*)
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída fechada
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída inicialmente 50% aberta, regulada em função dos níveis a
jusante (*)
Comportas de desvio e de entrada abertas Comporta de saída fechada
3) Nível a montante do reservatório ≥ Nível crítico
Níveis nos pontos de controlo < Nível crítico
Pelo menos 1 nível num ponto de controlo ≥ Nível crítico
Comportas de desvio e de entrada fechadas
Comporta de saída inicialmente 75% aberta,
regulada em função dos níveis a jusante (*)
Comportas de desvio, de entrada e de saída fechadas
(*) Ver Figura 32
91
Figura 32 - Ligação ao ciclo curto de regulação (fonte: (Escaler, et al., s.d.))
5.2.5. Resultados do sistema de CTR de Barcelona
A implantação de CTR já permitiu reduções de custos importantes na resolução dos problemas da
rede de drenagem de Barcelona (e.g., evitou-se a construção dum colector de grande diâmetro e
extensão, com um custo de 155 M€), obtendo-se as mesmas melhorias através de construção dum
reservatório e sua operação com CTR do tipo local custando 56 M€. O CTR tem ainda a vantagem de
ajudar a contornar a dificuldade em construir infra-estruturas numa cidade densamente edificada.
O sistema de CTR permite reduzir o volume dos reservatórios relativamente a uma situação não
controlada, para obter as mesmas melhorias de desempenho. Há estudos que indicam uma
economia de 30% nos investimentos feitos para atingir estas melhorias ao utilizar um sistema de CTR
(Malgrat, 2011).
Em 2011 o sistema de CTR permitia reduzir os sólidos suspensos poluentes descarregados no meio
receptor em 1 000 ton/ano e verificava-se uma redução das zonas anóxicas nas águas portuárias.
O sistema de CTR do reservatório de Taulat (com capacidade para 80 000 m3) já permite reduzir em
70% as descargas directas na sua zona da rede, comparando com a situação inicial não controlada,
para chuvadas com um período de retorno de 0,3 anos (Escaler, et al., 2005).
O tipo de gestão da rede de drenagem de Barcelona já foi aplicado com sucesso a cidades com
população de 2000 a 2 milhões de habitantes, ilustrando a sua adaptabilidade a diferentes condições.
5.3. Québec, Canadá
5.3.1. Características gerais do sistema de drenagem
A cidade de Québec situa-se na margem Norte do rio St. Lawrence e é atravessada pelo rio St.
Charles (ver Figura 33). Tem uma população de 500 mil habitantes numa área de 500 km2, a que
corresponde uma densidade populacional de 1 000 hab/km2. A rede de drenagem é unitária e possui
cerca de 130 km de colectores com diâmetros entre 0,25 a 2,44 m, que servem duas bacias
hidrográficas independentes, a oriental e a ocidental, cada uma com a sua ETAR. A ETAR oriental
Comparação de níveis a jusante da comporta de saída (diferença entre nível medido e desejado não crítico - Δh)
Algum Δh < 0 ?
Manter a posição inicial da comporta
Transformação de nível em caudal e determinação do caudal desejado em cada ponto de controlo
Transformação do caudal desejado em cada ponto de controlo em caudal efluente do reservatório
Comparação de caudais Caudal efluente do reservatório = mínimo dos caudais obtidos no passo anterior Valor alvo = nível desejado no ponto de controlo que determina o caudal (ponto de controlo mais crítico)
Sim
Não
Determinação da posição da comporta de saída
Execução da ordem PID
Nível a montante do reservatório
Valor alvo
92
tem capacidades de tratamento primário e secundário de 8,04 e 4,34 m3/s, respectivamente, e a
ocidental de 5,83 e 3,5 m3/s. Ambas ETAR fazem tratamento terciário no Verão através de raios UV e
as suas capacidades são afectadas pela maré do rio St. Lawrence. Tanto a rede oriental como a
ocidental descarregam nos rios St. Lawrence e St. Charles. Certos descarregadores da rede ocidental
descarregam na praia Jacques-Cartier e, da rede oriental, na baía de Beauport (ver Figura 33), locais
particularmente importantes. Quase metade dos descarregadores de excedentes da rede oriental
descarregam na secção de jusante do rio St. Charles e os da parte mais oriental da rede
descarregam na baía de Beauport ( (Fradet, et al., 2011), (Pleau, et al., 2005)).
Figura 33 - Mapa da cidade de Québec (adaptada de (Fradet, et al., 2011))
5.3.2. Contexto histórico e planeamento
Nos anos 70 e 80, os rios St. Charles e St. Lawrence, no Québec, encontravam-se gravemente
poluídos por descargas não tratadas das redes unitárias e por lixo abandonado por pessoas. No
trecho final do rio St. Charles a concentração de coliformes fecais excedia valores de
50 000 CF/100ml após eventos pluviosos, quando o limite para práticas balneares é de
200 CF/100ml. Durante o Verão ocorria em média mais duma descarga directa a cada cinco dias,
quando o objectivo era não ultrapassar quatro em todo o Verão ( (Pleau, et al., 2005), (Fradet, et al.,
2011) citando (Villeneuve, et al., 1992)). No rio St. Lawrence a frequência de descargas directas limite
estava estabelecida como duas por Verão sendo também ultrapassada. Estes limites foram
estabelecidos de acordo com o tipo de uso das massas de água a jusante das descargas (Pleau, et
al., 2005).
Esta situação levou a que se concebesse um plano de controlo das descargas e reabilitação dos rios
para os tornar utilizáveis pelo público para práticas balneares ( (Pleau, et al., 2005), (Fradet, et al.,
2011)).
Rio St. Charles – 8 m3/s
Baía Beauport
ETAR Ocid. ETAR Ori.
Rio St. Lawrence – 12.000 m
3/s
Praia Jacques-Cartier
93
Os estudos de planeamento, iniciados em 1988 e terminados em 1997, incluíram campanha de
medição, modelação hidrológica e hidráulica da rede de drenagem e soluções que permitissem atingir
os objectivos ambientais definidos do modo mais económico (Pleau, et al., 2005).
A campanha de medição feita no final dos anos 80 cobriu o período do Verão e registou 25 eventos
pluviosos. Os seus dados foram utilizados para calibrar e validar o modelo de simulação da rede de
drenagem. Esta passou a ter 25 locais de medição do caudal permanentes, tendo-se monitorizado 54
locais de descarga directa e tirado 700 amostras para análise de qualidade da água nos locais
principais de descarga directa em mais de 12 eventos pluviosos ( (Fradet, et al., 2011) citando
(Villeneuve, et al., 1992)).
Fizeram-se simulações usando controlo estático e CTR global preditivo, para o qual se desenvolveu o
programa de optimização por programação não-linear Csoft. Ambas as soluções foram desenvolvidas
até cumprirem os objectivos ambientais que tinham sido definidos nos anos 80 por estudos sobre
difusão e diluição de poluentes seguindo uma abordagem de emissões. Segundo essa abordagem, a
frequência de descargas directas durante o Verão não deveria exceder duas e quatro para os rios St.
Lawrence e St. Charles, respectivamente ( (Pleau, et al., 2005), (Fradet, et al., 2011)). Para a
abordagem tradicional de controlo estático as simulações demonstraram serem necessários para
cumprir os objectivos, 5 reservatórios e 1 túnel, perfazendo 34.000 m3 de armazenamento, na rede
ocidental e, para a rede oriental, 12 reservatórios e 1 túnel perfazendo 198.000 m3 de
armazenamento. Já para a abordagem com CTR seriam necessários apenas 14 reservatórios
perfazendo 132.000 m3 de armazenamento, reduzindo o investimento necessário (incluindo a
implantação do sistema de CTR) para 50% relativamente à abordagem anterior, pelo que se escolheu
implantar este sistema de CTR (Pleau, et al., 2005).
5.3.3. Implementação do sistema de CTR e resultados
A implementação do sistema de CTR consistiu num projecto-piloto e mais três fases. O projecto-piloto
(1998-2001) serviu para confirmar os resultados dos estudos de simulação. Não envolveu a
construção de reservatórios, sendo apenas instalados 17 sensores e 5 reguladores de caudal para
utilizar totalmente a capacidade de dois túneis existentes (18.000 m3) e maximizar o caudal tratado na
ETAR. Seguiu-se a Fase 1 (2002-2005) em que se procurou reduzir as descargas directas da rede
ocidental, construindo-se 7 reservatórios (40.300 m3), 9 estações de CTR e 15 pontos de
monitorização. As Fases 2 e 3 decorreram em simultâneo (2004-2009), adicionando-se 7
reservatórios (81.000 m3) e 4 estações de CTR (Fradet, et al., 2011).
A utilização dos volumes de armazenamento disponíveis nos túneis permitiu desde o projecto-piloto
reduzir em 60% a frequência de descargas directas e em 50% o volume destas em cinco locais de
descarga principais, com um mínimo de custos. Durante a implementação do CTR foram instalados
no território ocidental 4 medidores de caudal, 13 udómetros e 5 estações de controlo local. As
estações de controlo local foram instaladas nos 5 principais pontos de descargas directas e permitem
o controlo dinâmico do escoamento. A monitorização do comportamento do sistema de drenagem
durante os dois anos finais do projecto-piloto permitiu concluir que o sistema de CTR reduzira em
94
cerca de 80% o volume de descargas directas e em 43% a sua frequência relativamente às
simulações sem CTR para as mesmas solicitações ao sistema de drenagem (Fradet, et al., 2011).
O sistema de CTR foi inicialmente recebido com apreensão pelos operadores. Foi-lhes ministrada a
formação teórica e prática necessária para serem capazes de utilizar o sistema de CTR e foram
agendadas rotinas de inspecção e manutenção das novas instalações (Pleau, et al., 2005).
Na Figura 34 mostra-se a localização e volume dos reservatórios construídos na Fase 1 (a vermelho).
Os reservatórios Jones e Suète, combinados com a capacidade dos túneis existentes, asseguram
que não se excede duas descargas directas por Verão no rio St. Lawrence e na praia Jacques-
Cartier. Os restantes cinco reservatórios construídos nesta fase contribuem para a redução das
descargas directas no rio St. Charles, totalizando um terço do volume necessário para atingir o
objectivo de limitar as descargas nesse rio a um máximo de quatro por Verão. Todos os reservatórios
enchem e esvaziam por gravidade excepto os de Laurentian e St. Sacrement que são esvaziados por
electrobombas, e o de Nord-Ouest que é enchido por electrobombas. Os reservatórios são
constituídos por uma câmara de entrada e outra de saída, um açude e vários compartimentos
paralelos. Possuem um sistema de limpeza que provoca correntes de varrer nesses compartimentos
de acordo com uma sequência automática ou por comando remoto dos operadores no centro de
controlo (Fradet, et al., 2011).
Figura 34 – Localização e volume dos reservatórios de águas pluviais contruídos na Fase 1 (a vermelho)
do projecto de redução de descargas directas no Québec (fonte: (Fradet, et al., 2011))
No Verão de 2005 avaliou-se o desempenho do sistema de CTR face aos quatro eventos pluviosos
que ocorreram nesse período, com períodos de retorno entre 2 meses a 5 anos. Os eventos
pluviosos com período de retorno inferior a 6 meses não provocaram descargas directas no rio St.
Lawrence, como esperado pois os reservatórios tinham sido dimensionados para esse período de
retorno com base em estudos de simulação. Os dados monitorizados permitiram observar que só
ocorriam descargas directas quando todos os volumes de armazenamento estavam completamente
95
utilizados, significando que o volume de descargas directas tinha sido eficazmente minimizado
(Fradet, et al., 2011).
Nas Fases 2 e 3, executadas em simultâneo, procurou-se cumprir o requisito de não mais de quatro
descargas directas por Verão no rio St. Charles. Para tal construíram-se 4 estações de controlo e 7
reservatórios ao longo desse rio (ver Figura 35), cuja operação foi integrada no sistema de CTR.
Todos estes reservatórios são ou enchidos ou esvaziados por electrobombas. A avaliação do
desempenho do sistema de CTR com estas novas componentes ainda não foi executada. O projecto
de reabilitação do rio St. Charles foi concluído neste período, tendo incluído a renaturalização das
margens do rio, criação de parques percorridos por ciclovias e percursos de caminhada ao longo do
rio. Este projecto surtiu o efeito desejado, atraindo pessoas e criando habitats que propiciaram a
fruição de vida selvagem (Fradet, et al., 2011).
Figura 35 - Localização e volume dos reservatórios de águas pluviais construídos na Fase 2 e 3 (a
vermelho) do projecto de redução das descargas directas no Québec (fonte: (Fradet, et al., 2011))
O sistema de CTR permitiu reduzir em 43% o volume de armazenamento e em 50% o investimento
necessários para obter os mesmos resultados comparando com a abordagem tradicional de controlo
estático. O sistema de CTR continua a ser melhorado adicionando novos sensores e melhorando o
sistema de telemetria com novas tecnologias. Para o futuro está prevista a despoluição da baía de
Beauport e da zona mais a leste da cidade (Fradet, et al., 2011).
5.3.4. Descrição do sistema de CTR
O sistema de CTR possui estações locais onde actuadores (e.g. comportas, electrobombas) ou
equipamento de monitorização (e.g. udómetros, limnímetros, medidores de caudal) estão ligados a
um PLC. A informação recolhida pelas estações é enviada a um centro de controlo, através de ondas
rádio e cabos de fibra óptica, para ser utilizada pelo subsistema de suporte à decisão (o Csoft) no
cálculo dos valores alvo óptimos dos actuadores ( (Fradet, et al., 2011), (Pleau, et al., 2005)).
O sistema de CTR utiliza um sistema SCADA, software de controlo global preditivo, um modelo de
simulação hidrológico-hidráulico não linear, um algoritmo de programação não linear (para
96
optimização) e um subsistema de previsão meteorológica. O sistema de CTR é totalmente
automático, ficando os operadores encarregues de monitorizar o sistema e alarmes e de operar as
ETAR (Pleau, et al., 2005).
O sistema SCADA permite ao operador acompanhar em tempo real o comportamento hidráulico do
sistema de drenagem, ao apresentar numa interface gráfica todos os valores medidos (e.g. níveis,
abertura de comportas, caudais, intensidade de precipitação), valores alvo enviados para os
controladores locais, previsões meteorológicas, capacidades de tratamento primário e secundário nas
ETAR, se a operação está a ser feita para tempo seco ou húmido e alarmes. Os operadores podem
reverter para controlo local partes individuais do sistema e/ou controlá-las manualmente através do
centro de controlo. No caso de falhas de comunicação, dos sensores ou em caso de alarmes, as
estações locais fazem uma regulação de segurança dos actuadores ( (Fradet, et al., 2011), (Pleau, et
al., 2005)).
O programa de controlo utiliza o modelo de simulação para calcular caudais e níveis na rede de
drenagem ao longo dum horizonte de previsão de duas horas e, por sua vez, estes dados são
utilizados pelo algoritmo de optimização para calcular os valores alvo dos actuadores. Estes valores
(e.g. caudais e níveis) são enviados pelo sistema telemétrico às estações de controlo locais, onde
são aplicados assim que os respectivos PLC transformam os caudais e níveis desejados em valores
da abertura das comportas (Pleau, et al., 2005).
O problema de optimização é descrito por uma função multi-objectivo sujeita a condições de fronteira
e que se tenta minimizar. A função inclui os seguintes objectivos por ordem decrescente de
prioridade: minimizar o risco de inundações (há um nível crítico que não deve ser ultrapassado),
minimizar descargas directas (optimizando a utilização das capacidades de armazenamento),
maximizar o caudal tratado na ETAR, minimizar a utilização da capacidade de armazenamento na
rede de drenagem e minimizar a variação dos valores alvo (como forma de minimizar custos
energéticos). Além destes objectivos de controlo globais, são utilizados pesos em objectivos de
controlo locais de modo a favorecer o esvaziamento de volumes de armazenamento com baixa
capacidade de vazão e a protecção contra descargas directas em certos pontos da rede. Utiliza-se
também um parâmetro de incerteza para contar com o facto das previsões de longo prazo serem
mais incertas que as de curto prazo, dando mais peso a estas ( (Fradet, et al., 2011), (Pleau, et al.,
2005)).
As condições de fronteira do problema de optimização traduzem os limites do sistema de drenagem
físicos (e.g. capacidade de transporte e volumes máximos dos reservatórios) e operacionais (e.g.
limitação do caudal numa secção para evitar entrada em carga e valores alvo limitados pelo
operador). Em geral, o problema de optimização é resolvido em menos dum minuto, apesar de
envolver milhares de restrições e variáveis. Os valores alvo são estabelecidos a cada 5 minutos com
os dados de monitorização mais recentes disponíveis ( (Fradet, et al., 2011), (Pleau, et al., 2005)).
O modelo de simulação é actualizado sempre que são feitas alterações no sistema de drenagem. Por
exemplo, em 2009 adicionaram-se dois medidores de caudal à rede e foram de imediato integrados
no sistema de CTR, passando a utilizar-se também os seus dados para calibração em tempo real do
modelo (Pleau, et al., 2005).
97
O subsistema de previsão meteorológica faz previsões de curto prazo e de alta resolução, através de
imagens de radar e dados dos udómetros (Pleau, et al., 2005).
A robustez do sistema de CTR é melhorada através de várias ferramentas como de validação e
filtragem de dados de monitorização e calibração em tempo real do modelo de simulação. Em termos
de equipamento, em pontos críticos de monitorização utilizam-se sensores redundantes para o caso
de haver falha nalgum e, quando possível, de tipos diferentes (Pleau, et al., 2005).
Em tempo húmido o controlo é feito de modo dinâmico, utilizando-se ciclos de controlo com feedback
na regulação dos actuadores. Em caso de falhas de comunicação, os actuadores afectados revertem
para um esquema de CTR local concebido com o objectivo de minimizar o risco de inundação e de
danos à rede de drenagem. O sistema de CTR permite (até certo ponto) controlar a distribuição
espacial e temporal de descargas directas inevitáveis, aliviando o seu impacto na qualidade da água
dos meios receptores (Pleau, et al., 2005). O controlo foi concebido de modo a que os volumes de
armazenamento só comecem a esvaziar assim que o afluente à ETAR seja inferior à capacidade do
tratamento secundário da ETAR (Fradet, et al., 2011).
Em tempo seco o controlo passa a ser estático, posicionando-se as comportas de modo a evitar
retenção de água nas estruturas de armazenamento. Este modo de operação foi concebido de forma
a minimizar o consumo energético e a maximizar a vida útil dos actuadores ao minimizar o seu
accionamento (Pleau, et al., 2005).
O sistema de CTR é capaz de levar em conta alterações na capacidade da ETAR, por exemplo,
quando há necessidade de pôr fora de serviço partes da mesma para operações de manutenção
como limpeza de biofiltros (Pleau, et al., 2005).
5.4. Hildesheim, Alemanha
A cidade de Hildesheim, no norte da Alemanha, serve uma população de 104 000 habitantes numa
área de cerca de 93 km2, a que corresponde uma densidade populacional de 1 118 hab/km
2. O
sistema de drenagem é misto (parte unitário, parte separativo), e possui um volume de
armazenamento total de 17 200 m3, a que corresponde um volume de armazenamento específico de
26 m3/m
2 de área impermeável. A precipitação anual média é de 580 mm e o meio receptor é o rio
Innerste que tem um caudal médio de 8,15 m3/s ( (Pabst, et al., 2011), (Schütze & Alex, 2011),
(Schütze, 2011a)).
Na Figura 36 apresenta-se o esquema do sistema de drenagem de Hildesheim. A ETAR deste
sistema tem capacidade para uma população equivalente de 240 000 habitantes. A rede de
drenagem unitária tem dez sub-bacias com nove reservatórios de águas pluviais e um descarregador
de tempestade. O reservatório Schützenallee destaca-se pela sua capacidade de 3 822 m3 e área
impermeável servida de 140 ha, correspondendo a um volume de armazenamento específico muito
baixo (cerca de 0,003 m3/m
2). Excepto o reservatório Bergmühlenstrasse e o descarregador Groβe
Venedig, todos os reservatórios e respectivos descarregadores têm registos, com uma resolução
temporal dum minuto, do nível da água e caudal a montante da válvula reguladora de caudal. De
resto, há um reservatório de águas pluviais imediatamente a montante da ETAR e três pontos de
confluência da rede separativa com a rede unitária (Pabst, et al., 2011).
98
Em 2002, calculou-se a configuração estacionária óptima das válvulas reguladoras de caudal de
quatro reservatórios para minimizar o volume de descargas directas, simulando uma série de
precipitação de 10 anos com o programa KOSIM. Em 2007, a configuração das válvulas passou a ser
optimizada dinamicamente ( (Pabst, et al., 2011) citando (Seggelke, 2002)). Em 2010, fizeram-se
melhorias ao implantar um sistema de CTR desenvolvido no projecto ADESBA (Adaptation and
development of a pre-configured control box for real time control of urban drainage systems), que tem
o objectivo de facilitar a implementação de CTR através do recurso a um algoritmo de controlo
genérico pré-configurado, dependente dum pequeno número de parâmetros de entrada, contido
numa caixa de controlo física pré-assemblada. O conceito de algoritmo de controlo genérico utilizado
possibilita a concepção do sistema de controlo seguindo uma abordagem modular, i.e., os elementos
de controlo do sistema de drenagem são considerados como módulos aos quais se podem aplicar
caixas de controlo idênticas. Este algoritmo rege-se pelo princípio de equalização da utilização da
capacidade de armazenamento disponível na rede de drenagem, de forma a minimizar o volume de
descargas directas (Pabst, et al., 2011). A validade do algoritmo (descrito no subcapítulo 3.5.2 e em
detalhe em (Alex, et al., 2008)) foi confirmada por estudos de simulação em várias redes de
drenagem ( (Alex, et al., 2008), (Pabst, et al., 2011) citando (Schütze & Haas, 2010)).
Figura 36 - Esquema do sistema de drenagem de Hildesheim (adaptada de (Pabst, et al., 2011))
A concepção do algoritmo de controlo no sistema de Hildesheim serviu-se de simulações em SIMBA
(baseado no módulo Simulink do programa MATLAB), com um modelo hidrológico da rede de
drenagem baseado no previamente concebido no KOSIM, tendo-se procedido à sua calibração e
verificação ( (Pabst, et al., 2011), (Alex, et al., 2008)). A Figura 37 apresenta a comparação entre o
ETAR Hildesheim
Reservatório da ETAR
Sistema
separativo
Sistemas
separativos
Descarregador Gr. Venedig
99
caudal afluente à ETAR simulado e medido. A diferença do volume afluente à ETAR ronda os 7%
para o total da rede e, considerando apenas a rede unitária, reduz-se para 1%, podendo ser
explicada pela infiltração de água na rede separativa (Pabst, et al., 2011). Conclui-se que a calibração
é bastante boa.
O SIMBA facilitou bastante a passagem da simulação à implementação do sistema de CTR ao
fornecer um módulo que permite a descrição de funções de automação na linguagem utilizada nos
PLC, expedindo este processo e minimizando os erros ( (Pabst, et al., 2011) citando (Ogurek, et al.,
2008)).
As caixas de controlo do sistema ADESBA estão concebidas para uso tanto como unidades de
controlo local, como unidades de controlo integradas num sistema de CTR mais complexo,
comunicando entre si ou com um centro de controlo. No sistema de Hildesheim, o centro de controlo
fica na ETAR. As caixas de controlo têm capacidade de armazenamento e gestão de dados, interface
gráfica para visualização de informação e configuração do módulo de controlo ( (Pabst, et al., 2011)
citando (Peikert, et al., 2010).
Figura 37 - Comparação entre o caudal afluente à ETAR de Hildesheim simulado e medido, para
verificação da calibração do modelo hidrológico da rede de drenagem elaborado em SIMBA (adaptada de
(Pabst, et al., 2011))
Na Tabela 7 apresentam-se os resultados das simulações para o mesmo período temporal da Figura
37, considerando-se quatro cenários: 1) caso base, em que as válvulas têm configuração estática não
optimizada; 2) válvulas com configuração estática optimizada em quatro dos reservatórios; 3) sistema
de CTR do projecto ADESBA aplicado aos quatro reservatórios anteriores; e 4) igual ao caso anterior
mas aplicado a nove reservatórios. Relativamente ao cenário base, a redução do volume de
descargas directas cresce bastante com o grau de sofisticação do sistema de controlo, atingindo
quase 40% no último cenário. Observa-se ainda que a aplicação do sistema ADESBA aumenta muito
a utilização da capacidade do reservatório da ETAR (Pabst, et al., 2011).
Cau
dal aflu
en
te (
m3/d
ia)
Dias (23/7/2007-3/8/2007)
Medido
Simulado
100
Tabela 7 - Resultados das simulações do sistema drenagem de Hildesheim para quatro cenários e
durante um período de doze dias (adaptada de (Pabst, et al., 2011))
Válvulas estáticas Sistema de CTR do ADESBA
Sem optimização
Com optimização em 4 reservatórios
Aplicado a 4 reservatórios
Aplicado a 9 reservatórios
Redução do volume descarregado
- 10,5% 29,1% 38,0%
Máxima utilização da capacidade do reservatório da ETAR
34% 38% 84% 100%
A eficácia do sistema de CTR do ADESBA foi confirmada por simulações de longo prazo (dez anos),
em cenários de precipitação uniforme e não uniforme (neste caso há uma melhoria marginal dos
resultados), verificando-se reduções na ordem dos 30% do volume de descargas directas e da
emissão de carga poluente relativamente ao caso base de controlo estático, mas apenas ligeiramente
crescentes no sentido de maior complexidade do sistema. Observou-se ainda que as reduções de
volume e de carga poluente eram proporcionais embora um controlo baseado em volume não tenha
capacidade para assegurar que tal acontece.
A aplicação do MBC demonstrou que o potencial do CTR é maior quando a precipitação é não
uniforme e que quantos mais reservatórios forem controlados maior é o volume de descargas
reduzível ( (Pabst, et al., 2011), (Schütze & Alex, 2011)). A possibilidade de priorizar os efluentes
dalguns reservatórios faz antever um aumento adicional do potencial de minimização da carga
poluente descarregada ( (Schütze & Alex, 2011), (Alex, et al., 2008), (Pabst, et al., 2011) citando
(Lacour & Schütze, 2010)). Outras formas de aumentar o potencial do sistema são a incorporação de
previsões de precipitação e do comportamento do escoamento no sistema (em particular tempos de
escoamento). É ainda possível integrar a priorização de locais de descarga de modo a trazer
benefícios ambientais (Schütze & Alex, 2011).
Os bons resultados obtidos e evidente versatilidade e adaptabilidade das caixas de controlo
desenvolvidas apontam para a sua aplicabilidade a qualquer rede de drenagem ramificada com
volumes de armazenamento, com um mínimo de esforço ( (Pabst, et al., 2011), (Alex, et al., 2008)).
Em 2010 iniciou-se o desenvolvimento deste sistema para acomodar CTR baseado em poluição,
optimizar a eficiência energética do sistema de drenagem (em particular nas estações elevatórias),
equalizar o caudal afluente à ETAR e conjugar tudo isto com a redução de descargas directas (Pabst,
et al., 2011).
5.5. Leipzig, Alemanha
Leipzig situa-se num terreno bastante plano, rodeada de poucas linhas de água que recebem as
descargas da rede de drenagem unitária e da ETAR, sendo frequentes inundações e problemas
ambientais. Para responder a estes problemas decidiu-se remodelar a ETAR e optimizar a rede
(através de CTR, reservatórios, elementos de monitorização e regulação), procurando-se a relação
ideal entre o investimento feito em cada parte do sistema para atingir uma determinada diminuição
das descargas, já que uma variação na capacidade dum dos sistemas tem o desempenho limitado
pelo da outra parte. Esta relação foi encontrada com ajuda de modelos de simulação, tendo em conta
a necessidade de construir reservatórios, consoante a dimensão do sistema de monitorização e de
101
regulação (para aproveitar a capacidade de armazenamento dos colectores que, em partes da
cidade, chegam aos 3 m de diâmetro), e consoante a capacidade da ETAR. Tomou-se em conta o
aumento significativo dos custos de expansão da ETAR a partir duma determinada capacidade e
devido a limitação de espaço e/ou de equipamento. Concluiu-se que a capacidade ideal da ETAR era
superior ao valor obtido pelos métodos de dimensionamento tradicionais alemães (caudal máximo
igual a duas vezes o caudal de ponta em tempo seco) que desconsideram a rede de drenagem de
onde provém o caudal afluente. O sistema de CTR iniciou-se em 2002, com a instalação de válvulas,
para aproveitar o volume de armazenamento dos colectores, e de medidores da altura do
escoamento, estando estes elementos ligados a um centro de controlo (Sebastião, 2005). Na Figura
38 apresenta-se os custos de investimento evidenciando a relação óptima.
Figura 38 - Custos da reabilitação do sistema de drenagem de Leipzig, incluindo a remodelação e a
consequente variação da capacidade da ETAR (adaptada de (Sebastião, 2005))
Caudal afluente à ETAR (m3/h)
Custo
do
In
vestim
en
to (
€)
102
6. Caso de estudo
6.1. Considerações introdutórias
Neste capítulo é estudada a frente de drenagem do Terreiro do Paço-Alcântara, começando-se pela
caracterização do caso de estudo, seguida da avaliação do potencial do CTR para reduzir o volume
de descargas directas, por aplicação dum método expedito, e encerra-se com as principais
conclusões.
Para realizar esta avaliação do potencial do CTR foi necessário recolher e tratar informação cadastral
do sistema de drenagem de Lisboa, tendo uma equipa elaborado a partir dela um modelo da rede de
drenagem no programa SWMM, que poderá ser utilizado para estudos de simulação futuros. A
informação cadastral foi cruzada e complementada com outras fontes como o PGDL e documentos
do LNEC, tendo-se verificado a existência de alguns erros cadastrais e situações dúbias que só
podem ser validadas in situ, tal como inclinações negativas em colectores. A entidade gestora do
sistema de drenagem de Lisboa, a SIMTEJO, incorporou posteriormente esse modelo em SWMM
para desenvolver estudos de simulação.
Para o desenvolvimento do caso de estudo teve-se em consideração a informação constante no
PGDL, nomeadamente no que se refere à análise o desempenho do sistema de drenagem, com
identificação dos principais problemas e proposta de soluções alternativas, bem como os principais
colectores aí identificados que constituem a rede conceptual modelada (colectores com diâmetro
superior a 600 mm) e infra-estruturas associadas.
Grande parte dos investimentos previstos no PGD de Lisboa concentram-se no sistema de Alcântara,
o que se deve em grande parte ao facto de haver muitas zonas antigas da cidade abrangidas pelo
mesmo, que são problemáticas e carecem de reabilitação (EMARLIS, 2007b). Muitos eventos de
precipitação provocam entrada em carga dos colectores e afluência de caudal à ETAR superior à sua
capacidade. Há um elevado risco de inundação dalgumas estações elevatórias e registam-se
problemas de paragem das mesmas durante eventos de precipitação. As alterações climáticas
surgem como um novo problema pois provocam a subida dos níveis de maré nas frentes ribeirinhas
(Póvoa, et al., 2011).
A SIMTEJO, entidade gestora do sistema de drenagem de Lisboa, tinha necessidade de inteligência
artificial que permitisse a gestão dos sensores, devidamente integrada com modelos matemáticos
como ferramenta de apoio à decisão (Póvoa, et al., 2011). Tal está a ser solucionado através dum
sistema SCADA, recentemente desenvolvido para a bacia de Alcântara, constituído por um sistema
de alerta em tempo real de inundações e descargas directas, que fornece informação
atempadamente à entidade gestora e aos serviços de protecção civil (Matos, et al., 2014). Este
sistema possui uma plataforma de consulta em tempo real dos dados de monitorização e um
subsistema de previsão do comportamento do sistema de drenagem apoiado por simulação integrada
de modelos matemáticos da rede de drenagem, ETAR e meio receptor, com base nas previsões
meteorológicas das próximas 48 h.
O sistema de monitorização possui 30 medidores de caudal na bacia de Alcântara e 6 na ETAR, 4
udómetros e 3 medidores da qualidade da água através de espectrofotometria UV-Vis (dois na ETAR
103
e um no estuário, perto do principal descarregador de Alcântara). Existe ainda um limnímetro numa
zona da Baixa frequentemente sujeita a inundações.
O modelo de simulação tem capacidade de modelar a sedimentação na rede através dum modelo
determinístico, bem como SST, CQO e CF na ETAR, através dum modelo semi-empírico. No estuário
é modelada a contaminação microbiológica (CF e E. Coli). Assim, as simulações permitem estimar os
volumes e cargas poluentes das descargas directas, e modelar a qualidade da água em todo o
sistema de drenagem.
A informação de monitorização disponibilizada em tempo real e as resultantes previsões do
comportamento do sistema de drenagem simuladas permitem aos gestores tomar decisões
importantes sobre o controlo das estações elevatórias e ETAR, com vista a minimizar as inundações,
descargas directas e custos operacionais das estações elevatórias (Matos, et al., 2014).
6.2. Caracterização do caso de estudo
A bacia do Terreiro do Paço pertence à zona baixa do sistema de drenagem do concelho de Lisboa e
ao sistema de Alcântara (ver Figura 39). A rede da bacia de Alcântara tem cerca de 81,2 km de
colectores, sendo 60% da rede unitária e o restante do tipo pseudo-separativo ou separativo. A rede
de drenagem apresenta uma grande variedade de tipos de secção, idades e materiais.
Figura 39 – Bacias do sistema de drenagem de Alcântara, zonas alta e baixa e principais frentes de
drenagem da zona baixa (fonte: (Salgado, 2013)) (à esquerda) e Rede conceptual da frente de drenagem
do Terreiro do Paço-Alcântara elaborada em SWMM (à direita)
As águas residuais da bacia do Terreiro do Paço são recolhidas por um interceptor até à estação
elevatória das Agências donde são enviadas para a ETAR de Alcântara. A bacia divide-se nas sub-
bacias J, L, M1, KM e KJ (ver Figura 39), servindo cerca de 100 000 habitantes numa área de
11,60 km2, a que corresponde uma densidade populacional de 8 620 hab/km
2. Em 2010, a SIMTEJO
concluiu um conjunto de obras de ampliação e beneficiação desta parte do sistema de drenagem, que
permitiram a intercepção dos efluentes de tempo seco transportados pelos colectores unitários da
J
L
M1
KJ KM
104
Rua do Ouro, Rua Augusta e Rua da Prata, de modo a eliminar as descargas directas para o rio Tejo
em tempo seco ( (Salgado, 2013), (EMARLIS, 2007b)).
A rede conceptual da bacia J definida no PGD de Lisboa tem cerca de 8,3 km de colectores (a rede
total tem uma extensão de 54 km) e serve aproximadamente 18 000 habitantes, numa área de
250 ha. A gama de diâmetros mais comum é de 1 a 2 metros. Há dois colectores principais em
paralelo ao longo da Av. da Liberdade, que convergem na R. 1º de Dezembro, percorrendo a R. do
Ouro até à câmara de válvulas de maré da R. do Ouro, no Terreiro do Paço. Um outro colector
principal percorre a R. de Santa Marta, R. das Portas de Santo Antão e R. Augusta até à câmara de
válvulas de maré da R. Augusta e da R. da Prata, no Terreiro do Paço. Esta bacia possui colectores
em mau estado de conservação e com problemas hidráulicos. Na R. das Pretas é frequente haver
inundações devido a drenagem superficial insuficiente. Segundo um estudo apresentado em
(EMARLIS, 2007a), para um período de retorno de 10 anos, há entrada em carga dos colectores da
R. de Santa Marta, R. Portas de Santo Antão e Praça D. Pedro IV. Além disto um troço tem
velocidade inferior à regulamentar e 50% dos colectores têm velocidades elevadas (num troço
atingem-se 8 m/s).
A rede total da bacia L tem cerca 80 km de colectores e a rede conceptual cerca de 4,6 km (ver
Figura 39), que servem uns 58 400 habitantes numa área de 347 ha, sendo a gama de diâmetros
mais frequente de 400 a 600 mm. O colector principal tem origem na Calçada Arroios, passa pelo
Martim Moniz e pela R. da Prata, sendo interceptado pela câmara de válvulas de maré da R. Augusta
e R. da Prata. Regista-se a ocorrência de problemas de inundações frequentes na Praça da Figueira,
resultantes do estrangulamento aí existente e da falta de capacidade de transporte do colector a
jusante. Isto motivou, no âmbito do PGDL, o estudo da criação dum reservatório a montante do
Martim Moniz, de modo a que os efluentes não excedessem a capacidade de transporte a jusante
(EMARLIS, 2007a), e a proposta da construção dum túnel de desvio de caudal (ver Figura 39) com
início no Martim Moniz até ao Tejo, na zona de Santa Apolónia da bacia KM, passando ao longo da
R. dos Cavaleiros e Largo do Terreirinho, seguindo pela Calçada de Santo André até ao Largo
Rodrigues Faria, e depois pela R. Museu de Artilharia, R Jardim do Tabaco, Beco da Praia da Galé e
Av. Infante D. Henrique (Câmara Municipal de Lisboa, 2008a). O túnel teria um diâmetro de 2,5 m,
declive de 0,4 a 0,5% e capacidade para um caudal de 15 m3/s, suficiente para evitar inundações nas
secções a jusante da bacia L. Esta obra seria uma das mais onerosas das previstas no PGDL,
estimando-se um custo de 27,3 M€. A solução do reservatório teria um custo de 9 M€ e seria
implantada no Largo do Intendente, em paralelo à rede, a 18 m de profundidade e com uma
capacidade de 22 800 m3, que garante o controlo de cheias com períodos de retorno de até 10 anos
(EMARLIS, 2007b). A solução do túnel, apesar de mais onerosa e complexa, tem a vantagem de
solucionar os elevados caudais afluentes ao Terreiro do Paço, não interferir com o escoamento da
rede actual, não apresentar impactos sociais significativos e não ter custos de exploração (EMARLIS,
2007b). A solução do reservatório tem vantagens ambientais e hidráulicas, contudo escasseia espaço
para a sua implantação, suscitando receio pela estabilidade dos edifícios vizinhos e tem custos de
exploração associados à necessidade de bombagem. Por estas razões, o PGDL considera preferível
a solução do túnel (Câmara Municipal de Lisboa, 2008a).
105
Figura 40 - Traçado proposto do túnel de desvio de caudal da bacia L para a bacia KM (fonte: (Câmara
Municipal de Lisboa, 2008a))
O colector principal recebe ainda os efluentes de dois troços, um com origem na Praça do Chile e que
percorre a R. António Pedro, e outro que drena a Av. Almirante Reis e intercepta o colector principal
no Martim Moniz. Para um período de retorno de 10 anos, os colectores da R. de Arroios, R.
Regueirão dos Anjos, Praça da Figueira e Martim Moniz entram em carga. Além disso, no Martim
Moniz a velocidade é inferior ao limite legal e em 50% da rede excede-se a velocidade máxima (em
dois colectores atinge-se 8 m/s) (EMARLIS, 2007a).
Os colectores da R. do Ouro, R. da Prata e R. Augusta são interceptados perpendicularmente por
colectores secundários de diferentes secções e materiais, constituindo uma rede emalhada. A rede
de drenagem da Baixa é constituída por saiméis pombalinos, de pedra, em forma de U invertido e
com soleira plana (EMARLIS, 2007a).
Existem quatro secções de monitorização, instaladas nos colectores da R. Augusta, Praça da
Figueira, R. do Ouro (junto ao Rossio) e no cruzamento entre a R. do Ouro e a R. de Santa Justa.
Nas duas primeiras mede-se o caudal e o nível da água, havendo um dispositivo de armazenamento
de dados e um sistema de transmissão de dados via GSM.
A rede das bacias J e L é unitária e serve uma área urbana com alto grau de impermeabilização.
A bacia M1 tem apenas 46,3 ha e serve 7 800 habitantes através duma rede unitária com dois
colectores principais afluentes à bacia K. A rede tem uma extensão total de cerca de 12,7 km, sendo
a gama de diâmetros mais comum de 400 a 600 mm. Os colectores são de betão, em geral com
secção circular, e com razoável estado de conservação e funcionamento. Existe um conjunto de
câmaras de desvio de caudal e descarregadores instalados em zonas fora da influência da maré e
dotados de válvulas do tipo vórtice, que limitam os caudais desviados a um determinado valor. A rede
a jusante transporta os caudais domésticos até ao Terreiro do Paço através de duas estações
elevatórias munidas de válvulas reguladoras do caudal e uma delas tem um by-pass (Câmara
Municipal de Lisboa, 2008a). Estas são as estações elevatórias do Terreiro do Trigo e da Estação
Fluvial, representadas na Figura 41 (EE TT e EE, respectivamente), onde se representa também o
sistema interceptor nas bacias KJ e KM.
106
As bacias KJ e KM recebem os colectores principais das bacias a montante (J, L e M1,
respectivamente), sendo em geral de construção em betão recente e com funcionamento razoável.
Para o período de retorno de 10 anos, há entrada em carga de colectores nas bacias M1, KJ e KM,
mas não se excedem limites de velocidade (EMARLIS, 2007a).
Figura 41 - Representação esquemática, em planta, do sistema interceptor Terreiro do Paço-Alcântara,
com indicação das principais estruturas nas bacias KJ e KM (adaptada de (Urban Water, 2014))
A câmara de válvulas da R. do Ouro que recebe os caudais da bacia J provenientes do colector da
Av. da Liberdade (ver Figura 42), possui três compartimentos e um volume de 350 m3. No primeiro,
desvia-se o caudal de tempo seco para o interceptor até à estação elevatória das Agências. No
segundo, existem duas válvulas de maré do tipo bico de pato, circulares com 1,8 m de diâmetro
nominal, junto à soleira da câmara, e duas válvulas de maré rectangulares de batente, junto à
cobertura e à parede de separação com o primeiro compartimento. No terceiro compartimento existe
uma válvula de controlo de caudal que permite variar o caudal desviado até duas vezes o caudal de
ponta de tempo seco.
A câmara de válvulas da Rua Augusta e Rua da Prata (ver Figura 42) recebe os efluentes do colector
da Rua das Portas de Santo Antão (bacia J) e da Avenida Almirante Reis (bacia L), tem uma
organização semelhante à da câmara anterior mas maior volume (492 m3). A parede de separação
entre o primeiro e segundo compartimentos tem doze válvulas de maré, sendo seis de batente,
instaladas junto à cobertura da câmara, e seis de bico de pato, juntas à soleira. No terceiro
compartimento existe uma válvula de controlo de caudal. As válvulas de batente, junto à cobertura
das câmaras, foram instaladas para eventual mau funcionamento das válvulas de bico de pato,
possibilitando ainda maximizar da secção transversal do escoamento.
107
A estação elevatória das Agências (EE AG na Figura 41) eleva as águas residuais da frente de
drenagem Terreiro do Paço-Alcântara, encaminhando-as para a ETAR de Alcântara. Possui quatro
grupos electrobomba accionadas automaticamente em função dos níveis nos poços de bombagem.
Em tempo seco (assim considerado para níveis mais baixos nos poços de bombagem) as águas são
elevadas alternadamente por duas bombas, com capacidade para variar o caudal entre 0,2 m3/s a
0,5 m3/s. Em tempo húmido (assim considerado para níveis mais elevados nos poços de bombagem),
as duas electrobombas funcionam em simultâneo para caudais até 1 m3/s. A partir desse valor entram
em acção as duas outras electrobombas, sendo o caudal que estas elevam enviado para um
emissário submarino que descarrega no rio Tejo. O caudal de ponta de tempo seco da bacia de
drenagem do Terreiro do Paço é cerca de 0,55 m3/s. Contudo, em tempo húmido, para precipitações
com período de retorno relativamente pequeno, é normal a afluência de caudais superiores a 30 m3/s,
valor que excede largamente os 6,6 m3/s de capacidade da ETAR em tempo húmido, o que implica a
necessidade de utilizar volumes de armazenamento na rede para evitar descargas directas
(SIMTEJO, 2014). As câmaras de válvulas foram projectadas para efectuar o desvio de quatro vezes
o caudal de ponta de tempo seco, i.e. 2,2 m3/s, mas a estação elevatória das Agências tem
capacidade para elevar apenas metade desse caudal, sendo o restante descarregado no rio Tejo
após um processo de gradagem que visa minimizar a poluição provocada pelas primeiras chuvadas,
através dum curto emissário submarino (ver Figura 41), assegurando maior diluição da descarga.
Ainda assim, as descargas de águas residuais domésticas que ocorrem a nível do sistema de Lisboa
em tempo seco apresentam elevadas concentrações de poluentes (em particular de SST, CQO,
CBO5 e coliformes fecais), prejudicando mais a qualidade da água do estuário do Tejo que as
descargas que ocorrem em tempo de chuva, apesar de em determinadas circunstâncias, no que se
refere sobretudo aos SST e CF, a contribuição das escorrências pluviais ser significativa (EMARLIS,
2007a).
Figura 42 - Câmaras de válvulas de maré da R. do Ouro (esquerda) e da R. Augusta e R. da Prata (direita)
(fonte: (Salgado, 2013))
O meio receptor da rede estudada é parte da margem direita do estuário do rio Tejo que, ao contrário
da margem esquerda na mesma zona, não está classificada como sensível pelo Decreto-Lei n.º
198/2008 (Diário da República, 2008), havendo apenas interesse em assegurar as condições de
108
qualidade da água para actividades de recreio com contacto indirecto (por exemplo, vela e pesca
desportiva).
O estuário está sujeito à influência da maré, o que se reflecte na operação do sistema de drenagem,
tornando necessária a utilização de válvulas de maré nas infra-estruturas implantadas a cotas sob a
influência da maré, de forma a evitar a afluência de caudais estuarinos no sistema de drenagem.
Apesar da elevada capacidade de diluição do estuário (a este propósito note-se que as plumas de
descargas pontuais dispersam rapidamente, sendo apenas claramente identificáveis as de origem
fluvial), a sua capacidade de escoar os nutrientes que recebe é baixa (o tempo de residência ronda
as 3 semanas) (EMARLIS, 2006).
6.3. Potencial do CTR em minimizar descargas directas
Tendo em conta os problemas da área em estudo descritos no Capítulo 6.1. resta determinar a
melhor forma de os resolver. O PGDL propõe apenas soluções de reabilitação, construção de
estruturas como o reservatório do Intendente e o túnel do Martim Moniz, e soluções de controlo na
origem (que admite serem pouco eficazes). Interessa então avaliar o potencial do CTR em eliminar os
problemas de inundações e descargas directas, implicitamente assumidos prioritários no PGDL. Não
sendo aqui possível desenvolver um estudo completo desta matéria, pode aplicar-se o método
expedito de avaliação do potencial do CTR, apresentado no Capítulo 4.3.1, que consiste na utilização
da Tabela 5. Nessa tabela estão presentes vários critérios simples de avaliação do potencial de
controlo, correspondentes a características da bacia de drenagem, produção de águas residuais,
sistema de drenagem, comportamento da rede de drenagem, meio receptor e ETAR. Para cada
critério faz-se uma avaliação qualitativa ou quantitativa e atribui-se uma pontuação. A soma destas
pontuações permite ter uma ideia se se justifica implementar um sistema de CTR. Segue-se a
explicação da pontuação atribuída a cada critério para o cenário P, correspondente à situação
presente, e para dois cenários futuros: cenário T, correspondente ao cenário com o túnel proposto no
PGDL, e o cenário F, em que além do túnel são feitas outras alterações pequenas ao sistema como a
implementação de actuadores nos colectores para os utilizar como volumes de armazenamento e um
desvio que liga o fim do túnel ao interceptor de Santa Apolónia. Nalguns casos em que a pontuação é
indiferente do cenário considerado, não se lhes faz referência. Na Tabela 8 apresenta-se a pontuação
atribuída a cada critério para ambos os cenários.
A.1. No cenário P, o colector principal da bacia L tem um comprimento de 3,2 km e o da bacia J tem
cerca de 2,9 km, pelo que se considerou o comprimento do colector principal como médio. Nos
cenários T e F o túnel tem cerca de 2 km, não alterando a pontuação.
A.2. A zona estudada tem uma grande densidade de construção, não havendo possibilidade de
desenvolvimentos significativos até ao horizonte de projecto. Há alguma desertificação de habitações
antigas, o que pode resultar em menor produção de águas residuais domésticas no futuro. Contudo, é
difícil prever a evolução desta situação pois têm-se tomado medidas de incentivo à reabitação destas
zonas. Considerou-se que a situação se manterá estável e sem desenvolvimentos, o que está
109
também de acordo com o PGDL que prevê a estabilização da população de Lisboa (Câmara
Municipal de Lisboa, 2008b).
B.1. Há falta de dados para poder fazer uma boa caracterização da variação espacial da poluição nas
bacias de drenagem de Lisboa, contudo os dados apresentados em (Queiroz, 2012) apontam para
uma relativa homogeneidade dos parâmetros da poluição em Lisboa. Assim decidiu-se atribuir
pontuação mínima neste critério.
B.2. Apesar de existirem troços de rede separativa, eles encontram-se essencialmente no Terreiro do
Paço e zonas vizinhas recentemente reabilitadas, e acabam por ser misturados com o caudal
predominante da rede unitária, pelo que a existência de troços separativos não deve ser considerada
na avaliação deste critério. Ainda assim, verifica-se uma variabilidade temporal e espacial da
produção média para as águas residuais e alta para as águas pluviais. Como estas últimas
constituem uma fracção do caudal muito maior quando há precipitação, atribuiu-se pontuação
máxima neste critério.
C.1. Nas câmaras de válvulas do Terreiro do Paço há um total de 16 válvulas de maré e duas
válvulas reguladoras de caudal, que podem ser utilizadas para regular o caudal descarregado.
Existem ainda três estações elevatórias: a do Terreiro do Trigo, a da Estação Fluvial e a das
Agências. As duas primeiras têm três electrobombas e a última tem quatro, e todas têm válvulas
reguladoras de caudal. Estes actuadores pecam por estar demasiado concentrados na mesma zona
da rede, o que limita o efeito do seu controlo no total da zona analisada. Se futuramente se utilizarem
colectores a montante para armazenar caudal através da introdução de válvulas, o potencial do CTR
será maior. Mesmo assim, como o número de actuadores excede 4, considerou-se a pontuação
máxima neste critério.
C.2. De acordo com a informação recolhida no cadastro e PGDL, os colectores principais que servem
grandes áreas (neste caso os das bacias J e L) têm inclinações médias íngremes, pelo que se
atribuiu a pontuação mínima a este critério para o cenário P. Nos cenário T e F, o túnel tem declive
médio mas como é apenas um dos principais colectores atribuiu-se pontuação entre a média e a
mínima.
C.3. Nos cenários P e T existem várias malhas fechadas na Baixa, contudo a sua extensão é
pequena e estão numa área pequena, pelo que é questionável o proveito que se pode tirar delas. Por
este motivo, atribuiu-se pontuação média a este critério. No cenário F, o túnel proposto no PGDL
pode ser munido de actuadores de forma a servir de volume de armazenamento e passar a ter um
desvio para o interceptor que encaminha caudal para a ETAR, junto de Santa Apolónia. Isto permitiria
uma grande flexibilização do escoamento ao aproveitar o tempo de percurso no túnel e a sua
capacidade de armazenamento para evitar descargas directas e inundações noutras partes da rede.
Assim, atribuiu-se pontuação máxima neste cenário.
C.4. Podem considerar-se análogos a reservatórios os volumes de armazenamento existentes na
estação elevatória das agências, câmara de carga do emissário e câmaras das válvulas de maré,
pelo que se atribuiu pontuação máxima neste critério. Nos cenário T e F, o túnel previsto no PGDL
terá um volume de cerca de 9 800 m3 e um declive médio, podendo ser utilizado para
armazenamento, aumentando ainda mais o potencial, embora a pontuação já não se altere. No
110
cenário F deve considerar-se que em todas as bacias existem colectores com volume superior a
50 m3, sendo que alguns têm um volume muito elevado. O colector da R. Arroios tem um volume de
cerca de 1 700 m3; o da R. António Pedro tem 4 600 m
3; o da R. da Prata tem 18 800 m
3; o do lado
Este da R. Palma tem 1 800 m3; o da R. Augusta tem 10 000 m
3 e o da R. Conde Redondo tem
145 m3. Todos os colectores mencionados têm troços muito íngremes que tornam mais difícil e
onerosa a sua utilização como volumes de armazenamento, contudo este factor já foi tido em conta
no critério C.2. A pontuação mantém-se a máxima.
C.5. Existem oito descarregadores na zona analisada, pelo que se atribuiu pontuação máxima neste
critério. Nos cenários T e F existe mais um descarregador, correspondente ao túnel.
C.6. No cenário P existe um total de cerca de 2 200 m3 de volume disponível para armazenamento,
distribuído pela estação elevatória das agências, câmara de carga do emissário e câmaras de
válvulas de maré no Terreiro do Paço, atribuindo-se pontuação mínima a este critério. Nos cenários T
e F o túnel proposto no PGDL adicionaria 9 800 m3 de volume de armazenamento, passando a
pontuação à máxima. No cenário F o potencial pode ser ainda maior tendo em conta que nos
colectores principais da rede existem cerca de 40 000 m3, dos quais uma porção poderá ser utilizada
para armazenamento ao instalar válvulas e cascatas nos colectores.
C.7. No cenário P, com os 2 200 m3 de armazenamento disponíveis, para ter um volume de
armazenamento específico de 20 m3/ha, a zona estudada teria de ter uma área impermeabilizada de
apenas 15%, o que está longe da realidade, pelo que neste cenário a pontuação neste critério é
mínima. No cenário T, considerando mais o volume de armazenamento do túnel, esse valor subiria
para 86% o que já estará um pouco acima do valor real – note-se que esta zona tem um coeficiente
do método racional entre 0,7 a 0,85. Contudo, neste cenário a área impermeabilizada teria de ser
inferior 43% para se obter uma pontuação máxima neste critério, pelo que a pontuação é média.
Seriam necessários entre 7 300 a 11 500 m3 de armazenamento activado nos colectores,
respectivamente para percentagens de impermeabilização entre 70 a 85%, para obter pontuação
máxima neste critério, o que parece possível obter nos cerca de 40 000 m3 existentes nos colectores
principais. Assim atribuiu-se pontuação máxima no cenário F.
C.8. Há três interceptores afluentes à ETAR de Alcântara (um que vem de Benfica, outro do Terreiro
do Paço/Cais do Sodré e outro de Algés), pelo que se atribuiu pontuação máxima neste critério.
D.1. Em todas as bacias analisadas há várias zonas onde ocorrem inundações, nalgumas mesmo
com precipitações de baixo período de retorno, nomeadamente na R. das Pretas, R. de Santa Marta,
R. Portas de Santo Antão, Praça D. Pedro IV, Praça da Figueira, R. de Arroios, R. Regueirão dos
Anjos, Terreiro do Paço. No Largo Martim Moniz também se verificam inundações mas devem-se
essencialmente ao estrangulamento aí existente, situação que deve ser resolvida pela sua eliminação
embora o CTR também possa dar uma ajuda. Assim, considerou-se pontuação máxima neste critério.
D.2. Apesar de não haver reservatórios podem considerar-se como tal os volumes de
armazenamento existentes na estação elevatória das Agências, câmara de carga do emissário e
câmaras de válvulas de maré. São volumes pequenos para os caudais envolvidos, especialmente em
tempo de chuva, sendo a utilização dos seus volumes de armazenamento irregular. Tendo em conta
que o volume totalizado por estes elementos é inferior ao dum reservatório típico atribuiu-se apenas
111
pontuação média neste critério. Não havendo previsão de construção de mais reservatórios nem
informação sobre as alterações sobre a regularidade da sua utilização com alterações futuras,
utilizou-se a mesma pontuação em todos os cenários.
D.3. Os descarregadores têm um comportamento não uniforme significante, há descargas não só em
tempo húmido como também em tempo seco e o caudal descarregado varia com o nível a montante.
Não havendo informação sobre os efeitos das alterações futuras na rede sobre o comportamento dos
descarregadores, atribuiu-se a mesma pontuação em todos os cenários.
E.1. Só existe um meio receptor para as bacias estudadas (o rio Tejo) pelo que se considerou a
pontuação mínima neste critério.
E.2. O mesmo que E.1.
E.3. Como referido no Capítulo 6.2. o meio receptor não está classificado como sensível, pelo que se
atribuiu pontuação mínima a este critério.
F.1. Não tendo acesso à norma ATV-DVWK-A 198E para utilizar efectuar o cálculo para este critério,
recorreu-se à consideração de que a capacidade da ETAR em tempo húmido é de 6,6 m3/s, mas,
como referido no Capítulo 6.2, em tempo de chuva mesmo uma precipitação com pequeno período
de retorno faz com que se exceda largamente capacidade da ETAR, chegando caudais na ordem dos
30 m3/s ao Terreiro do Paço. Nos cenários futuros, mesmo a existência de maior volume de
armazenamento não será suficiente para reduzir este caudal abaixo do caudal admissível à ETAR,
pois a capacidade de armazenamento esgotar-se-á rapidamente. Além disso ainda há que considerar
as contribuições das outras duas frentes de drenagem para o afluente à ETAR. Assim considerou-se
pontuação mínima neste critério em todos os cenários.
F.2. A ETAR de Alcântara tem uma linha de tempo seco e outra de tempo húmido, pelo que não
deverá ser muito sensível a picos hidráulicos. Quanto a picos de poluentes não se dispõe de
informação. Considerou-se pontuação mínima neste critério em todos os cenários.
112
Tabela 8 - Avaliação expedita do potencial do CTR na bacia do Terreiro do Paço
Critério Pontuação (valor entre parêntesis)
A. Bacia de Drenagem Cenário
P Cenário
T Cenário F
A.1 Bacia drenagem (comprimento do colector principal) Médio (1)
A.2 Diferença entre a área de desenvolvimento actual e a do horizonte de projecto
Nenhuma (0)
B. Produção de águas residuais
B.1 Áreas com maior poluição no escoamento superficial Nenhuma (0)
B.2
Variabilidade temporal e espacial da produção de águas residuais (e.g. produtores de águas residuais altamente poluídas, ligações provenientes de sistemas separativos)
Alta (2)
C. Rede de drenagem
C.1 Número de actuadores (e.g. válvulas) Vários (4)
C.2 Declive de colectores principais que servem grandes áreas
Íngreme > 0,5% (0) Médio a
íngreme (1)
C.3 Malhas fechadas do sistema de drenagem 1 – 2 (2) Várias (4)
C.4 Número de reservatórios (reservatórios e colectores com capacidade de armazenamento ≥ 50 m
3)
>4 (4)
C.5 Número de descarregadores > 6 (4)
C.6 Volume de armazenamento total (reservatórios e colectores com capacidade de armazenamento)
2000 – 5000 m3 (2)
> 5000 m3
(4)
C.7 Volume de armazenamento específico (razão entre o volume de armazenamento total e a área impermeável)
< 20 m
3/ha (0)
20 - 40 m
3/ha (2)
> 40 m3/ha
(4)
C.8 Número de interceptores afluentes à ETAR > 2 (3) D. Comportamento da rede de drenagem
D.1 Áreas de inundação localizadas Várias (2)
D.2 Número de reservatórios com utilização irregular 1 (2)
D.3 Variabilidade do caudal descarregado Significativa (4) E. Meio receptor
E.1 Diferenças de capacidade de transporte dos meios receptores
Nenhumas (0)
E.2 Diferenças de capacidade de diluição nos meios receptores
Insignificantes (0)
E.3 Sensibilidade do meio receptor Menos sensível (0)
F. ETAR
F.1 Caudal afluente admissível de águas residuais de redes unitárias
<fww,QCW QWW,aM + Qinf,aM (0)
F.2 Sensibilidade da ETAR a picos hidráulicos ou de poluentes
Menos sensível (0)
PONTUAÇÃO TOTAL: 30 32 39
Pontuação:
0-24 Possivelmente não se justifica implementar controlo 25-35 Possivelmente justifica-se implementar controlo > 35 Justifica-se implementar controlo
De acordo com os critérios apresentados no final da Tabela 8, as pontuações totais obtidas significam
que é provável justificar-se a implementação de CTR nos cenários presente (P) e futuro com o túnel
proposto no PGDL (T). No cenário futuro (F), em que além do túnel se incluem actuadores para criar
mais volumes de armazenamento na rede e se constrói um desvio do túnel para o interceptor em
Santa Apolónia, o método indica que se justifica implementar CTR.
113
6.4. Principais conclusões
A conclusão de que se pode justificar utilizar CTR na área estudada pode parecer surpreendente
tendo em conta a falta de volumes de armazenamento na zona analisada e os problemas de
inundações e descargas directas verificados. Contudo, esta avaliação não se centra apenas na
resolução destes problemas, mas no conjunto de problemas resolúveis na globalidade do sistema, ou
seja, rede de drenagem, ETAR e meio receptor.
De qualquer forma, o próximo passo lógico é aplicar métodos detalhados de determinação do
potencial do CTR, como o MBC ou o MBU, e, caso se mantenha uma indicação de bom potencial,
estudar mais aprofundadamente a implementação dum sistema de CTR centrado na resolução dos
problemas prioritários. Caso o seu desempenho não seja suficientemente bom, deve-se então
estudar a sua conjunção a soluções estruturais, especialmente a construção de reservatórios. Em
tempo de chuva é certo que haverá situações frequentes em que a inexistência de maior volume de
armazenamento resultará em descargas directas pois, como se viu, o caudal afluente ao Terreiro do
Paço excede largamente a capacidade da ETAR e esta é apenas uma das três frentes de drenagem
que a ela afluem. O caudal mencionado, 30 m3/s é capaz de encher 54 000 m
3 em apenas
30 minutos, volume superior ao que existe disponível actualmente e mesmo ao que se teria com a
construção do túnel e aproveitamento da totalidade do volume nos colectores principais.
Dois locais potenciais para a construção de reservatórios são o Parque Eduardo VII e o Campo
Mártires da Pátria. O primeiro tem uma grande área disponível e está perto da cabeceira da bacia J,
podendo ser útil para prevenir inundações e descargas de excedentes a jusante. O segundo situa-se
na bacia L, um pouco a montante do Martim Moniz, podendo também ser utilizado resolver os
mesmos problemas ocorrentes nessa zona. Investigou-se ainda a possibilidade de construção de
reservatórios em zonas de prédios devolutos que a Câmara Municipal de Lisboa (CML) tencionasse
reabilitar ou transformar em espaços verdes, contudo não são conhecidos tais planos. Sabe-se
apenas que toda a zona estudada faz parte da área de reabilitação urbana definida pela CML.
114
7. Síntese, conclusões e recomendações
A relevância da aplicação de CTR a sistemas de drenagem urbanos é actualmente indiscutível. Além
da capacidade do CTR para resolver os problemas típicos destes sistemas, é frequente justificar-se a
sua aplicação como meio de redução do investimento necessário em soluções estruturais, como a
construção de reservatórios, para atingir as mesmas melhorias. Como ilustrado pelos exemplos de
aplicação apresentados e literatura consultada, a redução de custos atingível é muito variável, sendo
habituais reduções entre 30% a 60%, existindo mesmo casos em que a aplicação de CTR reduz a
quase totalidade do investimento necessário para obtenção das melhorias desejadas. As melhorias
de desempenho também oscilam muito, havendo estudos em que certas formas de CTR são
descartadas por não serem capazes de introduzir melhorias e casos em que o desempenho é
francamente incrementado.
A aplicação de CTR tende ainda a ser impulsionada pelas crescentes exigências legais impostas aos
sistemas de drenagem, com vista à protecção do ambiente, e pela progressiva agravação dos
problemas neles verificados devido à concentração das populações em grandes aglomerados
urbanos, mais susceptíveis a inundações devido à impermeabilização das bacias de drenagem. As
soluções convencionais tendem a ser ineficazes e ineficientes, especialmente quando se procura
controlar directamente a qualidade do meio receptor e optimizar o funcionamento das ETAR. O CTR
potencia uma gestão optimizada orientada para estes aspectos, frequentemente reduzindo os custos
associados.
Muitos dos problemas antes associados à utilização do CTR já foram ultrapassados, verificando-se
cada vez mais o surgimento de soluções que facilitam a sua aplicação. Os principais problemas
remanescentes prendem-se com sistemas de CTR de maior complexidade, como os integrados,
baseados em poluição ou imissão e automáticos. Contudo, a aposta em investigação nestas áreas
promete desenvolvimentos importantes. Um exemplo disso é a aplicação da espectrofotometria como
forma eficaz de monitorização em tempo real de parâmetros da qualidade da água (Brito, 2012). Além
disso, os benefícios económicos e de desempenho dos sistemas de drenagem obtidos em inúmeros
exemplos de aplicação demonstram a imperatividade das empresas gestoras vencerem a inércia de
implementar sistemas de CTR, mesmo que nas suas formas mais simples (que até podem ser as
mais indicadas).
O CTR pode ser utilizado com vários objectivos, sendo os mais comuns a minimização do volume de
descargas directas, ocorrência de inundações e poluição do meio receptor. Além destes objectivos, o
CTR é também utilizado como forma de optimização do funcionamento das ETAR e minimização dos
custos de manutenção e de exploração. Estes e outros objectivos são potenciados pela capacidade
do CTR em controlar dinamicamente o escoamento na rede de drenagem através de actuadores,
com base na informação recolhida por sensores. Frequentemente os sistemas de CTR apoiam-se em
sistemas SCADA centralizados, que recebem e tratam os dados monitorizados e, com base em
simulações do sistema de drenagem em modelos computacionais, determinam as acções de controlo
a tomar nos actuadores para cumprir os objectivos de desempenho do sistema de drenagem. Alguns
dos sistemas de controlo incluem subsistemas de previsão meteorológica.
115
A comparação dos vários tipos de CTR leva à conclusão que, embora haja uma lógica empírica de
aumento do potencial dos tipos de CTR com a quantidade e variedade de informação que incorporam
e, portanto, com a sua complexidade, não é possível a priori determinar qual o tipo de CTR mais
apropriado para solucionar os problemas dum sistema de drenagem. Tal tem de ser aferido com base
em estudos de simulação. As soluções mais simples têm as vantagens de serem mais fáceis de
desenvolver e menos onerosas, o que podem ser factores preferenciais para as entidades gestoras.
O processo de planeamento dum sistema de CTR, apresentado no Capítulo 4.2, mune as entidades
gestoras dum guia para abordarem esta questão, podendo adaptá-lo à sua realidade. A utilização de
modelos de simulação que não utilizam todos os termos das equações de Saint-Venant e utilização
de modelos simplificados através de relocação das fronteiras físicas e temporais, resultam em
abordagens eficazes para redução do tempo de computação das simulações, que formam parte
integral dos estudos de planeamento. Outro aspecto central deste processo é a avaliação do
potencial de CTR, que deve primeiro ser efectuada por um método expedito, como o de atribuição
duma pontuação com base em critérios de avaliação simples presentes numa tabela, apresentado no
capítulo 4.3.1. Decidindo-se prosseguir o estudo da aplicação do CTR, podem utilizar-se métodos
mais detalhados de avaliação do potencial do CTR, como os métodos da bacia única e da bacia
central.
No planeamento é necessário estudar e optar pelo tipo do algoritmo de CTR (online, offline ou misto)
a implementar e método de optimização a utilizar. O desenvolvimento offline de algoritmos de
controlo é computacionalmente mais rápido; permite considerar os efeitos de longo prazo do controlo;
possibilita a definição de estratégias em caso de falha do sistema de CTR e as decisões do sistema
são mais fáceis de entender, aumentando a sua aceitação pelos gestores. Contudo, o conjunto de
regras utilizado pode ser bastante complexo. O desenvolvimento online permite uma consideração
mais exacta do estado presente do sistema e calcular a decisão de controlo óptima para cada passo
temporal; é mais flexível e não requer o estabelecimento dum conjunto de regras, embora
frequentemente requeira simplificações significantes.
A aplicação do CTR reveste-se de várias dificuldades como a necessidade de séries longas de dados
de monitorização, investimento na rede de monitorização e transmissão de dados, conhecimento
profundo da informação cadastral e modelo computacional do sistema de drenagem; imprevisibilidade
das solicitações ao sistema; inexactidão dos sensores e necessidade de efectuar a sua manutenção;
comportamento complexo e altamente não linear dos sistemas de drenagem, que dificulta a sua
modelação; repartição das responsabilidades administrativas consoante a parte do sistema de
drenagem; morosidade e custo dos estudos de planeamento de sistemas de CTR; escassez de
algoritmos de CTR prontos a aplicar a qualquer sistema de drenagem e dificuldade da sua
concepção; limitação da capacidade dos programas de simulação em representar conceitos de CTR;
obtenção da aceitação do sistema de CTR pelos operadores e receio que o funcionamento incorrecto
do sistema de CTR cause problemas.
Apesar destas dificuldades, o CTR já é usado em inúmeros sistemas de drenagem a nível global. Um
exemplo de aplicação interessante é o do sistema de CTR de Barcelona, que permitiu reduzir em
116
60% o investimento necessário em infra-estruturas para reduzir as descargas de excedentes,
inundações e poluição do meio receptor.
A aplicação dum método de expedito de avaliação do potencial do CTR ao caso de estudo da frente
de drenagem do Terreiro do Paço-Alcântara da cidade de Lisboa permitiu concluir que se justifica
estudar detalhadamente a implementação dum sistema de CTR. Assim sendo, devem seguir-se as
etapas de planeamento descritas no capítulo 4.2.1. O passo inicial de tais estudos seria aplicar
métodos detalhados de determinação do potencial do CTR, como o MBC ou o MBU, e, caso se
mantenha uma indicação de bom potencial, estudar mais aprofundadamente a implementação dum
sistema de CTR centrado na resolução dos problemas prioritários. Caso o seu desempenho não seja
suficientemente bom, deve-se então estudar a sua conjunção a soluções estruturais, especialmente a
construção de reservatórios. Note-se que tendo-se verificado que a afluência de caudal ao Terreiro do
Paço é capaz de exceder a capacidade da ETAR de Alcântara para períodos de retorno relativamente
baixos, e tendo em conta que esta é apenas uma das três frentes de drenagem que afluem a esta
ETAR, justifica-se estudar soluções que promovam o incremento de volumes de armazenamento. E
tal sucede independentemente do potencial do CTR pois, mantendo-se esse caudal, num curto
espaço de tempo esgota-se a capacidade de armazenamento existente na bacia do Terreiro do Paço
e mesmo a capacidade futura considerando as propostas do PGDL e a possibilidade de
armazenamento nos colectores.
Não havendo nenhuma indicação clara da necessidade de formas de CTR mais complexas (tal como
a utilização irregular de vários reservatórios), deve começar-se por estudar uma solução mais simples
de CTR local, possivelmente reactivo, baseado em volume e com foco na minimização das
inundações, cuja resolução é implicitamente assumida como prioritária no PGDL. Caso não se
encontre uma solução neste enquadramento, deve então proceder-se ao estudo de formas de CTR
cada vez mais complexas, até encontrar uma solução satisfatória. Note-se que soluções de CTR
global ou integrado exigem a consideração de toda a rede de drenagem de Lisboa, pelo que, antes
de estudar tais soluções, dever-se-ia reavaliar o potencial do CTR por um método expedito.
Naturalmente, este procedimento é aplicável a quaisquer outros casos de estudo de sistemas de
drenagem urbanos considerados relevantes para trabalhos futuros.
117
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127
Anexos
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Anexo A: Rede de drenagem actual e prevista de Barcelona
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