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UNIVERSIDADE REGIONAL DO CARIRI - URCA
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA - CCT
DEPARTAMENTO DA CONSTRUÇÃO CIVIL
CURSO DE TECNOLOGIA DE CONSTRUÇÃO CIVIL – HABILITAÇÃO EM
EDIFÍCIOS
TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO
RAFAELE LOPES DE ALENCAR
INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM
SIMULAÇÃO.
JUAZEIRO DO NORTE-CE
2017
RAFAELE LOPES DE ALENCAR
ALUNA DO CURSO DE TECNOLOGIA DA CONSTRUÇÃO CIVIL - URCA
INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM
SIMULAÇÃO.
Trabalho de Conclusão do Curso apresentado à Comissão Examinadora do Curso de Tecnologia da Construção Civil com Habilitação em Edifícios, da Universidade Regional do Cariri – URCA, como requisito para conclusão do curso. Orientador: Dr. Renato de Oliveira Fernandes.
JUAZEIRO DO NORTE-CE
2017
INTERVENÇÕES FÍSICAS NA REDE DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA COM
SIMULAÇÃO.
Elaborado por Rafaele Lopes de Alencar
Aluno do Curso de Tecnologia da Construção Civil - URCA
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Renato de Oliveira Fernandes - URCA
(ORIENTADOR)
Dr. Eliakim Martins Araújo - URCA
Prof. Me. Miguel Adriano Gonçalves Cirino- URCA
Monografia aprovada em ____ / ____ / ______, com nota _____.
JUAZEIRO DO NORTE-CE
2017
A Deus.
A minha mãe Maria do Carmo, que
apostou tudo o que tinha nos filhos.
AGRADECIMENTOS
A Deus, estando sempre vigiando meu caminho e guiando meus paços.
A Jesus Cristo, que me dá forças para sempre seguir em frente e a manter meu
coração calmo perante as dificuldades.
A minha mãe, Maria do Carmo, que me apoia em minhas decisões, sempre está ao
meu lado quando preciso e tem me educado com disciplina e confiança para
conquistar meus objetivos.
A meu orientador, Dr. Renato de Oliveira Fernandes, pelo cuidado de me manter
sempre motivada na execução deste trabalho.
A todos os meus professores, desde o fundamental até aqui, pela atenção, carinho e
por ajudar tantos outros como eu a seguir o caminho do conhecimento.
“As dificuldades são o aço estrutural que
entra na construção do caráter. ”
CARLOS DRUMMOND DE ANDRADE
RESUMO
O crescimento populacional vem agravando as dificuldades das redes de distribuição
de água de atender a demanda de água. Foi identificado esta problemática na cidade
de Várzea Alegre – CE e comprovada através de um diagnóstico hídrico realizado em
estudos anteriores no ano de 2012. A partir disso, este trabalho tem como objetivo
propor soluções através de intervenções físicas na rede de distribuição de água da
cidade de Várzea Alegre – CE, para adequar os valores de pressão nos nós, os quais
foram identificados anteriormente com valores inferiores ao mínimo preconizado pela
NBR 12.218/1994 que define alguns parâmetros para o projeto de rede de distribuição
de água para abastecimento público. A rede de distribuição de água da cidade Várzea
Alegre apresenta valores insuficientes de pressão nos nós, velocidades excessivas
em diversos trechos das áreas periféricas e perdas de carga excessivas em diversos
trechos. Utilizando o software de simulação hidráulica EPANET foi possível analisar o
desempenho da rede e localizar as áreas problemáticas para propor modificações
viáveis que possam adequar os valores de pressão aos exigidos por norma. A rede
foi simulada em três condições, sendo a primeira com modificação de diâmetros dos
condutos, a segunda com adição de um reservatório elevado e a terceira
considerando as duas condições anteriores, ou seja, com modificação de diâmetros
dos condutos e adição de um reservatório elevado. Os resultados obtidos mostram
também as vantagens de cada intervenção física na rede de distribuição de água com
destaque para as vantagens técnicas, econômicas e sociais. Embora a modificação
das tubulações e acréscimo de um reservatório apresentem o melhor resultado
técnico é necessário avaliar do ponto de vista financeiro e os possíveis transtornos a
mobilidade da população da cidade de Várzea Alegre – CE.
Palavras-chave: simulação, rede de distribuição de água, Várzea Alegre-CE.
ABSTRACT
Population growth has aggravated the difficulties of water distribution networks to meet
water demand. This problem was identified in the city of Várzea Alegre - CE and proved
through water diagnosis carried out in previous studies in the year 2012. From this,
this work aims to propose solutions through physical interventions in the water
distribution network of the city of Várzea Alegre - CE, to adjust the pressure values at
the nodes, which were previously identified with values lower than the minimum
recommended by NBR 12.218 / 1994 that defines some parameters for the water
distribution network design for public supply. The water distribution network of Várzea
Alegre presents insufficient values of pressure at the nodes, excessive velocities in
several stretches of the peripheral areas and excessive losses of load in various
stretches. Using the EPANET hydraulic simulation software it was possible to analyze
the network performance and locate the problem areas to propose feasible
modifications that can adjust the pressure values to those required by the standard.
The network was simulated in three conditions, the first with modification of conduit
diameters, the second with addition of a high reservoir and the third considering the
two previous conditions, that is, with modification of conduit diameters and addition of
a high reservoir. The results obtained also show the advantages of each physical
intervention in the water distribution network, highlighting the technical, economic and
social advantages. Although the modification of the pipes and the addition of a
reservoir present the best technical result, it is necessary to evaluate the financial and
possible disturbances of the population mobility of the city of Várzea Alegre - CE.
Key words: simulation, water distribution network, Várzea Alegre-CE.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema de uma rede malhada em blocos. ............................................. 18
Figura 2 - Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas. ................ 19
Figura 3 - Representação de rede ramificada. .......................................................... 19
Figura 4 - Representação de rede ramificada tipo espinha de peixe (A) e traçado tipo
grelha (B)................................................................................................................... 20
Figura 5 - Representação de rede mista. .................................................................. 20
Figura 6 – Representação esquemática de uma rede: nós ligados entre si nos vértices
por intermédio de nós. ............................................................................................... 25
Figura 7 - Esquema de rede da cidade de Várzea Alegre, Ceará, com a disposição de
pressão por nó. ......................................................................................................... 28
Figura 8 – Cidade de Várzea Alegre – CE. ............................................................... 29
Figura 10 – Representação das áreas com pressão mais baixa da rede, e
representação do nó 80. ........................................................................................... 33
Figura 11 – Indicação dos trechos a serem modificados. ......................................... 35
Figura 12 – Simulação com modificação nos diâmetros dos condutos principais ás
12:00 horas. .............................................................................................................. 36
Figura 13 – Trechos com diâmetros modificados. ..................................................... 39
Figura 14 – Modelo simulado após as intervenções adicionais................................. 40
Figura 15 – Simulação 2: Resultados após adição de RNF 2. .................................. 41
Figura 16 – Valores de pressão e perda de carga no modelo base (A), em comparação
às simulada após as intervenções (B). ...................................................................... 42
Figura 17 – Trechos modificados na simulação 3. .................................................... 44
Figura 18 – Simulação 3, resultados após as modificações propostas. .................... 45
Figura 19 – Valores de perda de carga. Simulação 3 ............................................... 46
Figura 20 – Valores de velocidades. Simulação 3 ..................................................... 46
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Monitoramento da pressão com a instalação às 8:42 horas do dia
19/07/2016 e retirada às 12:42 horas do dia 20/07/2016, do aparelho datalogger, no
endereço localizado na Rua: Inácio Gonçalves da Costa, nº 115 – Bairro: Riachinho –
Várzea Alegre/CE. ..................................................................................................... 27
Gráfico 2 – Variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, áreas: Bairros
Riachinho e Centro. ................................................................................................... 34
Gráfico 3 – Pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80 após as intervenções. ............. 37
Gráfico 4 – Variação da pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, após intervenções
adicionais. ................................................................................................................. 39
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Resultados das medições instantâneas de pressão disponível na rede de
distribuição, realizadas pela ARCE no dia 19/07/2016. ............................................. 30
Tabela 2 – Segmento de trechos com diâmetros modificados. ................................. 35
Tabela 3 – Valores de perdas de carga simulados em comparação aos valores atuais.
.................................................................................................................................. 37
Tabela 4 – Segmento de trechos com diâmetros modificados. ................................. 38
Tabela 5 – Trechos com diâmetros modificados. Simulação 3 ................................. 43
LISTA DE SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ARCE – Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados do Estado do Ceará
CAGECE – Companhia de Água e Esgoto do Ceará
FoFo – Ferro Fundido
RNF – Reservatório de Nível Fixo
SAA – Sistema de Abastecimento de Água
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13
1.1 OBJETIVOS ................................................................................................. 15
1.1.1 Objetivo Geral ........................................................................................ 15
1.1.2 Objetivo Específico ................................................................................ 15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................... 16
2.1 Redes de Distribuição de Água .................................................................... 16
2.1.1 Tipos de Redes de Distribuição ............................................................. 17
2.1.2 Condutores ............................................................................................ 21
2.2 O Problema das Perdas ............................................................................... 22
2.3 Modelagem Hidráulica de Rede de Abastecimento de Água ....................... 23
2.4 Calibração de redes ..................................................................................... 25
2.5 Problematização da área de estudo ............................................................. 26
3 METODOLOGIA ................................................................................................. 28
3.1 Instrumentos de Coleta de Dados ................................................................ 28
3.2 Plano de Modelagem ................................................................................... 30
3.3 Análise do comportamento da rede ............................................................. 31
3.4 Avaliação da precisão dos resultados do modelo ........................................ 31
3.5 EPANET 2.0 ................................................................................................. 32
4 RESULTADOS ................................................................................................... 33
4.1 Avaliação da Simulação 1 ............................................................................ 33
4.2 Avaliação da simulação 2 ............................................................................. 41
4.3 Avaliação da simulação 3 ............................................................................. 43
5 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 48
13
1 INTRODUÇÃO
A rede de distribuição de água é uma solução coletiva para abastecimento de
água em cidades. Entretanto, quando esse sistema não supre a demanda existente,
deixando de cumprir com seu principal objetivo, inicia-se um ciclo de problemas, o que
gera diversos prejuízos. Tais prejuízos atingem tanto a empresa responsável pela
rede de distribuição, quanto a população, que passa a perder direitos básicos que
deveriam ser devidamente cumpridos.
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE (2017), a cidade
de Várzea Alegre - CE possuía uma população de 38.434 habitantes no ano de 2010
(ano em que foi iniciado o diagnóstico hídrico do município), com estimativa para 2017
de 40.440 habitantes, tendo área territorial de 835.709 km2.A densidade demográfica
do município é de 45,99 habitantes por km², com uma crescente taxa de urbanização,
atualmente da ordem de 55,30%, perfazendo 19.268 habitantes na sua zona urbana.
Foi constatado no estudo de Jericó, Fernandes e Silva (2013), que havia
pressões insuficientes em vários pontos da rede no ano de 2010, e atualmente, de
acordo com o crescimento populacional, este fato ainda é verídico e está se agravando
com o passar do tempo.
Segundo o relatório de fiscalização da rede de distribuição de Várzea Alegre-
CE, feito pela ARCE - Agência Reguladora de Serviços Públicos Delegados do Estado
do Ceará, foi constatado pressões inferiores à 10 mca mediante medição contínua de
pressão na rede de distribuição, da inspeção realizada nos dias 18 à 20 julho de 2016.
A ARCE realizou também, medições instantâneas de pressão em pontos devidamente
espaçados na rede de distribuição, mais especificamente nos cavaletes de ligação,
detectando pressão fora da faixa de 10 a 50 mca.
O estudo atual é a sequência do iniciado por Jericó, Fernandes e Silva (2013),
contribuindo no sentido de propor intervenções físicas na rede de distribuição de água
para possibilitar a adequação das pressões nos diversos pontos de consumo.
Para alcançar os objetivos serão necessárias simulações hidráulicas no
software EPANET (ROSSMAN, 2008), com modificações nos diâmetros de
tubulações específicas e inclusão de outros elementos, como reservatórios elevados,
seguindo o princípio das simulações realizadas na rede de abastecimento de água em
operação, que mostraram como resultado prévio problemas recorrentes como perdas
de carga e pressões excessivas em diversos trechos da rede. A partir dos dados
14
obtidos por Jericó, Fernandes e Silva (2013), serão feitas as intervenções físicas,
seguindo a premissa de que, com maiores diâmetros em alguns pontos das
tubulações, e/ou adição de um ou mais reservatório elevado, num ponto específico e
de cota topográfica favorável, haverá um aumento de vazão e pressão nos pontos de
consumo, melhorando o desempenho da rede.
15
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Esse estudo tem como objetivo propor intervenções físicas da rede de
abastecimento de água da cidade de Várzea Alegre – CE, visando melhorias quanto
ao atendimento das pressões.
1.1.2 Objetivo Específico
Para atingir os objetivos gerais será seguido o seguinte objetivo específico:
Analisar o comportamento do modelo da rede de água em seu estado
atual para identificar as áreas com pressões insuficientes;
Considerar dados atuais da rede de distribuição de água além dos dados
gerados pelo modelo para obtermos resultados mais realísticos;
A partir das conclusões da análise inicial, criar estratégias onde as
intervenções possam corrigir as pressões insuficientes;
Simular a dinâmica da rede com todas as intervenções propostas, como
substituição de tubos e acréscimo de um reservatório.
16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Redes de Distribuição de Água
Segundo Heller e Pádua (2010), rede de distribuição é a unidade do sistema
de abastecimento de água constituída por tubulações e órgãos acessórios instalados
nas vias públicas, objetivando fornecer continuamente água potável em quantidade,
qualidade e pressões adequadas a todos os pontos de consumo.
A forma como a água é distribuída sujeita-se muito as condições gerais do
sistema, que são: a topografia, a dimensão da área abastecida e a localização das
fontes de abastecimento, além de critérios econômicos e sociais. Desse modo, pode-
se usar como classificação de abastecimento: por gravidade, bombeamento e por
bombeamento e armazenamento (SANTANA, 1999).
No caso de a topografia local conceder a condução da água através dos
diferentes níveis do local, é empregado o abastecimento por gravidade. Pelo seu custo
relativamente pequeno e pelo baixo índice de variação da pressão ao longo do sistema
de distribuição, esse tipo de abastecimento é preferível em relação aos outros.
Quando não é possível a utilização das curvas de nível para a condução da
água por gravidade é utilizada o abastecimento por bombeamento. Este tipo de
abastecimento tem grande desvantagem por sua dependência à energia elétrica, pois
a água só chega à rede através de bombeamento contínuo, e também há mais falhas
de distribuição devido às oscilações de pressão e demanda na rede. Por estes motivos
essa é a forma menos utilizada.
Já no caso de abastecimento por bombeamento e armazenamento, os
reservatórios são locados objetivando receber os excessos de água dos momentos
de menor consumo e atuar como fonte de abastecimento nos momentos de maior
consumo ou durante processos de manutenção do sistema ou falhas. Na rede de
distribuição abastecida mediante estação de bombeamento, o dimensionamento das
tubulações depende da cota piezométrica da cabeceira, essa por sua vez, interfere
diretamente no custo da rede. Mantendo o traçado da rede com classes dos tubos
disponíveis constantes, quanto maior for esta cota, menor será o custo, além de que
é possível a seleção de tubos com menores diâmetro, entretanto, menores diâmetros
geram elevados custos com energia elétrica por aumentar a perda de carga. De
maneira oposta, aumentado os diâmetros da tubulação e diminuindo a altura de
17
bombeamento, acarreta o aumento no custo das tubulações e a diminuição do custo
de energia, com isso, acaba fornecendo menor perda de carga (SANTANA, 1999).
2.1.1 Tipos de Redes de Distribuição
Segundo Gomes (1999), para a identificação dos elementos da rede é usado
uma nomenclatura especifica:
Trecho: percursos da rede onde a vazão é constante;
Nó: conexão entre dois trechos (produzem modificações na vazão circulante);
Nó de derivação: conecta dois ou mais trechos;
Ramal: Trechos conectados em série, sem nenhum nó de derivação;
Artérias: percursos principais da rede, formado por ramais agrupados em série;
Traçado da rede: configuração da distribuição das tubulações, indicando a
situação topográfica dos componentes da rede;
Alimentação ou cabeceira de rede: início da rede, geralmente é onde se localiza
o reservatório de distribuição ou bombeamento direto.
Redes são constituídas por canalizações, classificadas em canalizações
principais e secundárias. As canalizações principais, também chamadas de conduto
tronco, têm maior diâmetro e objetiva abastecer os condutos secundários, enquanto
as secundárias de menor diâmetro, objetivam abastecer diretamente os pontos de
consumo do sistema (TSUTIYA, 2006).
De acordo com a disposição dos condutos principais e o sentido de escoamento
das tubulações secundárias, as redes são classificadas como rede malhada, rede
ramificada e mista, casos em que são encontrados os dois tipos em um mesmo
sistema. A parte ramificada geralmente encontra-se nas periferias ou em áreas de
expansão (TSUTIYA, 2006).
A rede de malha em anéis apresenta bom funcionamento desde que tenha sido
criteriosamente dimensionada, mas apresenta maior número de registros a serem
manobrados em comparação com a rede de blocos, dificultando a medição das
vazões. É o traçado que apresenta maior eficiência hidráulica, sendo comumente
usados em áreas onde existe maior número de habitantes por quilômetro quadrado e
com configuração em que as larguras dessas mesmas áreas não sejam muito
reduzidas. (HELLER, PÁDUA, 2010).
18
Na rede de malha em blocos o controle das pressões é mais preciso, há melhor
qualidade na distribuição e na eficiência na manutenção da rede. Nela há maior
facilidade no controle de perdas e existe maior facilidade na medição das vazões, pois,
como ilustrado da Figura 1, as redes internas aos blocos são alimentadas apenas por
dois pontos, favorecendo a medição de vazão e consequentemente, melhora o
controle de perdas na rede (TSUTIYA, 2006).
Figura 1 - Esquema de uma rede malhada em blocos.
Fonte: TSUTIYA, 2006.
Segundo Heller e Pádua (2010), a rede malhada permite a conexão das
tubulações entre si pelas suas duas extremidades, conforme indicado na Figura 2.
Esse tipo de traçado permite maior flexibilidade em satisfazer a demanda e
manutenção da rede com o mínimo de interrupção no fornecimento de água, e devido
19
ao permanente fluxo da água nos dois sentidos das tubulações, gera vantagens em
relação a qualidade da água, evitando as denominadas pontas mortas.
Figura 2 - Esquema de uma rede malhada com quatro anéis ou malhas.
Fonte: ROSAL, 2007
Na rede ramificada, um reservatório abastece uma tubulação tronco, sob
pressão de bombeamento, esta distribuição é ilustrada na Figura 3. Os condutos
secundários são terminais dos condutos principais, chamados de pontas secas.
Figura 3 - Representação de rede ramificada.
Fonte: ROSAL, 2007
Esse tipo de rede tem um único sentido de vazão e escoamento, sendo
comumente utilizado em pequenas comunidades, granjas, sistemas de irrigação etc.
20
O traçado desse tipo de rede pode ser do tipo espinha de peixe ou traçado em grelha,
como mostra a Figura 4 a seguir.
Figura 4 - Representação de rede ramificada tipo espinha de peixe (A) e traçado tipo grelha (B).
Fonte: TSUTIYA, 2006
A principal vantagem dessa rede é o seu baixo custo de implantação em relação
às outras, pois nela há tubulações e conexões em menor quantidade, e também há
maior facilidade de cálculo. Porém, uma rede com esse tipo de traçado impõe que a
distribuição de vazão fique retida à tubulação tronco, de modo que a interrupção nesta
em qualquer ponto, paralise toda a distribuição à jusante deste ponto.
A rede mista (Figura 5) é a associação da rede ramificada com a rede malhada.
Figura 5 - Representação de rede mista.
Fonte: TSUTIYA, 2006.
A NBR 12.218 de 1994, em seu item 5.6, dá orientações para a disposição do
traçado dos condutos, visando melhorias na rede de água nos seguintes aspectos:
21
melhores condições de escoamento hidráulico, qualidade da água, melhores
condições operacionais, redução de custos de implantação e de operação e também
a minimização de transtornos à população:
De acordo com a NBR 12.218 (1994, p. 03),
Os condutos principais devem ser localizados em vias públicas, formando preferencialmente circuitos fechados;
Os condutos secundários devem formar rede malhada, podendo ou não ser interligados nos pontos de cruzamento;
Ao longo de condutos principais, com diâmetro superior a 300 mm, devem ser previstos condutos secundários de distribuição;
A rede deve ser dupla nos seguintes casos: a) em ruas principais de tráfego intenso; b) quando o estudo demonstrar que a rede dupla é mais econômica.
Assim, em relação à disposição dos condutores principais, não é apropriado
que seja feito o traçado em grelha ou espinha de peixe, desde que as distâncias entre
as extremidades abertas de suas tubulações tronco adjacentes sejam mínimas.
Segundo Heller e Pádua (2010, p. 640), ainda com a finalidade de reduzir
custos de implantação e operação, os condutos principais devem ser localizados
preferencialmente em:
Ruas sem pavimentação ou com pavimentação menos onerosa;
Ruas de menor intensidade de trânsito;
Proximidade de grandes consumidores;
Proximidade das áreas e de edifícios que devem ser protegidos contra incêndios.
2.1.2 Condutores
Nas redes de distribuição a pressurização da água implica na distinção das
pressões predominantes dentro das tubulações em relação a atmosférica. Tais
pressões variam em consequência da mudança dos diâmetros, topografia e da
incompressibilidade da água, desconsiderando sua massa específica, sendo
considerada não uniforme. A escolha das tubulações reflete diretamente no seu
dimensionamento, diversos fatores devem ser observados como: diâmetros, custo da
tubulação, pressões, cargas excessivas, custos de implantação e manutenção,
qualidade da água e topografia do terreno (SALVINO, 2012).
Seguindo tal princípio, os modelos de simulação são de grande relevância ao
projetar ou otimizar redes de distribuição de água, pois além de permitir a análise
comportamental da rede de água, contém a presença da variável tempo. Gomes
22
(2009) afirma que o modelo visa não só a obtenção de valores das grandezas
hidráulicas, mas também dispor a variação destas grandezas em um espaço de
tempo, (valores de vazão, pressão, perdas de carga, níveis nos reservatórios etc.)
conforme a rede é simulada. Este recurso possibilita os modelos a representar os
sistemas de forma estática ou dinâmica, onde os modelos estáticos apontam as
condições de operação em um sistema através dos valores das variáveis obtidos, já
nos modelos dinâmicos, existe a variação das grandezas hidráulicas ao longo do
tempo, em função dos consumos de água nos nós da rede.
2.2 O Problema das Perdas
Os elevados incrementos na demanda nos últimos anos tal como a falta de
manutenção adequada nos sistemas de abastecimento de água iniciam uma
deficiência operacional nesses sistemas (MORAIS, ALMEIDA, 2006). Infelizmente,
esse é um problema comum nas redes de abastecimento de água, evidenciando a
necessidade de modernização do setor de abastecimento diante das exigências
impostas pelas sociedades urbanas, especialmente induzidas pelos processos de
democratização e conscientização ecológica. As empresas de saneamento públicas
e privadas acabam enfrentando novos desafios, isso para garantir o atendimento a
uma profusão de aspectos no âmbito da gestão operacional dos sistemas.
Por sua complexidade e características próprias, esses sistemas embutem
certo grau de perda da produção, por isto é utópica a ideia de se obter perda zero
neste setor. Venturini et al. (2001), afirma que os sistemas de abastecimento de água
têm se tornado falho devido à falta de manutenção, planejamento adequado e a
escassez de recursos financeiros, deteriorando-se com o passar do tempo de maneira
natural ou acelerada, em função da frequência de manutenção e/ou operação da rede
de água. A partir disso, surgem problemas operacionais que influenciam diretamente
na minoração da qualidade dos serviços prestados e aumento dos custos
operacionais. Essa deficiência nos serviços é percebida pelos consumidores, além do
aumento das tarifas cobradas que recaem sobre os mesmos para eventuais reparos
no sistema, gerando insatisfação. O abastecimento de água inconstante manifesta-se
diante da incapacidade de suprir a demanda, iniciado por problemas de pressão da
rede fora dos limites normalizados.
23
Como o gerenciamento de sistemas de abastecimento público são de
complexidade no nosso país, as dificuldades encontradas nessa avaliação são de
demasiadas. A análise da situação dos sistemas de abastecimento de água aponta a
existência de 40% de perdas em média, dessa forma concluímos que qualquer
alternativa instaurada trará melhoria ao sistema (MORAIS, ALMEIDA, 2006).
Para a escolha correta do método a ser empregado devemos considerar a
natureza do problema, o contexto estudado, os fatores abrangidos, a estrutura de
preferência e o objetivo que se deseja alcançar, ou seja, qual a problemática de
referência (GOMES, 2002). Nesse caso, o problema em questão, já caracterizado
anteriormente, visa a adequação dos valores de pressão nos nós da rede de
distribuição de água da cidade de Várzea Alegre - CE, modificando os diâmetros da
rede em estudo, para que possa atender aos requisitos mínimos de pressão exigidos
por norma e/ou adicionar um ou mais reservatório elevado, para suprir a demanda
solicitada em todos os pontos da rede.
No estudo elaborado baseado no caso real na cidade de Várzea Alegre - CE,
com população total de 38.434 habitantes, sendo que deste total, 22.065 residem na
zona urbana do município (IBGE, 2010), apresentou pressões abaixo do limite
arbitrado por norma, provavelmente devido aos altos índices de perdas e aumento da
demanda. Observa-se também que as diversas regiões não atendidas, ou com
dificuldades de abastecimento, são decorrentes principalmente da expansão da rede
executada provavelmente sem um planejamento inicial (JERICÓ, 2012).
2.3 Modelagem Hidráulica de Rede de Abastecimento de Água
São muitos os softwares existentes para modelagem de redes de
abastecimento de água e são largamente utilizados no mundo inteiro para simular no
computador, o funcionamento de um determinado sistema físico, representam os
esforços numa estrutura, as variáveis envolvidas na percolação da água no solo, ou o
movimento dos líquidos num escoamento superficial e em outros campos da
engenharia. Segundo Heller e Pádua (2010), softwares como este são capazes de
simular diversos cenários, sejam eles físicos, com modificações do sistema
distribuidor por exemplo; temporais, no caso de diversos tipos de projeção
populacionais ou etapas de uma determinada projeção; ou até mesmo operacionais,
na circunstancia de determinada válvula fechada ou aberta, uma regra de automação
24
para um determinado conjunto "elevatória-reservatório" ou outro tipo de arranjo
operacional.
As ferramentas computacionais são de grande importância nesse contexto, no
entanto, a experiência do modelador ou até mesmo a qualidade dos dados a inserir
no sistema são pontos importantes para base dos dados obtidos, pois influenciam no
resultado final desejado (PINTO, 2010).
Segundo Coelho (2006), a composição de um modelo de simulação hidráulica
de um sistema de abastecimento de água é feita através de: dados que definem as
características físicas do sistema; as solicitações e condições operacionais e pelo
conjunto de equações matemáticas (predominando as não lineares) que reproduzem
o desempenho hidráulico dos componentes individuais e do sistema em geral,
expressas em termos das principais variáveis de estado e instanciadas pelos dados
descritivos e pelos algoritmos numéricos necessários para a resolução desse conjunto
de equações matemáticas.
Na representação esquemática de uma rede da Figura 6, os nós, cuja posição
é definida através de coordenadas planimétricas e de uma cota, são utilizados para
identificar todos os pontos notáveis da rede, como as intersecções de tubulação,
mudanças de material ou de diâmetro da tubulação, pontos de consumo ou de
abastecimento, pontos altos e pontos baixos, pontos de medição, fronteiras de setores
de rede e outros. Os componentes físicos são definidos por um nó de montante e um
nó de jusante e representam condutores, válvulas e bombas. Os reservatórios são
pontos nos quais são impostas condições de fronteira relativamente à superfície
piezométrica, a que podem estar ou não associadas relações entre a altura da água
e um volume de água armazenado (COELHO, 2006).
25
Figura 6 – Representação esquemática de uma rede: nós ligados entre si nos vértices por intermédio
de nós.
Fonte: COELHO, 2006.
Segundo Heller e Pádua (2010, p. 756), o funcionamento dos modelos
hidráulicos baseia-se nos conceitos de conservação de massa e de conservação de
energia. Assim, para cada nó em um sistema hidráulico em conduto forçado, a soma
das vazões de montante deve ser igual à soma das vazões de jusante (normalmente
demandas), e para cada anel, deve ser verificada a equação de perdas de carga.
2.4 Calibração de redes
Para trabalhar com um modelo é necessário inserir cada dado do sistema
cuidadosamente, a realização correta da entrada de dados é fundamental para que a
análise hidráulica se preste verdadeiramente ao que se destina. A inclusão desses
dados, tal como a calibração da rede objeto de estudo foram feitas por Jericó (2012),
entretanto a falta de dados detalhados da rede de água e as diversas incertezas nas
informações de entrada fizeram com que o modelo não representasse fielmente a rede
real, apesar de ser bem aproximado. Isso foi identificado nos estudos posteriores de
Jericó, Fernandes e Silva (2013), através da observação da pressão horária da rede
em comparação ás pressões apresentadas no modelo.
Segundo Coelho (2006), os dados necessários para a construção e calibração
de um modelo de simulação, pode dividir-se em:
26
Descrição das características dos componentes físicos do sistema, tais como
condutores, reservatórios, válvulas e bombas, incluindo a referência de
coordenadas e cotas dos nós que os definem, e o traçado da rede daí
resultante;
Dados de consumo e de vazão, que reproduzem o melhor possível a
distribuição espacial e o comportamento temporal das solicitações ao sistema;
Dados sobre o funcionamento operacional do sistema, que refletem o modo
como válvulas e grupos elevatórios, por exemplo, são operados para os vários
cenários de funcionamento.
Segundo Coelho (2006), a medição da pressão nas redes de distribuição pode
ser realizada com medidores portáteis em marcos de incêndio, estações elevatórias
(no condutor de aspiração ou de compressão), reservatórios e válvulas. É um ponto
de grande importância para a calibração hidráulica dos modelos.
Segundo Heller e Pádua (2010), no processo de calibração é sempre
necessário que haja ajustes na rede, pois por mais que um algoritmo de cálculo possa
ser rápido e preciso, jamais será possível representar fielmente as situações reais
mediante de um método computacional sem haver deficiências, devido à incapacidade
de medir as condições exatas de campo. A admissão de uma série de condições
teóricas é necessária onde envolvem os cálculos em condutos forçados, que
certamente diferem da realidade, como os valores atribuídos para a rugosidade
interna de condutores, valores de consumo e distribuição desse consumo etc.
2.5 Problematização da área de estudo
Nos estudos apresentados por Jericó, Fernandes e Silva (2013), verificou-se
que o crescimento exacerbado da demanda na cidade de Várzea Alegre - Ceará nos
últimos anos, acentuou os problemas de pressão baixa em alguns pontos de consumo
da rede de abastecimento de água na cidade, uma vez que esta foi projetada e
implantada em um período em que não era tão solicitada. Isso exigiu cada vez mais
adaptações e mudanças na forma de expansão da rede de água, executada
possivelmente sem planejamento prévio, e mudanças na operação da rede de
abastecimento de água. Estes dados foram comprovados por medições em campo
realizado pela ARCE (Gráfico 1).
27
Gráfico 1 - Monitoramento da pressão com a instalação às 8:42 horas do dia 19/07/2016 e retirada às
12:42 horas do dia 20/07/2016, do aparelho datalogger, no endereço localizado na Rua: Inácio
Gonçalves da Costa, nº 115 – Bairro: Riachinho – Várzea Alegre/CE.
Fonte:<http://www.arce.ce.gov.br/index.php/relatorios-de-fiscalizacao-saneamento/sistemas-
de-abastecimento-de-agua/category/203-varzea-alegre>, acesso em 12 de novembro de 2016.
Ao analisar a simulação do modelo base, vemos que as pressões nas
tubulações secundárias (com diâmetros de 50 mm), em sua grande maioria, estão
inferiores a 10 mca, valor mínimo recomendado (NBR 12.218,1994), que podem ter
sido causadas pelo crescente número de cadastros na rede, pela demanda com alta
variabilidade na escala diária e mensal, e por possíveis vazamentos no SAA.
As perdas de cargas geralmente têm valores maiores em tubulações de menor
diâmetro, com valor máximo de 8 m/km como sugerido por alguns autores (TSUTIYA,
2006), mas chegam a 25 m/km nas tubulações de FoFo com diâmetros de 200mm
(JERICÓ, 2012), isso ocorre provavelmente devido ao grau de envelhecimento dos
condutos ou possíveis defeitos na rede de água, como juntas desalinhadas,
incrustações etc.
Existem várias dificuldades na calibração de redes de abastecimento de água
devido às inúmeras variáveis e equações envolvidas no processo. Como o EPANET
utiliza uma série de fórmulas para cálculo de perda de carga entre outras diversas
funcionalidades, contém um grupo de ferramentas de cálculo para auxílio a simulação
hidráulica, (ROSSMAN, 2008) que podem facilitar a calibração do modelo.
28
3 METODOLOGIA
3.1 Instrumentos de Coleta de Dados
Através do diagnóstico apresentado por Jericó (2012), foram obtidos diversos
dados a respeito da infraestrutura e funcionamento da rede, como ilustrado na Figura
7.
Figura 7 - Esquema de rede da cidade de Várzea Alegre, Ceará, com a disposição de pressão por nó.
Fonte: JERICÓ, 2012.
A figura 7 representa a simulação do modelo da rede de distribuição de água
ás 12 horas, a partir da legenda de pressões nos nós podemos identificar as áreas
com pressões insuficientes.
Além do trabalho de Jericó (2012), a ARCE – Agência Reguladora de Serviços
Públicos Delegados do Estado do Ceará – disponibiliza dados atuais acerca do
funcionamento da rede em seus relatórios de fiscalizações, apresentando o problema
de pressão na rede.
29
Estes relatórios serão fundamentais para calibração da rede, já que devido à
falta de detalhamento quanto aos dados de entrada fornecidos pela CAGECE, como
o padrão de consumo horário, nível do reservatório associado às pressões
observadas e rugosidade da tubulação, o modelo não pôde representar corretamente
a variabilidade das pressões (JERICÓ, 2013).
Portanto, a necessidade de dados mais detalhados de consumo de água e
pressões impossibilita a real calibração do modelo hidráulico, restando apenas uma
aproximação da real situação, relacionando com os dados coletados nos relatórios da
ARCE.
Na Tabela 1 a seguir, estão os resultados do relatório mais recente, com
pressões abaixo do preconizado por norma geralmente nas áreas periféricas da
cidade, prováveis áreas de expansão da rede, como podemos perceber na Figura 8,
o mapa da área de estudo.
Figura 8 – Cidade de Várzea Alegre – CE.
Fonte: <https://www.google.com.br/maps/@-6.7936453,-39.2986746,2838m/data=!3m1!1e3>, acesso
em 08 de dezembro de 2017.
30
Tabela 1 - Resultados das medições instantâneas de pressão disponível na rede de distribuição,
realizadas pela ARCE no dia 19/07/2016.
Fonte:<http://www.arce.ce.gov.br/index.php/relatorios-de-fiscalizacao-saneamento/sistemas-de-
abastecimento-de-agua/category/203-varzea-alegre>, acesso em 12 de novembro de 2016.
Por meio destas fontes de dados utilizados como ponto de partida para
avaliação de possíveis intervenções físicas, será feito a modelagem e calibração da
rede, com um plano específico de desenvolvimento, que será apresentado no tópico
a seguir.
3.2 Plano de Modelagem
Para analisar o potencial da rede nesse trabalho serão estudados três casos
de simulação iniciais para obter os valores de pressão desejados:
Simulação 1: Substituição de tubulação: serão substituídas as tubulações
principais em pontos específicos da rede por tubulações com diâmetros
maiores, a fim de diminuir a perda de carga e elevar a pressão nos pontos de
consumo à montante.
Simulação 2: Adição de um reservatório elevado: será adicionado um
reservatório elevado em um ponto de cota topográfica elevada e próxima às
áreas onde houver problemas de pressão baixa.
Simulação 3: Adição de um reservatório elevado e substituição de tubulação:
no caso dos métodos adotados anteriormente serem insuficientes para
31
regularizar as pressões nos pontos de consumo, serão aplicados os dois
métodos citados anteriormente simultaneamente.
3.3 Análise do comportamento da rede
Para encontrar as intervenções mais efetivas para o caso, foi feito uma análise
geral do comportamento da rede em relação à pressão e perda de carga. Simulando
a rede nas suas condições iniciais foi verificado que havia apenas duas áreas onde
as pressões são insuficientes, velocidades excessivas em uma dessas áreas e perda
de carga em diversos trechos, principalmente em condutos principais de FoFo.
As áreas que apresentaram pressões baixas são correspondentes ao Bairro
Centro, com apenas dois nós irregulares que variam de 8,01 mca à 9,53 mca às 10:00
horas (horário de maior consumo neste caso), e o Bairro Riachinho, com toda a sua
área apresentando pressões irregulares, que variam de 2,57 mca à 0 mca às 10:00
horas. No Bairro riachinho também estão as velocidades excessivas. As perdas de
carga estão constantemente presentes nos Bairros Centro e Riachinho, mas também
são encontradas nos Bairros Patos e Varjota.
Observado minunciosamente o comportamento da rede, foi identificado uma
anomalia no Bairro Riachinho, apresentando valores extremos de pressão no nó 80,
e também de velocidade e perda de carga no trecho 81, à jusante deste nó. A
rugosidade deste trecho é muito elevada em comparação às demais, não sendo
especificado seu material, o que dificulta a adequação dos dados do trecho.
Pressupõe-se que este fato se deve a simplificação da rede de água no
processo de modelagem feito anteriormente, reduzindo o tamanho da rede ao resumir
uma área com características semelhantes das tubulações e valores de pressão.
Contudo, este trecho sobrecarrega toda a extensão da rede, visto que os
condutos à jusante estão todos apresentando problemas de pressão, velocidade e
perda de carga. Esta área provavelmente é uma área de extensão da rede de água,
feita sem dimensionamento prévio, onde talvez fosse necessário a substituição dos
condutos à jusante, aumentando o diâmetro, ou até acréscimo de um reservatório
nesta região.
3.4 Avaliação da precisão dos resultados do modelo
32
Indisponibilidade de dados prejudicaram a calibração do modelo feito por Jericó
(2012), impossibilitando a criação de um modelo mais próximo da rede real, também
influencia na execução deste trabalho.
Porém, é possível comparar os dados gerados pelo modelo acerca do
funcionamento da rede aos relatórios de fiscalizações realizados pela ARCE. Neste
processo podemos identificar os pontos em que coincidem as áreas problemáticas e
onde essas áreas não puderam ser representadas corretamente pelo modelo.
A partir desta comparação serão feitas as simulações, dando prioridade às
áreas problemáticas representadas pelo modelo, mas verificando também se as
modificações realizadas geraram impactos positivos nas áreas que não puderam ser
representadas, dando maior segurança aos resultados.
3.5 EPANET 2.0
O modelo de simulação hidráulica escolhido para efetuar este estudo foi o
EPANET 2.0, desenvolvido pela United States Environmental Protection Agency
(USEPA). Em seu ambiente gráfico integrado é possível editar e criar cenários a
modelar e dados descritivos da rede, realizar simulações de qualidade da água e
hidráulicas, examinar modelos e visualizar os resultados em vários formatos. Apoiado
nisso, é possível examinar mapas da rede de acordo com os códigos de cores
disponíveis e a partir dos resultados obtidos, criar tabelas, desenhar gráficos em séries
temporais entre outros, e ainda produzir relatórios específicos (energia, calibração e
reação).
As funcionalidades desse software se encaixam perfeitamente aos objetivos
visados, pois este também foi utilizado para realização dos estudos anteriores. A
obtenção de valores de vazão e pressão em componentes da rede individualmente,
de altura de água em reservatórios, de nível variável e de concentração de espécies
químicas através da rede, não servem somente para a calibração de sistemas de
distribuição de água, mas também para análise de estratégias e alternativas de
gestão.
Portanto, criado para ser uma ferramenta de apoio a análise de sistemas de
distribuição, o EPANET 2.0 contribui no sentido de aprimorar o conhecimento do
destino dos constituintes da água e de seu transporte (ROSSMAN, 2008).
33
4 RESULTADOS
4.1 Avaliação da Simulação 1
O Bairro Riachinho é a área em que foram encontrados maiores problemas de
pressões, que chegaram a 0 mca ás 10:00 horas em quase todos os nós. Nesta área
também se encontra o nó com maior consumo corrente, o nó 80, pois corresponde a
simplificação de uma parte da rede, como foi dito anteriormente. Já o Bairro Centro
apresenta dois nós problemáticos, correspondentes ao nó 12 e o nó 13. Na Figura 10
está a representação destas áreas no modelo base.
Figura 10 – Representação das áreas com pressão mais baixa da rede, e representação do nó 80.
No Gráfico 2 a seguir é ilustrado o comportamento das pressões nos nós 12,
13, 75, 76, 77 e 80, antes das intervenções.
34
Gráfico 2 – Variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, áreas: Bairros Riachinho e Centro.
Note que a partir das 4:00 horas a pressão nos nós já sofrem baixas
significativas, onde essas baixas são mantidas até as 17:00 horas. O nó 12 se mantem
com pressões a baixo de 10 mca em todas as horas do dia, mas também com baixas
entre as 4:00 e 17:00 horas. O nó 80 se manteve com pressão nula em toda a
simulação.
Para a realização das intervenções nessas áreas foi preciso inicialmente
reconhecer as tubulações principais que abastecem os locais com pressões baixas,
facilmente encontrados através do traçado da rede. Os nós problemáticos do Bairro
Centro encontram-se num percurso de condutos principais que seguem do
reservatório elevado ao Bairro Riachinho, sendo este percurso ideal para fazer as
modificações, pois alcança as duas áreas problemáticas e também influencia numa
vasta região central da cidade as quais abastece.
Na Figura 11 a seguir é indicado os trechos nos quais serão feitas as
intervenções nas tubulações, substituídos por tubos com maiores diâmetros.
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Pre
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(m
)
Horas do dia
Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima
35
Figura 11 – Indicação dos trechos a serem modificados.
Nessa intervenção foram substituídos os condutos principais de 200 mm e 150
mm de diâmetros de FoFo e 100 mm de diâmetros de PVC por condutos de 300 mm
dos mesmos materiais. A Tabela 2 a seguir traz mais detalhes sobre as modificações.
Tabela 2 – Segmento de trechos com diâmetros modificados.
Trecho Material Diâmetro atual (mm) Diâmetro modificado (mm)
Condutos principais
154 FoFo 200 300
10 FoFo 200 300
11 FoFo 200 300
14 FoFo 150 300
15 FoFo 150 300
16 FoFo 150 300
17 FoFo 150 300
76 PVC 100 300
77 PVC 100 300
36
Na Figura 12 a seguir podemos ver o comportamento da rede após as
modificações.
Figura 12 – Simulação com modificação nos diâmetros dos condutos principais ás 12:00 horas.
Em comparação aos valores apresentados anteriormente na Figura 10, as
pressões nos nós aumentam consideravelmente e as perdas de carga diminuem nos
condutos principais substituídos. Há também uma resposta positiva nas áreas
correspondentes aos Bairros Patos e Betânia. Os valores de perda de carga mais
elevados encontravam-se nos Bairros Riachinho, todavia, em todo o percurso
modificado as perdas de carga estavam acima de 8m/km.
A Tabela 3 a seguir mostra os valores de perdas de cargas simulados em
comparação aos valores anteriores do modelo base.
37
Tabela 3 – Valores de perdas de carga simulados em comparação aos valores atuais.
Trecho Material Perda de carga anterior (m/km)
Perda de carga simulada (m/km)
Comprimento (m)
154 FOFO 11,22 1,86 113
10 FOFO 10,22 1,72 57,6284
11 FOFO 9,04 1,66 51,047
14 FOFO 24,09 0,86 289,1879
15 FOFO 15,41 0,65 295,4402
16 FOFO 16,16 0,59 250,2312
17 FOFO 15,30 0,56 101,3211
76 PVC 77,30 0,39 140,3856
77 PVC 76,16 0,38 59,1917
Nos trechos onde foram feitas as intervenções os valores de perda de carga
sofrem uma grande redução, porém, ainda existem trechos que apresentem valores
elevados no Bairro Riachinho.
As pressões baixas ainda são encontradas nas áreas problemáticas,
principalmente no Bairro Riachinho. Nos nós 12 e 80, não houve variação significativa.
No Gráfico 3 é apresentado a variação de pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80
após as intervenções.
Gráfico 3 – Pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80 após as intervenções.
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TPre
ssão
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)
Horas do dia
Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima
38
A variação de pressão nos nós 75 e 76 é praticamente a mesma, se mantendo
na faixa de 34 mca, onde antes variavam entre 24 mca e 0 mca. Nos nós 12 e 13 não
houve muita variação de pressão em relação ao modelo base, o nó 12 não alcançou
o valor mínimo recomendado por norma. O nó 77 apresentou variação de pressão
entre 26 e 11 mca, estando de acordo com a NBR 12.218 de 1994. No nó 80
permaneceram as pressões de 0 mca.
Portanto, apenas modificações nos condutos principais não são suficientes
para corrigir os problemas existentes de pressão, inclusive perdas de carga, devido à
sobrecarga que o nó 80 gera na rede.
Dando prosseguimento ás simulações, decidimos substituir também alguns
condutos secundários para poder alcançar mais nós com pressões baixas, devido à
proximidade dos resultados encontrados ao objetivo deste estudo.
Na Tabela 4 a seguir são informadas as modificações dos condutos principais
e secundários dos trechos escolhidos.
Tabela 4 – Segmento de trechos com diâmetros modificados.
Trecho Comprimento (m) Material Diâmetro atual
(mm) Diâmetro
modificado (mm)
Condutos principais
154 113 FoFo 200 300
10 57,6284 FoFo 200 300
11 51,047 FoFo 200 300
14 289,1879 FoFo 150 300
15 295,4402 FoFo 150 300
16 250,2312 FoFo 150 300
17 101,3211 FoFo 150 300
76 140,3856 PVC 100 300
77 59,1917 PVC 100 300
Condutos secundários
78 58,05 PVC 75 300
79 109,5393 PVC 75 200
80 286,2395 PVC 50 75
81 170 PVC 50 150
Na Figura 13 é indicado todos os trechos com substituição de tubulações.
39
Figura 13 – Trechos com diâmetros modificados.
Após estas intervenções foram obtidos os resultados desejados, alcançando
valores de pressão a cima de 10 mca em todos os nós da rede. A pressão mínima
encontrada foi de 10,61 mca, às 10:00 horas no nó 12. O Gráfico 4 mostra os
resultados das pressões nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80.
Gráfico 4 – Variação da pressão nos nós 12, 13, 75, 76, 77 e 80, após intervenções adicionais.
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Pre
ssão
(m
)
Horas do dia
Nó 12 Nó 13 Nó 75 Nó 76 Nó 77 Nó 80 Pressão mínima
40
Na Figura 14 a seguir temos o modelo simulado as 10:00 horas após as
intervenções. É possível perceber que ainda são encontrados trechos com perda de
cargas elevadas em condutos secundários de PVC.
Figura 14 – Modelo simulado após as intervenções adicionais.
Contudo, o fator principal considerado neste trabalho são os valores de
pressão, que passaram a estar em conformidade com a NBR 12.218 de 1994.
Apesar de bem-sucedida, existe um ponto negativo nestas modificações: o
transtorno que a obra pode causar a população. Os condutos a serem modificados
vão desde o reservatório principal até o Bairro Riachinho totalizando 1.982 metros de
tubos, e para isso seria necessário a paralização da operação de rede numa vasta
área da cidade durante a obra, inclusive interditar as vias durante o processo. Seria
necessário haver um planejamento detalhado de execução da obra, com realização
rápida, algo muito raro em obras públicas.
41
4.2 Avaliação da simulação 2
A escolha do local para adicionar o reservatório de nível fixo 2 (RNF 2) foi
próximo ao nó 78 no Bairro Riachinho, com cota topográfica de 330 metros (em
relação ao nível do mar), nó com maior cota na área. O RNF 2 tem altura de 18 metros
a partir da cota do nó 78, tendo nível de água de 348 metros. Desta forma o RNF 2
tem as mesmas características do RNF, já existente no modelo base. Foi utilizada
uma tubulação de conexão à rede de 3 metros de comprimento, com diâmetro de 300
mm. Não foram modificadas tubulações para inserção do reservatório, sendo
conectado aos condutos secundários de 75mm. Na Figura 15 é ilustrado a simulação
com adição do RNF 2.
Figura 15 – Simulação 2: Resultados após adição de RNF 2.
A inserção do RNF 2 aumentou a pressão nas tubulações, causando certo
impacto nas pressões dos nós entre os reservatórios e com cotas mais baixas, porém,
não foram suficientes para corrigir todos os problemas de baixa pressão nos nós. Os
nós 80 e 12, às 10:00 horas, continua com pressões abaixo do preconizado por norma.
Os demais nós alcançaram valores de pressão acima de 10 mca, valor mínimo
preconizado por norma. As perdas de carga elevadas continuam presentes na rede
42
de água em alguns trechos, no entanto, as melhorias neste aspecto ainda são
notáveis, como mostra a Figura 16.
Figura 16 – Valores de pressão e perda de carga no modelo base (A), em comparação às simulada
após as intervenções (B).
43
Observando os valores na legenda nas imagens, é notável que as áreas
correspondentes aos Bairros Centro, Patos e Betânia também tiveram melhorias
consideráveis, com valores de pressão maiores e perdas de carga bem menores.
Apesar da diminuição, as perdas de carga não apresentam valores tão bons
quanto os da simulação 1. Em suma, esta intervenção teve impacto positivo na rede,
porém, ainda estão presentes valores de pressão baixa em alguns pontos da rede.
Portanto, apenas a adição de um RNF na rede não é suficiente para erradicar os
problemas de pressão baixa.
Todavia, devemos lembrar que o modelo base é uma versão simplificada da
rede de água real, e não ela em sua totalidade. Não se pode desconsiderar a eficácia
desta intervenção pois pode haver um ponto não ilustrado no modelo onde a adição
de um RNF seja eficaz em relação ao objetivo deste estudo.
4.3 Avaliação da simulação 3
Esta simulação tem como base os resultados da simulação 2, sendo feita a
análise dos nós que ainda apresentaram pressões inferiores ao recomendado pela
NBR 12.218 de 1994 após a adição do RNF 2 e, por conseguinte, a escolha dos
trechos a serem modificados, tendo o mesmo posicionamento e comprimento, com
mudança apenas nos diâmetros.
Além de condutos principais, também foram escolhidos condutos secundários,
de modo a aumentar a pressão no ponto mais problemático da rede, o nó 80.
A Tabela 5 a mostra os trechos selecionados e suas alterações.
Tabela 5 – Trechos com diâmetros modificados. Simulação 3
Trecho Comprimento (m) Material Diâmetro atual
(mm) Diâmetro
modificado (mm)
154 113 FoFo 200 600
10 57,6284 FoFo 200 600
78 58,05 PVC 75 400
79 109,5393 PVC 75 400
81 170 PVC 50 400
44
Para o posicionamento e configuração do RNF desta simulação, seguimos o
princípio da simulação 2, utilizando o mesmo RNF, o RNF 2
A Figura 17 mostra a localização dos trechos modificados na rede, sendo os
trechos 154 e 10 representados em vermelho no Bairro Centro e o restante
representado em amarelo no Bairro Riachinho.
Figura 17 – Trechos modificados na simulação 3.
Foram escolhidos tubos com diâmetros maiores, de 600 mm e 400 mm, visando
alcançar pressões mais elevadas nas áreas próximas aos reservatórios, sendo estas
as áreas com pressões insuficientes representadas no modelo, e também para
diminuir a quantidade de trechos com modificações.
A Figura 18 ilustra os resultados da simulação da rede após as alterações
propostas nessa intervenção.
45
Figura 18 – Simulação 3, resultados após as modificações propostas.
O resultado desta simulação se mostrou suficiente para atender os objetivos
deste estudo. A pressão mais baixa encontrada foi de justos 10 mca no nó 12,
mantendo-se constante durante toda a simulação.
Houve uma grande redução na variação da pressão nos nós em geral, tendo
valores quase nulos, pois a adição de um reservatório seguido da mudança de
algumas tubulações para melhor distribuição das pressões gerou um equilíbrio das
pressões dos nós da rede de água em geral.
Nota-se também que em outros pontos com mca irregular apresentados nos
estudos anteriores de Jericó e nos relatórios da ARCE tiveram melhorias nos valores
de pressão e perda de carga consideráveis. Desta forma, os resultados dessa
intervenção alcançam tanto as problemáticas encontradas no modelo criado, quanto
as que não puderam ser representadas no modelo.
A variação da pressão analisada nos nós, 13, 75, 76, 77 e 80 mostrou-se com
valores insignificantes durante a simulação, sendo praticamente estáticos. O nó 13
próximo dos 12 mca, os nós 75 e 76 próximos a 34 mca, o nó 77 na faixa de 30 mca
e o nó 80 próximo a 22 mca.
46
As Figuras 19 e 20 a seguir mostram os valores de perda de carga e velocidade
na rede, respectivamente.
Figura 19 – Valores de perda de carga. Simulação 3
Figura 20 – Valores de velocidades. Simulação 3
47
Note que apenas 5 trechos representados na Figura 20 estão com valores
excessivos de perda de carga, nos quais todos os trechos são de PVC. O maior valor
foi de 8,84 m/km no trecho 28.
Entretanto as velocidades ficaram na sua maioria a baixo do valor
recomendado por norma de 0,6 m/s, sendo este o ponto negativo da simulação,
apesar de que, este não é o foco do estudo. Contudo, os valores de velocidades não
tiveram grandes melhorias nas simulações realizadas.
Outro resultado importante desta simulação é a metragem de condutos a serem
substituídas, totalizando 509 metros, bastante inferior em relação a simulação 1. Isso
influencia na diminuição do período de paralização da rede, e da obstrução das vias
durante a obra, causando menos transtornos à população.
48
5 CONCLUSÃO
Este estudo contribui no sentido de propor intervenções físicas na rede de
distribuição de água da cidade de Várzea Alegre, CE, visando a adequação dos
valores de pressão nos pontos de consumo. Para isso, adotamos três possíveis
cenários de simulação hidráulica, sendo a simulação 1 com modificação de diâmetros
dos condutores, a simulação 2 com adição de um reservatório elevado e a simulação
3 as intenções da simulação 1 e 2.
O trabalho de simulação realizado na rede de distribuição de água alcançou os
objetivos estabelecidos inicialmente nas simulações 1 e 3. As intervenções na
simulação 2 se mostraram insuficientes na correção dos problemas de pressão em
todos os nós. Por outro lado, esta simulação foi de grande importância para avaliação
e comparação do comportamento da rede de água em relação as outras simulações.
Após analisar os valores de pressão na simulação 2 ficou evidente os nós da rede que
necessitavam de maior atenção na análise na simulação posterior.
As simulações 1 e 3 apresentaram valores de pressão de acordo com o exigido
por norma, tendo pressão mínima de 10mca, foram obtidos por aumento dos
diâmetros das tubulações e pelo acréscimo de um reservatório elevado com 18 metros
de altura, principalmente. Essas intervenções geraram diminuição das perdas de
carga e aumento da pressão nos nós.
Na simulação 1 com mudança apenas nas tubulações, foi necessária a
modificação de 1.982 metros de tubos. Apesar dos resultados positivos, tal
modificação poderá causar vários transtornos à população urbana além de ser mais
dispendioso do ponto de vista técnico e econômico. Assim, os impactos que a obra
causaria à população seria uma grande desvantagem por depender de uma vasta
área central da cidade interditada e sem acesso água durante a execução da obra.
Em relação aos valores de pressão nos nós analisados, foram obtidos valores
semelhante nas simulações 1 e 3, porém, a variabilidade da pressão foi menor na
última simulação, com valores quase estáticos uma vez que com adição de outro
reservatório existe um equilíbrio de carga entre os dois reservatórios.
A adição do reservatório na simulação 3 reduziu a necessidade de substituição
de vários tubos na rede de distribuição de água com 1.473 m a menos que na
simulação 1. Com isso, os supostos transtornos que a modificação das tubulações na
simulação 1 causaria à população seriam reduzidos drasticamente na simulação 3,
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cerca de 74,3% a menos de tubos a serem modificados. Dessa forma, a simulação 3
foi identificada como a melhor opção de intervenções físicas na rede. Uma obra em
menor escala, bem menos impactante à população quando comparado com as
intervenções propostas pela simulação 1 e com resultados semelhantes entre ambas.
A simulação 3 ainda pode eventualmente ser melhorada caso o local sugerido para
implantação do novo reservatório não seja o mais adequado, pois pode haver um
ponto não ilustrado no modelo mais adequado para isso.
Embora a utilização do software EPANET 2.0 tenha mostrado eficiência e
utilidade nas simulações da rede de distribuição de água da cidade de Várzea Alegre,
se faz necessário dados mais atualizados e precisos para melhor validação do modelo
e uma posterior adequação.
REFERÊNCIAS
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