UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE ENGENHARIA CIVIL ANDERSON LUIZ FRANCIO

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1 UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSE ENGENHARIA CIVIL ANDERSON LUIZ FRANCIO CONTROLE E REDUÇÃO DE PERDAS DE ÁGUA NO DISTRITO DE MEDIÇÃO E CONTROLE (DMC 3) LAGES (SC) 2018

2 ANDERSON LUIZ FRANCIO CONTROLE E REDUÇÃO DE PERDAS DE ÁGUA NO DISTRITO DE MEDIÇÃO E CONTROLE (DMC 3) Projeto de estágio supervisionado submetido à Universidade do Planalto Catarinense para obtenção dos créditos de disciplina com nome equivalente no curso de Engenharia Civil. Orientação: Prof.ª Msc. Adriana Berlanda LAGES (SC) 2018

3 RESUMO FRANCIO, Anderson Luiz. Controle e Redução de perdas de água no distrito de medição e controle f. Graduação em Engenharia Civil (Relatório de Estágio) Universidade do Planalto Catarinense, Lages, SC, No sistema de abastecimento de Lages/SC, a quantificação das perdas de água era somente calculada com base no indicador percentual IN049, que relaciona o volume disponibilizado (macromedido) com o volume micromedido, esse índice geral da cidade é de aproximadamente 50%. No saneamento básico, a gestão operacional está em processo de evolução, principalmente com ações de controle e redução de perdas de água e eficiência energética. O estudo tem como objetivo abordar as vantagens da modelagem hidráulica no processo de setorização com o levantamento das perdas de água, conforme o balanço hídrico IWA (International Water Association) no distrito de medição e controle 3. A metodologia utiliza dados hidráulicos, comerciais e topográficos do setor de abastecimento. Com a modelagem hidráulica, foi possível identificar as principais fragilidades no abastecimento de água e direcionar as principais ações, como por exemplo, a gestão de pressão. Foram atingidos resultados substanciais com a instalação de válvula redutora de pressão e controle das pressões e vazamentos de água no DMC 3. Palavras-chave: Modelagem Hidráulica. Balanço Hídrico. Sistema de Abastecimento. Macromedição. Micromedição. Distritos de medição e controle. ABSTRACT FRANCIO, Anderson Luiz. Control and Reduction of water losses in the district of measurement and control f. Graduation in Civil Engineering (Report of Scholarship) Santa Catarina State University, Lages, SC, In the Water Supply System of Lages/SC, the quantification of water losses only was done of the basis on the percentage indicator associated the volume available (macromeditor) with the volume micrometer, this index is 50%. In basic sanitation, operational management is in the process of evolution, mainly with actions to control and reduce water losses and energy efficiency. The study aims to address the advantages of hydraulic modeling in the sectorization process and the survey of water losses, according to the IWA (International Water Association) water balance in the district of measurement and control 3. The methodology uses hydraulic, commercial and topographic data of the supply sector. With hydraulic modeling, it was possible to identify the main fragilities in the water supply and to direct the main actions, such as pressure management. Substantial results have been achieved with the installation of the pressure reducing valve and pressure control and water leaks in the DMC 3. Key-words: Hydraulic Modeling. Water Balance. Supply System. Macromediation. Micromediation. Districts of Measurement and Control.

4 LISTA DE FIGURAS Figura 01 Variação das pressões ao longo de sete dias na rua Padre José Maurício Figura 02 Variação das pressões ao longo de sete dias na Heitor Vila Lobos Figura 03 Configuração atual da área de abastecimento...15 Figura 04 Tempo de funcionamento da estação de recalque (ERAT-08) Figura 05 Distritos de Medição e Controle no setor de abastecimento da ERAT Figura 06 Vista superior da caixa retangular em alvenaria, com detalhe no medidor de vazão Carretel Wafer MS 1000 e o conversor de dados ML Figura 07 - Variação diária do consumo de água Figura 08 Mapa de pressões no setor de abastecimento da Erat Figura 09 Indicação dos nós que foram comparados com dados de levantamento em campo Figura 10 - Correlação entre Medidas simuladas e observadas no relatório de calibração do EPANET Figura 11 - Comparação das médias de pressão dos nós analisados Figura 12 Comparação da vazão média durante 24 horas na tubulação de entrada do DMC Figura 13 Comparação entre dados de vazão em 24 horas Figura 14 Indicação do subsetor da área da VRP (vermelho) Figura 15 Comparação das pressões do DMC 3 antes (esquerda) e depois (direita) da instalação da VRP Figura 16 - Análise do Nó 15, utilizado para calibração da VRP

5 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABENDE ABNT DMC ERAT IFSC IWA R1,R14. MCA SAA SEMASA SNIS VNV VRP Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos Associação Brasileira de Normas Técnicas Distrito de Medição e Controle Estação de Recalque de Água Tratada Instituto Federal de Santa Catarina International Water Association Reservatórios Metros de Coluna d água Sistema de Abastecimento de Água Secretária Municipal de Águas e Saneamento Básico Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento Vazamentos não visíveis Válvula Redutora de Pressão

6 SUMÁRIO 1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA OU OPORTUNIDADE HISTÓRICO DA EMPRESA RELATO DAS OBSERVAÇÕES ELABORAÇÃO DO PROJETO TEMA PROBLEMÁTICA Dados ou informações que dimensionam a problemática Limites do projeto JUSTIFICATIVA Oportunidade do projeto Viabilidade do projeto Importância do projeto OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos específicos REVISÃO DA LITERATURA PERDAS DE ÁGUA BALANÇO HÍDRICO SISTEMA DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DE LAGES- SC SETOR DE ABASTECIMENTO DA ESTAÇÃO DE RECALQUE DE ÁGUA TRATADA (ERAT-8) Distrito de Medição e Controle (DMC) Distrito de Medição e Controle Método da Mínima Noturna... 18

7 3.4.4 Modelagem Hidráulica METODOLOGIA DELINEAMENTO DA PESQUISA DEFINIÇÃO DA ÁREA INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS PLANO DE ANÁLISE DE DADOS RESULTADOS E DISCUSSÕES DETERMINAÇÃO DO MÉTODO DA MÍNIMA NOTURNA DMC APLICAÇÃO DA MODELAGEM HIDRÁULICA NO DMC CRONOGRAMA CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA... 33

8 7 1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA OU OPORTUNIDADE O Brasil tem uma das maiores reservas hídricas do mundo. Porém nos últimos anos, a falta de água é uma realidade em várias regiões do país. Em 2014, a região Sudeste, sofreu a maior crise hídrica da história (MAGALHÃES, 2018). Diante desta situação, as companhias de água, ainda sofrem com a ineficiência em seus serviços, como as perdas de água em grandes volumes nos sistemas de abastecimento. Segundo a International Water Association, IWA (2002), as perdas em sistemas de abastecimento de água tornaram-se uma das principais preocupações das companhias de saneamento no mundo todo. De acordo com dados fornecidos pelo Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento - SNIS (2013), no Brasil, estas perdas chegam a 38,8%. As perdas de água impactam diretamente no faturamento das companhias, além do mais, causam um impacto negativo à imagem das empresas perante os consumidores em geral. 1.1 HISTÓRICO DA EMPRESA A SEMASA é o órgão responsável pela administração dos serviços de saneamento básico do município de Lages. Os serviços de manutenção e operação são realizados por empresas habilitadas por meio de processo licitatório. A empresa responsável pelos serviços é a Consórcio Águas do Planalto, criada em 12/08/2015, constituída pela empresa ltajui Engenharia de Obras Ltda, com sede em Curitiba- PR. A ltajui Engenharia de Obras Ltda tem como atividades fins a construção de redes de abastecimento de água, coleta de esgoto e construções correlatas. Desempenha as funções a mais de 34 anos, com grandes obras de saneamento pelo Brasil (OBRAS, 2018). A Consórcio Águas do Planalto, está situada na Avenida Primeiro de Maio, 1700, bairro Popular, no município de Lages-SC. O estágio será realizado nas dependências da empresa, na qual está situado o departamento administrativo e operacional. 1.2 RELATO DAS OBSERVAÇÕES A empresa Águas do Planalto é responsável pelos serviços de manutenção e operação do sistema de abastecimento de água de Lages-SC. Os principais serviços de manutenção são reparos de vazamentos em redes de água e

9 8 ligações em ramais prediais, suporte e o conserto de serviços elétricos e mecânicos em estações elevatórias, extensão de redes de água e coleta de esgoto, novas ligações de água e esgoto, instalações de medidores de vazão e válvulas redutoras de pressão (VRP). Na operação do sistema, a empresa é responsável desde a captação da água no manancial, estação de tratamento de água, estações de bombeamento, armazenamento e distribuição de água, coleta e tratamento de esgoto. Na gestão das perdas de água a empresa realiza diversas ações no controle e redução. As perdas de água são divididas em perdas reais ou físicas e perdas aparentes ou comerciais. O controle da água é realizado através do balanço hídrico, pela metodologia da IWA. Nas perdas físicas às principais ações são a setorização e criação de distritos de medição e controle, acompanhamento das mínimas noturnas, gestão da pressão com auxílio da modelagem hidráulica, leitura de pressões instantâneas nos cavaletes, leituras contínuas com dataloggers, pesquisa de vazamentos não visíveis (VNV) conforme a metodologia ABENDE (Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos). No combate as perdas aparentes a empresa realiza a substituição de hidrômetros antigos, dimensionamento da primeira ligação, campanhas de caça fraudes, etc.

10 9 2 ELABORAÇÃO DO PROJETO 2.1 TEMA O controle e a redução das perdas de água no distrito de medição e controle (DMC 3) com auxílio de ferramentas como o balanço hídrico da IWA, gestão das pressões com a modelagem hidráulica e a determinação das perdas reais através do método da mínima noturna. 2.2 PROBLEMÁTICA O Distrito de medição e controle (DMC 3) é formado pelos bairros São Francisco e São Paulo, que por sua vez, são abastecidos por gravidade através do reservatório R14, localizado nas imediações do IFSC. O trabalho consiste em quantificar o percentual de perdas de água no setor e apontar medidas que possam reduzir o volume de água perdido. A área de abastecimento, é formada por locais que apresentam grandes diferenças de cotas altimétricas e consequentemente uma grande variação das pressões manométricas no abastecimento. A gestão da pressão tem como princípio a redução da mesma, porém as minimizações das flutuações da rede têm resultados mais eficazes, diminuindo a probabilidade de ocorrência de rompimentos e a frequência de rupturas nos tubos (BEZERRA, 2013) Dados ou informações que dimensionam a problemática O controle de pressão tem como finalidade diminuir as pressões, com o objetivo de garantir o fornecimento de água. Tendo como base os valores mínimos, médios e máximos, além das variações temporal e espacial. No Brasil, a norma ABNT NBR /1994 recomenda que a rede de distribuição de água seja dividida em zonas de pressão. A pressão estática máxima nas tubulações distribuidoras deve ser de 50 m.c.a e a pressão dinâmica mínima de 10 m.c.a. No distrito de medição e controle 3 foram instalados pela companhia dataloggers de pressão em dois pontos extremos para verificar as pressões (FRANCIO, 2018). O período de medição corresponde há 7 dias, devido à variação dos consumos ao longo da semana. O primeiro foi instalado na cota mais elevada de 946 metros no bairro São Francisco, na rua Padre José Maurício, esquina com a rua Dorgelo da Silva Ortiz. Pode-se observar na Figura 01 as variações de pressões ao longo do dia, obtidas a partir de sua instalação. O período de análise

11 10 acontece em um mês de inverno, com baixo consumo, ou seja, com pressões máximas críticas. O segundo datalogger foi instalado na cota mais baixa de 909 metros, final da rua Heitor Villa Lobos, Nº 15, no bairro São Paulo. A Figura 02 mostra suas leituras das variações de pressão ao longo do dia. O período de análise acontece no verão, com alta consumo, e pressões mínimas críticas. É possível perceber, na parte alta do bairro São Francisco as pressões baixas, ou seja, abaixo de 10 m.c.a, nos horários de maior consumo. Por sua vez, na parte mais baixa do bairro São Paulo, durante a madrugada, nos horários de baixo consumo, pressões elevadas, ou seja, acima de 50 m.c.a. Por essa razão, as pressões estão em desconformidade com a norma ABNT NBR /1994. Figura 01 Variação das pressões ao longo de sete dias na rua Padre José Maurício. Fonte: Águas do Planalto, Figura 02 Variação das pressões ao longo de sete dias na Heitor Vila Lobos. Fonte: Águas do Planalto, Limites do projeto O projeto consiste em realizar o controle e a redução de perdas no DMC. A análise das pressões será realizada através da modelagem hidráulica e a possível instalação de uma válvula redutora de pressão (VRP) no bairro São Paulo. Com o método da mínima noturna será possível

12 11 verificar a possível diminuição das perdas reais no distrito de medição e controle JUSTIFICATIVA O reservatório R14 é responsável pelo abastecimento no DMC 3 com cota de terreno de 964 metros. O bairro São Paulo apresenta as cotas mais baixas, com cotas médias de 912 metros na área predominantemente residencial. Segundo Bezerra (2013), considerando as ações para a gestão eficiente de perdas, o controle da pressão é uma das alternativas mais eficientes para a redução do volume de água perdido em vazamentos nos sistemas de distribuição de água. O distrito de medição e controle 3 é formado pelos bairros São Francisco e São Paulo. Estimase que o DMC abastece aproximadamente 2400 habitantes, composto por 659 ligações de água e 662 economias, sendo 612 residenciais, 35 comerciais, 08 industriais e 7 públicas (SEMASA, 2018). Dessa forma, será avaliado o atendimento das pressões conforme a ABNT NBR /1994 no abastecimento do bairro São Paulo. O estudo prevê a instalação de uma válvula redutora de pressão (VRP). Posteriormente, o levantamento do método da mínima noturna para a quantificação das perdas reais Oportunidade do projeto A principal oportunidade deste projeto é realizar o controle e a redução de 5 % das perdas de água no distrito de medição e controle 3. Sendo, a redução da pressão uma das medidas empregadas. O balanço hídrico e a mínima noturna permitem quantificar as perdas de água de forma eficiente no setor Viabilidade do projeto A viabilidade do projeto é discutida pela companhia, de forma que, torna-se um projeto pioneiro, com ações para o controle e a redução de água no setor. Nessa etapa, a gestão da pressão será uma das ações realizadas, com a análise do modelo hidráulico Importância do projeto O projeto tem extrema importância na operação para a companhia, garantindo o abastecimento de água contínuo e de qualidade para a população do DMC 3. Além disso, atender os valores de pressão conforme a ABNT NBR /1994.

13 OBJETIVOS Objetivo Geral Determinar o percentual de perdas de água no processo de setorização com auxílio da modelagem hidráulica no distrito de medição e controle Objetivos específicos Gerenciar os usos da água conforme o Balanço Hídrico IWA; Apresentar os resultados de calibração do modelo Hidráulico; Determinar através do método da vazão mínima noturna as perdas reais; Manter as pressões entre 10 m.c.a e 50 m.c.a, em conformidade ABNT NBR /1994.

14 13 3 REVISÃO DA LITERATURA 3.1 PERDAS DE ÁGUA As perdas de água em sistemas de abastecimento são influenciadas por fatores infraestruturais e de operação. Deve-se levar em conta as características hidráulicas da rede (vazão, pressão, diâmetro, cota, perda de carga, material e comprimento das tubulações) e as práticas de operação, nível de tecnologia do sistema e a experiência dos técnicos responsáveis pelos processos (BEZERRA, 2013). O balanço hídrico possibilita determinar as principais ações no controle das perdas de água. O objetivo central é o levantamento dos usos da água e as principais parcelas de perdas de água. O método da mínima noturna tem como função quantificar as perdas físicas compreendendo as especificidades na operação do sistema. 3.2 BALANÇO HÍDRICO O balanço hídrico, realizado pelo emprego da metodologia Top - Down, utiliza o volume de entrada no sistema menos o volume efetivamente consumido (IWA, 2002). No método, são realizadas estimativas das perdas aparentes, e pela diferença, tem-se as estimativas das perdas reais. Para a quantificação utilizou-se o software WB - EasyCalc, versão 5.13, autoria da IWA. É possível demonstrar a contribuição de cada parcela do balanço (Figura 01), e suas definições, (IWA, 2010 apud BEZERRA, 2013): I. Volume de entrada no sistema: volume de água, em metros cúbicos, na única entrada de água no DMC 3, que é registrado pelo medidor de vazão ao longo de um mês. II. Consumo Autorizado: é o volume de água medido e não medido por consumidores cadastrados pela empresa. Além disso, são contabilizados os volumes autorizados, porém não faturados pela empresa. Nesse caso, incluem volumes de combate a incêndio, abastecimento de caminhões pipas, alimentação de economias públicas. Em Lages, as ligações públicas municipais são isentas de cobrança. III. Perdas Aparentes: é o volume de água consumido, porém não contabilizado, ou seja, não gerou receita a companhia. As perdas aparentes são causadas por erros de medição nos hidrômetros, ligações clandestinas, fraudes nos hidrômetros e falhas no cadastro comercial.

15 14 IV. Perdas Reais: representa o volume efetivamente perdido no sistema. As perdas físicas são decorrentes de vazamentos que ocorrem nas tubulações das adutoras e redes de distribuição, nos ramais e cavaletes das ligações prediais, nas estações de tratamento de água e nos extravasamentos de reservatórios. V. Consumo faturado medido: é o volume que gera receita para a companhia de água, correspondente ao volume que efetivamente é medido pelos hidrômetros. É preciso ter cuidado para não calcular com base no volume faturado pelo setor comercial, que considera taxa mínima de 10 metros cúbicos. VI. Consumo faturado não medido: corresponde ao volume estimado devido as ligações não possuírem hidrômetros. Nesses casos, geralmente cobra-se a taxa mínima. Deve-se evitar esses casos, pois geram imprecisão no balanço hídrico. VII. Consumo não faturado medido: é o volume correspondente aos usos próprios e aos clientes que são isentos do pagamento pela água. VIII. Consumo não faturado não medido: é o consumo destinado aos consumidores que são isentos do pagamento de água e o volume não é medido, como por exemplo: combate a incêndios, caminhões pipas, etc. Para o levantamento eficiente do balanço hídrico, é necessário que mesmo que não sejam faturados, os consumos sejam medidos, por meio da instalação de hidrômetros. 3.3 SISTEMA DE ABASTECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA DE LAGES-SC A área urbana da cidade está subdividida em 19 setores de abastecimento, possui ligações de água, economias, 19 reservatórios (14 de distribuição e 5 de contato), 20 elevatórias de água e aproximadamente 780 quilômetros de redes (SEMASA, 2018). O Índice de Perdas global, com base em dados de volume distribuído de julho de 2018, é de 45,26% do volume faturado e 50,94% do volume micromedido. Estes índices estão muito acima da média do Brasil, que é de 38,10% segundo dados do SNIS Sistema Nacional de Informações sobre o Saneamento (2016), e longe dos ideais 20% segundo o IWA - International Water Association (BEZERRA, 2013).

16 SETOR DE ABASTECIMENTO DA ESTAÇÃO DE RECALQUE DE ÁGUA TRATADA (ERAT-8) Segundo a Águas do Planalto (2018), o setor de abastecimento atualmente é composto pela estação elevatória de recalque de água tratada (ERAT-8), que está localizada nas imediações da Epagri em Lages, em anexo ao reservatório R1, na qual toda a água que abastece o setor passa pela elevatória. O setor ainda conta com um reservatório de jusante, R14, localizado nas imediações do Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), com volume de 100 metros cúbicos. A área de abastecimento compreende os bairros São Francisco, São Paulo, Gralha Azul, São Pedro e parte alta do Frei Rogério (Figura 03). A elevatória de água tratada ERAT 8 possui as seguintes características: 2 Conjuntos motobomba de 20 CV (sendo 1 reserva); Acionamento por Inversor de Frequência; 2 linhas paralelas de adução até o reservatório R 14 (100mm e 150mm); Medição de vazão em TAP e Macromedidor Eletromagnético Carretel Wafer; Sucção afogada na descarga do reservatório de contato (R m³). Conforme a norma ABNT NBR 12217/1994, o tempo máximo operante de um conjunto motobomba deve ser de 16 horas. A principal função do R14 é a regularização das vazões, principalmente em períodos de alto e baixo consumo. Porém, o sistema está operando por cerca de 19 horas diariamente (Figura 04). Desta forma, o reservatório necessita de um redimensionamento. Figura 03 Configuração atual da área de abastecimento. São Paulo São Francisco Gralha Azul São Pedro Fonte: Google Earth Pro, 2018.

17 01/03/14 01/04/14 01/05/14 01/06/14 01/07/14 01/08/14 01/09/14 01/10/14 01/11/14 01/12/14 01/01/15 16 Figura 04 Tempo de funcionamento da estação de recalque (ERAT-08) 24:00:00 21:36:00 19:12:00 16:48:00 14:24:00 12:00:00 9:36:00 7:12:00 4:48:00 2:24:00 0:00:00 Tempo de Funcionamento de Bombas ERAT VIII CMB 1 MÉDIAS CMB 1 Fonte: Águas do Planalto, Distrito de Medição e Controle (DMC) As áreas que compreendem os DMCs são definidas tornando como base número de ligações de água, requisitos de pressão mínima e máxima, nível atual de vazamentos, limites do sistema de abastecimento, áreas de bombeamento e áreas de válvulas redutoras de pressão, além disso, contam com limites definidos através de estudos que identificam locais estratégicos para a implantação de medidores de vazão (SOUZA JÚNIOR, 2014). Thornton et al. (2008 apud SOUZA JÚNIOR, 2014), ressaltam que cada DMC deve ser abastecido preferencialmente a partir de um único ponto de entrada de água, uma vez que isso facilita a implantação do DMC, reduz os erros de medição de vazão, e permite uma melhor compreensão pelos operadores do sistema. Dessa forma, devem-se definir os pontos de abastecimento a partir de reservatórios de água, sendo que estes permitem equilibrar as flutuações de consumo, as pressões à jusante e o sistema adutor à montante. Segundo Souza Junior (2008 apud FARLEY et al. 2014) os principais critérios a serem utilizados na criação de DMCs são número de ligações de água, válvulas a serem fechadas, número de medidores de vazão, variações de pressão dentro da área estabelecida e limites naturais (rios, canais de drenagem, rodovias, etc.). Conforme observa-se na Figura 05, para o setor de abastecimento, foram definidos três distritos de medição e controle. Conforme os dados do setor comercial da SEMASA de janeiro de 2018, cada DMC conta com um número de economias de acordo com a Tabela 01.

18 17 Tabela 01 Número de economias para cada DMCs. DMC DMC DMC Fonte: Organizado pelo Autor (modificado), Figura 05 Distritos de Medição e Controle no setor de abastecimento da ERAT-8. DMC 03 DMC 01 DMC 02 Fonte: Águas do Planalto, Distrito de Medição e Controle 3 O distrito de medição e controle 3 é formado pelos bairros São Francisco e São Paulo. Estima-se que o DMC abastece aproximadamente 2400 habitantes, composto por 659 ligações de água e 662 economias, sendo 612 residenciais, 35 comerciais, 08 industriais e 7 públicas (SEMASA, 2018). Para o controle da vazão de água e o totalizador mensal dos volumes, existe um medidor de vazão instalado na entrada do DMC 3, um macromedidor eletromagnético Carretel Wafer, conforme Figura 06.

19 18 Figura 06 Vista superior da caixa retangular em alvenaria, com detalhe no medidor de vazão Carretel Wafer MS 1000 e o conversor de dados ML 800. Fonte: Elaborado pelo autor, Método da Mínima Noturna O método da Mínima Noturna é o mais utilizado no mundo. Ele utiliza os dados de pesquisa, testes, e inspeções a campo, como manobras, para quantificar o volume de perdas reais dentro do sistema de distribuição de água (Bezerra, 2013). O método é baseado na variação dos consumos ao longo do dia, o pico de consumo de água ocorre entre 11h00min às 14h00min e o consumo mínimo acontece entre às 03h00min às 04h00min. A Figura 07, mostra os dados gerados do macromedidor no dia 02 de outubro de 2017, por representar um consumo médio na saída do reservatório R14, que é responsável por abastecer os bairros São Francisco e São Paulo. No horário de consumo mínimo, presume-se que a maioria dos consumidores estão dormindo e os reservatórios domiciliares estão cheios e a maior parcela dessa vazão corresponde às perdas de água por vazamentos. Dessa forma, a metodologia possibilita estimar as perdas físicas no setor de abastecimento. Algumas companhias consideram o consumo mínimo nesse horário de 5 L/h por ligação (BEZERRA, 2013). A estimativa da parcela de vazamentos é realizada subtraindo esse valor da vazão mínima noturna (BEZERRA, 2013). É

20 19 fundamental saber, caso haja uma demanda excepcional durante a campanha de medição, elas devem ser levadas em conta no cálculo ou as medições devem ser desconsideradas. Figura 07 - Variação diária do consumo de água. Fonte: Águas do Planalto (Setor Comercial), Com o acompanhamento da vazão mínima noturna na telemetria, é possível o rápido conhecimento da variação significativa da vazão mínima noturna provocada por um vazamento. Nesses casos, é muito utilizado o fator de pesquisa, em que relaciona a razão entre a vazão mínima com a vazão média, conforme a equação 01, segundo Bezerra (2013). Em setores com o fator de pesquisa acima de 0,3 é necessário fazer pesquisas de vazamento. Para o cálculo das perdas reais, através do método vazão mínima noturna emprega-se as fórmulas conforme a Tabela 2. Qmínima Fator Pesquisa (01) Qmédia Tabela 02 Fórmulas utilizadas para o cálculo das perdas reais, através do método da vazão Mínima Noturna. VDPR FND Qmín VDPR - Volume Diário de Perdas Reais dado em m³/dia. Pi 24hs FND P 3às4hs Q1 P1 Q0 P0 N1 N1 FND - representa o Fator Noite/Dia sendo em h/dia; O coeficiente N1 relaciona a vazão perdida com a pressão de serviço. Fonte: Bezerra (Modificado), 2013.

21 Modelagem Hidráulica Segundo Bezerra (2013), a modelagem hidráulica nos sistemas de distribuição de água é um instrumento eficiente para o combate às perdas de água. Os modelos permitem os técnicos analisarem o impacto das possíveis estratégias de setorização e instalação de válvulas redutoras de pressão, etc., a partir de cenários previamente definidos. De forma geral, os modelos hidráulicos permitem: - Conhecer o comportamento das grandezas hidráulicas (vazão, pressão e perda de carga); - Avaliação do comportamento da qualidade da água ao longo da rede. - Estimar os valores das perdas por vazamentos nas redes hidráulicas; - Avaliar o impacto, como, por exemplo, instalação de válvulas redutoras de pressão, na redução de perdas de água e o consumo de energia; - Definição procedimentos operacionais, como por exemplo, execução de manobras; - Avaliação de ações de ampliação do sistema. Os modelos hidráulicos de redes de distribuição ainda não são uma prática estabelecida entre os técnicos das companhias de saneamento. O principal motivo é a dificuldade em montar tais modelos com a precisão necessária. O processo, exige, uma base de dados da empresa, com o cadastro das redes em meio digital, a definição dos pontos de pressão, vazão para fins de calibração do modelo. (BEZERRA, 2013). Para o processo de construção do modelo hidráulico do sistema de abastecimento de água, são necessárias seguir algumas etapas: Definição do que será modelado e qual a principal função: para a construção do modelo é necessário estar bem definido o que será modelado, um setor de abastecimento, um bairro, um loteamento ou mesmo uma cidade. Posteriormente, deverá ser definido o propósito do modelo, como estudar as perdas de água, verificações de pressão na rede ou um estudo de eficiência energética. Escolha do software a ser utilizado no modelo hidráulico: o simulador mais difundido e mais utilizado mundialmente é o software Epanet. No estudo do DMC 3, será utilizado o Epanet, por ser um software gratuito e que atende as necessidades do modelo hidráulico.

22 21 4 METODOLOGIA Segundo Rudio (1980, apud OLIVEIRA, 2011) o método científico é fundamental para validar as pesquisas e seus resultados serem aceitos. Dessa forma, a pesquisa, para ser científica, requer um procedimento formal, realizado de (...) modo sistematizado, utilizando para isto método próprio e técnicas específicas. Segundo Eco (1977) apud Oliveira (2011) complementa dizendo que, ao fazer um trabalho científico, o pesquisador estará aprendendo a colocar suas ideias em ordem, no intuito de organizar os dados obtidos. Sendo o objetivo de um trabalho científico atender a um determinado propósito pré-definido, o uso de um método específico torna-se essencial para garantir o alcance do que foi planejado. 4.1 DELINEAMENTO DA PESQUISA Segundo Gil (2002), as pesquisas exploratórias têm como objetivo proporcionar maior familiaridade com o problema, com vistas a torná-lo mais explícito ou a constituir hipóteses. Pode-se dizer que estas pesquisas têm como objetivo principal o aprimoramento de ideais ou a descoberta de intuições. Seu planejamento é, portanto, bastante flexível, de modo que possibilite a consideração dos mais variados aspectos relativos ao fato estudado. Na maioria dos casos, essas pesquisas envolvem levantamento bibliográfico, entrevistas com pessoas que tiveram experiências práticas com o problema pesquisado e a análise de exemplos que estimulem a compreensão. A pesquisa tem como objetivo abranger qualitativa e quantitativamente as perdas de água do distrito de medição e controle. Para o delineamento da pesquisa será levantado a população residente, número de ligações, economias, dados de cadastros (comprimento de rede, diâmetros, consumos mensais, etc.). A interpretação dos fenômenos, de forma qualitativa, parte das análises da gestão das pressões no DMC, para a redução das perdas de água. 4.2 DEFINIÇÃO DA ÁREA A área de projeto a ser estudada é o distrito de medição e controle (DMC 3), a qual abastece os bairros São Francisco e São Paulo. Com o trabalho a campo e o modelo Hidráulico,

23 22 busca-se o atendimento das pressões e o abastecimento de forma eficiente, compreendendo as diferenças das cotas altimétricas e as especificidades do comportamento hidráulico das redes. 4.3 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS Os dados necessários para estimar a população atendida pelo DMC 3 e os consumos dos clientes são provenientes do sistema Comercial da SEMASA. Os dados de cadastro técnicos como diâmetros de redes, comprimentos, volume do reservatório, curva de bomba e padrão de consumo são da área operacional da empresa Águas do Planalto. 4.4 PLANO DE ANÁLISE DE DADOS Inicialmente, serão construídos os modelos hidráulicos, um antes e outro após a instalação da válvula redutora de pressão (VRP). Os modelos hidráulicos são calibrados com os dados de vazão do macromedidor e por pontos de pressão instalados estrategicamente nas redes de distribuição. A vazão mínima noturna será utilizada posteriormente para a comparação dos resultados, após a instalação da válvula redutora de pressão, do ponto de vista das perdas de água e a gestão de pressão nas redes de distribuição.

24 23 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 DETERMINAÇÃO DO MÉTODO DA MÍNIMA NOTURNA DMC 3 A 1ª etapa do método foi o levantamento do coeficiente N1. O coeficiente N1 relaciona a vazão perdida com a pressão de serviço. A teoria aponta que furos flexíveis aumentam de diâmetro conforme a pressão aumenta, influenciando o valor de N1. Quanto mais rígido for o material das tubulações, menor a influência da pressão no volume perdido de vazamentos. Segundo Tardelli Filho (2006, apud GIROL, 2008), o expoente N1 é obtido a partir do fechamento do registro (manobra) de entrada de água no setor em três etapas. Ensaios realizados em diversos países chegaram aos seguintes valores para o expoente N1: 0,5 para tubos metálicos e de 1,5 a 2,5 para tubos plásticos. No levantamento em campo foi graduado o registro de entrada do DMC 3 e feitos os acompanhamentos das variações de pressão em três pontos distintos no período das 3:00h às 4:00h da manhã, que possibilitam o cálculo do coeficiente N1. Foi obtido o valor de N1 = 1,56, coerente com o expresso na literatura em relação ao tipo de material. O Fator Noite/Dia, é determinado a partir de um somatório de medições de pressão, ao longo de 24 horas, em um ponto médio representativo do setor, com grande número de ligações. Foram monitorados três pontos, com instalação de dataloggers de pressão ao longo de 24 horas, com dados a cada 15 minutos. A razão entre o somatório das pressões médias de hora em hora com as pressões das 3:00h às 4:00h elevado ao coeficiente N1, resulta no cálculo do Fator Noite/Dia, que neste DMC apresentou o resultado de 17,81 horas. Com base em acompanhamentos diários do macromedidor de vazão via sistema de telemetria do Centro de Controle Operacional da companhia, monitorados das 3:00h às 4:00h, definiu-se a Vazão Mínima Noturna média de 7,56 m³.h -1, ou 2,10 L.s -1. Considerando, em acordo com a metodologia de Bezerra (2013), o consumo aceitável de 5,0 L.h -1.lig -1, e as 659 ligações do DMC 3, obtivemos 0,91 L.s -1 de possível consumo de água pelas economias do setor neste horário. Subtraindo este valor do resultado do cálculo da Vazão Mínima Noturna resultou que o volume em vazamentos de água neste setor é de 1,19 L.s -1, ou 4,28 m³.h -1. A macromedição deste DMC em julho de 2018 foi de 12,12 m³.mês -1, e a micromedição foi de 8,02 m³.mês -1. As Perdas de Água contabilizadas foram de 4,10 m³, que equivalem a 33,84%. Portanto, aplicando a equação do VDPR (Valor Diário de Perdas Reais) chegamos ao resultado de volume perdido de 76,30 m³.dia -1, ou 2.288,94 m³.mês -1 no DMC 3, que equivale

25 24 a 55,8%. Consequentemente, a Perda Aparente de água neste período foi de 1.813,06 m³ (44,20% das perdas). 5.2 APLICAÇÃO DA MODELAGEM HIDRÁULICA NO DMC 3 O modelo hidráulico inicial foi desenvolvido na totalidade do setor de abastecimento da Erat 8. Com o modelo é possível analisar dados de pressão, vazão, velocidades, perda de carga, etc. Conforme a Figura 08, observou-se que alguns pontos apresentaram pressões dinâmicas acima do valor definido pela norma da ABNT NBR A norma preconiza pressões máximas estáticas de 50 m.c.a e pressões mínimas dinâmicas de 10 m.c.a. Figura 08 Mapa de pressões no setor de abastecimento da Erat 8. Fonte: Elaborado pelo autor, Na simulação hidráulica, após a execução do modelo, sem qualquer erro, é necessário a comparação com os dados simulados, com as situações observadas em campo, ou seja, a calibração do modelo. Os parâmetros utilizados para validação do modelo no Epanet foram os dados de pressão e vazão. Sendo assim, foram definidos cinco pontos de pressão na área do

26 25 distrito de medição e controle 3, na mesma cota dos nós apresentados no modelo, conforme Figura 09. Figura 09 Indicação dos nós que foram comparados com dados de levantamento em campo. Fonte: Elaborado pelo autor, Com a inserção dos dados de campo, é possível gerar relatórios de calibração no software de modelagem. O gráfico (Figura 10) é gerado no software de modelagem. Este compara as pressões, representando através da linha cheia a pressão simulada no modelo e os pontos de pressão observados em campo durante às 24 horas. Quanto mais próximos da linha estiverem os pontos melhor será a configuração do modelo. A tabela apresenta em números os dados dos cinco nós monitorados. Quanto mais próximo de 1 for o valor da correlação, mais fiel a realidade é o modelo. Neste caso observa-se que a correlação entre medidas deste modelo foi de 0,998.

27 26 Figura 10 - Correlação entre Medidas simuladas e observadas no relatório de calibração do EPANET. Fonte: Elaborado pelo autor, O gráfico com os histogramas, Figura 11, relaciona graficamente as médias de pressões durante 24 horas entre os dados simulados no modelo hidráulico e os coletados em campo. Na cor vermelha observa-se as colunas que expressam as informações do modelo e ao lado, em verde, os dados de campo. Pode-se observar que as diferenças são mínimas. Figura 11 - Comparação das médias de pressão dos nós analisados. Fonte: Elaborado pelo autor, A análise de pressões dos nós demonstrou que o modelo está fiel ao funcionamento do sistema em campo, validado pela correlação das informações entre as medições de pressão de campo e as simuladas no modelo. Para a comparação da vazão foi analisado o primeiro trecho a jusante do reservatório, que caracteriza o volume de água disponibilizado para este sistema. Assim como no caso das

28 27 pressões, quanto mais próxima de 1 estiver a correlação de vazão, mais fiel estará o modelo ao sistema real. A verificação do trecho apresentou uma correlação de 1,052, validando a fidelidade do modelo, Figura 12. Figura 12 Comparação da vazão média durante 24 horas na tubulação de entrada do DMC 3. Fonte: Elaborado pelo autor, O gráfico da Figura 13 apresenta a variação em 24 horas das vazões em função do perfil de consumo. A linha representa os dados de vazão simulados e os quadrados, os pontos levantados em campo pelo macromedidor, na entrada do DMC 3. Em alguns períodos do dia, existe uma pequena diferença, de 3 a 5 %, entre os valores simulados e observados. Apesar dos valores distintos, a vazão tem grande variação diária, mensal e sazonal. Dessa forma, os valores são aceitáveis. Figura 13 Comparação entre dados de vazão em 24 horas. Fonte: Elaborado pelo autor, 2018.

29 28 O modelo hidráulico permitiu a constatação de que a área mais crítica em relação a pressões elevadas fica no Bairro São Paulo. Portanto há necessidade de controle de pressões na zona baixa do DMC 3. Para isto, em reunião com a companhia de abastecimento definiu-se a instalação de uma válvula redutora de pressão na entrada do Bairro São Paulo, conforme indicado abaixo na Figura 14. Figura 14 Indicação do subsetor da área da VRP (vermelho). Fonte: Google Earth, Com a instalação da VRP, no nó apontado na Figura 15, a área do Bairro São Paulo passou a ter suas pressões dentro da faixa ideal estipulada pela NBR , conforme observado nas imagens geradas no modelo hidráulico. No bairro São Paulo, existe uma área industrial. Na Figura 15, é possível perceber pressões altas, até mesmo acima de 50 m.c.a. Porém, devido a demanda de água durante o dia, observou-se pressões mínimas nos horários de alto consumo. Esse fato, inviabilizaria a pressão de jusante na válvula redutora de pressão. Dessa forma, a área não foi contemplada no projeto da VRP.

30 29 Figura 15 Comparação das pressões do DMC 3 antes (esquerda) e depois (direita) da instalação da VRP. Fonte: Elaborado pelo autor, Novamente foi realizada uma calibração, pois a variação das pressões altera os parâmetros construtivos e hidráulicos do modelo. A confiabilidade foi mantida com base no resultado da correlação de 0,982 (próximo a 1) obtida na análise nos nós. Através do modelo hidráulico foi possível definir o ponto de trabalho ideal da VRP. Para a regulagem da válvula foi analisado o nó da cota mais elevada da área a jusante em simulação dinâmica, de forma que as pressões neste local fossem mantidas na faixa de 15 m.c.a. A válvula redutora de pressão trabalha com pressão de saída regulada em 20 m.c.a. É importante ressaltar, que caso a pressão a montante apresente-se maior que este valor, a válvula trabalha aberta. A VRP reduz pressões até 3 vezes seu valor a montante, ou seja, neste caso uma pressão de 60 m.c.a. O gráfico abaixo demonstra o resultado atingido no modelo em conformidade com os dados obtidos em campo após a regulagem desta válvula, Figura 16. Com a gestão de pressão, através da instalação da válvula redutora de pressão, a vazão mínima noturna de 2,1 L.s -1 no início do processo de setorização foi para 0,9 L.s -1. Considerando um consumo de 5 L.h -1.lig -1 das três as quatro da manhã, a vazão está em conformidade.

31 30 No processo de pesquisa de vazamentos não visíveis no DMC, a equipe encontrou um vazamento em uma rede antiga, interna a uma madeireira. A rede foi isolada e o vazamento solucionado. A pressão média no nó ficou em 15,5 m.c.a, conforme o pretendido (Figura 16). Contudo, o que mais chamou a atenção foi a excelente estabilidade das pressões. A área da VRP passou a trabalhar com pressões de 15 a 23 m.c.a. Isto reduzirá o indicador de vazamentos por quilômetros e consequentemente o índice de perdas neste DMC. Figura 16 - Análise do Nó 15, utilizado para calibração da VRP. Fonte: Elaborado pelo autor, 2018.

32 31 6 CRONOGRAMA Neste capítulo será apresentado um cronograma (Quadro 2) com as atividades detalhadas na seção colocadas aqui com as previsões de tempo necessárias para o cumprimento de cada uma delas. Quadro 2: Cronograma de atividades ITEM ATIVIDADES 1 Escolha do tema de pesquisa X 2 Revisão Bibliográfica X X X 3 Definição dos capítulos X 4 Justificativa, objetivos, problemática, metodologia X 5 Fundamentação teórica X 6 Coleta de dados do Setor Comercial X X 7 Modelagem Hidráulica X X X Jul Ago Set Out Nov Dez 8 Calibração Modelo (Dados de Campo) X X 9 Instalação VRP X 10 Elaboração dos resultados X X 11 Ajustes metodológicos, conceituais e analíticos X X Redação final, revisão linguística; formatação conforme normas ABNT Entrega do trabalho final e Desenvolvimento da Apresentação X X X 14 Apresentação do trabalho final X Fonte: Elaborado pelo Autor, X X

33 32 7 CONCLUSÃO A operação de sistemas de abastecimento de água requer uma série de análises e cuidados para otimização dos resultados, intensificados quando se busca propiciar aos clientes um atendimento satisfatório com controle efetivo de pressões, vazões e controle e redução das perdas de água. O uso da modelagem hidráulica possibilitou conhecer de forma sistemática as variáveis hidráulicas e operacionais no distrito de medição e controle 3. Dessa forma, foi possível identificar os parâmetros de pressão em desconformidade com a norma da ABNT NBR /1994. Com a instalação da válvula redutora de pressão, as pressões na área da VRP apresentam valores na ordem de 15 m.c.a à 23 m.c.a. Com redução das pressões e as variações ao longo dia foi possível reduzir a incidência dos vazamentos e principalmente as rupturas das redes de água. Dessa forma, a companhia tem uma redução nos custos das manutenções corretivas, além de proporcionar um nível de eficiência e qualidade dos serviços na distribuição de água na área de setorização da VRP. O estágio possibilitou um grande aprendizado, principalmente alinhando a teoria com a prática em campo. A área de operação no saneamento é um grande desafio as companhias de água, com eventual objetivo de distribuir água com satisfação aos clientes. Além disso, é fundamental diminuir os custos de manutenção corretiva e os gastos com as equipes nos serviços de consertos nas redes de distribuição de água. Sendo assim, a modelagem hidráulica é uma grande ferramenta no auxílio das tomadas de decisões para os técnicos de saneamento.

34 33 8 BIBLIOGRAFIA ÁGUAS DO PLANALTO. Setor de operações, projetos e CCO Lages, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12217: Projeto de reservatório de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro: ABNT, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12218: Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro: ABNT, p. BEZERRA, S.T.M.; CHEUNG, P.B. Perdas de Água: tecnologias de controle. João Pessoa: Editora da Ufpb, p. GIL, Antônio Carlos. Como Elaborar Projetos de Pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas S.A., p. FRANCIO, Anderson Luiz. Melhorias operacionais no setor de abastecimento da estação elevatória de recalque de água tratada (Erat 8) f. Graduação em Engenharia Civil (TCC 2) Universidade do Planalto Catarinense, Lages, SC, GIROL, G.V. ANÁLISE DE PERDAS REAIS EM UM SETOR DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA NO MUNICÍPIO DE CAPINZAL SC f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, INTERNATIONAL WATER ASSOCIATION. Water Management - Industry as a Partner for Sustainable Development. IWA, UNEP, United Kingdom, 60 p MAGALHÃES, Lana. Crise hídrica no Brasil Disponível em: < Acesso em: 08 fev OBRAS, Itajui Engenharia de. QUEM SOMOS Rua Natal Cecone, Ecoville, Curitiba PR. Disponível em: < Acesso em: 05 set OLIVEIRA, M.F. Metodologia científica: um manual para a realização de pesquisas em Administração / Maxwell Ferreira de Oliveira. -- Catalão: UFG, p. SECRETARIA DE ÁGUAS E SANEAMENTO (SEMASA). Sistema Comercial Lages, SISTEMA NACIONAL DE INFORMAÇÕES SOBRE SANEAMENTO (SNIS). Diagnósticos dos serviços de água e esgotos Brasília, SOUZA JÚNIOR, J.C. Distritos de Medição e Controle como ferramenta de gestão de perdas em redes de distribuição de água f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Campinas, 2014.