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Saneamento Ambiental I

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Universidade Federal do Paraná Engenharia Ambiental

Aula 03 – Vazões de Dimensionamento e Sistema de Captação

Profª Heloise G. Knapik

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Exemplos de Sistemas de Abastecimento de Água

75 mil habitantes

3


14 mil habitantes

4


7

• Produção: 33 m³/s (metade da demanda dos 19 milhões de habitantes da RMSP) • Área aproximada de 228 mil hectares, abrangendo 12 municípios (4 em MG) • Bacias: Piracicaba, Capivari e Jundiaí (Bacias PCJ) e transpostas para a região da

Bacia do Alto Tietê

Sistema Cantareira

Demandas em uma instalação para abastecimento de água

Qualidade, quantidade, pressão e continuidade

Demanda atual e futura (alcance de projeto)

Consumo no próprio sistema (limpeza de ETAs)

Perdas no sistema

Demandas em uma instalação para abastecimento de água

Variação temporal da vazão

Coeficientes de Reforço

K1 e K2

𝑲𝟏 =𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑛𝑜 𝑎𝑛𝑜

𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑛𝑜 𝑎𝑛𝑜 𝑲𝟐 =

𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 ℎ𝑜𝑟á𝑟𝑖𝑎 𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑎

𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑎

Vazões de Dimensionamento dos Componentes de um Sistema de Abastecimento de Água

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DISTRIBUIÇÃO PRODUÇÃO

Dimensionamento Demanda máxima


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• Dimensionadas para atender a vazão média do dia de maior consumo do ano (K1).

Sistema de produção (montante do reservatório):

• Dimensionada para maior vazão de demanda, que é a hora de maior consumo do dia de maior consumo (K1K2).

Sistema de distribuição:

• Recebe a vazão constante (média do dia de maior consumo) e equilibra as variações horárias da demanda.

Reservatório:

• Consome certa de 1 a 5% do volume tratado para lavagem dos filtros e decantadores.

ETA:


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𝑄 =𝑃 . 𝑞𝑝𝑐

86400

𝑄 = 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚é𝑑𝑖𝑎 (𝐿 /𝑠)

𝑃 = 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (ℎ𝑎𝑏)

𝑞𝑝𝑐 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎 (𝐿/ℎ𝑎𝑏. 𝑑𝑖𝑎)

Vazão média:


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Cálculo do qpc:

Micromedição

(hidrômetros nas economias)

qpc efetivamente consumido pelos usuários

Macromedição

(saída do reservatório)

qpc utilizado no dimensionamento das unidades de um SAA

Ausência de medições: valores médios tabelados ou de

áreas semelhantes

𝑞𝑝𝑐 =𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜


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Macromedição Micromedição

𝐼𝑃(%) =𝑞𝑝𝑐 − 𝑞𝑚

𝑞𝑝𝑐. 100

qpc: consumo per capita (L/hab dia) qm: consumo efetivo per capita de água (L/hab dia) IP: Índice de perdas (%) VC: volume consumido medido nos hidrômetros (micromedição) (L) NE: número médio de economias ND: número de dias da medição pelos hidrômetros NH/L: número de habitantes por ligação

𝑞𝑝𝑐 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 (𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜)

𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜 𝑎𝑏𝑎𝑠𝑡𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 (ℎ𝑎𝑏) 𝑞𝑚 =

𝑉𝐶𝑁𝐸 × 𝑁𝐷 × 𝑁𝐻/𝐿


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𝑞𝑝𝑐 =𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑝𝑢𝑙𝑎çã𝑜

O valor do consumo per capita (qpc) representa a média diária, por indivíduo, dos volumes requeridos para satisfazer aos consumos doméstico, comercial, público e industrial, além das perdas do sistema. Unidade usual: L/hab.dia

Macromedição

(saída do reservatório)

qpc utilizado no dimensionamento das unidades de um SAA

Perdas de água: macro e micromedição

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Exemplo:

Suponha que em um sistema tenha sido apurado um valor médio do consumo per capita micromedido de 100 L/hab.dia.

Se tal sistema apresenta uma média histórica das perdas de 35%, o consumo per capita macromedido, o qual a capacidade das unidades do sistema deve comportar, será de 154 L/hab.dia.

𝐼𝑃(%) =𝑞𝑝𝑐 − 𝑞𝑚

𝑞𝑝𝑐. 100

Perdas de Água

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Perdas físicas ou reais Perdas não físicas ou aparentes

Vazamentos nas tubulações de distribuição e das ligações prediais

Ligações clandestinas

Extravasamento de reservatórios By-pass irregular no ramal das ligações (“gato”)

Operações de descargas nas redes de distribuição e limpeza dos reservatórios

Problemas de micromedição (hidrômetros inoperantes ou com submedição, fraudes, erros de leitura, problemas na calibração dos hidrômetros, entre outros).


DISTRIBUIÇÃO PRODUÇÃO

𝑄𝐴𝐴𝑇 =𝑄 . 𝐾1. 24

𝑡+ 𝑄𝐸𝑠𝑝

𝑄𝐷𝑖𝑠𝑡 = 𝑄 . 𝐾1. 𝐾2 + 𝑄𝐸𝑠𝑝 𝑄𝑃𝑟𝑜𝑑 =𝑄 . 𝐾1. 24

𝑡1 + 𝐶𝐸𝑇𝐴 + 𝑄𝐸𝑠𝑝


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- Vazão da captação, estação elevatória e adutora até a ETA (L/s)

- Vazão da ETA até o reservatório: Adutora de Água Tratada (L/s)

- Vazão do reservatório até a rede (L/s)

𝑄𝑃𝑟𝑜𝑑 =𝑄 . 𝐾1. 24

𝑡1 + 𝐶𝐸𝑇𝐴 + 𝑄𝐸𝑠𝑝

𝑄𝐴𝐴𝑇 =𝑄 . 𝐾1. 24

𝑡+ 𝑄𝐸𝑠𝑝

𝑄𝐷𝑖𝑠𝑡 = 𝑄 . 𝐾1. 𝐾2 + 𝑄𝐸𝑠𝑝

𝐶𝐸𝑇𝐴 = consumo de água na ETA (%) 𝐾1 = coeficiente do dia de maior consumo 𝐾2 = coeficiente da hora de maior consumo 𝑄𝐸𝑠𝑝 = vazão singular de grande consumidor (L/s)

𝑄 =𝑃 .𝑞𝑝𝑐

86400 = vazão média (L/s)

𝑞𝑝𝑐 = consumo per capita (L/hab.dia) 𝑡 = período de funcionamento da produção (h)


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Particularidades:

Alcance do projeto: pode haver diferenças entre as unidades do sistema, resultando em valores

diferentes de população utilizada no dimensionamento


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Exemplo:

Calcular a vazão das unidades de um sistema de abastecimento de água, considerando os seguintes parâmetros:

• População para dimensionamento das unidades de produção, exceto adutoras (alcance 10 anos) = 20.000 habitantes.

• População para dimensionamento de adutoras e rede de distribuição (alcance 20 anos) = 25.000 habitantes.

• qpc = 200 L/hab.dia • t = 16 horas • qETA = 3% • K1 = 1.2 • K2 = 1.5 • QS = 1.6 L/s

Captação de água

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Condições para a captação:

Quantidade de água

Qualidade da água

Garantia de funcionamento

Economia das instalações

Localização

Captação de água

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Quantidade de Água

A vazão é suficiente na estiagem

• Situação ideal

• Captação direta da correnteza

• Vazão suficiente, mas pouco nível: construção de barragem de nível (soleiras)

É insuficiente na estiagem, mas suficiente na média

• O excesso de vazão nos períodos de cheia podem ser armazenados para o período de estiagem (barragem de regularização)

Existe vazão, mas inferior ao consumo previsto

• Necessidade de buscar um outro manancial ou utilizar de forma complementar as vazões de outro manancial.

Captação de água

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Qualidade da Água

Rios:

Instalar a montante de descargas poluidoras

Reservatórios:

Nem tão superficiais, nem tão profundas (podem ocorrer problemas de

natureza física, química e biológica)

Captação de água

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Qualidade da Água

Natureza física:

• Superficialmente: ações físicas danosas (ventos, correntezas, impactos de corpos afluentes).

• Em profundidade: maior quantidade de sedimentos em suspensão (encarece ou dificulta a remoção da turbidez no processo de tratamento)

Natureza química:

• Tendência na superfície de maior teor de dureza, de ferro e manganês

Natureza biológica:

• Maior proliferação de algas nas camas superiores da massa de água (odor desagradável e gosto ruim). A profundidade da lâmina dependerá da zona fótica (presença de luz)

• Fundo dos lagos: massa biológica de plânctons.

Captação de água

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Garantia de funcionamento:

Nível mínimo (para que a entrada de sucção permaneça sempre afogada)

Nível máximo (para que não haja inundações danosas às instalações de captação)

Velocidade de escoamento

Estabilidade das estruturas

Proteção contra correnteza

Proteção contra desmoronamentos

Proteção contra obstruções (utilização de grades, telas ou crivos)

Captação de água

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Economia nas instalações:

Princípios básicos da engenharia: simplicidade, técnica e economia.

Projeto da captação deve se guiar por soluções que envolvam o menor custo

sem o sacrifício da funcionalidade.

Captação de água

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Economia nas instalações:

Estudos prévios:

• Permanência natural das vazões no ponto de captação

• Velocidade da correnteza

• Natureza do leito de apoio das estruturas a serem edificadas

• Vida útil das edificações

• Facilidade de acesso e de instalação de todas as edificações necessárias (por exemplo, a estação de recalque, quando for o caso, depósitos, etc.)

• Flexibilidade física para futuras ampliações

• Custos de aquisição do terreno

Captação de água

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Localização:

Situação ideal: menor percurso de adução com menores alturas de transposição pela mesma adutora no seu

caminhamento

Captação de água – Localização das Instalações

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Situação desejável Situação aceitável Situação incorreta

Localização – Rios


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Localização - Reservatórios

Mais próximo possível da maciço de barramento:

• Há maior lâmina disponível

• Correntezas de menores velocidades

• Menor turbidez

• Condições mais favoráveis para captação por gravidade


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Localização – Lagos naturais

Em lagos naturais as captações devem ser instaladas, de preferência, em posições intermediárias entre as

desembocaduras afluentes e o local de extravamento do lago

Captação de água de superfície – Tipos

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Captação direta ou a fio de água

Captação com barragem de regularização de nível de água

Captação com reservatório de regularização de vazão destinado prioritariamente para abastecimento de água

Captação em reservatórios ou lagos de usos múltiplos

Captações não convencionais

Captação de água de superfície – Dispositivos

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Tomada de água (presente em todo tipo de captação)

Barragem de nível ou soleira (mananciais com lâmina mínima de água insuficiente)

Reservatório de regularização de vazão (vazão mínima disponível menor que a vazão de captação)

Grades e telas

Desarenador (transporte intenso de sólidos)

Dispositivos nas instalações de captação

Captação de água de superfície – Dispositivos

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• Tubulação de tomada • Caixa de tomada • Canal de derivação • Poço de derivação • Tomada de água com estrutura em balanço • Captação flutuante • Torre de tomada

Tomada de água

Função de conduzir a água do manancial até as demais partes do dispositivo de captação

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Captação de água – Tomada de água

Tubulação de tomada

Dispositivo de tomada de água constituído por tubulação simples, que conduz a água desde o manancial até a unidade seguinte


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Margens estáveis

Margens sujeitas a erosão


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Margens instáveis

Leitos rochosos com lâmina muito baixa

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Principais cuidados (Norma NBR 12213):

• Velocidade nas tubulações/canais da tomada de água não deve ser inferior a 0,60 m/s

• Prever dispositivo anti-vórtice


Dimensionamento:

• Perda de carga na tubulação da tomada de água: Fórmula de Hazen-Williams

• Perda de cargas localizadas

• Perda de carga nos orifícios (tubos perfurados)

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Caixa de tomada

Empregada quando o curso de água apresenta regime de escoamento torrencial ou rápido (risco para a estabilidade das estruturas)

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Caixa de tomada

Não se aplica quando:

• Altura reduzida da lâmina de água mínima do manancial

• A calha molhada se afastar muito das margens no período de estiagem

• Excesso de algas no manancial (deverá ser adotada a tomada subsuperficial)

São dotadas de grade na sua entrada: Proteção contra materiais suspensos

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Canal de Derivação

Não se aplica a captações de pequena vazão devido à necessidade da velocidade mínima de 0,60 m/s Também são dotados de grade na sua entrada

Captações de médio ou grande porte (funcionam como caixa de tomada e canal de ligação para as unidades seguintes)

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Poço de Derivação

Tubulação construída na margem de rios ou ribeirões que seja inundável e que apresente declividades acentuadas

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Tomada de água com estrutura em balanço

A tomada de água é feita por um conjunto moto-bomba submersível para água bruta, resistente à abrasão, que fica suspenso dentro do curso de água

por meio de uma corrente integrada a uma talha que pode se movimentar ao longo de uma viga.

Aplicação: - Rios pouco encaixados, com grande oscilação de nível de água (profundidade ou

afastamento das margens)

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Captação flutuante

Utilizada em lagos e represas ou em rios maiores e com regime de escoamento tranquilo ou fluvial (grande largura e profundidade)

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Alternativa econômica em pequenas e médias comunidades:

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Pode ser de três tipos:

- Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa - Com conjunto moto bomba submersível suspenso por flutuadores - Com tomada de água flutuante

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- Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa

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- Com motor e/ou bomba não submersíveis, instalados em balsa

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- Com conjunto motobomba submersível suspenso por flutuadores

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- Com tomada de água flutuante

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Torre de Tomada

Tomada de água é feita por meio de uma torre de grandes dimensões, com entradas de água em diferentes níveis

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Barragem de Nível

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Reservatório de regularização

Captação de água: Grades e Telas

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Dispositivos empregados em captações de água de superfície para reterem materiais flutuantes ou em suspensão de maiores dimensões

• Grades: barras paralelas – destinam-se a impedir a passagem de materiais grosseiros • Grade grosseira: espaçamento entre as barras

de 7,5 a 15 cm • Grade fina: espaçamento entre 2 e 4 cm

• Telas: fios formando malhas para reter os

materiais flutuantes não retidos na grade

Utilização obrigatória em captações à superfície da água (NBR 12.213)

Captação de água: Desarenador

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Instalação complementar das captações de água de superfície utilizado quando o manancial apresenta transporte intenso de sólidos (NBR

12.213: > 1,0 g/L)

• Formato comum: seção retangular, com comprimento três vezes maior do que sua altura.

• Critérios de dimensionamento: sedimentação das partículas (velocidade de sedimentação, características do manancial)

Captação de água: Desarenador

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• Localização: entre a tomada de água e a adutora

• Quantidade: preferencialmente duas unidades (uma unidade de reserva)

• Dimensionamento: • Velocidade de sedimentação ≥ 0,021 m/s (para reterem partículas com

D ≥ 0,2 mm) • Velocidade de escoamento horizontal ≤ 0,30 m/s • Comprimento do desarenador: deverá ser utilizado um coeficiente de

segurança de, no mínimo, 1,5.

Captação de água superficial - Rios

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Captação superficial em rios - Desafios

• Comportamento do ciclo de chuvas • Topografia • Condição do leito e margens • Material flutuante e submerso transportado


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Captação superficial em rios - Topografia

- Deve atender à variação de nível em função da vazão - Problemas com afundamento do canal ou formação de bancos de areia

(mudança dos níveis operacionais)


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Captação superficial em rios - Problemas

Construção sobre flutuadores (problemas de projeto, falta de recursos): - Precariedade - Fragilidade - Muita gambiarra - Dificuldades de manutenção em períodos de cheias

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